Vulkanische Tuffe als Naturwerkstein in Kulturdenkmälern und historischer Architektur
Ursächlich für viele Schadensfälle bei der bautechnischen Anwendung von Tuff-Werksteinen ist eine mangelnde oder ungenügende Kenntnis des spezifischen Materialverhaltens der Gesteine durch baukonstruktive oder verwitterungsbedingte Beanspruchungen. Bausteine sind einer Vielzahl von Verwitterungseinflüssen ausgesetzt, die natürlichen oder anthropogenen Ursprungs sein können. In vielen Fällen basiert die Entscheidungsfindung im Rahmen eines Bauvorhabens lediglich auf den optischen Eigenschaften des Gesteins. Jedoch spielen die individuellen physikalischen und bautechnischen Parameter eine entscheidende Rolle hinsichtlich der möglichen Verwendung. Denn viele Gesteine unterscheiden sich hinsichtlich Farbe und Struktur nur unwesentlich voneinander, zeigen jedoch infolge ihrer spezifischen gesteinstechnischen Eigenschaften bei gleicher bautechnischer Anwendung ein deutlich voneinander abweichendes Verwitterungsverhalten. Das Projekt soll die Erhöhung der Lebensdauer von Naturwerksteinen und einen ressourcenschonenden Umgang mit dem Naturprodukt Stein forcieren.
Einer der Schwerpunkte des Projektes ist die Identifizierung des primären Quellprozesses, welcher zur hygrischen Dehnung führt, einem der Hauptschadensmechanismen bei der Tuffsteinverwitterung. Durch die Identifikation und das bessere Verständnis der Mechanismen, die den Schadensprozess der hygrischen Dehnung regulieren, können nachfolgend Konservierungsmaßnahmen entwickelt bzw. optimiert werden, um ebenjene Mechanismen zu unterdrücken und die Lebensdauer von Bausteinen zu verlängern.
Ein zweiter Schwerpunkt ist einerseits die Evaluierung von gängigen Konservierungsmaßnahmen für Tuffsteine mit unterschiedlichem Eigenschaftspool, andererseits die Weiterentwicklung eines Ansatzes zur Tuffsteinkonsolidierung bei der die Eindringtiefen des Konsolidierungsmittels erhöht werden sollen.
Zu guter Letzt wird ein besseres Verständnis der Einflussnahme der spezifischen gesteinstechnischen Parameter auf das Verwitterungsverhalten der Tuffe mit Hilfe von statistischen Datenauswertungen angestrebt. Die statistische Analyse soll Aufschluss über die Vergleichbarkeit der ermittelten Parameter geben und schädigungssensible Gefüge- und Porenraumparameter identifizieren. Die Ergebnisse können zur Bewertung der bautechnischen Eignung von Tuffgesteinen und zur Prognose ihrer Langzeitstabilität genutzt werden.
Ergebnisse
Mit den ersten Ergebnissen konnte der primäre Quellprozess bei tonmineralassoziiertem Quellen nachgewiesen werden. Durch den gezielten Austausch der Zwischenschichtkationen in den Tonmineralen und dem anschließend veränderten Quellverhalten der Gesteine, konnte nachgewiesen werden, dass der intrakristalline Quellmechanismus der vorherrschende Mechanismus für die Quellung bei den untersuchten Tuffen mit quellfähigen Tonmineralen ist. Die Bestätigung des intrakristallinen Quellprozesses wird durch ein gezieltes Blockieren der Hydratisierung der Tonmineralzwischenschichten und der dadurch unterdrückten Expansion dieser erreicht (Pötzl et al. 2018). Eine zweite Versuchsreihe, bei der ein Fluidaustausch zur Verifikation einer interkristallinen bzw. osmotischen Quellung diente, bestätigte den nahezu unbedeutenden Anteil der osmotischen Quellung am gesamten Quellprozess
Im zweiten Förderungsjahr konnten an einem Probenset von 21 armenischen Tuffen erstmalig Grenzparameter definiert werden, welche das spezifische Verwitterungsverhalten der Gesteine steuern. Diese einfach zu ermittelnden Parameter können genutzt werden, um zukünftiges Materialverhalten bei bestimmten Verwitterungseinflüssen vorauszusagen, ohne teure Analytik und langwierige Verwitterungssimulationen. Im weiteren Verlauf des Projektes wird nun ermittelt, ob dieses Fallbeispiel global umgesetzt werden kann.