Thermische Verwitterungssimulation an Naturstein

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Thematik der thermischen Verwitterungssimulation an Natursteinen und entstand durch die Mitwirkung am EU-Forschungsprojekt „Nano Cathedral“, welches sich mit der Restaurierung und dem Erhalt von denkmalgeschützten Gebäuden und Kathedralen aus Naturstein in Europa befasst. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die Erhaltung der ursprünglichen Baugesteine gelegt. An diesem Projekt beteiligte Bauwerke sind der Kölner Dom, die Kathedrale Santa Maria in Vitoria (Spanien), das Opernhaus in Oslo, die St. Bavo Kathedrale in Gent und der Stephansdom in Wien. Die Baugesteine sind unterschiedlichsten Verwitterungsprozessen ausgesetzt, die zu verschiedenen Schadenszuständen geführt haben. Es gibt diverse herkömmliche Steinfestigungsmaßnahmen, welche diese Schäden egalisieren sollen und als Novität sollen in diesem Projekt einerseits Steinfestiger mit Nanotechnologie-Produkten modifiziert und so die Eigenschaften der Festiger verbessert werden und andererseits Nanotechnologie Produkte auf ihre Eignung für die strukturelle Konservierung getestet werden. Das Institut für Geotechnik, Forschungsbereich für Ingenieurgeologie, der TU Wien, ist einer der Projektpartner und beschäftigte sich u.a. mit Verwitterungssimulationen im Labor, da die Festigung von unverwitterten Gesteinsproben nicht zielführend sein kann. Auf die künstlich gealterten Steinproben wurden in einem weiteren Stadium der Forschung Steinfestiger aufgebracht, um deren Wirkung durch die Änderung grundlegender gesteinsphysikalischer Eigenschaften und Kennwerte zu überprüfen. In dieser Arbeit wurde die Zerstörung durch Verwitterung anhand von Temperaturbeanspruchung an ungefestigten Natursteinen untersucht. Unter Laborbedingungen wird versucht eine Veränderung des Gesteinsgefüges herbeizuführen, welche einer natürlichen Verwitterung möglichst nahe kommt. Zu den untersuchten Gesteinen gehören: Der Obernkirchener und Schlaitdorfer Sandstein aus Deutschland, der Ajarte Kalkstein aus Spanien, der Carrara Marmor aus Italien, der St. Margarethener Kalkstein aus Österreich sowie der Balegem Kalkstein aus Belgien. Folgende Untersuchungsmethoden wurden zur Bewertung der Gefügeauflockerung vor und nach der thermischen Alterung angewendet: offene Porosität, kapillare Wasseraufnahme, Wasseraufnahme- und Wasserabgabe, Ultraschall-Laufzeitmessungen. Die Ergebnisse der thermischen Alterung bei unterschiedlichen Temperaturen wurden jeweils für jeden Lithotyp ausgewertet und auch untereinander verglichen, um eine Empfehlung für eine bestmögliche Alterungsmethode abgeben zu können. Es konnte festgestellt werden, dass die sechs untersuchten Gesteinstypen, in Abhängigkeit ihrer mineralogischen und strukturellen Zusammensetzung vollständig unterschiedlich auf die Temperaturbehandlung reagieren. Bei manchen Gesteinen konnten sehr gute Resultate bezüglich der Verwitterungssimulation erzielt werden, bei anderen war eine Änderung der Gesteinseigenschaften ohne eine komplette Zerstörung des Gesteinsgefüges nur in geringem Maße möglich.

This thesis deals with the topic of thermal weathering simulations on natural stones and was developed within the participation in the EU research project "Nano-Cathedral", which deals with the restoration and preservation of monumental buildings and cathedrals made of natural stone in Europe. In this project particular attention is paid to the conservation of the original building stones. The Cathedral Santa Maria in Vitoria (Spain), the Opera House in Oslo, the Cologne Cathedral, the St. Bavo Cathedral in Ghent and the St. Stephen's Cathedral in Vienna are part of the project. Their building stones are subjected to various weathering processes, which have led to different damage states. There are various conventional stone strengthening measures which are intended to equalize these damages and, as a novelty in this project, modify the stone strengthener with the nanotechnology products, which allows to improve their characteristics, on the one hand and on the other hand test the nanotechnology products for their suitability for structural preservation. The Institute of Geotechnics, Research Center of Engineering Geology, at the Vienna University of Technology, is one of the project partners and dealt with weathering simulations in the laboratory, since the consolidation of sound rock samples cannot be effective. In a further stage of research stone strengthener were applied on the artificially aged stone samples in order to check their effect by the modification of basic physical properties and characteristic values. This master thesis analyses the destruction, induced by thermal weathering, of non-stabilized natural stone. Under laboratory conditions attempts were made to produce a change of the rock fabric as close as possible to natural weathering. Six different stones were chosen for the tests: The Obernkirchener and Schlaitdorfer sandstone from Germany, the Ajarte limestone from Spain, the Carrara marble from Italy, the St. Margarethener limestone from Austria and the Balegem limestone from Belgium. The following investigation methods were used to evaluate the disaggregation of the stone fabric (Before and after the thermal ageing): open porosity, water absorption coefficient by capillarity, water absorption and water release, ultrasound velocity. The results of the thermal aging at different temperatures were evaluated for each lithotype and compared with each other in order to give a recommendation for the best possible aging method. It could be determined that the six tested samples react differently to the thermal treatment depending on their mineralogical and structural composition. Some lithotypes have shown very good results regarding the weathering simulation, while the rock properties of others could only be slightly changed without a complete structural destruction.