Auswirkungen von Steinfestiger auf die mechanischen Eigenschaften von Natursteinen historischer Bauwerke : Teil 1. Keilspaltmethode, Kerbschlagversuch nach Charpy, Bestimmung des statischen Elastizitätsmoduls und Haftzugversuch / von Maximilian Steiner

Abstract

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Ermittlung mechanischer Kennwerte von Natursteinproben und stellt den ersten Teil einer dreiteiligen Untersuchung im Rahmen eines internationalen Forschungsprojekts dar. Das von der Europäischen Union geförderte Forschungsprojekt Nano Cathedral hat sich dem Erkenntnisgewinn im Bereich der Konservierung und dem Schutz bedeutender historischer Bauwerke aus Naturstein verschrieben. Ziel der Entwicklung und der Untersuchung von neuen Konservierungsmethoden ist die Eindämmung der fortschreitenden witterungsbedingten Gesteinsschädigung und somit der langfristige Erhalt des kulturellen und architektonischen Erbes. Mechanische Kennwerte von sechs ausgewählten Gesteinen (Ajarte Kalkstein, Balegem Kalkstein, Carrara Marmor, Obernkirchener Sandstein, Schlaitdorfer Sandstein und St. Margarethener Kalksandstein) wurden mit vier Prüfmethoden ermittelt. Neben den Untersuchungen des unverwitterten Ausgangsmaterials wurden außerdem künstlich gealterte Gesteinsproben getestet. Die Absicht der künstlichen thermischen Alterung ist die möglichst wirklichkeitsgetreue Nachahmung der verwitterungsbedingten natürlichen Gesteinsschädigung. Bei zwei der sechs Gesteine wurde das Ausgangsmaterial zusätzlich mit unterschiedlichen Steinfestigungsmitteln behandelt. Das Ziel dieser Materialprüfungen bildete eine vergleichende Gegenüberstellung des Einflusses von thermischer Alterung und Festigung auf die mechanischen Kennwerte der Gesteine. Durchgeführt wurden der Keilspaltversuch, der Kerbschlagversuch nach Charpy, der Haftzugversuch sowie die Prüfmethode zur Bestimmung des statischen Elastizitätsmoduls. Die Untersuchungen ergaben eine deutliche Abnahme der mechanischen Gesteinsfestigkeiten nach der thermischen Alterung sowie ein vom Gestein abhängiges Verhalten nach der Applikation der Steinfestigungsmittel. Die ermittelten Ergebnisse bilden eine Vergleichsgrundlage für den Einfluss von neu entwickelten Festigungsmitteln auf die mechanischen Eigenschaften der Natursteinbauteile. Dieses Forschungsthema wurde in drei Abschlussarbeiten gemeinsam mit den Studierenden Anja Ziniel, BSc und Matthias Baumgartner, BSc untersucht und ist als dreiteiliges Gesamtwerk zu verstehen.

The primary purpose of this study is to determine the mechanical properties of natural stone specimens. It is the first part of a three-piece research work that investigates the effects of stone consolidants on natural stones used in historical buildings. The thesis originated in the context of an international research project, which is funded by the European Union. The major objective of this project is to acquire knowledge in the field of conservation and protection of historical natural stone buildings. The international project aims to develop new conservation methods for natural stone building components and to contain the progressive decay of stone elements caused by various forms of weathering. The overall goal is the long-term preservation of the cultural and architectural heritage. Six stones were selected (Ajarte Limestone, Balegem Limestone, Carrara Marble, Obernkirchen Sandstone, Schlaitdorf Sandstone and St. Margarethen Limestone) and evaluated with four test methods to determine their mechanical properties. Beside the examination of the untreated original stone material, artificially aged stone samples were also tested. This thermal aging process simulates the decay of natural stone due to weathering. Two of the six stones were additionally treated with different stone consolidants. The major objective was the comparison of the effects of the thermal treatment and the strengthening on the stone¿s mechanical behaviour. The following test methods were carried out to illustrate these differences: the wedge splitting test, the Charpy impact test, the tensile bond test and the determination of the static elastic modulus. The results of the examinations show a notable decrease of the mechanical strength after thermal treatment and furthermore a stone dependent behaviour after the application of stone consolidant. The ascertained results form a basis of comparison for newly developed stone consoldiants. This thesis is part of a research work consisting of three parts. Additional aspects of this topic were examinated by Anja Ziniel and Matthias Baumgartner. Despite this division the final result should be considered as a coherent scientific work.