Mathematisches Modell sagt voraus, was durch Regen aus Gebäudefassaden ausgewaschen wird

4. Oktober 2023

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by Tanja Fleck, Fraunhofer-Gesellschaft

Putze und Mörtel in Fassaden enthalten oft Schwermetalle und Biozide, die bei Regen auslaugen und in den Boden eindringen. Das Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP hat ein Modell erstellt, das Messungen der auslaugenden Stoffe mit regionalen meteorologischen Daten kombiniert.

Dadurch entsteht eine präzise Prognose, anhand derer bereits in der Planungsphase ermittelt werden kann, welche Art und Menge der Stoffe bei Regen aus Fassadenmaterialien freigesetzt werden könnten. Dieses komplexe Projekt war eine Gemeinschaftsarbeit mit Universitäten und zahlreichen Partnern aus der Industrie.

Bei Fassadenmaterialien wie Putz und Mörtel handelt es sich um komplexe Rezepturen. Im Allgemeinen bestehen mineralische Formulierungen hauptsächlich aus Sand und Bindemitteln wie Zement, Gips oder Kalk. Moderne pastöse Putze werden häufig mit Bioziden angereichert, um das Wachstum von Pilzen und Algen an der Fassade zu hemmen. Wenn die Sonne scheint, ist das kein Problem. Wenn es jedoch regnet und der Wind das Regenwasser gegen die Gebäudewand drückt, könnte es zum Problem werden.

In diesem Fall werden die Inhaltsstoffe des Fassadenputzes durch den Regen abgeschwemmt und gelangen mit dem Abfluss in die Kanalisation, in den Boden und im schlimmsten Fall in das Grundwasser. Forscher des Fraunhofer IBP haben ein mathematisches Modell entwickelt, das genau vorhersagen kann, welche Stoffe im Fassadenputz bei Regen auslaugen.

Dr. Pablo Alberto Vega Garcia, Experte für ökologische Chemie und Mikrobiologie in der Abteilung Umwelt, Hygiene und Sensorik des Fraunhofer IBP, sagt: „Die Umweltrisiken durch abfließendes Regenwasser von verputzten und vermörtelten Fassaden haben in den letzten Jahren ein verstärktes Interesse geweckt.“ Mineralputze enthalten anorganische Schwermetalle wie Chrom, Vanadium und Blei, pastöse Putze enthalten Biozide.

„Unser thermodynamisches Modell gibt Aufschluss über die Stoffkonzentrationen im Regenwasserabfluss. Das Modell ist sehr detailliert und aussagekräftig, da wir regionale Wetterdaten und die Rezeptur jedes Baustoffs einfließen lassen.“

Erstmals können Bauherren und Architekturbüros bereits in der Planungsphase die Umweltverträglichkeit der von ihnen für eine Fassade in Betracht gezogenen Materialien beurteilen. Putz- und Mörtelhersteller können das Modell nutzen, um besonders umweltfreundliche Produkte zu entwickeln.

Das Fraunhofer IBP hat bei diesem Projekt mit verschiedenen Partnern zusammengearbeitet – darunter die Technische Universität München, die RWTH Aachen und der Verband Deutscher Dämmsysteme, Putz und Mörtel (VDPM) sowie Partner aus der Industrie und Fassadenbaustoffherstellern .

Seit mehr als einem Jahrzehnt erforschen Experten des Fraunhofer IBP am Standort Holzkirchen in Feldversuchen die chemischen, physikalischen und kinetischen Prozesse, die bei der Auswaschung von Schadstoffen ablaufen. Dazu haben sie jeweils 18 Monate lang Proben verschiedener Putz- und Mörtelrezepturen der Witterung ausgesetzt.

Nach jedem Regenfall wurde das aus den Proben abgeflossene Wasser im Labor auf relevante Stoffe untersucht und deren Konzentration bestimmt. Hinzu kamen meteorologische Daten wie Regenmenge und -dauer, Windstärke und -richtung sowie Temperatur. Auch die Sonneneinstrahlung wurde berücksichtigt. Darüber hinaus wurden Labortests zur Auslaugung unter bestimmten Bedingungen durchgeführt.

Daraus ist eine umfangreiche Datenbank mit Datensätzen zur Konzentration der ausgelaugten Stoffe, zu Witterungsbedingungen und den Inhaltsstoffen der untersuchten Proben entstanden. Materialrezepte zu den Inhaltsstoffen wurden von den Herstellern geliefert.

„Wir haben diese Daten genutzt, um ein dreistufiges thermodynamisches Modell zu entwickeln“, erklärt Vega Garcia. „Im ersten Schritt messen wir, wie viel Regenwasser von der Fassade abfließt. Dies ist für genaue Ergebnisse von entscheidender Bedeutung, da bei starkem Regen nicht das gesamte Wasser als Film von der Fassade abläuft – einige prallen von der Wand ab, andere wiederum nicht.“ von der Fassade aufgenommen werden. Dabei werden auch Wetterdaten und Materialeigenschaften berücksichtigt.

„Im zweiten Schritt werden die Schwermetallkonzentrationen im Wasser, das aus jeder Probe abfließt, gemessen und quantifiziert. Zu diesem Zeitpunkt erwiesen sich Vanadium, Chrom und Blei als relevante Substanzen, da sie in hohen Konzentrationen auftraten. Abschließend folgt dies.“ in Stufe drei durch eine Grundwasserrisikobewertung, um die Konzentration an einem bestimmten Punkt der Einhaltung abzuschätzen.“

Damit können Hersteller bereits in der Planungsphase für jeden ihrer Fassadenputze ein Modell erstellen und anhand dessen die Umwelteigenschaften jedes Produktes beurteilen.

Das von Fraunhofer-Forschern entwickelte Modell bewertet die Umweltkonformität anhand der von der Arbeitsgemeinschaft Wasser der Länder und des Bundes (LAWA) festgelegten Grenzwerte. Liegen die ermittelten Schadstoffkonzentrationen unterhalb der Geringfügigkeitsschwelle, gilt die im Sickerwasser vorhandene Stoffkonzentration als unbedenklich.

Hersteller von Fassadenbaustoffen können bei der Entwicklung neuer Produkte auf das Drei-Stufen-Modell des Fraunhofer IBP zurückgreifen, das es ihnen ermöglicht, ihre Rezepturen so anzupassen, dass die Stoffmengen, mit denen sie durch Regenwasserabfluss freigesetzt werden, für eine bestimmte Region zu erwarten sind und sein typisches Wetter bleiben unter der Geringfügigkeitsschwelle.

„Das ist für Fassaden in städtischen Gebieten sowie in Regionen, in denen es beispielsweise häufig zu Starkregen kommt, von entscheidender Bedeutung“, sagt Vega Garcia. Mithilfe des Modells können Behörden konkrete Bereiche definieren, in denen beispielsweise Fassadenbaustoffe eingesetzt werden können.

Im nächsten Schritt wollen die Fraunhofer-Forscher das Modell verfeinern, um die Umwandlungsprodukte, die durch Umwelteinflüsse aus Bioziden entstehen, zu berechnen und das Modell auf die Anwendung auf andere Materialien zu übertragen. So ist beispielsweise seit längerem bekannt, dass Wurzelschutzmittel, die zum Schutz von Dachbahnen vor Durchwurzelung bei Flachdächern mit Bitumenbahnen eingesetzt werden, auslaugen und über den Wasserabfluss in die Umwelt gelangen können.