Was ist Kapillarwirkung (Kapillareffekt)?
Die Kapillarwirkung (Kapillareffekt) ist das Phänomen, dass sich Flüssigkeiten in engen Röhren, Kanälen oder porösen Materialien entgegen der Schwerkraft nach oben bewegen. Dieses physikalische Phänomen begegnet uns im Alltag an vielen Stellen: dass ein Papiertuch Wasser aufsaugt, dass ein Docht die Kerze speist, dass Pflanzen Wasser von den Wurzeln zu den Blättern transportieren und – leider – dass Gebäude Feuchtigkeit vom Fundament in die Wände ziehen.
Der Begriff Kapillarwirkung stammt vom lateinischen „capillaris" (haarfein) und wurde zunächst verwendet, um den Wasseranstieg in dünnen Glasröhren zu beschreiben. In der Bauwissenschaft ist dieser Effekt der grundlegende Mechanismus, der über die poröse Struktur der Wandmaterialien dazu führt, dass Grundwasser in der Wand aufsteigt. Das ist die Wissenschaft hinter dem Problem der aufsteigenden Feuchtigkeit, und damit eine Lösung wirksam sein kann, muss dieser Mechanismus richtig verstanden werden.
In diesem Beitrag behandeln wir die physikalischen Grundlagen der Kapillarwirkung, den Wirkungsmechanismus in der Wand, die Einflussfaktoren und die daraus entwickelten Lösungsprinzipien. Für die allgemeine Definition, die Symptome und die Lösungsmethoden des Problems der aufsteigenden Feuchtigkeit können Sie auf unseren Beitrag Was ist aufsteigende Feuchtigkeit? zurückgreifen.
Physikalische Grundlage: Adhäsion und Kohäsion
Um die Kapillarwirkung zu verstehen, muss man zwei grundlegende molekulare Kräfte kennen: Adhäsion (Anhaftung) und Kohäsion (innerer Zusammenhalt).
Adhäsionskraft
Adhäsion ist die Anziehungskraft zwischen Molekülen unterschiedlicher Art. Dass Wassermoleküle an einer Glasoberfläche, an Papier oder an Ziegel haften, geschieht dank der Adhäsionskraft. Da Wasser ein polares Molekül ist, kann es mit vielen Oberflächen starke Adhäsionsbindungen eingehen. Dass sich ein Wassertropfen auf einer Glasoberfläche ausbreitet, ist das Ergebnis der starken Adhäsionsbindungen des Wassers mit dem Glas.
Kohäsionskraft
Kohäsion ist die Anziehungskraft zwischen Molekülen derselben Art. Dass Wassermoleküle aneinander haften, eine Oberflächenspannung bilden und sich zu Tropfen zusammenschließen, sind Folgen der Kohäsionskraft. Die Kohäsion sorgt dafür, dass das Wasser seinen inneren Zusammenhalt bewahrt.
Mechanismus des kapillaren Aufstiegs
Der kapillare Aufstieg erfolgt in Fällen, in denen die Adhäsionskraft größer ist als die Kohäsionskraft. In einem engen Kanal oder einer Pore haftet das Wassermolekül an der Kanalwand (Adhäsion) und zieht die nachfolgenden Wassermoleküle mit nach oben (Kohäsion). Dieser Zugvorgang setzt sich fort, bis er durch die Schwerkraft ausgeglichen wird.
Die Höhe des kapillaren Aufstiegs hängt nach den Gesetzen der Physik von folgenden Faktoren ab:
- Oberflächenspannung der Flüssigkeit (je höher, desto größer der Aufstieg)
- Kanaldurchmesser (je enger, desto größer der Aufstieg)
- Dichte der Flüssigkeit (je geringer, desto größer der Aufstieg)
- Kontaktwinkel (Indikator der Flüssigkeit-Oberflächen-Wechselwirkung)
Dieser Formel zufolge kann Wasser in sehr feinen Poren theoretisch mehrere Meter aufsteigen. Tatsächlich transportieren Bäume in der Natur das Wasser genau mit diesem Mechanismus von den Wurzeln zu den Blättern in mehreren Dutzend Metern Höhe (bei Bäumen spielt zusätzlich zur Kapillarwirkung auch die Transpiration eine Rolle).
Wie wirkt die Kapillarwirkung in der Wand?
Die Baustoffe Ziegel, Mörtel, Naturstein, Bimsstein und Beton haben auf mikroskopischer Ebene eine poröse Struktur. Diese Poren bilden Tausende kleiner Kanäle, in denen sich Wassermoleküle durch die Kapillarwirkung bewegen können.
Poröse Struktur
Ein Ziegel hat eine Porosität von etwa 20–30 %. Das bedeutet, dass zwischen einem Fünftel und einem Drittel des Ziegelvolumens aus mit Luft oder Wasser gefüllten Mikrokanälen besteht. Mörtel (Fugenmaterial) hat eine Porosität von 15–25 %. Diese Poren sind feine Kanäle mit Durchmessern im Mikrometerbereich und haben die ideale Größe, damit die Kapillarwirkung stattfinden kann.
Die Reise des Wassers
Das Wasser auf Bodenniveau kommt mit dem Wandmaterial im unteren Teil des Fundaments in Kontakt. Die Kapillarwirkung zieht dieses Wasser über die Poren nach oben. Das Wasser steigt auf, indem es von einer Pore zur nächsten übergeht und einem labyrinthartigen Weg folgt. Diese Reise ist langsam, aber kontinuierlich. Solange die Grundwasserquelle nicht unterbrochen ist, setzt sich der kapillare Aufstieg fort.
Gleichgewichtshöhe
Der kapillare Aufstieg ist nicht unendlich. In einer bestimmten Höhe entsteht ein Gleichgewicht zwischen der kapillaren Zugkraft einerseits und Schwerkraft und Verdunstung andererseits. Diese Gleichgewichtshöhe hängt vom Material der Wand, der Porengröße, der Umgebungstemperatur und den Belüftungsbedingungen ab. Typischerweise liegt diese Höhe bei Ziegelwänden zwischen 0,5 und 1,5 Metern. Unter bestimmten Bedingungen (sehr feinporiger Stein, hoher Wasserdruck, schlechte Belüftung) wurden jedoch auch Fälle berichtet, die 2 Meter überschreiten können.
Salztransport
Die Kapillarwirkung transportiert nicht nur Wasser. Das Wasser im Erdreich enthält gelöste Mineralien und Salze. Während das Wasser kapillar aufsteigt, transportiert es diese Salze mit. Verdunstet das Wasser an der Wandoberfläche, bleiben die Salze zurück und bilden eine weiße Schicht (Salzausblühungen). Diese Salze können durch Kristallisationsdruck das Wandmaterial von innen heraus sprengen. Das bedeutet, dass aufsteigende Feuchtigkeit nicht nur Nässe, sondern auch mechanische Schäden verursacht.
Faktoren, die den kapillaren Aufstieg beeinflussen
Materialporosität
Unterschiedliche Baustoffe haben unterschiedliche Porositätsgrade und Porengrößenverteilungen. Vergleicht man die Materialien hinsichtlich des kapillaren Aufstiegs, so kann Wasser in feinporigen Materialien höher aufsteigen, allerdings ist die Geschwindigkeit geringer. In grobporigen Materialien ist die Geschwindigkeit höher, der Aufstieg jedoch begrenzt. Ziegel hat eine mittlere Porosität und gehört sowohl hinsichtlich der Aufstiegshöhe als auch der Geschwindigkeit zu den für aufsteigende Feuchtigkeit anfälligsten Materialien.
Wasserdruck
Je höher der Grundwasserspiegel, desto größer der auf das Fundament wirkende Wasserdruck. Dieser Druck führt zusätzlich zur Kapillarwirkung dazu, dass das Wasser aktiv in die Wand gedrückt wird. In niederschlagsreichen Zeiten steigt der Grundwasserspiegel vorübergehend an, was zu einer saisonalen Zunahme der Wandfeuchtigkeit führt. Besonders in Küsten- und niederschlagsreichen Regionen ist ein hoher Grundwasserspiegel ein häufiges Problem.
Wirkung der Salze
In Wasser gelöste Salze beeinflussen den kapillaren Aufstieg auf komplexe Weise. Salze verändern die Oberflächenspannung des Wassers und beeinflussen die Verdunstungsrate. Außerdem stören in den Wandporen kristallisierende Salze die Porenstruktur und können mit der Zeit dazu führen, dass sich die Poren erweitern oder verstopfen. Das bedeutet, dass die Kapillarwirkung ein dynamischer Prozess ist und sich mit der Zeit verändern kann.
Temperatur und Belüftung
Die Umgebungstemperatur und die Belüftungsbedingungen beeinflussen die Verdunstungsgeschwindigkeit unmittelbar. Hohe Temperatur und gute Belüftung erhöhen die Verdunstung von der Wandoberfläche. Dies verringert einerseits die Ansammlung von Feuchtigkeit an der Wandoberfläche, führt andererseits aber dazu, dass der kapillare Zug fortbesteht (an die Stelle des verdunsteten Wassers wird neues Wasser gezogen). Niedrige Temperatur und schlechte Belüftung bereiten dagegen der Ansammlung von Feuchtigkeit im Inneren und an der Oberfläche der Wand, der Schimmelbildung und baulichen Schäden den Boden.
Methoden zur Messung des Feuchtigkeitsgrads
Um das Problem der aufsteigenden Feuchtigkeit richtig zu diagnostizieren und die Wirksamkeit der Lösung zu beurteilen, muss die Wandfeuchtigkeit gemessen werden. Es gibt mehrere verschiedene Messmethoden.
Feuchtemessgerät (Moisture Meter)
Feuchtemessgeräte, die nach dem Prinzip des elektrischen Widerstands oder der Kapazität arbeiten, messen den Feuchtigkeitsgrad an der Wandoberfläche schnell und zerstörungsfrei. Nadelgeräte (pin-type) bestimmen den Feuchtigkeitsgehalt, indem sie den elektrischen Widerstand zwischen zwei in die Wandoberfläche gestochenen Nadeln messen. Nadellose (nicht-invasive) Modelle messen mit elektromagnetischen Wellen. Diese Geräte bieten für DIY-Anwender preisgünstige Optionen und sind ideal, um die Wirksamkeit der Anwendung zu überwachen.
Calciumcarbid-Test
Er beruht auf dem Prinzip, eine der Wand entnommene Probe mit Calciumcarbid reagieren zu lassen. Durch Messung des Drucks des entstehenden Acetylengases wird der Feuchtigkeitsgehalt berechnet. Diese Methode liefert zuverlässigere Ergebnisse als oberflächliche Feuchtemessungen, da sie die Feuchtigkeit im Inneren der Wand misst. Sie wird bei professionellen Anwendungen bevorzugt.
Gravimetrische Methode
Dies ist die genaueste Methode zur Feuchtemessung. Durch Wiegen einer der Wand entnommenen Probe, Trocknen im Ofen und erneutes Wiegen wird der Feuchtigkeitsgehalt aus der Gewichtsdifferenz berechnet. Da sie eine Laborumgebung erfordert, ist sie für Anwendungen vor Ort nicht praktikabel, wird aber als Referenzmethode verwendet.
Thermografie
Mit einer Infrarotkamera wird die Temperaturverteilung der Wandoberfläche abgebildet. Feuchte Bereiche erscheinen aufgrund der Verdunstung im Vergleich zu ihrer Umgebung kälter. Diese Methode ermöglicht eine schnelle Kartierung der Feuchtigkeitsverteilung und lässt das Ausmaß des Problems visuell erfassen.
Lösungsprinzip: Den kapillaren Weg unterbrechen
Um das Problem der aufsteigenden Feuchtigkeit dauerhaft zu lösen, muss der Wirkmechanismus der Kapillarwirkung gestoppt werden. Es gibt zwei grundlegende Ansätze: die physikalische Barriere und die chemische Barriere.
Physikalische Barriere (mechanische Horizontalsperre)
Dabei wird die Wand auf einer bestimmten Höhe durchtrennt, ein wasserundurchlässiges Material (Kunststoffstreifen, Bleiplatte usw.) eingesetzt und die Wand wieder zusammengefügt. Diese Methode ist zwar wirksam, erfordert jedoch einen erheblichen Eingriff in das Bauwerk, ist teuer, zeitaufwendig und bei historischen oder tragenden Wänden riskant.
Chemische Barriere (chemische Horizontalsperre)
Dabei wird mit einer in die Wand injizierten chemischen Flüssigkeit an den Innenflächen der Poren eine hydrophobe (wasserabweisende) Schicht gebildet und so der kapillare Weg unterbrochen. Das System aus DampStop + HydroFix arbeitet genau nach diesem Prinzip.
Die silan-/siloxanbasierte Formel von HydroFix bindet sich chemisch an die Porenwände und verändert die Oberflächenenergie. Die Porenoberflächen, die normalerweise starke Adhäsionsbindungen mit Wasser eingehen, werden nach der Anwendung von HydroFix hydrophob (wasserabweisend). In diesem Fall steigt der Kontaktwinkel über 90 Grad, und ein kapillarer Aufstieg ist physikalisch nicht mehr möglich.
Ein wichtiger Punkt: HydroFix verstopft die Poren nicht. Die Porenkanäle bleiben offen und lassen Wasserdampf durch. Dies ermöglicht der Wand das „Atmen" und lässt die vorhandene Feuchtigkeit auf natürlichem Weg verdunsten und trocknen. Verhindert wird lediglich das Aufsteigen von flüssigem Wasser durch die Kapillarbewegung.
Für ausführliche Anwendungshinweise können Sie unsere Anleitung Wie wird HydroFix angewendet? lesen.
Experimentelle Nachweise und Studien
Die Unterbrechung des kapillaren Wegs mit der chemischen Injektionsmethode ist eine evidenzbasierte Lösung, die durch internationale bauwissenschaftliche Forschung gestützt wird.
Europäische Normen
In der Europäischen Union werden Produkte für die chemische Horizontalsperre nach den Richtlinien der WTA (Wissenschaftlich-Technische Arbeitsgemeinschaft für Bauwerkserhaltung und Denkmalpflege) getestet und zertifiziert. Diese Tests bewerten, in welchem Maße das Produkt den kapillaren Aufstieg verhindert, seine Verträglichkeit mit den Wandmaterialien und seine langfristige Haltbarkeit. Silan-/siloxanbasierte Injektionssysteme haben in diesen Tests hohe Wirksamkeitsraten gezeigt.
Feldstudien
Langfristige Feldstudien des britischen Building Research Establishment (BRE) haben gezeigt, dass die chemische Injektionsmethode bei richtiger Anwendung die aufsteigende Feuchtigkeit wirksam stoppt. Diese Studien haben ergeben, dass die Feuchtigkeitswerte der Wand nach der Anwendung innerhalb von Monaten auf akzeptable Werte sinken und dieser Zustand über viele Jahre erhalten bleibt.
Materialwissenschaftliche Perspektive
Silan- und Siloxanverbindungen werden seit Jahrzehnten zum Schutz von Baustoffen eingesetzt. Diese Chemikalien binden sich chemisch (kovalente Bindung) an poröse Oberflächen und bilden eine hydrophobe Monolage. Dank der kovalenten Bindung ist diese Schicht äußerst beständig und widersteht mechanischem Abrieb, UV-Licht und chemischen Angriffen.
Fazit
Die Kapillarwirkung ist eines der grundlegenden physikalischen Gesetze der Natur und führt aufgrund der porösen Struktur der Baustoffe in Gebäuden zum Problem der aufsteigenden Feuchtigkeit. Die dauerhafte Lösung dieses Problems erfordert die physikalische oder chemische Unterbrechung des kapillaren Wegs.
Die silan-/siloxanbasierte Formel von HydroFix bietet eine wissenschaftlich nachgewiesene Lösung, die den kapillaren Aufstieg stoppt, indem sie an den Innenflächen der Poren eine hydrophobe Schicht bildet. Gemeinsam mit DampStop eingesetzt, entsteht ein umfassendes System, das sowohl den kapillaren Weg unterbricht als auch ein gesundes Austrocknen der Wand ermöglicht.
Um alle Aspekte des Problems der aufsteigenden Feuchtigkeit kennenzulernen, können Sie unseren Leitfaden Was ist aufsteigende Feuchtigkeit? lesen; um die gesundheitlichen Auswirkungen zu verstehen, unseren Beitrag Gesundheitsrisiken in feuchten Räumen.
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