Projekt 18981/01

Innovative Konzepte zur Konservierung und zum Schutz umweltgeschädigter historischer Tuffsteinflächen u. a. am Beispiel der Prämonstratenserkirche Spieskappeln

Projektdurchführung

Ev. Kirche v. Kurhessen-Waldeck Beauftragter für Umweltfragen
Rückertstr. 9
63452 Hanau

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im nordhessischen Bereich sind zahlreiche historisch interessante Gebäude aus Tuff erhalten. Die Tuffsteine aus dem Habichtswald und Knüll gehören zu den häufig eingesetzten Natursteinen, da sich dieses Material aufgrund der geringen Härte hervorragend bearbeiten lässt. Außerdem wirkt der Tuffstein durch die lebhafte Struktur sehr dekorativ. Das Problem der Tuffsteine ist die extrem hohe Witterungsanfälligkeit. Es sind derzeit keine Konservierungsmethoden bekannt, die in der Lage sind, das Material nachhaltig zu schützen. Bei Restaurierungsarbeiten wurden in der Vergangenheit die zerstörten Steine ausschließlich durch neue Steine ersetzt. Dieses Vorgehen ist kaum noch möglich, da seit längerer Zeit, spätestens seit dem Ende des zweiten Weltkrieges, nahezu sämtliche Tuff-Steinbrüche geschlossen und die vorhandenen Vorkommen unter Naturschutz gestellt wurden. Es ist nicht mehr möglich, Tuffsteinmaterial in der Region abzubauen. Ende der 80´er Jahre wurde kurzfristig, ausschließlich für die Restaurierung des Herkules und der Löwenburg in Kassel ein Steinbruch im Druseltal freigegeben, um Tuffsteinmaterial zu gewinnen. Es besteht die strenge Auflage, dass die Gesteine nur für Bauwerke im Park Wilhelmshöhe benutzt werden dürfen. Der Zustand der historisch wertvollen Gebäude ist bedrohlich und es ist dringend notwendig, Methoden zu entwickeln, die den weiteren Verfall aufhalten.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZu der Thematik liegen bereits Untersuchungen vor. Diese werden zusammengestellt, gebündelt und den beteiligten Kooperationspartnern zur Verfügung gestellt. Die Kooperationspartner werten die vorliegenden Ergebnisse entsprechend ihrer Fachkompetenz aus und führen ergänzende Voruntersuchungen durch. Hierfür werden Materialproben von den drei Musterobjekten entnommen und nach folgenden Kriterien untersucht :
- die Schadstoffbelastungen aus dem Umfeld der drei nordhessischen Kirchen
- Erprobung von Verfahren, die das Quellverhalten des Tuffs mindern
- Weiterentwicklung der Fug- und Putzmörtel auf der Basis trocken gelöschter Kalkmörtel
Die Untersuchungen erfolgen in den ersten Arbeitsschritten im Labor, die Ergebnisse werden erfasst und dokumentiert. Der Informationsaustausch unter den Kooperationspartnern erfolgt parallel zu den Untersuchungen.
Die Tuffvarietäten der drei Modellobjekte wurden eingehend petrographisch und physikalisch untersucht, die relevante Verwitterungstiefe konnte mittels mikroskopischer Untersuchungen sowie Bestimmungen von Ultraschallgeschwindigkeit, Druck- und biachsialer Biegezugfestigkeit im Tiefenprofil quantitativ bestimmt werden. Auf Grundlage der Ergebnisse wurden Anforderungen an die Wirkung von Konservierungsmittel sowie an Mörtel für Verfugung, Verputz, Steinergänzung und Schlämmbeschichtung formuliert.
Anhand der gewonnenen Erkenntnisse werden Konzepte für die Anwendungsproben an den Objekten entwickelt. Nach Anlegen der Arbeitsproben erfolgen Überprüfungen und Ergänzungen der Proben durch die Kooperationspartner, die Standzeit der Muster an den Objekten beinhaltet eine Frostperiode, anschließend werden Nachuntersuchungen durchgeführt. Nach Anwendung unterschiedlicher Kombinationen von Konservierungsmitteln wurden erneut Bauwerksproben entnommen und der Erfolg der Maßnahmen mit den genannten Methoden überprüft. Zusätzlich erfolgte eine Überprüfung mittels licht- und rasterelektronischer Untersuchungen sowie durch Messung der hygrischen Dehnung und der kapillaren Wasseraufnahme.
Anwendungen von Fug- Putz- und Schlämmmörteln auf Kalkbasis sowie von Farbbeschichtungen auf Kalkputzen wurden makroskopisch über mehrere Jahre beobachtet. Ergänzend erfolgten an Labor- wie an Bauwerksproben ergänzende Messungen von Haftzug- und Druckfestigkeit, E-Modul, sowie feuchtetechnischen Parametern.


Ergebnisse und Diskussion

Verfug- und Putzmörtel auf Basis des Kalkspatzenmörtelsystems konnten erfolgreich auf die Anforderungen eingestellt werden, die sich aus den problematischen Eigenschaften der Tuffsteine ergeben. Dünnlagige Aufträge von Kalkschlämmen haben keine schützende Wirkung für die Tuffoberflächen, da sie witterungsbedingte Feuchtewechsel (Ursache für gefügezerstörende Quell- / Schrumpfprozesse im Tuffsteingefüge) nicht genügend abpuffern.
Zusätzliche Beschichtungen von Kalkputzen und -schlämmen mit Siliconharzlasuren bremsen den Eintrag von Niederschlagswasser stark und behindern die Wasserdampfdiffusion kaum. Im Gegenteil führen sie zu einer sehr effektiven Austrocknung der Kalkmörtel, wodurch jedoch deren Carbonatisierung (und damit deren Aushärtung!) sehr stark verlangsamt wird, weshalb von ihrer Anwendung abzuraten ist. Punktuelle Überprüfungen der Wirkung eines Tensids zur Minderung der hygrischen Dehnung (getestet in Kombination mit einer Festigung mit Kieselsäurester) zeigten, dass die hygrische Dehnung zwar merklich gemindert wird, aber auf einem immer noch hohen Niveau bleibt.
Als sehr schwierig stellte sich die Festigung der Tuffe dar. Die Gründe liegen vor allem in der Porenradienverteilung der Tuffe mit sehr hohem Anteil an feinsten Poren. Lange Trocknungszeiten vor der Anwendung von Festigungsmitteln und lange Tränkungszeiten sind erforderlich. Zur Langzeittränkung wurden verschiedene Applikationsmethoden erfolgreich getestet. Dennoch wurden mehrere Zyklen von Produkterprobung, Bewertung und Modifikation notwendig, bis zufrieden stellende Festigungsergebnisse erreicht wurden. Letztlich brachte ein Festigungsmittel auf Basis niedrig konzentrierten Kieselsäureesters, der bezüglich Lösemittel, Katalysatorgehalt und Teilchengröße modifiziert war, bei entsprechend sorgsamer Applikation gute Ergebnisse, die durch eine Vorbehandlung mit stark verdünnter Weinsäurelösung noch weiter verbessert werden konnten. Es zeigte sich, dass trotz der hohen Porosität der Tuffe schon geringe Wirkstoffgehalte des Festigungsmittels eine effektive Festigung ermöglichen, wenn es gelingt, das Mittel in das feine Porensystem einzubringen. Bei hohen Wirkstoffgehalten besteht die Gefahr einer Überfestigung.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die oben beschriebenen Maßnahmen erfolgten in enger Absprache der Kooperationspartner des Projektes untereinander.
Eine ausführliche Beschreibung der durchgeführten Untersuchungen wurde in einem Tagungsband zusammengefasst. Unter dem Titel : Konservierungskonzepte zum Erhalt von nordhessischem Tuffstein an historischen Bauwerken ist diese Veröffentlichung bei dem Herausgeber, der Evangelischen Kirche von Kurhessen und Waldeck, Bauberatung, Wilhelmshöher Allee 330, 34131 Kassel,
ISBN 3-00-017503-2 zu beziehen.
Am 03.November 2005 fand im Haus der Kirche in Kassel ein Abschlusskolloquium statt, auf dem die Kooperationspartner den 120 Teilnehmern die Untersuchungsergebnisse persönlich erläuterten.
Zum Abschluss der Veranstaltung ergaben sich lebhafte Gespräche, in denen die gewonnenen Erkenntnisse ausführlich diskutiert wurden.


Fazit

Die nordhessischen Tuffen unterliegen aufgrund ihrer besonderer Gesteinseigenschaften unter hiesigem Klima tiefreichenden Witterungsschäden
Beobachtungen an historischen Tuffgebäuden zeigen, dass Beschichtungen mit Kalkputzen die Verwitterung des Tuffs verhindern oder zumindest verlangsamen. Im Rahmen des Projektes konnten abgestimmte Fugmörtel und Putze auf Basis des Funcosil Kalkspatzenmörtels entwickelt werden.
Die hygrische Dehnung der Tuffe kann durch Behandlung mit quellmindernden Tensiden reduziert werden, bleibt aber bei Anwendung ohne Wasserabweisung auf recht hohem Niveau. Als prophylaktische Maßnahme wird die Anwendung dieser Quellminderer dennoch empfohlen.
Wegweisend sind die Erfolge bei der Entwicklung geeigneter Festigungsmittel auf Kieselsäureesterbasis (KSE). Zahlreiche Vorversuche führten bislang nur zu unbefriedigenden Ergebnissen. Grundvoraussetzungen für eine wirkungsvolle Festigung sind das Vorschalten einer mehrmonatigen Trocknungsphase und die Wahl einer Applikationstechnik, die mehrstündige Tränkungszeiten garantiert. Dies konnte bei Tränkung über Kompressen, mittels Infusion oder spezieller Fluidapplikatoren erreicht werden. Weitere Voraussetzung sind Festigungsmittel, die kleine Molekülgrößen besitzen und langsam aushärten. Nur dann kann das Mittel in die feinporige tonmineralische Matrix der Tuffe eindringen und dort festigende Wirkung entfalten. Andernfalls liegen die Kieselgelplatten in den großen Poren und haben keine festigende Wirkung. Die Modifikation des KSE bezüglich Teilchengröße, Lösemittel und Katalysatorgehalt brachte ein positives Ergebnis, das durch eine Vorbehandlung mit stark verdünnter Weinsäurelösung noch verbessert werden konnte.
Ausblick
Die erfolgreiche Festigung dieses Problemgesteins lässt hoffen, dass dieses System aus modifiziertem niedrig konzentriertem KSE und Weinsäurelösung auch bei anderen schwer konservierbaren Gesteinen weiterhilft. Weiteren Forschungsbedarf gibt es bezüglich der Wirkungsweise der Weinsäurelösung und der Übertragbarkeit des Festigungssystems auf andere Tuffarten. Daneben dürfen selbstverständlich die behandelten Objekte nicht aus dem Auge verloren werden, um den Erfolg der Maßnahmen zu sichern und den langfristigen Erhalt dieses kulturellen Erbes zu gewährleisten.