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Wie Salze Bauwerke sprengen oder zerbröseln lassen

(5.12.2014) Wenn der Zahn der Zeit an Gebäuden nagt, sind nicht selten Salzkristal­le dafür verantwortlich. Forscher aus der Schweiz und den USA haben nun die so ge­nannte Salzsprengung genauer untersucht und wollen zukünftig Verwitterungsprozes­se besser vorhersagen können.

Die jordanische Felsenstadt Petra, die mittelalterliche Stadt Rhodos in der Ägäis oder die in Sandstein gebauten Tempelanlagen im ägyptischen Luxor werden jährlich von mehreren Hunderttausend Personen besucht. Diese historischen Steinbauwerke sind Touristenmagnete und haben eines gemeinsam: sie verwittern. Verantwortlich dafür sind Salze, die im Innern der porösen Baumaterialien kristallisieren und dabei eine so große Kraft entwickeln, dass sie die Steine bersten lassen oder zum Zerbröseln brin­gen. Dasselbe Problem kennen wir auch von Betonbauwerken hierzulande. Forscher des Instituts für Baustoffe der ETH Zürich sowie der Princeton University haben nun die Wirkung von Salzen unter kontrollierten Bedingungen in einem Experiment nachge­stellt. Die Ergebnisse sollen Denkmalschützern und Restauratoren von Kulturgütern in die Lage versetzen, leichter Vorhersagen zum Verwitterungsprozess von Bauwerken machen zu können.

Salze könnten auf ganz unterschiedliche Weise in die Baumaterialen gelangen, erklärt Francesco Caruso, Postdoc in der Gruppe von Robert Flatt, Professor für Baustoffe:

  • Der Betonbestandteil Zement beispielsweise enthält immer auch Gips (Calcium­sulfat) und so genannte Alkalisulfate - beides sind Salze.
  • Und auch aus der Umwelt können Salze in Baustoffe gelangen: etwa über ober­flächennahes, mineralienhaltiges Grundwasser, das über Kapillarkräfte in poröse Baumaterialien eindringt, oder über den Luftschadstoff Schwefeldioxid, der mit dem Calcium in Kalkstein zu Gips reagieren kann.
  • Ferner können auch an der Oberfläche des Bauwerks abgelagerter Meerwasser-Sprühnebel oder Tausalze Schaden anrichten: „Werden diese Salze von Regen gelöst, kann die salzhaltige Flüssigkeit über Poren oder Risse ins Baumaterial eindringen“, so Caruso.

Verdunstet die Feuchtigkeit, kristallisieren die Salze innerhalb des Bauteils aus - wobei auch Teile abgesprengt werden können.

Temperaturunterschiede fördern die Anreicherung

In ihrem Laborexperiment verwendeten die ETH-Forschenden Natriumsulfat - das Salz mit dem größten bekannten Zerstörungspotenzial. Es existiert in zwei Formen - näm­lich anhydriert und hydriert. In mehreren Zyklen stellten sie Kalkstein-Würfel mit einer Seitenlänge von 2 cm in ein Natriumsulfat-Salzbad, wobei die Salzlösung in die Poren des Kalksteins eindringen konnte. Anschließend trockneten sie die Steine bei hoher Temperatur, bevor sie sie für eine nächste Runde erneut bei tieferer Temperatur ins Salzbad stellten. Während der Trocknungsphasen kristallisierte das Salz in anhydrier­ter Form in den Poren der Steine aus. In den Salzbad-Phasen drang erneut Salzlösung in die Poren ein, wobei das bereits kristallisierte Salz zudem wieder gelöst wurde.

Über diesen kontrollierten zyklischen Prozess gelang es den Wissenschaftlern, das Salz im Innern des Steins stark anzureichern und dort eine in Bezug auf die hydrierte Form übersättigte Salzlösung zu erhalten. (Mit einer übersättigten Salzlösung ist eine Flüs­sigkeit gemeint, in der wegen besonderer Umstände mehr Salz gelöst ist als es unter normalen Umständen möglich wäre.)

Übersättigung ist ausschlaggebend

Das Experiment zeigte: Je grösser die Übersättigung, desto grösser ist das Zerstö­rungspotenzial des Salzes. Und auch die Temperatur spielte eine Rolle: In Durchläufen, in denen die Temperatur nie unter 25 Grad fiel, brauchte es im Experiment im Schnitt vier Zyklen, bis es zu Schäden kam, fiel die Temperatur auf 3 Grad, reichte ein Zyklus. „Es braucht diese Zyklen von Feuchte und Trockenheit, doch letztlich geht es um die Übersättigung“, erklärt der Chemiker Caruso.

Für ein Bauwerk heißt das: Sind die Umweltbedingungen so, dass immer wieder Salzlö­sung in einen porösen Stein eindringen und die Flüssigkeit - zum Beispiel wegen star­ker Sonnenstrahlung oder starken Winden - regelmäßig wieder verdunsten kann, dann ist mit einer starken Salz-Übersättigung im Baumaterial zu rechnen. „In diesem Fall braucht es keine großen Salzmengen, um große Schäden anzurichten“, betont ETH-Professor Flatt. Bei gemäßigteren Umweltbedingungen hingegen brauche es größere Mengen.

Dank des kontrollierten Experiments konnten die Forschenden das Phänomen dieser Salzsprengung erstmals ausführlich physikalisch-chemisch und mechanisch beschrei­ben. „Wir haben gezeigt, dass die Salzsprengung und die von ihr verursachten Schä­den zumindest unter kontrollierten Bedingungen vorhersagbar sind“, sagt Flatt. Dank der Experimente sollen nun Restaurations- und Konservierungswissenschaftler ...

  • sicherer entscheiden können, wie viel Salz von einem Bauwerk entfernt werden muss, um Schäden zu verhindern, und/oder sie sollen
  • leichter vorherzusagen können, wann ein Gebäude Schaden nehmen wird - so­fern das Salz nicht entfernt wird.

Michelangelos Fresken und Geothermiebohrungen

Sichtbar sind solche auf die Salzsprengung zurückzuführende Schäden nicht nur bei historischen Steinbauwerken. Auch bei Wandgemälden wie Michelangelos Fresken in der Sixtinischen Kapelle im Vatikan sei Salz ein Problem, sagt Caruso: Salzausblühun­gen im Mauerwerk, in der Malschicht oder dazwischen führten dort zu Schäden.

Ebenfalls zeigt sich das Problem in einem großen Maßstab in Erosionsprozessen und bei Geothermiebohrungen. „Die Salzsprengung formt ganze Felslandschaften“, sagt Caru­so. Und 2007 hat sich bei Erdwärmebohrungen in der Altstadt von Stauffen im Breis­gau der Boden angehoben, an einigen Stellen bis zu 26 Zentimetern. In Häuserzeilen bildeten sich Risse. Wie sich im Nachhinein herausstellte, drang wegen der Bohrungen im Untergrund Grundwasser in eine Schicht, in der das Mineral Calciumsulfat in seiner anhydrierten Form vorlag. Durch die Verbindung mit dem Wasser bildete sich daraus Gips. Die Übersättigung dieses Gips erzeugte den Druck, der dazu führte, dass sich der Boden hob:

Anwenden möchten die Forschenden der ETH Zürich ihre Erkenntnisse auch in einem Projekt in der Altstadt von Havanna. Salz sei dort ein großes Problem und führe da­zu, dass bei Restaurierungsarbeiten eingesetzter Spezialputz nach wenigen Jahren be­reits von den Fassaden bröckle, sagt Flatt. Im Forschungsprojekt soll es darum gehen, dafür die genauen Ursachen herauszufinden. Außerdem möchten die an dieser For­schungsarbeit beteiligten Wissenschaftler der ETH Zürich und der Princeton University nach Möglichkeiten suchen, die Salzsprengung zu reduzieren, beispielsweise durch ei­ne Veränderung der Wände der Poren von Baumaterialen auf der Nanoskala.

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