Projekt 23783/01

Modellhafte elektrochemische Salzminderung von Objekten aus Elbsandstein am Dresdner Zwinger

Projektdurchführung

CITec Concrete Improvement Technologies GmbH
Dresdner Str. 42
01156 Dresden

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Es sollte ein Verfahren zur elektrochemischen Salzminderung von Sandstein entwickelt und am Barockdenkmal Dresdner Zwinger eingesetzt werden. Hierbei stand die schonende, tiefgreifende und gleichzeitig schnelle Entsalzung von kulturhistorisch bedeutsamen Sandsteinobjekten im Mittelpunkt der Arbeiten. Es wurden Wandobjekte behandelt.
Der Dresdner Zwinger ist auf Grund seiner Bauwerksgeschichte besonders mit Natriumsulfat stark belastet. Natriumsulfat ist eines der schädlichsten Umweltsalze im Natursteinbereich. Mit einer erfolgreichen elektrochemischen Salzminderung am Dresdner Zwinger wurde ein erster Schritt zum Einsatz dieser Technologie im Bereich der Naturstein- und Mauerwerksentsalzung getan.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden1. Anpassung der CITec-Verbundelektroden an den Werkstoff Sandstein
- Ermittlung der optimalen Elektrodenmaterialien und Anpassung an stark gegliederte Oberflächen
2. Ermittlung eines optimierten Strom/Spannungsregimes
- Entsalzung von künstlich kontaminierten Probekörpern
3. Überprüfung der pH-Beständigkeit der Sandsteinoberfläche
- Untersuchungen zur Empfindlichkeit verwitterter Sandsteinoberflächen gegenüber pH-Änderungen
- Einsatz einer pH-Optode im elektrischen Feld zur Ermittelung einer Grenzladungsmenge als Ab-bruchkriterium
4. Untersuchungen bei komplexen Salzbelastungen, Untersuchungen von Mehrstoffbelastungen
5. Entwicklung einer Technologie zum katodischen Schutz metallischer Bauteile während der elektro-chemischen Entsalzung
6. Erprobung eines Verfahrens zur Trocknung der entsalzten Bauteile
7. Salzminderung an Ausbaustücken aus dem Zwinger zur Überprüfung der Anwendbarkeit am Dresd-ner Zwinger
- Erprobung der einseitigen Wandentsalzung
8. Durchführung der Pilotsalzminderung im Dresdner Zwinger
9. Dokumentation und Erstellung des Abschlußberichtes


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Arbeitspaketes 1 erfolgte die Entwicklung und Fertigung von Werkzeugen für die elektrochemischen Salzminderung an Sandstein. Dazu wurden verbesserte Elektroden geschaffen. Diese Elektroden lassen sich gut an Sandsteinoberflächen anpassen. Außerdem sind sie mit pH-Wert stabilisierenden Matten ausgerüstet.
Im zweiten Arbeitspaket wurde das Strom-Spannungsregime an einer Einstoffsalzbelastung optimiert. Hierbei traten massive pH-Wert-Veränderungen auf. Es kam ausgehend vom Anodenbereich zu starken Ansäuerungen. Diese verursachten Entfärbungen der Versuchskörper aus Sandstein. Zur Vermeidung solcher Ansäuerungen wurde die Spannungsversorgung um eine rechnergestützte Steuerung zur Stromaufzeichnung ergänzt.
Die Untersuchungen im Arbeitspaket 3 galten der Ermittlung eines Abbruchkriteriums zur Vermeidung von pH-Änderungen am Sandstein während einer elektrochemischen Salzminderung. Dazu wurden mit einer pH-Optode während einer elektrochemischen Behandlung Messungen direkt im elektrischen Feld durchgeführt. Es wurde ein Grenzwert der Ladungsmenge ermittelt. Beim Erreichen dieser Ladungsmenge schaltet die Rechnersteuerung die Betriebsspannung automatisch ab und die Elektroden müssen getauscht werden. Damit wird ein Angriff durch pH-Änderung am Stein vermieden.
Bei der Untersuchung von Mehstoffbelastungen wurde festgestellt, daß die Ionen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus dem Stein entfernt werden. Eine Variation der Ionenaustauschermenge in den Verbundelektroden beeinflußt die Salzminderungsgeschwindigkeit.
In weiteren Arbeitspaketen wurde die Ortung metallischer Bauteile im Sandstein und deren Schutz während der Salzminderung erprobt. Durch eine Variation der Prozeßgestaltung erreichten wir im Arbeitspaket 6 eine schnellere Trocknung der entsalzten Bauteile
Im Arbeitspaket 7 wurde die einseitige elektrochemische Salzminderung zur Überprüfung der Anwendbarkeit an Ausbaustücken aus dem Zwinger erprobt. Es ist auch mit einer einseitigen Montage der Elektroden möglich, Salzbelastungen von bis zu 10 g/kg in 4 Wochen zu extrahieren.
Zur Verifizierung der laborativen Ergebnisse wurde das Verfahren in optimierter Form an einer Fassadenfläche im Dresdner Zwinger eingesetzt. Dadurch konnten selbst Gesamtsalzgehalte von bis zu 23 g/kg in einer 4 wöchigen Behandlung stark vermindert werden. Aus den am stärksten belasteten Teilbereichen wurden rund 200 g/m2Salz extrahiert.
Mit dem Verfahren der elektrochemischen Salzminderung ist es möglich die Salzbelastung von Sandsteinobjekten schnell und schonend zu verringern. Das Verfahren ist abfallarm und erfordert nur einen geringen Aufwand an Elektroenergie und Wasser. Die Verbundelektroden werden regeneriert und sind mehrfach einsetzbar. Das Verfahren ist an Elbsandstein erprobt. Es läßt sich auf andere Sandsteine übertragen. Die Anwendung an Mauerwerk und anderen porösen Baustoffen ist möglich.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Angaben zum Projekt sind in der Datenbank des Hornemann-Institutes veröffentlicht worden. Auf der Messe Denkmal 2008 in Leipzig wurden im November 2008 die Ergebnisse präsentiert


Fazit

Mit dem Verfahren der elektrochemischen Salzminderung ist es möglich, die Salzbelastung von Sand-steinobjekte schnell und schonend zu verringern.
Vorteile sind:
- Es ist kein mechanischer Eingriff (Bohrungen etc.) in den Stein nötig
- Die mechanischen Belastungen für die Steinoberfläche sind gering
- Abfallvermeidende Technologie: Der einzige Abfall ist eine verdünnte Salzlösung, die frei von Schwermetallen und organischer Belastung ist.
- Geringer Energieverbrauch von 80-100 kWh/m2 pro Woche
- Die eingesetzten Elektroden sind regenerierbar und wiederverwendbar. Die voraussichtliche Nutzungsdauer einer Elektrode beträgt mindestens 15 Zyklen.
Bei Gesamtsalzgehalten von mehr als 10-15 g/kg ist je nach Verteilung der Belastung eine mehrstufige Behandlung sinnvoll.
Das Verfahren ist an Elbsandstein erprobt. Es läßt sich auf andere Sandsteine übertragen. Die Anwendung an Mauerwerk und anderen porösen Baustoffen ist möglich.
Das Verfahren kann auch mit anderen Salzminderungsverfahren kombiniert werden.