Dynamische Effekte in porösen Baumaterialien

Das Forschungsprojekt Dynamische Effekte in porösen Baumaterialien zielt auf die Untersuchung potentieller Ursachen der sogenannten dynamischen Effekte beim Feuchtetransport durch poröse Stoffe. Die Untersuchung wird mit Hilfe experimenteller Verfahren und durch eine Analyse auf der Porenstruktur und der damit verbundenen Feuchtetransportmechanismen durchgeführt. Eine genaue Modellierung des Feuchtetransportes in Baumaterialien ist entscheidend für die Prognose potentieller Bauschäden und erleichtert und verbessert die hygrothermische Gebäudeauslegung. Das betrifft in erster Linie Renovierungsmaßnahmen, insbesondere mit Innendämmung, die zur energetischen Verbesserung bestehender Bauobjekte notwendig sind. Diese Maßnahmen haben eine große praktische Relevanz: einerseits soll eine erweiterte Gebäuderenovierung zu einer Reduzierung des Energieverbrauchs und der CO2 Emissionen beitragen; andererseits sind feuchtesichere Lösungen zur Erhaltung denkmalgeschützter und historischer Gebäuden notwendig. Aus diesen Gründen wurde in den letzten Jahren verstärkt Forschungsarbeit zur Modellierung des Feuchtetransportes geleistet. Die zurzeit bestehenden Modelle beinhalten allerdings noch einige wichtige Einschränkungen. Die Modellansetze basieren in der Regel auf der Annahme des lokalen Gleichgewichts zwischen flüssigem WasserundWasserdampf.Neuere Forschungsergebnisse zeigen, dass diese Annahme nicht immer gültig ist. Erhebliche Abweichungen, die in der Literatur als dynamische Effekte gekennzeichnet werden, können unter gewissen Randbedingungen bei bestimmten Materialien auftreten. Eine genaue Untersuchung dieses Phänomens ist dringend notwendig und stellt die Hauptmotivation dieses Projekts dar. Aufbauend auf der an der Abteilung Bauphysik der KU Leuven (das Gastinstitut für dieses Projekt) ermittelten Ergebnissen, werden hier dynamische Effekte mittels einer Porenskala- Modellierung untersucht. Dafür werden die unterschiedlichen Phänomene, die das hygrothermische Materialverhalten beeinflussen, in charakteristische Poren-Netzwerke für eine Reihe von exemplarischen Materialien implementiert. Die Validierung des Modells wird durch Vergleich mit im Projekt ermittelten experimentellen Daten durchgeführt. Deswegen müssen hochgenaue Messverfahren entwickelt bzw. verbessert werden. Das validierte Modell wird zur Erklärung potentieller Ursachen dynamischer Effekten verwendet. Darüber hinaus, wird der Einfluss dieser dynamischen Effekte für eine Reihe von unterschiedlichen Randbedingungen bzw. Simulationsparametern quantifiziert. Das eingereichte Projekt stellt, nach der Kenntnis der Autoren, wichtige Innovationsaspekte in sowohl Modellierungs- als auch Experimentelbereich dar. Einerseits wurden dynamische Effekte bis jetzt noch nicht mittels einer Porenskala-Modellierung in Baumaterialien untersucht. Einige Studien darüber sind zwar im Bereich der Bodenwissenschaften bereit vorhanden, allerdings fordert eine Erweiterung zu den Baumaterialien komplexe Modellierungsaufgaben. Andererseits ist die experimentelle Untersuchung von dynamischen Effekten in Baumaterialien noch in seiner Anfangsphase. Die wenigen vorhandenen Studien sind auf einen begrenzten Kapillardruckbereich und auf wenige Materialien limitiert. Diese schon vorhandenen Ergebnisse zeigen dennoch, dass das Materialverhalten unter gewissen Randbedingungen von dynamischen Effekten deutlich beeinflusst werden kann. Deswegen kann dieses Forschungsprojekt zur Weiterentwicklung der Feuchtetransportmodellierung in Baumaterialien entscheidend beitragen.

Die Modellierung des Feuchtetransports in porösen Materialien ist von entscheidender Bedeutung in zahlreichen Bereichen der Wissenschaft und der Technik, wie beispielsweise der Geo-Hydrologie der Betontechnologie, und der Bauphysik. Die Baufeuchte kann direkt auf die Haltbarkeit und Nachhaltigkeit der Bauwerke auswirken sowie indirekt auf die Gesundheit und den Komfort der Bewohner. Die Korrosion von Bewehrungsstäben in Beton durch das Eindringen von Chlorid so wie der Verfall von Holzbalken durch holzzerstörende Pilze sind nur zwei Beispiele für mögliche feuchtigkeitsbedingte Schäden. Andererseits kann eine übermäßige Luftfeuchtigkeit an den Innenflächen zu Schimmelbildung führen und die Luftqualität beeinträchtigen. Das genaue Verständnis und die zuverlässige Bewertung des Feuchtetransportes in Baumaterialien sind daher sehr wichtig um schadensfreie Gebäuden zu planen und Materialien dahingehend zu optimieren. Die Verwendung numerischer Modelle zur Vorhersage des Feuchterisikos kann heute als Stand der Technik bezeichnet werden, nichtsdestotrotz, die grundlegende Kinetik der Speicherung und des Transports von Feuchte in porösen Baumaterialien wird i.d.R. nur annäherungsweise berücksichtigt. Verfügbare Modelle, die auf der Kontinuumstheorie basieren, nehmen den Feuchtetransport in porösen Materialien als ein rein diffusiven Prozess an, wobei angenommen wird, dass das Feuchtetransportpotential (Kapillardruck) unabhängig der Prozessgeschwindigkeit (Trocknungs- bzw. Befeuchtungsgeschwindigkeit) ist. Mehrere experimentelle Ergebnisse zeigen jedoch, dass diese Annahme in einigen Fällen ungenau ist. Es wurde festgestellt, dass die Prozessgeschwindigkeit den Kapillardruck maßgeblich beeinflussen kann. Die Untersuchung dieses Phänomen, welches in der Literatur als "dynamischer Effekt" bezeichnet wird, stellt das Objekt dieses Projekts dar. Aufbauend auf der an der Abteilung Bauphysik der KU Leuven (das Gastinstitut für dieses Projekt) ermittelten Ergebnissen, werden hier dynamische Effekte mittels einer Modellierung auf der Porenskala untersucht. Dafür werden die unterschiedlichen Phänomene (Kapillarabsorption, Dampfdiffusion, Kondensation und Verdampfung), die das hygrische Materialverhalten beeinflussen, in charakteristische Poren-Netzwerke für eine Reihe von exemplarischen Materialien implementiert. Zusätzlich werden Messungen an beispielhaften Materialien durchgeführt. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass dynamische Effekte sowohl auf den Saug- als auch auf den Trocknungsprozess beträchtlichen Einfluss haben können, und ermöglichen die Ursachen dieses Phänomens besser zu erkennen und zu bewerten. Schließlich werden analytische Modelle vorgeschlagen, welche das Ausmaß dynamischer Effekten als Funktion der Prozessgeschwindigkeit beschreiben unter Berücksichtigung des Einflusses der Porengrößenverteilung und Benetzbarkeit der Porenoberfläche.