Projekt 25200/01

Bewahrung wertvoller umweltgeschädigter Kulturgüter aus Naturstein durch eine innovative Kieselgel-Volltränkung

Projektdurchführung

Deutsches Bergbau-Museum Bochum Fachbereich Denkmalschutz/Materialkunde
Herner Str. 45
44787 Bochum

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Um Denkmäler aus Naturstein langzeitlich vor weiteren Schäden durch Umwelteinschlüsse zu schützen, werden Konservierungsmittel eingesetzt, die definierbaren Ansprüchen gerecht werden müssen. Von der Firma Jbach wurde hierzu ein Verfahren und ein Tränkungsmittel entwickelt, das die Vollkonservierung von Objekten aus Sandstein mit dem Festigungsmittel auf der Basis einer funktionellen Silankonsolidierung (FSK) ermöglicht. Die Durchtränkung von Natursteinen ist bisher mit den auf dem Markt vorhandenen Festigungsmitteln nicht möglich. Ziel des Vorhabens ist, die Praxistauglichkeit des Verfahrens
unter Beweis zu stellen und gleichzeitig wichtige Vorinformationen zur Anwendung im denkmalpflege-rischen Bereich zu liefern.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenFür die Untersuchungen wurden verwitterte Sandsteine mit unterschiedlichen petrophysikalischen Eigenschaften ausgewählt. Für die Materialuntersuchungen wurde der Baumberger Sandstein, der Cottaer Sandstein, der Grüne Mainsandstein und der Rote Mainsandstein eingesetzt.
Von den Gesteinen wurden dann ausgewählte petrographische und petrophysikalische Daten aufgenommen, um die Natursteine zu charakterisieren und damit die Basisdaten für die anschließende
Behandlung mit dem Festigungsmittel zu erhalten.
Als Methoden wurden die Rasterelektronenmikroskopie, die Durchlicht-Polarisationasmikroskopie, die Röntgendiffraktometrie, die Porosimetrie, Rein- und Rohdichtebestimmung, die Luftpermeabilität, die Wasseraufnahme, der w-Wert, die hygrische und thermische Dehnung, die Druck- und Biegezugfestigkeit, das dyn. E-Modul und die Schalllaufzeit gemessen.
Nach der Tränkung der Natursteine mit dem Festigungsmittel auf der Basis zweier funktioneller Silane, die aminfunktionalisierte und epoxidfunktionalisierte Komponenten enthalten, wurden die petrogra-
phischen Merkmale mit den oben genannten Methoden erneut bestimmt und ihre prozentuale Veränderungen gegenüber den Basisparametern ermittelt.


Ergebnisse und Diskussion

Wie die Untersuchungsergebnisse zeigen, werden die Kennwerte der Sandsteine zum Teil signifikant verändert. Bei den Druck- und Biegezugfestigkeiten kommt es zu einer deutlichen Verbesserung der Messwerte, während die E-Module, wie gewünscht, geringere Anstiege aufwiesen. Bei zwei tonmineralhaltigen Sandsteinen, dem Cottaer Sandstein und dem Grünen Mainsandstein, wurde eine Verringerung der hygrischen Dehnung festgestellt. Der ebenfalls tonmineralhaltige Baumberger Sandstein und der Rote Mainsandstein zeigten diese Effekte nicht. Es kann vermutet werden, dass die Art der Tonminerale hierfür verantwortlich ist.
Alle untersuchten Sandsteine zeigten bei der thermischen Dehnung nach der FSK-Behandlung nur geringe Messwertunterschiede.
Mit Hilfe von REM-Aufnahmem an den Dünnschliffen behandelter Baumberger Sandsteine, bei denen das calcitische Bindemittel herauspräpariert wurde, konnte ein Siloxanfilm mit einer Filmstärke von < 1µm festgestellt werden.
Hervorgerufen durch die organischen Reste an den Polyorganosiloxanen des Festigungsmittels zeigten die Oberflächen der behandelten Prüfkörper eine mehr oder weniger stark ausgeprägte Hydrophobie. Die im Projekt durchgeführten Modellansätze zur Verteilung des Festigungsmittels beruhen auf vereinfachten Annahmen, genauere Messwerte z. B. bei der Dichtebestimmung der Siloxanfilme könnten hier die Modellvorstellung verbessern und zu einem genaueren Ansatz zur Beurteilung der Verteilung des Festigungsmittels führen.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die untersuchte Silanmischung ein deutliches Potential für die Steinfestigung besitzt. Hierbei hat die Durchführung der FSK einen erheblichen Einfluss.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die im Abschlussbericht vorgestellten Untersuchungsergebnisse werden in der Zeitschrift für Angewandte Geologie (ZAG) veröffentlicht, um auf diese Weise die interessierte Öffentlichkeit zu informieren.


Fazit

Wie die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse zeigen, gestaltet sich die FSK-Behandlung der ausgewählten Testgesteine differenzierter als man ursprünglich angenommen hatte. Es wird daher aus der Sicht der Arbeitsgruppe die Notwendigkeit gesehen, dass vor einer Umsetzung des
Verfahrens in die Praxis noch einige Randbedingungen in der Verfahrensdurchführung optimiert werden. Diese Untersuchungen sollen dazu beitragen die im Labormaßstab erarbeiteten ursächlichen Zusammenhänge und Erkenntnisse statistisch zu untermauern und damit die Übertragung auf die Praxis zu verbessern.
Es wäre daher sinnvoll, zur Absicherung der Ergebnisse, Würfel der vier Testgesteine mit ca. 20 cm Kanten länge unter entsprechend ausgewählten Verfahrensbedingungen zu tränken und nach dem Reaktionsende in einem Raster Proben zu entnehmen, die dann mit den im Abschlussbericht beschriebenen Untersuchungsmethoden analysiert werden.

Aufbauend auf der Empfehlung, die Verteilung des Siloxanfilms im Porenraum zu klären, hat die Firma Consolidas Kunst und Kulturgut GmbH erste Versuche mit verschiedenen Verfahrensparametern (Temperatur und Feuchte) bei und nach der FSK-Behandlung an einem fränkischen Dogger-Beta Sandstein durchgeführt und mit Hilfe von Bohrwiderstandsmessungen überprüft. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Ausbildung einer Randzone bei Optimierung der Objektvor- und -nachbehandlung im Verlauf der FSK wahrscheinlich vermieden und ein ausgeglichenes Festigkeitsprofil erreicht werden kann.

Für das gesamte Verfahren ergibt sich hieraus die Notwendigkeit, dass die optimale Verteilung des Festigungsmittels im Porenraum in Abhängigkeit von verschiedenen Verfahrensschritten unbedingt vor einer Anwendung an einem Natursteindenkmal geklärt werden muss.