<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung betrifft ein Restaunerungs- und Konservlerungsmatenal für Oberflächen von steinartigen Gegenständen, insbesondere Natursteinen oder technischen Bauteilen, insbesondere Betonbauteilen, bestehend aus einem Gemisch aus Zement, Wasser und gegebenenfalls Sand, sowie ein Verfahren zur Restaurierung und Konservierung von Natursteinoberflächen.
EMI1.1
setzt ist. Weiters ist diesem Trockenmörtelgemisch ein körniger, die Alkalität erhöhender Zusatzstoff mit einer wesentlich geringeren Reaktionsgeschwindigkeit als der Abbindegeschwindigkeit des anorganischen Bindemittels entspncht, zugesetzt. Dieses anorganische Bindemittel in der Beschichtung soll Portlandzement sein, der durch seine Grobkörnigkeit die Reaktionsgeschwindigkeit des Aushärtevorgangs der Beschichtung verlangsamt.
Es soll zwar durch eine derartige Ausbildung ein langsameres Aushärten und ein Spannungsausgleich Im Inneren der Beschichtung und damit insgesamt eine bessere Eigenschaft der Beschichtung erzielt werden, eine Verbesserung bzw. eine längere Haltbarkeit des Trockenmörtetgemh sches über eine längere Einsatzdauer, insbesondere in klimatisch schwierigen Bedingungen mit starkem Temperaturwechsel, konnte jedoch nicht erreicht werden.
Weiters ist aus der Literatur, insbesondere der DE-Z "2. Internationales Kolloquium 1986, Werkstoffwissenschaften und Bausanierung, Wissenschaftlich-Technischer Arbeitskreis für Denkmalpflege und Bausanierung EV, Technische Akademie Esslingen 1986"herausgegeben von F. H. Wittmann, sowie der US-Z "Studies and Documents on the cultural hentage" Bd. 16, The Detenoration and Conservation of Stone/Unesco 1988 - bekannt, dass die Oberflächen von Natursteinen wie Kalkstenen, Sandsteinen, etc. korrodieren auf Grund chemischer Einflüsse aus der Atmosphäre (S02, SO3, NOx und Luftfeuchtigkeit) immer stärker und schneller. Zur Sanierung derartiger Oberflächen werden Kunstharze In Form von Kunstharzdispersionen bzw. mineralisch gefüllte Kunstharzdispersionen bzw.
Kunstharzdispersionen zur Modifizierung hydraulisch gebundener Mörtel oder ausschliesslich hydraulisch gebundene Mörtel wie Kalkoder Zementmörtel verwendet. Alle diese Sanierungsmassnahmen führen langzeitig nur teilweise zu einem ausreichenden Erfolg. Offen bleibt dabei meist die Frage, warum derartige Sanierungsmassnahmen nicht ztetführend waren.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Restaurierungs- und Konservierungsmaterial zu schaffen, welches eine bessere Anpassung an die Eigenschaften des auszubessernden Materials erreicht und gute Diffusionseigenschaften aufweist, um eine gute Verankerung in den Poren der auszubessernden Natursteine bzw. technischen Oberflächen zu erzielen. Darüberhinaus soll auch ein Verfahren zur raschen und dauerhaften Sanierung von Natursteinoberflächen bzw. technischen Flächen, wie beispielsweise Betonoberflächen, geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, das Gemisch aus 1 Gew. Teil Silikatzement PZ 375, zwischen 0, 1 und 0, 5 Gew. Teilen Elastifizierungsmittel und gegebenenfalls bis zu 2 Gew. Teilen Sand mit einer Korngrösse zwischen 0 und 1 mm besteht und ein Alkalidepot, insbesondere mit einem Ca-lonen-Überschuss, aufweist, dessen Grösse von der vorermittelten Menge an Sulfaten in der Oberfläche des zu restaurierenden steinartigen Gegenstandes bestimmt ist.
Vorteilhaft ist bei dieser Lösung, dass das Verwitterungsprodukt, Insbesondere die amorphe Kieselsäure und das, bel der Hydratation des Silikatzements ausgeschiedene Ca (OH) 2 chemisch miteinander reagieren und dadurch In das Restaurierungsmaterial, im wesentlichen
EMI1.2
der Oberfläche des zu sanierenden Gegenstandes, Insbesondere Natursteines bzw. des technischen Bauteils, Spannungsschäden vermieden und die Lebensdauer der derart sanierten Gegenstände bzw.
Bauteile erheblich erhöht, da Spannungsrisse aufgrund des gezielten verschiedenen physikalischen Verhaltens des Restaurierungs- und Konservierungsmaterials und des zu sanierenden Gegenstandes, insbesonde- re des Natursteins bzw. des technischen Bauteils, vermieden werden. Der überraschende Vorteil dieser Lösung liegt vor allem aber auch darin, dass eine besonders gute Korrosionsbeständigkeit gegenüber weiteren atmosphärischen Einflüssen erreicht wird, da die im Restaunerungsmatenal, während der Hydratation abgespaltenen Ca-Ionen durch die amorphe Kieselsäure chemisch gebunden werden.
Dies ermöglicht eine höhere Wasserdichtheit der mit dem Restaurierungs- und Konservierungsmaterial behandelten Oberflächen, die Verringerung der Spannungsrisse, eine höhere chemische Widerstandsfestigkeit und die Vermeidung von Ausblühungen. Überraschend Ist aber vor allem, dass der dynamische E-Modul eines derartigen Gemisches Im chemisch ausreagierten Zustand in einem Temperaturbereich zwischen -20. und + 80.
C weniger als t 10 % schwankt und damit die durch die Anpassung des E-Moduls an den Naturstein erzielten Vorteile über diesen äusserst breiten Temperaturbereich in etwa gleichbleiben, und somit Spannungen durch dynamische Belastungen, die durch häufigen und schnellen Temperaturwechsel entstehen, überhaupt vermieden oder so gering gehalten werden können, dass ein Abplatzen des Restaunerungs- und
<Desc/Clms Page number 2>
Konservierungsmaterials von den zu sanierenden Oberflächen zuverlässig ausgeschaltet ist. Weiters wird durch das Alkalidepot eine lange Zeit wirksame Korrosionsschicht für in den Bauteilen bzw.
Natursteinen oder technischen Bauteilen angeordnete Eisenteile und Eisenlegierungen gebildet und hat dies den Vorteil, dass sie im wesentlichen mineralischer Natur wie der Naturstein bzw. der Bauteil ist und somit eine
Doppelfunktion erfüllen kann, die mit beispielsweise auf Kunststoffen basierenden Korrosionsschutzmateria- liennicht erreichbar ist.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen dargelegt.
Vorteilhaft ist aber auch eine Ausgestaltung nach Patentanspruch 2, da durch den richtig gewählten
Silikatmodul des Restaurierungsmaterials, in Kombination mit dem Abwitterungsprodukt, im besonderen der amorphen Kieselsäure, ein chemisch einheitliches, das heisst stöchiometrisch richtiges Endprodukt entsteht, welches aufgrund seiner Homogenität und Spannungsfreiheit hohe Lebensdauer besitzt.
Die Ausbildung nach Patentanspruch 3 ermöglicht in überraschend einfacher Weise eine hohe At- mungsaktivität und einen natürlichen Wasserdampfhaushalt, sowohl im Restaurierungs- und Konservie- rungsmaterial, als auch in dem sanierten Naturstein bzw. dem technischen Produkt, beispielsweise einer
Betonwand. Dadurch, dass das Eindringen von Flüssigkeit jedoch unterbunden wird, wird auch eine hohe
Frostsicherheit erreicht und werden Sprengschäden durch das Auffrieren von beispielsweise in den
Restaurierungsbereichen enthaltenen Flüssigkeiten ausgeschaltet, wodurch das Restaurierungs- und Kon- servierungsmaterial auch in jenen Bereichen der Welt einsetzbar ist. in welchen häufig Temperaturen unter
Null Grad vorkommen.
Durch die Ausbildung nach Patentanspruch 4 wird ein überwiegender schädlicher Teil an der Oberfläche der zu behandelnden Gegenstände chemisch gebunden und damit neutralisiert, wodurch eine weitere
Zerstörung der Oberfläche des Gegenstandes verhindert ist.
Durch die weitere Ausgestaltung nach Patentanspruch 5 wird der E-Modul des Restaurierungs- und Konservierungsmaterials gegenüber dem zu sanierenden Stein bzw. der Natursteinoberfläche oder gegen- über der technischen Oberfläche, wie beispielsweise einer Betonoberfläche, so viel erniedrigt, dass die bei Temperaturschwankungen zwischen dem Restaurierungsmaterial und der zu sanierenden Oberfläche auftretenden Spannungen, hervorgerufen durch verschiedene Ausdehnungskoeffizienten, in der äusseren Schicht abgebaut werden können.
Die Erniedrigung des E-Moduls des Restaurierungsmaterials wird durch Zusatz eines organischen, polymeren Elastifizierungsmittels erreicht, weiches hydraulisch reaktiv in der Hydratationsphase des Restaurierungsmaterials wirkt. Als organisches Elastifizierungsmittel wird erfindungsgemäss ein solches verwendet, weiches gleichzeitig mit der hydraulischen Aushärtung des Zements in den Reaktionsprozess chemisch miteingebunden wird und welches den Aushärteprozess des Zements nicht verändert. Bisher bekannte Kunstharzdispersionen, wie beispielsweise Acrylat- oder Polyvinyldispersionen, härten im Gegensatz zum Zement, der nur mit genügend Wasser aushärtet, erst nach vollständiger Trocknung aus. Diese grundverschiedenen, nebeneinander ablaufenden Aushärtungsmechanismen führen zwangsläuig zu Störungen der Endbeschichtung.
Weiters lagern sich diese Kunststoffteilchen ganz gezielt in den Poren des Zementsteins ab und verringern wesentlich die Wasserdampfdiffusionsfähigkeit des Beschichtungsmaterials. Bei der Verwendung des erfindungsgemässen Eiastifizierungsmittels wird dieses chemisch in den Hydratationsprozess des Zements mit einbezogen und wird nicht in den Poren des Zementsteins abgelagert.
Eine andere Weiterbildung beschreibt Patentanspruch 6, wodurch eine Farbangleichung der mit dem Restaurierungs- und Konservierungsmaterial hergestellten Fugen an die Farbe des Grundkörpers einfach möglich ist.
Vorteilhaft ist aber auch die Ausbildung nach Patentanspruch 7, da dadurch auch helle Farbtöne für das Restaurierungs- und Konservierungsmaterial erreichbar sind.
Weiters ist auch eine Ausbildung nach Patentanspruch 8 möglich, da dadurch sowohl die Oberflächenstruktur als auch die farbliche Gestaltung des Restaurierungs- und Konservierungsmatenals am ehesten an die Oberfläche des zu behandelnden Natursteins anpassbar ist.
Vorteilhaft ist weiters auch ein Verfahren zur Restaurierung und Konservierung von Oberflächen von steinartigen Gegenständen, insbesondere Natursteinen oder technischen Bauteilen wie Beton oder dgl., bei dem ein Gemisch aus Zement und gegebenenfalls Sand mit Wasser zu einer fliessfähigen oder pastenförml- gen Masse vermischt und auf die zu restaurierenden Oberflächen aufgebracht wird.
Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Zement ein Silikatzement PZ 375 ist und diesem eine Menge zwischen 10 bis 50 % von insbesondere organischem Elastifizierungsmittel je Gewichtsteil Silikatzement zugesetzt wird, insbesondere ein Restaurierungs- und Konservierungsmaterial nach den Ansprüchen 1 bis 8, um den E-Modul des chemisch ausreagierten, insbesondere sandhaltigen Restaurierungs-und Konservierungsmittels kleiner als den E-Modul des steinartigen Gegenstandes bzw. des Bauteiles einzustellen, und dass dem mit dem Restaunerungs- und Konservierungsmaterial bearbeiteten
<Desc/Clms Page number 3>
Bereich der Oberfläche zumindest über einen Zeitraum von zwölf Stunden nach Aufbnngung desselben so viel Wasser zugeführt wird, dass dieser ausreichend feucht gehalten wird.
Durch diese Massnahmen wird in überraschend einfacher Weise eine hohe Haftzug- und Scherfestigkeit zwischen dem Restaurierungs- und Konservierungsmaterial sowie der zu restaurierenden Oberfläche und natürlich auch in den Spalten und Klüften bzw. den offenen Poren des zu sanierenden steinartigen Gegenstandes erreicht. Gleichzeitig wird in überraschender Weise eine entsprechend ausreichende Wasserdichtheit bei gleichzeitiger ausreichender Wasserdampfdurchlässigkeit auch bei dickeren Schichten von einem oder mehreren Zentimetern aus Restaurierungs- und Konservierungsmaterial erreicht. Dabei wird mit zunehmender Schichtstärke der Masseanteil an Sand gegenüber dem Zement bis zum Fünffachen erhöht und die Siebkurve der Korndurchmesser zu grössten Durchmessern verschoben.
Damit ist auch ein Aufbringen derartiger Restaurierungsund Konservierungsmaterialien an Baustellen, an weichen üblicherweise die Schichtstärken bzw. Schichtdikken starken Schwankungen unterliegen können, möglich, ohne dass dabei die Wasserdampfdiffusion erschwert wird. Dadurch kann auch das Abplatzen des Restaunerungs- und Konservierungsmaterials auf Grund von unterschiedlichen Dampfdrücken zwischen dem zu sanierenden steinartigen Gegenstand und dem Restaurierungs- und Konservierungsmaterial vermieden werden.
Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeh spiele näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 einen steinartigen Gegenstand, beispielsweise den Teil einer Steinbüste, mit in der Oberfläche vorgesehenen Schadstellen und Einrissen, In Seitenansicht geschnitten ;
Fig. 2 einen Teil der durch die Umwelteinflüsse zerstörten Oberfläche des steinartigen Gegenstandes nach Fig. 1, in Seitenansicht geschnitten und in vereinfachter, schematischer Darstellung, mit in den Restaunerungs- und Konservierungsmaterial enthaltenen, schematisch dargestellten
Elementen ;
Fig. 3 Ein Diagramm über die zeitliche Ausbildung der einzelnen silikatischen Endprodukt-Kompo- nenten des Restaurierungs- und Konservierungsmaterials.
In Fig. 1 ist ein steinartiger Gegenstand 1 dargestellt. dessen Oberfläche 2 durch Witterungseinflüsse, beispielsweise Regen, Schnee, Frost und atmosphärische, im besonderen saure Schadstoffe und dergleichen beschädigt ist und entsprechende Vertiefungen 3 bzw. Einnsse 4 aufweist.
Die natürliche hydrolytische Verwitterung von Gegenständen 1, z. B. von Natursteinen, läuft im alkalischen Milieu als allitische Verwitterung bzw. im eher sauren Milieu als siallitische Verwitterung ab. Da durch die starken atmosphärischen Belastungen, insbesondere durch die Luftverschmutzung, Säuren von aussen auf die Natursteinoberflächen gelangen, läuft die Grosszahl der Verwitterungsprozesse derzeit in einer slallitischen Verwitterung ab.
Gegenstand 1, wie Natursteine oder Betonteile, sind keine reinen chemischen Verbindungen, sondern beinhalten mehr oder weniger viele silikatische Verbindungen. Diese silikatischen Moleküle sind in Wasser weniger löslich und bleiben daher an der Oberfläche angereichert zurück.
Die nachfolgende chemische Analyse der Verwitterungsprodukte eines für natürliche Verhältnisse reinen Kalksteins zeigt dies deutlich.
<Desc/Clms Page number 4>
Chemische Analyse eines Kalksteins :
EMI4.1
<tb>
<tb> verwitterte <SEP> Natursteinoberfläche <SEP> von <SEP> der <SEP> Oberfläche <SEP> abgewitterte <SEP> und <SEP> losgelöste <SEP> Korrosionsprodukte <SEP> aus
<tb> nördlicher <SEP> und <SEP> südlicher <SEP> Himmelsrichtung
<tb> CaO <SEP> 47.21 <SEP> 48,87 <SEP> 48,62
<tb> Si02 <SEP> 2,42 <SEP> 5,45 <SEP> 5,34
<tb> MgO <SEP> 4,50 <SEP> 1,28 <SEP> 1,53
<tb> Al2O3 <SEP> 0,80 <SEP> 0,44 <SEP> 0,17
<tb> Fe203 <SEP> 0, <SEP> 22 <SEP> 0, <SEP> 38 <SEP> 0, <SEP> 40 <SEP>
<tb> Na20 <SEP> 0,94 <SEP> 0,59 <SEP> 0,72
<tb> K20 <SEP> 0, <SEP> 11 <SEP> 0,17 <SEP> 0,23
<tb> C02 <SEP> 39,06 <SEP> 36,91 <SEP> 34,86
<tb> SO42- <SEP> 3,45 <SEP> 1,63 <SEP> 1,99
<tb>
<Desc/Clms Page number 5>
EMI5.1
<tb>
<tb> wasserlöslich <SEP> :
<SEP>
<tb> SO42- <SEP> 0,24 <SEP> 0,69 <SEP> 0,37
<tb> C''0. <SEP> 99 <SEP> 0, <SEP> 69 <SEP> 1, <SEP> 05 <SEP>
<tb>
Alle Angaben sind Masse-%.
Für eine siallitische Verwitterung spricht der relativ hohe Si02-Gehalt In den abgewitterten und losgelösten Korrosionsprodukten und im Auffinden amorpher Kieselsäure. Die Untersuchungen wurden dabei mit einem Rasterelektronenmikroskop durchgeführt.
Liegt der SiOs-Gehait im Mutterfelsen des untersuchten Kalksteins häufig unter 1, 5 Masse-%, steigt er bei der verwitterten Oberfläche auf 2. 5 Masse-%. bei den am stärksten verwitterten und abgelösten Teilchen, auf über 5 Masse-% an.
Im Interaktionsfeld von Lithosphäre - Atmosphäre - Hydrosphäre werden Minerale und Gesteine zerteilt und Zersetzt. Die chemische Verwitterung bewirkt eine partielle bis völlige Auflösung von Gesteinen und ist an die Anwesenheit von Wasser gebunden. Die Reaktionsgeschwindigkeit dieser Vorgänge wird durch höhere Temperaturen beschleunigt, wodurch die Eindringtiefe der Verwitterung in feuchtheissen Klimaten besonders gross ist.
Nachfolgend wird der chemische Verwitterungsprozess anhand des analysierten Kalksteins 5 in Fig. 1 näher beschrieben : Kalksteine 5 sind nur wenig wasserlöslich (15 mg CaC03/pro Liter bel 200 C). Die Verkarstung des Kalksteanes 5 Ist ein Löseprozess von Carbonaten mit Wasser und C02 (Kohlensäure), der an den Schichtfugen, Rissen und Klüften des Kalksteins 5 ansetzt und sich nach folgender chemischer Reaktionsgleichung erweitert :
EMI5.2
In Gleichung (2) wird das chemische Gleichgewicht durch ein Ansteigen von Hydroniumionen H3O+ nach rechts zu den gut wasserlöslichen Hydrogencarbonationen HCO'verschoben. Die saure Atmosphäre liefert genügend Hydroniumlonen, um den chemischen Löseprozess des Kalksteins 5 zu beschleunigen.
Es ist bekannt, dass bei der attittschen Verwitterung Kieselsäure in Lösung geht, dagegen beispielsweise Aluminium-Verbindungen als Verwitterungsprodukt ungelöst zurückbleiben.
Bei der siallitischen Verwitterung tntt der gegenteilige Effekt auf : eine Kieselsäure 6, schematisch durch kleine Kreise angedeutet, bleibt als SiO2 zurück, die Aluminium-Verbindungen gehen in Lösung.
EMI5.3
:regehalt steigt, der Aluminium- wie auch der Magnesiumgehalt sinken. Aus der Reihe schlägt dabei das Eisenoxid, welches Im Stein natürlichen Schwankungen unterliegt und auf Grund seiner geringen Konzentra- tion Im Streubereich der Messgenauigkeit liegen dürfte.
Das in der Verwitterungsschicht nachgewiesene Si02 entsteht durch die Einwirkung von Hydroniumionen (saure Atmosphäre) auf die verschiedenen Silikate (Alkali-, Erdkali-, Aluminumsilikate etc. ) des Natursteins. Dabei bilden sich aus den SiOt"', Si2076-, etc.-Gruppen durch Protonenaufnahme H+ (H3O+ = H+ +H20) Säuremoleküle, die untereinander durch Wasserabspaltung zur Polykieselsäure kondensieren. wie dies nachstehend gezeigt ist. (Abb. 1).
<Desc/Clms Page number 6>
EMI6.1
Bei höheren Temperaturen und Wind schreitet diese Bildung der Polykieselsäure durch Wasserabspaltung, besonders In saurer Atmosphäre und unter der Einwirkung von Hydrogencarbonaten, sehr rasch fort. Über Zwischenstufen bildet sich schliesslich ein hochmolekularer, locker gebauter Stoff mit grosser Oberfläche, die röntgenamorphe Kieselsäure 6. Die chemische Schreibweise (Si02) trifft nur teilweise den wirklichen und komplexen Zustand, da In dieser Kieselsäure 6. je nach Kondensationszustand. noch Silanolgruppen
EMI6.2
vorhanden sind, die das Wasser reversibel absorbieren.
Eine von vielen Modifikationen des (Si02) n kommt in der Natur häufig als Quarz In kristalliner Form vor.
Sie ist chemisch beständig und somit wenig reaktionsfähig. Amorphe Kieselsäure 6, wie sie beispielsweise in der Natur vorkommt, ist dagegen infolge ihrer ungeordneten Gitterstruktur wesentlich reaktionsfähiger.
Da sich die amorphe Kieselsäure 6 als Verwitterungsprodukt nicht nur in der äussersten Schicht des Natursteins bildet, sondern häufig auch je nach der Anzahl der offenen Porenräume 7 millimetertief in der Natursteinoberfläche, kann dieses Verwitterungsprodukt nicht mechanisch durch Abtragen, z. B. durch
EMI6.3
werden.
Wie nun in Fig. 2 gezeigt, wird diese Kieselsäure 6, um sie unschädlich zu machen, erfindungsgemäss chemisch derart eingebunden, dass das damit entstehende neue Reaktionsprodukt, wie der steinartige Gegenstand 1, z. B. der Naturstein selbst oder Betonteile, ebenfalls mineralischer Natur ist und mechanisch vergleichbare Werte besitzt. Auf diese Weise werden vor allem die durch Temperatur - und Feuchteschwankungen zwischen Naturstein, z. B. Kalkstein 5, und einem Restaurierungs- und Konservierungsmate- nal 8 auftretenden und das Langzeitverhalten der Sanierung bestimmenden Spannungszustände ganz wesentlich minimiert bzw. ausgeschaltet.
Natürliche Puzzolane waren bereits den Römern als Baumaterial bekannt. Sie verwendeten Erden vulkanischen Ursprungs (erhärtete Lavaströme und vulkanische Auswurfmassen) aus dem im Golf von Neapel gelegenen Ort Pozzuoli.
Puzzolane sind Stoffe mit einem grossen Anteil an reaktionsfähiger Kieselsäure 6. Puzzolane haben kein eigenes Erhärtungsvermögen. Erst in der Mischung mit Kalkhydrat Ca (OH) 2 ergeben sie ein hydraulisches Bindemittel.
Als Reaktionsgleichung für die Erhärtung von Puzzolanekalken, ohne Berücksichtigung eines beigemischten Sandes, gilt vereinfacht :
<Desc/Clms Page number 7>
EMI7.1
Unabhängig vom richtigen stöchiometrischen Verhältnis des Kalkhydrates zur amorphen Kieselsäure 6 entsteht immer das mechanisch hochfeste Reaktionsprodukt"C3S2H3".
Die grosse Beständigkeit dieser hydraulischen Mörtel und daraus gefertigter Bausteine hat sich über zwei Jahrtausende bewiesen. Noch heute gibt es gut erhaltene Aquädukte und Bauwerke mit diesem Material aus dem dritten Jahrhundert vor Christus.
Die erfindungsgemässe, langzeitig wirkende Problemlösung zur Restaurierung und Konservierung verwitterter Oberflächen 2 des Natursteins bzw. Kalksteins 5 ist unter Berücksichtigung vorher beschnebener chemischer Vorgänge die Verwendung von speziellen Silikatzementen 9. Durch Brennen von Kalkstein 5 und Tonerde entsteht ein Zementklinker, der sich von den hydraulisch erhärtenden Kalken vor allem durch seinen nledngen Kalkgehalt unterscheidet.
Der Zementklinker setzt sich im wesentlichen aus einer mit Wasser schneller (CS) und einer mit Wasser langsamer (C2S) aushärtenden Komponente zusammen, wobei das Reaktionsprodukt C3S2H3 - ("CalciumsIlikathydrat") stets das gleiche ist :
EMI7.2
Beide Reaktionen ergeben das gleiche Reaktionsprodukt, aber unterschiedliche Ca (OH) 2- Mengen 10, die bel der Zementaushärtung in den Porenräumen 7 des Zementsteins in bis zu 0, 2 mm langen Nadeln auskristallisieren und derart mechanisch verankert werden. Ein wesentlicher Teil des Ca (OH) 2 reagiert dabei mit dem Tricalciumaluminat des Silikatzementes 9 und bildet feste Tetracalciumaluminat-Hydrate.
EMI7.3
Letztere entsteht mit dem Beginn des Erhärtungsprozesses, d. h. im Augenblick der Wasserzugabe zum Silikatzement 9.
In dieser noch sehr flüssigen Phase dringt das Restaurierungs- und Konservierungsmaterial 8 leicht und tief in die offenen Porenräume 7 der Oberfläche 2 des Natursteins ein und gleichzeitig mit ihm auch das Ca (OH) 2 : Die Puzzolanbindung mit dem Abwitterungsprodukt (amorphe Kieselsäure 6) kann sofort beginnen, das dabei entstehende Reaktionsprodukt ist wieder C3S2H3.
Erst einige Zeit später steigt die Konsistenz des Restaurierungs- und Konservierungsmateriales 8 an.
Nun beginnt die Bildung des Hydratationsproduktes C3S2H3 aus den ursprünglichen ZementklinkerKomponenten C3S und C2S.
Der wesentliche Vorteil dieser erfindungsgemässen Verfahrenstechnologie ist der, dass die chemische Einbindung des Verwitterungsproduktes (amorphe Kieselsäure 6 und das bei der Hydratation des Silikatementes ausgeschiedene Ca (OH) 2 Menge 10 einerseits, sowie das chemische Hydratationsprodukt des Silikatzements andererseits das gleiche Material, nämlich C3S2H3 ergeben. Die durch unterschiedliche Endprodukte bedingten verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten, verschiedenen physikalischen Eigenschaften und damit bedingtes verschiedenes Verhalten, welches unweigerlich zu Spannungsschäden führt und die Lebensdauer eines Werkstoffes verkürzt, wird auf diese Weise ganz wesentlich minimiert bzw. ausgeschaltet.
Im Gegensatz zu den bisher häufig bei Restaunerungsarbeiten eingesetzten Luft-Kalkmörteln oder Kalk- Zementmörteln, bei denen das freie Ca (OH) 2 carbonatisiert wird und damit partiell wasserlöslich bleibt, wird das Ca(OH)2 beim erfindungsgemässen Restaurierungs- und Konservierungsmaterial 8 im wesentlichen S ! ! ikat) sch und damit wasserunlöslich eingebunden, wie dies aus der zeitlichen Ausbildung der einzelnen
<Desc/Clms Page number 8>
silikatischen Endprodukt-Komponenten in Fig. 3 zu ersehen ist.
Ein weiterer Vorteil dieser erfindungsgemässen Verfahrenstechnologie 1St. dass bis zu einem bestimmten Masse vorhandene Sulfationen chemisch ohne Schaden eingebunden werden können. Die dabei mit Silikatzement 9 entstehenden feinen und dünnen Kristalle 3CaO. AI203. 3CaS04. 32 O ("Trisulfat" oder Ettringit) wandeln sich nach einiger Zeit in das stabile 3CaO. AI2 03. CaS04. 12H2 0 ("Monosulfat") um.
Die Feuchtigkeit und die Temperatur haben einen wesentlichen Einfluss auf den Erhärtungsverlauf.
Optimale Aushärtungen - wie man aus den Gleichungen vorher entnehmen kann-werden nur bei einem genügenden Wasserangebot erreicht. Dies bedeutet in der Praxis ein ausreichendes Feuchthalte der restaunerten Oberflächen über einige Tage, besonders aber innerhalb der ersten zwölf Stunden. Wird das zur Hydratation notwendige Wasser z. B. durch Verdunsten entzogen, hört die Härtung auf.
Die erfindungsgemäss im Restaurierungs- und Konservierungsmaterial 8 entstandene Puzzolanbildung hat eine besonders gute Korrosionsbeständigkeit gegenüber weiteren atmosphärischen Einflüssen, da die im Restaunerungs- und Konservierungsmaterial 8 während der Hydratation abgespaltenen Ca-Ionen durch die amorphe Kieselsäure 6 chemisch gebunden werden.
Es entsteht dabei das Caiciumsilikathydrat C3 S2 H3, dessen Löslichkeit äusserst gering ist und das die Poren des Restaurierungsmatenales verstopft. Beim Fehlen der amorphen Kieselsäure 6 entsteht aus dem Ca (OH) 2 mit dem Kohlendioxid der Luft zum grossen Teil Calciumcarbonat, mit seinen vorher schon näher beschriebenen. für saure atmosphärische Einflüsse ungeeigneten Eigenschaften.
Wie Versuche zeigen, löst sich durch Auslaugung aus dem erfindungsgemässen Restaurierungs- und Konservierungsmaterial 8 weniger als ein Dnttel des Calciumhydroxids gegenüber normalen Silikatzementen 9 heraus, wodurch folgende Eigenschaften wesentlich verbessert werden :
Die Wasserdichtheit wird erhöht ; die Hydratationswärme, das Schwindmass und damit die Neigung zu Spannungsnssen wird verringert ; die chemische Widerstandsfähigkeit steigt an ; die Entstehung von Ausblühungen wird durch die chemische Bindung des Ca (OH) 2 wesentlich verbessert bzw. verhindert.
Die bei der erfindungsgemässen Restaurierung zur Verwendung gelangenden Silikatzemente 9, insbesondere Portlandzemente, haben bestimmte Kriterien zu erfüllen, vor allem in der Kombination mit den Abwitterungsprodukten. Dabei gibt nachfolgende Formel den Silikatmodul (SM) als einen zahlenmässigen
EMI8.1
EMI8.2
EMI8.3
chen 2 von Gegenständen 1, insbesondere Natursteinen bzw. Kalkstern 5 Ist das Kriterium, dass der EModul des Restaurierungsmatena ! s gegenüber dem Naturstein gennger sein muss. Dies wird durch ein Elastlfizlerungsmlttel 11 erreicht, das mit den silikatischen Hydratationsprodukten des Zementsteins reagiert.
Gleichzeitig wird dadurch eine hohe Haftzug- und Scherfestigkeit zwischen Restaunerungs- und Konservierungsmaterial 8 sowie der Oberfläche 2 erreicht. Die Prüfungen eines solchen Restaurierungsmatenals wurden dabei In einem Temperaturbereich von-20 bis + 800 C durchgeführt und ergaben hinsichtlich des dynamischen E-Moduls In diesem Temperaturbereich Schwankungen um weniger als +/zehn Prozent.
Das erfindungsgemässe silikatische Restaurierungs- und Konservierungsmaterial 8 muss auch eine hohe Wasserdampfdurchlässigkeit aufweisen, da Gegenstände 1, insbesondere Kalkstein 5 vor allem mit porösen Oberflächen 2, je nach Luftfeuchtigkeit und Temperatur Wasser aufnehmen und wieder abgeben. Wird die Abgabemöglichkeit durch eine wasserdampfsperrende Schicht verhindert, treten zwischen der Oberfläche 2 des Natursteins und dem Restaunerungsmatenal Dampfdrücke auf, die das Restaunerungsmatenal abplatzen lassen.
Für die Wasserdampfdurchlässigkeit ist vor allem der Werkstoff selbst. aber auch die Dicke der aufgebrachten Schicht massgebend. Es wird deshalb die diffusionsäquivalente Luftschichtdicke SO (H2 0) = u. s (u = Diffusionswiderstandszahl, s = Schichtdicke) als Richtwert für das erfindungsgemässe Restaunerungsmatenal angegeben. Bel der Verarbeitung an der Baustelle, insbesondere an nicht ebenen Naturstein-
<Desc/Clms Page number 9>
oberflächen, sind erfahrungsgemäss die Schichtstärken des Restaurierungsmaterials starken Schwankungen unterworfen. Der Diffusionswiderstand muss daher auch bei grösseren Schichtstärken genügend klein sein. Das entwickelte Restaurierungsmaterial weist eine SD {H2 0) = 0, 05 m bei 850 um Schichtstärke auf.
Dieser Wert garantiert auch noch bei einer Schichtstärke 12-Fig. 2-von mehreren Millimetern eine bisher unerreichte und ausreichende Wasserdampfdiffusion. Die hohe Wasserdampfdiffusionsfähigkeit muss jedoch bel gleichzeitig flüssiges Wasser sperrender Eigenschaft erreicht werden. Das erfindungsgemässe Restaune- rungs- und Konservierungsmaterial 8 hat eine um mehr als die Hälfte niedrigere Wasseraufnahme Im Vergleich zu üblichen Silikatzementen 9 ohne Zusatz eines hydrophobierenden Mittels.
Als Richtrezeptur des erfindungsgemässen Restaunerungs- und Konservierungsmatenals 8 für Schichtstärken 12 bis 1, 5 mm hat sich bewährt : 3, 3 Gew. T. Silikatzement 9 PZ 375
3, 3 Gew. T. Sand 13 (0 bis 0, 5 mm) 1, 0 GewT Elastifizierungsmlttel 11 ca. 1, 4 Gew. T. Wasser 14 Die Aufbnngung mehrerer dünner Schichten übereinander zeigte erfahrungsgemäss die höchste Sanierungsgüte.
Als Richtrezeptur des erfindungsgemässen Restaurierungs- und Konservierungsmatenals 8 für Schichtstärken 12 von 3 bis 4 mm In einem Arbeitsgang hat sich bewährt : 1. 0 Gew. T. Silikatzement 9 PZ 375
1, 5 Gew. T. Sand 13 (0 bis 1 mm) 0, 2 GewT Elastifizierungsmittel 11 ca. 0. 4 Gew. T. Wasser 14 Die Oberfläche 2 des Gegenstandes 1 z. B. des Natursteins muss vor Aufbringung des Restaurierungs- und Konservierungsmatenales 8 frei von losen Teilchen sowie von Staub sein und muss stark vorgenässt werden.
Das erfindungsgemässe Restaurierungs- und Konservierungsmaterial 8 kann, wie in der Betontechnologie bekannt, verarbeitet werden : Bürsten, Sprühen, Spachteln und Giessen sind möglich. Die Herstellung von
EMI9.1
a.Als Richtrezeptur zum Giessen von Figuren hat sich bewährt :
10, 0 Gew. T. Silikatzement 9 PZ 375
10, 0 Gew. T. Sand 13 (0 bis 0, 5 mm) 1, 0 GewT Elastlfizlerungsmittel 11 und Wasser 14 je nach gewünschter Konsistenz.
Übliche Silikonformen werden dabei als Giessformen verwendet. Diese Giessmasse bzw. das Restaunerungs- und Konservlerungsmatenal 8 mit einer sehr niederen Viskosität eignet sich auch besonders zur Vorversiegelung von zerfressenen Oberflächen 2 von steinartigen Gegenständen, da auf Grund der niederen Viskosität diese Flüssigkeit auch In in der Oberfläche 2 bzw. im steinartigen Gegenstand angeordneten offenen Poren 15 bzw. In zwischen geschlossenen Poren 16 angeordnete Kapillaren emdnn- gen kann und auch die In diesen Bereichen befindliche Kieselsäure 6 durch das Restaunerungs- und Konservierungsmaterial 8 chemisch gebunden und damit unwirksam gemacht werden kann, wie dies rein schematisch m der Darstellung m Fig. 2 gezeigt ist.
Um Insbesondere unsymmetrische und abgebrochene Teile Im Denkmalschutz händisch nachformen und ergänzen zu können hat sich als Richtrezeptur für eine derartige, plastisch verformbare Modelliermasse bewährt : 1, 0 GewT Silikatzement 9 PZ 375
2, 0 Gew. T. Sand 13 (0 bis 1 mm) 0, 2 Gew. T. Elastifizierungsmittel 11 und so wenig Wasser 14, dass die Masse plastisch verformbar ist.
Zur Befestigung von Bauteilen sind häufig Eisenstäbe oder Eisengitter etc. notwendig. Für den Korrosionsschutz solcher Eisen- oder Eisenlegierungen hat sich auf Grund seines hohen pH-Wertes von über 12 das Restaurierungs- und Konservierungsmaterial 8 als Alkalidepot bestens bewahrt. Als Richtrezeptur für einen derartigen mineralischen Korrosionsschutz gilt :
2, 0 bis 3, 0 Gew. T. Silikatzement 9 PZ 375 1, 0 Gew. T. Elastifizierungsmittel 11 ca. 0, 2 Gew. T. Wasser 14 je nach gewünschter Streichfähigkeit.
Da nach dem erfindungsgemässen Verfahren der metallische Korrosionsschutz und das Restaunerungsund Konservierungsmatenal 8 die gleiche mineralische Basis haben und aneinander sehr gut haften, ist auch in diesem Fall das sonst auftretende Spannungsproblem zwischen verschiedenen Werkstoffen gelöst.
<Desc/Clms Page number 10>
Um eine restaurierte Oberfläche 2'auch optisch der originalen Oberfläche 2 nachzuempfinden, können alle Mischungen mit Erdfarben eingefärbt werden und/oder der zugesetzte Sand mit gemahlenem, originalem Naturstein entsprechender Siebkurve substituiert werden. Durch die in der Praxis geprüfte und bewährte Verwendung von Weisszement sind auch helle Farbtöne erreichbar.
In Fig. 3 ist nunmehr auf der Abszisse 17 die Hydratationszeit und auf der Ordinate 18 der Mengenanteil der jeweiligen Stoffverbindung angegeben. Während nunmehr die in strichlierten Linien gezeigte Diagrammlinie 19 den Mengenanteil an Porenraum darstellt, zeigt die Diagrammlinie 20 die während des Prozesses entstehende Menge an Calcium-Hydroxid.
Die Bildung des Calcium-Silikathydrates ist dagegen durch die Diagrammkurve 21 gezeigt. Diese Diagrammkurve 21 umfasst zwei unterschiedliche Abschnitte, und zwar wird in etwa bis zum zweiten Tag der Hydratationszeit des erfindungsgemässen Restaurierungs- und Konservierungsmaterials 8 langfasenges
EMI10.1
Die beiden unterschiedlichen Abschnitte sind zusätzlich durch unterschiedliche Schraffur voneinander unterschieden.
Des weiteren ist festzuhalten, dass in dem mit 22 gekennzeichneten Bereich die Hydratationszeit in Minuten, in dem mit der Bezugsziffer 23 gekennzeichneten Bereich die Hydratationszeit in Stunden und im Bereich 24 in Tagen angegeben ist.
Wesentlich ist in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung, dass unmittelbar mit dem Einsetzen der chemischen Reaktion im Restaurierungs- und Konservierungsmaterial 8 die Bildung von Kalkhydrat Ca (OH) 2 einsetzt, bevor die Anzahl der Porenräume reduziert wird, sodass das Calciumhydrat auch beispielsweise noch in die offenen Poren 16 eindringen bzw. dort gebildet werden kann und auch die in diesen offenen Poren 16 enthaltene Kieselsäure 6 dadurch chemisch gebunden werden kann bzw. mit dem Kalkhydrat chemisch reagiert, sodass auch nach der Fertigstellung der Restaurierung von diesen offenen Poren 16 eine weitere Zerstörung des Gegenstandes 1 bzw. Bauteils nicht möglich ist.
Damit wird erreicht, dass sofort nach der Aufbringung des Restaunerungs- und Konservierungsmaterials 8 auf die Oberfläche 2 des Gegenstandes 1, also noch bevor der Silikatzement 9 hart wird und der Porenraum kleiner wird, das Kalkhydrat in diese offenen Poren 16 und Porenräume, die in einem steinartigen Gegenstand, z. B.
Naturstein oder in einem technischen Bauteil wie Beton, immer vorhanden sind, einwandern bzw. eindringen kann.
Bezugszeichenaufstellung
1 Gegenstand
2 Oberfläche 2'Oberfläche
3 Vertiefung
4 Einnss
5 Kalkstein
6 Kieselsäure
7 Porenraum
8 Restaunerungs- und Konservlerungsmatenal
9 Silikatzement
10 Menge 11 Elastlfizierungsmittel
12 Schichtstärke
13 Sand
14 Wasser
15 Poren
16 Poren
17 Abszisse
18 Ordinate
19 Diagrammlinie
20 Diagrammlinie
21 Diagrammkurve
22 Bereich
23 Bezugsziffer
24 Bereich
<Desc / Clms Page number 1>
The invention relates to a restoration and preservation material for surfaces of stone-like objects, in particular natural stones or technical components, in particular concrete components, consisting of a mixture of cement, water and optionally sand, and a method for the restoration and conservation of natural stone surfaces.
EMI1.1
sets is. Furthermore, a granular additive which increases the alkalinity and has a substantially lower reaction rate than the setting rate of the inorganic binder is added to this dry mortar mixture. This inorganic binder in the coating is said to be Portland cement, which, due to its coarse grain, slows down the reaction rate of the curing process of the coating.
Such a design is said to achieve a slower hardening and a tension equalization inside the coating and thus overall a better property of the coating, an improvement or a longer shelf life of the dry mortar mixture over a longer period of use, especially in climatically difficult conditions with strong Temperature changes, however, could not be achieved.
Furthermore, the literature, in particular the DE-Z "2nd International Colloquium 1986, Materials Science and Building Renovation, Scientific-Technical Working Group for Preservation of Monuments and Building Renovation EV, Technical Academy Esslingen 1986" is published by FH Wittmann, as well as the US-Z "Studies and Documents on the cultural hentage "Vol. 16, The Detenoration and Conservation of Stone / Unesco 1988 - known that the surfaces of natural stones such as limestone, sandstones, etc. corrode due to chemical influences from the atmosphere (S02, SO3, NOx and air humidity ) stronger and faster. To renovate such surfaces, synthetic resins in the form of synthetic resin dispersions or mineral-filled synthetic resin dispersions or
Synthetic resin dispersions are used to modify hydraulically bound mortars or only hydraulically bound mortars such as lime or cement mortars. All of these renovation measures only partially lead to sufficient success in the long term. The question that remains unanswered is often why such remedial measures were not leading.
The present invention has for its object to provide a restoration and preservation material which achieves better adaptation to the properties of the material to be repaired and has good diffusion properties in order to achieve good anchoring in the pores of the natural stones or technical surfaces to be repaired. In addition, a method for the rapid and permanent renovation of natural stone surfaces or technical surfaces, such as concrete surfaces, is also to be created.
This object is achieved in that the mixture consists of 1 part by weight of PZ 375 silicate cement, between 0.1 and 0.5 parts by weight of elasticizing agent and optionally up to 2 parts by weight of sand with a grain size between 0 and 1 mm, and an alkali depot , in particular with a calcium ion excess, the size of which is determined by the previously determined amount of sulfates in the surface of the stone-like object to be restored.
It is advantageous with this solution that the weathering product, in particular the amorphous silicic acid and the Ca (OH) 2 which is excreted during the hydration of the silicate cement, react chemically with one another and thereby into the restoration material, essentially
EMI1.2
the surface of the object to be renovated, in particular natural stone or the technical component, voltage damage avoided and the service life of the objects or objects
Components considerably increased, since stress cracks due to the targeted different physical behavior of the restoration and conservation material and the object to be renovated, in particular the natural stone or the technical component, are avoided. The surprising advantage of this solution is, above all, that particularly good corrosion resistance to other atmospheric influences is achieved, since the Ca ions split off in the restoration material during hydration are chemically bound by the amorphous silica.
This enables the surfaces treated with the restoration and preservation material to be watertight, the stress cracks to be reduced, the chemical resistance to be increased and the efflorescence to be avoided. What is surprising, however, is above all that the dynamic modulus of elasticity of such a mixture in the chemically reacted state in a temperature range between -20. and + 80.
C fluctuates less than t 10% and thus the advantages achieved by adapting the modulus of elasticity to the natural stone remain roughly the same over this extremely wide temperature range, thus avoiding stresses caused by dynamic loads caused by frequent and rapid temperature changes or so can be kept low that flaking of the residual amazement and
<Desc / Clms Page number 2>
Conservation material is reliably switched off from the surfaces to be renovated. Furthermore, the alkali depot provides a long-lasting corrosion layer for the components or
Natural stone or technical components arranged iron parts and iron alloys and this has the advantage that it is essentially mineral in nature like the natural stone or the component and thus a
Can fulfill a double function that cannot be achieved with, for example, plastic-based corrosion protection materials.
Further refinements of the invention are set out in the patent claims.
However, an embodiment according to claim 2 is also advantageous since it is chosen correctly
Silicate module of the restoration material, in combination with the weathering product, especially the amorphous silica, creates a chemically uniform, i.e. stoichiometrically correct end product, which has a long service life due to its homogeneity and absence of tension.
The design according to claim 3 enables a surprisingly simple way of high breathability and a natural water vapor balance, both in the restoration and preservation material and in the refurbished natural stone or the technical product, for example one
Concrete wall. The fact that the penetration of liquid is prevented, however, also a high
Frost security is achieved and explosive damage caused by freezing, for example, in the
Liquids contained in the restoration areas are switched off, which means that the restoration and preservation material can also be used in those areas of the world. in which temperatures are often below
Zero degrees occur.
Due to the design according to claim 4, a predominantly harmful part is chemically bound to the surface of the objects to be treated and thus neutralized, thereby a further
Destruction of the surface of the object is prevented.
Due to the further embodiment according to claim 5, the modulus of elasticity of the restoration and preservation material is reduced so much compared to the stone to be renovated or the natural stone surface or compared to the technical surface, such as a concrete surface, that the temperature fluctuations between the restoration material and the stresses to be rehabilitated, caused by different expansion coefficients, can be reduced in the outer layer.
The modulus of elasticity of the restoration material is reduced by the addition of an organic, polymeric elasticizing agent, which acts hydraulically and reactively in the hydration phase of the restoration material. According to the invention, the organic elasticizing agent used is one which is chemically incorporated into the reaction process simultaneously with the hydraulic hardening of the cement and which does not change the hardening process of the cement. Previously known synthetic resin dispersions, such as acrylic or polyvinyl dispersions, in contrast to cement, which only hardens with sufficient water, harden only after they have dried completely. These completely different curing mechanisms, which run side by side, inevitably lead to faults in the final coating.
Furthermore, these plastic particles are deposited in a targeted manner in the pores of the cement block and significantly reduce the water vapor diffusibility of the coating material. When the plastifying agent according to the invention is used, it is chemically included in the hydration process of the cement and is not deposited in the pores of the cement block.
Another development describes claim 6, whereby a color matching of the joints made with the restoration and preservation material to the color of the base body is easily possible.
However, the design according to claim 7 is also advantageous, since this also makes it possible to achieve light colors for the restoration and conservation material.
Furthermore, an embodiment according to claim 8 is also possible, since this means that both the surface structure and the color design of the restoration and conservation material can best be adapted to the surface of the natural stone to be treated.
Also advantageous is a method for the restoration and preservation of surfaces of stone-like objects, in particular natural stones or technical components such as concrete or the like, in which a mixture of cement and optionally sand is mixed with water to form a flowable or pasty mass and onto which applied to surfaces to be restored.
This method is characterized in that the cement is a silicate cement PZ 375 and an amount of between 10 to 50% of in particular organic elastifying agent per part by weight of silicate cement is added to it, in particular a restoration and preservation material according to claims 1 to 8, in order to Set the modulus of the chemically reacted, in particular sand-containing, restoration and preservative to be smaller than the modulus of elasticity of the stone-like object or component, and that the one processed with the restoration and preservation material
<Desc / Clms Page number 3>
Area of the surface at least over a period of twelve hours after the suspension is so much water that it is kept sufficiently moist.
These measures result in a surprisingly simple manner in high tensile and shear strength between the restoration and preservation material and the surface to be restored and, of course, also in the crevices and gaps or the open pores of the stone-like object to be renovated. At the same time, a correspondingly adequate watertightness and, at the same time, adequate water vapor permeability are surprisingly achieved even with thicker layers of one or more centimeters of restoration and preservation material. With increasing layer thickness, the mass fraction of sand compared to cement is increased up to five times and the sieve curve of the grain diameters is shifted to the largest diameters.
It is therefore also possible to apply such restoration and preservation materials to construction sites, on which the layer thicknesses or layer thicknesses can usually be subject to strong fluctuations, without making water vapor diffusion more difficult. As a result, the chipping of the restoration and preservation material due to different steam pressures between the stone-like object to be renovated and the restoration and preservation material can be avoided.
The invention is explained below with reference to the Ausführungsbeh games shown in the drawings.
Show it
1 shows a stone-like object, for example the part of a stone bust, with damaged areas and tears provided in the surface, cut in a side view;
Fig. 2 shows a part of the surface destroyed by the environmental influences of the stone-like object according to Fig. 1, cut in side view and in a simplified, schematic representation, with the contained in the restoration and preservation material, shown schematically
Elements;
Fig. 3 A diagram of the temporal formation of the individual silicate end product components of the restoration and preservation material.
1 shows a stone-like object 1. whose surface 2 is damaged by weather influences, for example rain, snow, frost and atmospheric, in particular acidic pollutants and the like, and has corresponding depressions 3 or insets 4.
The natural hydrolytic weathering of objects 1, e.g. B. of natural stones, runs in an alkaline environment as allitic weathering or in a more acidic environment as sallitic weathering. Since the strong atmospheric pollution, in particular due to air pollution, causes acids to reach the natural stone surfaces from the outside, the majority of the weathering processes are currently slallite.
Item 1, like natural stones or concrete parts, are not purely chemical compounds, but contain more or less many silicate compounds. These silicate molecules are less soluble in water and therefore remain enriched on the surface.
The following chemical analysis of the weathering products of a limestone that is pure for natural conditions shows this clearly.
<Desc / Clms Page number 4>
Chemical analysis of a limestone:
EMI4.1
<tb>
<tb> weathered <SEP> natural stone surface <SEP> from <SEP> the <SEP> surface <SEP> weathered <SEP> and <SEP> detached <SEP> corrosion products <SEP> off
<tb> more north <SEP> and <SEP> south <SEP> direction
<tb> CaO <SEP> 47.21 <SEP> 48.87 <SEP> 48.62
<tb> Si02 <SEP> 2.42 <SEP> 5.45 <SEP> 5.34
<tb> MgO <SEP> 4.50 <SEP> 1.28 <SEP> 1.53
<tb> Al2O3 <SEP> 0.80 <SEP> 0.44 <SEP> 0.17
<tb> Fe203 <SEP> 0, <SEP> 22 <SEP> 0, <SEP> 38 <SEP> 0, <SEP> 40 <SEP>
<tb> Na20 <SEP> 0.94 <SEP> 0.59 <SEP> 0.72
<tb> K20 <SEP> 0, <SEP> 11 <SEP> 0.17 <SEP> 0.23
<tb> C02 <SEP> 39.06 <SEP> 36.91 <SEP> 34.86
<tb> SO42- <SEP> 3.45 <SEP> 1.63 <SEP> 1.99
<tb>
<Desc / Clms Page number 5>
EMI5.1
<tb>
<tb> water soluble <SEP>:
<SEP>
<tb> SO42- <SEP> 0.24 <SEP> 0.69 <SEP> 0.37
<tb> C''0. <SEP> 99 <SEP> 0, <SEP> 69 <SEP> 1, <SEP> 05 <SEP>
<tb>
All figures are mass%.
The relatively high Si02 content in the weathered and detached corrosion products and in the detection of amorphous silica speak for a Siallitic weathering. The investigations were carried out with a scanning electron microscope.
If the SiOs content in the mother rock of the limestone examined is often below 1.5% by mass, it rises to 2.5% by mass on the weathered surface. for the most weathered and detached particles, over 5% by mass.
In the interaction field of lithosphere - atmosphere - hydrosphere, minerals and rocks are broken up and decomposed. Chemical weathering causes a partial to complete dissolution of rocks and is linked to the presence of water. The reaction speed of these processes is accelerated by higher temperatures, which means that the penetration depth of weathering is particularly great in hot, humid climates.
The chemical weathering process is described in more detail below with the aid of the limestone 5 analyzed in FIG. 1: limestones 5 are only slightly soluble in water (15 mg CaCO 3 / per liter at 200 ° C.). The karstification of limestone 5 is a dissolving process of carbonates with water and C02 (carbonic acid) that starts at the layer joints, cracks and fissures of limestone 5 and expands according to the following chemical reaction equation:
EMI5.2
In equation (2) the chemical equilibrium is shifted to the right to the readily water-soluble hydrogen carbonate ions HCO 'by an increase in hydronium ions H3O +. The acidic atmosphere provides enough hydronium ions to accelerate the chemical dissolution process of the limestone 5.
It is known that silicic acid dissolves during attic weathering, whereas aluminum compounds, for example, remain undissolved as weathering products.
In the case of metallic weathering, the opposite effect occurs: a silica 6, schematically indicated by small circles, remains as SiO2, the aluminum compounds dissolve.
EMI5.3
: Regehalt increases, the aluminum as well as the magnesium content decrease. Iron oxide, which is subject to natural fluctuations in the stone and, due to its low concentration, is likely to be in the range of measurement accuracy.
The Si02 detected in the weathering layer is created by the action of hydronium ions (acid atmosphere) on the various silicates (alkali, alkaline earth, aluminum silicates etc.) of the natural stone. H + (H3O + = H + + H20) acid molecules are formed from the SiO ", Si2076, etc. groups by proton uptake, which condense with one another to form polysilicic acid by elimination of water, as shown below. (Fig. 1).
<Desc / Clms Page number 6>
EMI6.1
At higher temperatures and wind, this formation of polysilicic acid proceeds very rapidly through the elimination of water, especially in an acid atmosphere and under the influence of hydrogen carbonates. Finally, a high-molecular, loosely built substance with a large surface area is formed via intermediate stages, the X-ray amorphous silica 6. The chemical notation (Si02) only partially describes the real and complex state, since in this silica 6. depending on the condensation state. still silanol groups
EMI6.2
are present that reversibly absorb the water.
One of many modifications of (Si02) n occurs frequently in nature as quartz in crystalline form.
It is chemically stable and therefore not very reactive. In contrast, amorphous silica 6, such as occurs in nature, is considerably more reactive due to its disordered lattice structure.
Since the amorphous silica 6 forms as a weathering product not only in the outermost layer of the natural stone, but often also 7 millimeters deep in the natural stone surface depending on the number of open pore spaces, this weathering product cannot be mechanically removed, e.g. B. by
EMI6.3
will.
As shown in Fig. 2, this silica 6, in order to render it harmless, is chemically incorporated according to the invention in such a way that the resulting new reaction product, such as the stone-like object 1, e.g. B. the natural stone itself or concrete parts, is also mineral in nature and has mechanically comparable values. In this way, the temperature and humidity fluctuations between natural stone, e.g. B. limestone 5, and a restoration and conservation material 8 occurring and determining the long-term behavior of the restoration, stress conditions are significantly minimized or switched off.
Natural puzzolans were already known to the Romans as building materials. They used earths of volcanic origin (hardened lava flows and volcanic ejection masses) from the town of Pozzuoli in the Gulf of Naples.
Puzzolans are substances with a large proportion of reactive silica 6. Puzzolans do not have their own hardening ability. Only when mixed with calcium hydroxide Ca (OH) 2 do they form a hydraulic binder.
As a reaction equation for the hardening of pozzolanic limes, without taking into account an admixed sand, the following is simplified:
<Desc / Clms Page number 7>
EMI7.1
Regardless of the correct stoichiometric ratio of the hydrated lime to the amorphous silica 6, the mechanically high-strength reaction product "C3S2H3" is always produced.
The great durability of these hydraulic mortars and the building blocks made from them has been proven over two millennia. There are still well-preserved aqueducts and structures made of this material from the third century BC.
The long-term problem solution according to the invention for the restoration and preservation of weathered surfaces 2 of the natural stone or limestone 5, taking into account chemical processes that have previously been described, is the use of special silicate cements 9. By burning limestone 5 and alumina, a cement clinker is formed which differs from the hydraulically hardening Liming differs mainly by its low limestone content.
The cement clinker essentially consists of a component that hardens with water (CS) and a component that hardens with water (C2S), whereby the reaction product C3S2H3 - ("calcium silicate hydrate") is always the same:
EMI7.2
Both reactions result in the same reaction product, but different amounts of Ca (OH) 2 10, which crystallize out in the cement hardening in the pore spaces 7 of the cement block in needles up to 0.2 mm long and are mechanically anchored in this way. A substantial part of the Ca (OH) 2 reacts with the tricalcium aluminate of the silicate cement 9 and forms solid tetracalcium aluminate hydrates.
EMI7.3
The latter arises with the beginning of the hardening process, i.e. H. at the moment of adding water to the silicate cement 9.
In this still very liquid phase, the restoration and preservation material 8 penetrates easily and deeply into the open pore spaces 7 of the surface 2 of the natural stone and at the same time also the Ca (OH) 2: the pozzolan bond with the weathering product (amorphous silica 6) can start immediately, the resulting reaction product is C3S2H3 again.
Only some time later does the consistency of the restoration and conservation material 8 increase.
The formation of the hydration product C3S2H3 now begins from the original cement clinker components C3S and C2S.
The main advantage of this process technology according to the invention is that the chemical incorporation of the weathering product (amorphous silica 6 and the amount of Ca (OH) 2 precipitated during the hydration of the silicate element, on the one hand, and the chemical hydration product of the silicate cement, on the other hand, result in the same material, namely C3S2H3 The different expansion coefficients, different physical properties and thus different behavior caused by different end products, which inevitably leads to voltage damage and shortens the lifespan of a material, is thus significantly minimized or eliminated.
In contrast to the air-lime mortar or lime-cement mortar frequently used in restoration work so far, in which the free Ca (OH) 2 is carbonated and thus remains partially water-soluble, the Ca (OH) 2 in the restoration and preservation material 8 according to the invention essentially becomes S! ! ikat) sch and thus insoluble in water, as is the case with the individual's time training
<Desc / Clms Page number 8>
silicate end product components can be seen in Fig. 3.
Another advantage of this process technology 1St. that up to a certain mass existing sulfate ions can be incorporated chemically without damage. The fine and thin 3CaO crystals formed with silicate cement 9. AI203. 3CaS04. 32 O ("trisulfate" or ettringite) change into the stable 3CaO after some time. AI2 03. CaS04. 12H2 0 ("monosulfate").
The humidity and the temperature have a significant influence on the hardening process.
Optimal curing - as can be seen from the equations beforehand - can only be achieved if there is sufficient water. In practice, this means that the rest of the surface is sufficiently moist for a few days, but especially within the first twelve hours. If the water necessary for hydration z. B. withdrawn by evaporation, the hardening stops.
The pozzolan formation according to the invention in the restoration and preservation material 8 has a particularly good corrosion resistance to other atmospheric influences, since the Ca ions split off in the restoration and preservation material 8 during the hydration are chemically bound by the amorphous silica 6.
This creates the calcium silicate hydrate C3 S2 H3, the solubility of which is extremely low and which clogs the pores of the restoration material. In the absence of the amorphous silica 6, the Ca (OH) 2 with the carbon dioxide in the air largely forms calcium carbonate, with those already described in more detail above. properties unsuitable for acidic atmospheric influences.
As experiments show, leaching from the restoration and preservation material 8 according to the invention removes less than a third of the calcium hydroxide compared to normal silicate cements 9, which significantly improves the following properties:
The water resistance is increased; the heat of hydration, the shrinkage and thus the tendency to stress nuts is reduced; chemical resistance increases; the occurrence of efflorescence is significantly improved or prevented by the chemical bonding of the Ca (OH) 2.
The silicate cements 9 used in the restoration according to the invention, in particular Portland cements, have to meet certain criteria, especially in combination with the weathering products. The following formula gives the silicate module (SM) as a numerical one
EMI8.1
EMI8.2
EMI8.3
Chen 2 of objects 1, in particular natural stones or limestone star 5 Is the criterion that the E module of the restoration material! s must be less than natural stone. This is achieved by means of an elasticizing agent 11 which reacts with the silicate hydration products of the cement block.
At the same time, a high adhesive tensile and shear strength is achieved between the restoration and preservation material 8 and the surface 2. The tests of such a restoration material were carried out in a temperature range from -20 to + 800 C and showed fluctuations of less than +/- ten percent with regard to the dynamic modulus of elasticity in this temperature range.
The silicate restoration and preservation material 8 according to the invention must also have a high water vapor permeability, since objects 1, in particular limestone 5, especially with porous surfaces 2, absorb and release water depending on the air humidity and temperature. If the possibility of dispensing is prevented by a water vapor barrier layer, vapor pressures occur between surface 2 of the natural stone and the restoration material, which cause the restoration material to flake off.
The material itself is decisive for the water vapor permeability, but also the thickness of the applied layer. Therefore, the diffusion-equivalent air layer thickness SO (H2 0) = u. s (u = diffusion resistance number, s = layer thickness) is given as a guideline for the residual amazement material according to the invention. For processing on the construction site, especially on uneven natural stone
<Desc / Clms Page number 9>
experience, the layer thicknesses of the restoration material are subject to strong fluctuations. The diffusion resistance must therefore be sufficiently small even with larger layer thicknesses. The restoration material developed has an SD {H2 0) = 0.05 m with a layer thickness of 850 μm.
This value guarantees even with a layer thickness of 12-Fig. 2-out of several millimeters an unprecedented and sufficient water vapor diffusion. However, the high water vapor diffusion ability must be achieved at the same time as a liquid water barrier property. The restoration and preservation material 8 according to the invention has a water absorption which is more than half lower than that of conventional silicate cements 9 without the addition of a hydrophobizing agent.
The recommended recipe for the restoration and preservation material 8 according to the invention for layer thicknesses of 12 to 1.5 mm has proven to be: 3.3 parts by weight of silicate cement 9 PZ 375
3, 3 parts by weight of sand 13 (0 to 0.5 mm) 1, 0 parts by weight of elasticizing agent 11 approx. 1, 4 parts by weight of water 14 Experience has shown that the application of several thin layers on top of one another showed the highest quality of renovation.
As a guideline for the restoration and preservation material 8 according to the invention for layer thicknesses 12 of 3 to 4 mm, the following has proven itself in one operation: 1. 0 parts by weight of silicate cement 9 PZ 375
1.5 parts by weight of sand 13 (0 to 1 mm) 0.2 parts by weight of elasticizing agent 11 approx. 0.4 parts by weight of water 14 The surface 2 of the object 1 z. B. the natural stone must be free of loose particles and dust before application of the restoration and conservation material 8 and must be pre-wet.
The restoration and preservation material 8 according to the invention can be processed, as is known in concrete technology: brushing, spraying, filling and pouring are possible. The production of
EMI9.1
a.As a guideline recipe for casting figures has proven itself:
10.0 parts by weight of silicate cement 9 PZ 375
10.0 parts by weight of sand 13 (0 to 0.5 mm) 1.0 part by weight of elasticizing agent 11 and water 14 depending on the desired consistency.
Usual silicone molds are used as casting molds. This casting compound or the restoration and preservation material 8 with a very low viscosity is also particularly suitable for the pre-sealing of eaten surfaces 2 of stone-like objects, since due to the low viscosity this liquid is also arranged in the surface 2 or in the stone-like object Pores 15 or in capillaries arranged between closed pores 16 can be received and also the silica 6 located in these areas can be chemically bound by the restoration and preservation material 8 and can thus be rendered ineffective, as can be seen purely schematically in the illustration in FIG. 2 is shown.
In order to be able to manually re-shape and supplement asymmetrical and broken-off parts in the preservation order, the recommended recipe for such a plastically deformable modeling clay has proven to be: 1 wt% silicate cement 9 PZ 375
2.0 parts by weight of sand 13 (0 to 1 mm) 0.2 parts by weight of elasticizing agent 11 and so little water 14 that the mass is plastically deformable.
Iron bars or iron grids etc. are often required to fasten components. For the protection against corrosion of such iron or iron alloys, due to its high pH value of more than 12, the restoration and preservation material 8 has been well preserved as an alkali depot. As a guideline for such mineral corrosion protection:
2.0 to 3.0 parts by weight of silicate cement 9 PZ 375 1.0 parts by weight of elasticizing agent 11 approx. 0.2 parts by weight of water 14 depending on the desired spreadability.
Since, according to the method according to the invention, the metallic corrosion protection and the restoration and preservation material 8 have the same mineral basis and adhere very well to one another, the stress problem that otherwise arises between different materials is also solved in this case.
<Desc / Clms Page number 10>
In order to visually recreate a restored surface 2 ′ visually of the original surface 2, all mixtures can be colored with earth colors and / or the added sand can be substituted with ground original sieve curve corresponding to natural stone. Through the use of white cement, which has been tested and proven in practice, even light colors can be achieved.
3 now shows the hydration time on the abscissa 17 and the proportion of the respective substance compound on the ordinate 18. While diagram line 19 shown in dashed lines now represents the amount of pore space, diagram line 20 shows the amount of calcium hydroxide formed during the process.
The formation of the calcium silicate hydrate, however, is shown by the graph curve 21. This diagram curve 21 comprises two different sections, specifically that the long-phase tightness becomes approximately until the second day of the hydration time of the restoration and preservation material 8 according to the invention
EMI10.1
The two different sections are additionally distinguished from one another by different hatching.
It should also be noted that the hydration time in minutes in the area marked with 22, the hydration time in hours in the area marked with reference number 23 and in days in the area 24.
It is important in connection with the present invention that immediately with the onset of the chemical reaction in the restoration and preservation material 8, the formation of calcium hydroxide Ca (OH) 2 begins before the number of pore spaces is reduced, so that the calcium hydrate also, for example, also in the penetrate open pores 16 or can be formed there and the silica 6 contained in these open pores 16 can thereby be chemically bound or react chemically with the hydrated lime, so that even after the restoration of these open pores 16 has been further destroyed Item 1 or component is not possible.
This ensures that immediately after the restoration and preservation material 8 has been applied to the surface 2 of the object 1, i.e. before the silicate cement 9 has hardened and the pore space has become smaller, the hydrated lime in these open pores 16 and pore spaces which are in one stone-like object, e.g. B.
Natural stone or in a technical component such as concrete, are always present, immigrate or can penetrate.
List of reference symbols
1 item
2 surface 2 'surface
3 deepening
4 ns
5 limestone
6 silica
7 pore space
8 Restoration and preservation materials
9 silicate cement
10 amount 11 lubricant
12 layer thickness
13 sand
14 water
15 pores
16 pores
17 abscissa
18 ordinate
19 diagram line
20 diagram line
21 diagram curve
22 area
23 reference number
24 area