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Arbeitsspektrum
Wasserschäden

Ursachenherleitung von Wasserschäden mit Isotopenmethoden

Beim Auftreten von Wasserschäden, z.B. an Gebäuden, ist es häufig von Interesse, die Ursache des Schadens zu kennen. Dabei kann eine Untersuchung des Schadwassers helfen herauszufinden, ob der Wasserschaden seinen Ursprung z.B. im Leitungs- oder Niederschlagswasser hat.

Eine einfache und gängige Methode ist hier die Analyse der stabilen Wasserisotope Deuterium (δ2H) und Sauerstoff-18 (δ18O) aus dem Schadwasser sowie optimalerweise der in Verdacht stehenden Wässer (z.B. Leitungs- oder Heizungswasser) als Referenz.

Stabile Wasserisotope Sauerstoff-18 und Deuterium

Wasser ist ein Gemisch aus häufigen und seltenen Wasserstoff- und Sauerstoffisotopen. Diese Isotopenmischungen sind aufgrund von Fraktionierungsprozessen (Verdunstung und Kondensation) im Wasserkreislauf einer ständigen Veränderung unterworfen. Globale Messungen des Niederschlags haben eine annähernd stabile lineare Beziehung ergeben, die als mittlere globale Niederschlagsgerade (GMWL) bekannt ist.

Im Gegensatz dazu sind die Isotopensignaturen von regionalem Leitungswasser in den meisten Fällen relativ konstant. Sie liegen meist auf oder zumindest in der Nähe der mittlere globale Niederschlagsgerade. Diese relativ konstante Isotopensignatur von Leitungswasser wird zur Bestimmung der Herkunft eines Wasserschadens genutzt. Um die Herkunft eines Schadwassers zu ermitteln, werden in der Regel die Isotopensignaturen von Leitungswasser und des Schadwassers miteinander verglichen. Da Schadwasser in den meisten Fällen Verdunstungsprozessen unterliegt, die zu Veränderungen der Isotopensignatur führen, ist eine Rückrechnung auf die ursprüngliche Zusammensetzung erforderlich. Die Kenntnis der Umweltbedingungen (Temperatur, Verdunstungsbedingungen) des Schadwassers ermöglicht es, diesen Prozess auf einer Verdunstungsgeraden nachzuvollziehen. Der Vergleich der Werte von Leitungswasser und Schadwasser erlaubt in vielen Fällen die gewünschte Unterscheidung und damit die Bestimmung der Herkunft des Schadwassers.

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Isotopenfraktionierung

Durch das unterschiedliche Atomgewicht verhalten sich Isotope physikalisch leicht anders. Dies führt zum Beispiel bei Phasenänderungen (z.B. Verdunstung und Kondensation) zu einer Veränderung der Isotopenverhältnisse. So verdunsten z.B. aus einem Wasserkörper vorzugsweise die Wassermoleküle mit leichten Isotopen, während sich die „schweren“ Moleküle in dem verbleibenden Wasserkörper anreichern. Diese Veränderungen der Isotopenverhältnisse bezeichnet man als „Isotopenfraktionierung“.

Generell und bei Wasser im Speziellen ist die Isotopenfraktionierung temperaturabhängig. Aus dem in unseren Breiten vorliegenden Jahresgang der Lufttemperatur resultiert daher ein Jahresgang der Isotopensignaturen im Niederschlag (Abbildung 1). So weist der Niederschlag in den kalten Wintermonaten deutlich negativere δ-Werte auf als in den wärmeren Sommermonaten.

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Abbildung 1: Jahresgang der Sauerstoff-18- und Deuteriumwerte im Niederschlag in Schweitenkirchen, gemittelt aus Monatswerten der Jahre 1999 – 2015.

Auch regional unterscheiden sich die im Niederschlag vorliegenden Isotopenverhältnisse aufgrund der Temperatur, Höhenlage und Herkunft der niederschlagbringenden Luftmassen. Werden die Isotopenverhältnisse von Sauerstoff und Wasserstoff des Niederschlags im sogenannten Sauerstoff-18-Deuterium-Diagramm gegeneinander aufgetragen, streuen, trotz der großen Variation der Isotopenverhältnisse des Niederschlags weltweit, die entsprechenden δ-Werte im Bereich einer Geraden, der mittleren globalen Niederschlagsgeraden (GMWL, Abbildung 2). Der Achsenabschnitt der GMWL von 10 (‰) wird als „Deuteriumexzess“ (d) bezeichnet (siehe Formel in Abbildung 2). Weicht der Deuterium-exzess einer Wasserprobe deutlich von 10 ‰ ab, liegt diese also unter oder oberhalb der GMWL, weist dies auf Phasenveränderungen des Wassers hin.

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Abbildung 2: Sauerstoff-18-Deuterium Diagramm. Mit eingezeichnet ist die GWML sowie Wertebereiche von unter unterschiedlichen Bedingungen gefallenen Niederschlägen und der durch diese Niederschläge gebildete Wasserreservoire, ebenso wie die typische Veränderung der Isotopensignaturen durch Verdunstung und Kondensation.

Durch die Isotopenfraktionierung weisen Wasserkörper wie Grundwasser und das meist daraus gewonnene Leitungswasser regional unterschiedliche δ-Werte auf.

Die aus den oben beschriebenen Effekten entstehenden Unterschiede in der Isotopensignaturen der Wässer wird für die Bewertung der Herkunft und Veränderung von Wasser zu Hilfe genommen.

Probenahme

Als Probenvolumen für die Isotopenanalyse der Wasserproben an einem modernen Mas-senspektrometer oder Laserabsorptionsspektro-skop werden nur einige wenige Milliliter flüssiges Wasser benötigt. Liegt genügend freies Wasser vor, wird das Probenahmegefäß bei der Probenahme optimalerweise 2–3 mal mit dem Wasser ausgespült. Die Probenahme muss dabei mit sauberen Gefäßen aus zum Beispiel PE oder Glas vorgenommen werden.

Alternativ können auch Wischproben, bei denen zum Beispiel ein Wasserfilm mit einem sauberen und trockenen Papiertuch aufgenommen wurde, verarbeitet werden. Das Papiertuch muss dann nach der Probenahme luftdicht gegen Verdunstung geschützt (zum Beispiel in einem Fläschchen oder in einer Tüte eingeschweißt) verpackt werden.

Die Schadwassergewinnung kann alternativ auch aus zugesandten Materialproben erfolgen. Das Schadwasser kann dabei direkt aus durchfeuchtetem Baumaterial, beispielsweise aus feuchtem Dämmmaterial, gewonnen werden. Auch hier müssen die Proben nach der Probenahme einzeln verpackt gegen Verdunstung geschützt werden. Im Labor wird dann das Schadwasser entweder durch unmittelbares Auspressen oder aber über Absorbergel aus dem Baumaterial extrahiert und auf dessen isotopische Zusammensetzung hin untersucht.

Ist die unmittelbare Gewinnung von flüssigen Schadwasserproben nicht möglich, weil die Feuchtigkeit in Bauteilen oder Baustoffen gebunden ist, können von uns die erforderlichen Utensilien zur Probengewinnung bereitgestellt werden. Dazu wird aufbereitetes Kieselgel in Kunststoff-Röhrchen gefüllt (Abbildung) und luftdicht verpackt an Sie verschickt.

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Diese Absorberröhrchen werden dann in Bohrlöchern in den feuchten Baustoff oder Bauteil – beispielsweise Mauerwerk – eingeführt und luftdicht abgeschlossen. Nach 10-14 Tagen hat das Kieselgel in der Regel ausreichend Feuchtigkeit absorbiert, sodass die Absorber-röhrchen – wiederum luftdicht verschlossen – an uns zur Schadwassergewinnung und Analyse geschickt werden können. Im Labor wird das vom Silikagel aufgenommene Wasser isotopisch analysiert.

Bei verunreinigten Proben ist in der Regel eine Vorbehandlung, wie Filtration oder eine wiederholte Behandlung mit Aktivkohle vonnöten, um diese anschließend isotopisch analysieren zu können. Häufig sind auch abhängig von der Probenmatrix pH-Wert-Stabilisierungen der Wasserproben notwendig.