CH702261A2 - Verwitterungsresistentes Veränderungen der Atmosphäre und des Klimas berücksichtigendes Bauen. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft verwitterungsresistentes Bauen im Hinblick auf die Herausforderungen an die Haltbarkeit, die sich aus der verändernden Atmosphärenzusammensetzung und dem Klimawandel ergeben. Die Verwitterungsresistenz wird durch die Anordnung von haltbaren Baumaterialien, insbesondere Gesteine, die gegen schwach dissozierende Säuren beständig sind, erzeugt. Bevorzugt werden Gesteine wie Quarzite oder saure Migmatite mit säurebeständigen Mörteln verbaut. Zudem betrifft die Erfindung derart erstellte Gebäude und Verfahren zum Testen des Baumaterials mit schwach dissozierenden Säuren.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft verwitterungsresistentes Bauen im Hinblick auf die Herausforderungen an die Haltbarkeit, die sich aus der verändernden Atmosphärenzusammensetzung und dem Klimawandel ergeben.

[0002] Bei Gebäuden, Baumaterialien, Bauweisen und Bauverfahren stellt sich prinzipiell die Frage der Haltbarkeit. Abgesehen von einigen Bauten, die nur temporären Charakter besitzen und bei deren Konstruktion bisweilen schon an einen möglichst unproblematischen Abriss gedacht wird und somit die Haltbarkeit falls überhaupt nur von untergeordneter Bedeutung ist, besteht bei den meisten Bauten und Baumaterialien Interesse an einer möglichst guten Haltbarkeit.

[0003] Bekannt sind Baumassnahmen, die speziell auf Kälte- und oder Hitze und oder UV-Strahlungsbeständigkeit ausgelegt sind. Bekannt sind Anstriche für Beton, vorgesetzte Glaspannele, Massnahmen gegen Rauch- und Abgase und dergleichen vieles mehr. Bekannt sind auch Massnahmen wie Sie beispielweise Hui und Tang (2005) in «Climatic data for sustainable building design in Hong Kong» oder im Forschungsprojektantrag EP/F038 100/1 von Sharples und Kang «Coincident probabilistic climate change weather data for a sustainable build environment». Dabei geht es u.a. um klimaeffiziente Energienutzung oder Vorbeugen von Wetterschäden, die zwar auch zur Nachhaltigkeit beitragen sollen, aber keineswegs offenbaren, wie man gezielt die Verwitterungsresistenz der Bausubstanz über das historisch bekannte Ausmass hinaus erhöht.

[0004] Studien und Bestimmung der Verwitterungsresistenz von Materialen und Abstimmung von Material hinsichtlich der zu erwartenden Verwitterung gehören zum Stand der Technik. Solche Studien stützen sich aber auf historische Erfahrungen, gegenwärtige Verwitterungsprozesse und Materialtests mit beschränkter Experimentdauer. Verwitterungsstudien, die sich gezielt mit der Fragestellung der zu erwartenden zunehmenden Verwitterungsexposition als Folge der globalen Klima- und Atmosphärenveränderung befassen und sowohl lokal als auch regional angepasste konkrete konstruktive Massnahmen in bautechnischer Hinsicht einfliessen lassen, sind abgesehen zum Schutz vor Küstenerosion und vermehrten Extremwettereignissen nicht bekannt. Bei der Küstenerosion bzw. den Extremwettereignissen wird in Bezug auf die Bezugsgrössen prinzipiell regierend und nicht antizipierend gehandelt und es geht auch nicht um die Verwitterungsresistenz sondern lediglich um die mechanischen Belastungen mit eventueller Erosionsfolge.

[0005] Bekannt sind Verwitterungsprozesse an sich. Siehe hierzu Einführungen wie in Brinkmann (1984) Abriss der Geologie, insbesondere die Kapitel «die Verwitterung» und «Chemie der Erde» samt angegebener weiterführender Literatur, oder in Matthes (1987) Mineralogie, insbesondere Kapitel «B Die Sedimentäre Abfolge» ebenfalls samt angegebener weiterführender Literatur, die hiermit als integraler Bestandteil der Beschreibung angegeben sind. Ein wichtiger Faktor bei bekannten Verwitterungsprozessen ist der CO2-Gehalt.

[0006] Bei derzeit bekannten Bauten, Bauverfahren und Bauweisen wird nicht gezielt auf Haltbarkeit bezüglich der steigenden atmosphärischen CO2-Konzentrationen oder anderer sich ändernder Atmosphären Kennwerte eingegangen. Die technische Gesteinskunde und die technische Werkstoffprüfung, untersuchen Gesteine sowie andere Baustoffe, deren Eignung für Bauzwecke und Resistenz gegen Verwitterung. Dehn et al. (2003) in ihrem Artikel «Säureresistente Hochleistungsbetone» befassen sich beispielsweise mit Betonrezepturen sowie dem Testen derselben insbesondre in Hinblick auf Gebäude oder Gebäudeteile mit besonders hoher Säureexposition, wie Rohrleitungen, Schornsteine, Kühltürme, Auffangwannen für Chemikalien usw. Sie machen zudem die Aussage, dass es nur wenige bisher erprobte Betonrezepturen zu dieser Fragestellung gibt. Auch Mörtel und Zemente werden in Hinblick auf Ihre Beständigkeit weiterentwickelt. Siehe hierzu etwa die Patentdokumente US3 957 519, US5 989 330, US6 749 679B2 oder die Mörtel- und Zementangebote von Indiamart, AKB-Chemical oder ThemaLock, letzteres samt weiterführender Literatur beschrieben von Justin Chacko (2007). Vereinzelt wird Verwitterung unspezifisch angesprochen. Konkret geht es hingegen nur um spezielle Anwendungsgebiete wie etwa Schornsteine oder der Innenausbau von Autoklaven. Auch gibt es umfassende Werke zum Thema Sanierung, so der «Europäischer Sanierungskalender 2006», stellvertretend für Einzeldarstellungen «Innovative Lösungen im Umgang mit der Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) an Wasserbauwerken» von Kubens et al. und verschiedene Industriestandards wie etwa ASTM C1370-00 zur chemischen Resistenzbestimmung von Beton. Technisch gesehen wird hier nur auf zeitlich begrenzte Verwitterungsresistenzen eingegangen. Autoklaven und Schornsteine habe begrenzte Lebensdauern, müssen also einem spezifischen Problem gerecht werden. Nachhaltigkeit zur Verwitterung über längere Zeiträume wird nicht angestrebt. Dies wird deutlich wenn es etwa bei Autoklaven nur um die innere Säureresistenz geht. Bei einer wirklich nachhaltigen Betrachtungsweise würde auch die äussere Verwitterungsresistenz mit hineinspielen. Der Fachmann findet keine Hinweise zur nachhaltigen Betrachtung der technischen Herausforderung der Verwitterungsbeständigkeit über Zeiträume, die über die unmittelbar wirtschaftliche Nutzugsdauer hinausgehen. Auch der technischen Herausforderung durch gezielte Massnahmen, die CO2 bedingte Verwitterungsprozesse in anbetracht den steigenden Atmosphärischen Konzentrationen dieses Gases oder anderen sich ändernden Geosphärenparametern zu begegnen sind nicht bekannt. In Folge dessen, findet man natürlich keine Hinweise verwitterungsresistentes Bauen gezielt auf lokale und spezifische Nutzen-Aufwandsbetrachtungen abzustimmen.

[0007] Es stellt sich somit die Aufgabe, Bauten, Baumaterialen, Bauverfahren und Bauweisen zu schaffen, die in Hinblick auf Haltbarkeit und Verwitterungsresistenz gegenüber der sich verändernden Atmosphäre gezielt abgestimmt sind. Selbstverständlich geht es nicht nur um CO2-Resistenz sondern auch um Abstimmungen in Bezug auf andere sich verändernde Atmosphären- und Klimaparameter einzeln oder in Kombination wie: höhere Temperaturen, höhere Wasserdampfgehalte, Zunahme der Extremwetterereignisse, höhere CO2-Gehalte in der Luft im Niederschlag und im Boden, vermehrte Erosion durch biologische Besiedlung.

[0008] Verwitterungsgeschwindigkeiten können sich bisweilen bei verändernden Stoffkonzentrationen exponentiell verändern und selbst wenn derzeit nur begrenzter Handlungsbedarf erkennbar ist, könnten sich die Probleme kurzfristig verschärfen. In den 1995 gehaltenen Vorlesungen von Prof. Dr. William Hay an der University of Colorado in Boulder wurde etwa die Überlegung vorgestellt, dass, sollten Niederschlagsmengen zunehmen in Folge CO2-getriggerter temperaturbedingter gesteigerter Verdunstung, die Silikatgesteinerosion extrem zunehmen und zudem das dabei freigesetzte Kalzium seinerseits die Geosphäre massgeblich beeinflussen würde, die Verwitterungsprozesse damit rascher und stärker wirken werden. Wissenschaftliche Erkenntnisse stützen somit die Überlegung, dass sich aus den atmosphärischen und klimatischen Veränderungen bereits jetzt schon oder zumindest in naher Zukunft drastischer Handlungsbedarf abzeichnet.

[0009] Für ein nachhaltiges Bauen sollten spezielle Abstimmungen der Haltbarkeit in Hinblick auf die sich verändernde Zusammensetzung der Atmosphäre und der übrigen sich allenfalls verändernden klimatischen Parameter somit ohnehin bereits jetzt erfolgen.

[0010] Auch nehmen derzeit Flechten- und Moosbehänge an Pflanzen, Felsen und Gebäuden zu. Zwar wird argumentiert, dass dies auf die Verbesserung der Luftqualität zurückgeht, was natürlich gerne als ein willkommener Beleg für erfolgreiche Umweltpolitik darstellt wird, aber andere Einflüsse werden deshalb möglicherweise nicht hinreichend berücksichtigt. Versuche in Gewächshäusern zeigen eine Wachstumsverbesserung bei künstlich erhöhten CO2 Konzentrationen. In der Aquaristik ist die CO2-Düngung von Pflanzen weit verbreitet. Hierbei geht es um das Wachstum höherer Pflanzen. Starke Eutrophierungen führen jedoch wie bei vielen Algenblüten zu einer Zunahme der niederen Organismen. Da letztendlich die CO2-Zunahme in der Luft einer CO2-Eutrophierung gleichkommt, fördert vielleicht gerade die Zunahme des CO2-Gehalts überproportional das Wachstum von Flechten und Moosen. Flechten und Moose, evtl. Epiphyten, Pilze und Bakterien (Bakterien evtl. auch wegen höheren Methan-Gehalten) könnten in Folge der steigenden CO2-Gehalte und Luftfeuchtigkeit erheblich zu beschleunigten Verwitterungsprozessen beitragen. Technische Massnahmen, die auf eine Verwitterungsbeständiges Bauen im Zeichen der sich ändernden Atmosphärenzusammensetzung und des sich wandelnden Klimas abzielen, könnten zielgerichtet auf das veränderte Wachstums der benannten niederen Pflanzen, Organismen und Epiphyten abgestimmt werden. Auch bei dieser als chemischbiologisch bekannter Verwitterung geht es primär um lokale Säureanreicherungen, die naturgemäss bevorzugt basisches Material angreifen. Daneben spielen Kapillarkräfte und die Sprengkraft von wachsenden Wurzeln oder anderen Organismenteilen eine Rolle bei der Zersetzung der Bausubstanz.

[0011] Theoretisch ist es möglich chemisch inerte und mechanisch widerstandsfähige Materialien wie etwa, reiner Quarz, Widia, Iridium usw. einzusetzen. Solche Werkstoffe sind aber bisweilen so teuer und aufwendig in Ihrer Gewinnung im Bergbau bzw. ihre mengenmässige Verfügbarkeit und hohe Ansprüche an ihre Verarbeitbarkeit bedingen, dass nur in Ausnahmen die Verwendung solcher Materialien mit einem brauchbaren technisch und/oder wirtschaftliches Aufwand-Nutzen-Verhältnis in naher Zukunft erkennbar ist. Aber auch Kunst- und Natursteine sind unterschiedlich teuer und verarbeitbar, so dass auch hier das Verhältnis Aufwand-Nutzen wichtig für die Auswahl des Materials und der Art der Verarbeitungsverfahren ist.

[0012] Der Einsatz entsprechender geeigneter bekanntermassen verwitterungsresistenter Materialien wie z.B. Quarzit, Granit, Basalt oder Beton mit korrosionsbeständiger Armierung (solange der Beton innen alkalisch bleibt) ist bekannt. Nicht bekannt hingegen ist die gezielte Abstimmung des Einsetzen solcher Baumaterialien, ob natürlicher oder technischer Herkunft, in Hinblick auf Haltbarkeit und Verwitterungsresistenz gegenüber der sich verändernden Atmosphäre und des sich verändernden Klima. Auch sind nicht unbedingt alle heute als haltbar eingestuften Bauwerkstoffe den sich ändernden Bedingungen der Geosphäre gewachsen.

[0013] Aufgabe der Erfindung ist es daher nicht nur die bereits angesprochene Aufgabe, Bauten, Baumaterialen, Bauverfahren und Bauweisen zu schaffen, die in Hinblick auf Haltbarkeit und Verwitterungsresistenz gegenüber der sich verändernden Atmosphäre gezielt abgestimmt sind, sondern zudem insbesondere technische Lösungen zu finden, die ein den Bedürfnissen gerechtes Aufwand-Nutzen-Verhältnis aufweisen.

[0014] Weiterhin stellt sich die Aufgabe zukünftige Entwicklungen der Atmosphäre zu berücksichtigen um für Gebäude, Baumaterial und Bauverfahren eine aufwandsgerecht optimierte Haltbarkeit über mehrere Jahrzehnte, evtl. Jahrhunderte und darüber hinaus zu gewährleisten.

[0015] Die Aufgabe der Erfindung wird durch Verfahren und Erzeugnisse mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

[0016] Das Bauen im Kontext der Erfindung umfasst Gebäude, Baumaterialien, Bauweisen und Bauverfahren. Unter Gebäuden werden an dieser Stelle verschiedenste Bauten verstanden und umfassen beispielhaft und nicht abschliessend: Bürokomplexe, Fabriken, Wohnhäuser, Brücken, Kanäle, Strassen, Gebäudeteile, Bauten zur Flurbereinigung, Baumassnahmen zur Sicherung von instabilem Gelände, freistehenden Mauern, Kraftwerksgebäude. Unter Baumaterialien werden an dieser Stelle verschiedenste Baumaterialien verstanden und umfassen beispielhaft und nicht abschliessend: Fassadenplatten, Tragende Bauteile, Kunst- und Natursteine, Dachbedeckungen, Mörtel, Zemente, Füllstoffe, Zuschläge, Verputz, Fenster, Türen,

[0017] Fensterbänke, Rahmen, Verkleidungen. Unter Bauweisen werden an dieser Stelle verschiedenste Bauweisen verstanden und umfassen beispielhaft und nicht abschliessend: die räumliche Ausgestaltung, also Flachdach vs. Schrägdach, gerundete vs. eckige Kanten. Unter Bauverfahren werden an dieser Stelle verschiedenste Bauverfahren verstanden und umfassen beispielhaft und nicht abschliessend: Die Planung des Gebäudes, das Bauen vor Ort, das Testen des Baumaterials, die Auswahl des Baumaterials, die Logistik bei der Anlieferung an den Bau.

[0018] Eine Ausgestaltung der Erfindung betrifft die Auswahl von Baumaterial, Bauweisen und Bauverfahren, die Änderungen des Klimas und oder der Atmosphärenzusammensetzung, berücksichtigt. Es geht hier etwa um die stoffliche Veränderung der Atmosphäre, insbesondere die Veränderung verwitterungsrelevanter Stoffe, wie etwa CO2 aus dem sich Kohlensäure bildet. Während für viele Bauten heute Beton als angemessen haltbar gilt, zeichnet sich ab, dass in Zukunft die Verwitterungsbeständig von Beton - zumindest nicht speziell auf Verwitterungsresistenz optimierte Rezepturen - abnimmt. Beton hat zahlreiche alkalische Komponenten, die gerade von tiefeinwirkenden schwach dissozierenden Säuren wie beispielsweise Kohlensäure oder einige Humussäuren angegriffen werden, und in Folge der steigenden atmosphärischen CO2 Konzentration und/oder des vermehrten Bewuchs mit Bakterien, Flechten, Moosen und Epiphyten daher in Zukunft im Aussenbereich nicht mehr ungeschützt zur Anwendung bei nachhaltigem Bauen kommen kann. Es muss aber nicht unbedingt CO2 sein. Auch industrieller oder landwirtschaftlicher Ausstoss von Schwefelsäure und Methan können sich auf den Säurehaushalt auswirken. Die Besiedlung mit niederen und höheren Organismen und deren mechanische und chemische Einwirkungen gilt es ebenfalls bedarfsgerecht zu berücksichtigen. In erster Instanz ist es somit wichtig die atmosphärische und klimatologische Entwicklung an sich in die Bauplanung einzubeziehen. Es sei hier betont, dass es hier nicht um gegenwärtiges Wissen zur Verwitterungsresistenz geht. Sondern, dass es vielmehr um die Berücksichtigung der Extrapolation der atmosphärischen und klimatologischen Entwicklung als Planungsgrundlage geht.

[0019] Die Beschaffung der Extrapolationsdaten ist nicht Gegenstand der Erfindung. Diese Daten werden von verschiedenen Institutionen wie etwa dem IPCC (intragouvernmental panel on climatic change) den staatlichen Umweltbehörden, den staatlichen Wetter- und geologischen Diensten, zahlreichen Universitäten und Forschungszentren und der Fachliteratur in grossen Umfang bereitgestellt und sind gut zugänglich. Unsicherheiten in der Prognostik sind zweifellos vorhanden. Doch Rahmenwerte und Grössenordnungen als brauchbare Planungsgrundlage liegen vor.

[0020] Bei sämtlichen Baumassnahmen gilt es zu beachten, dass im Sinne einer effizienten Ressourcenverwendung Verwitterungseinflüsse, die stark richtungsabhängig sind, wie etwa besonders starke säurehaltige Niederschläge, die nur mit starken Westwind absehbar sind, die Wetterseite aufwendiger mit verwitterungsresistent Material abschirmt als eine Gebäuderückseite. Im Regen- und Windschatten von Dach und lokaler Topographie liegend, kann Kohlensäure, nur sekundär vor Ort aus dem CO2 der Luft gebildet und somit wesentlich weniger verwitterungswirksam werden, als wenn Kohlensäure zusätzlich direkt über den Niederschlag aufgetragen wird.

[0021] Erfindungsrelevant zum Erzeugen verwitterungsresistenter Bauten ist naturgemäss die Auswahl geeigneter Baumaterialien. Auswahlkriterien von Kunst- Natursteinen, Mörteln sowie Baumaterialien allgemein, umfassen unter anderem (siehe auch den per Referenz einbezogenen Stand der Technik): die chemische bzw. mineralogische Zusammensetzung der Gesteine. Wichtig dabei ist, dass ein bestimmter Mineralbestand eindeutig den Chemismus vorgibt, umgekehrt aber von dem Chemismus nicht eindeutig auf die Mineralzusammensetzung geschlossen werden kann. Diese Regel der Heteromorphie gilt für alle Gesteine. Es ist hier also ein gewisser Spielraum für Aufwand-Nutzen Abschätzungen und Überlegungen zur benötigen Datengenauigkeit vorhanden. Da sich die Analysetechniken im stetigen Wandel befinden, erübrigt sich hier eine gezielte Empfehlung, ausser eben den bereits angesprochenen sich evtl. lohnenden Effizienzüberlegungen. Im Übrigen gehört der fachgerechte Umgang mit der Heteromorphie zum Stand der Technik. Bei Kunststeinen oder Mörteln bzw. Zementen lässt sich die Zusammensetzung beeinflussen bzw. ist sie frei wählbar. Hier dürften sich bei verwitterungsresistenten Anwendungen in Zukunft zunehmend säurebeständige Zusammensetzungen, z.B. auf Kieselsäurebasis durchsetzen; die kristalline und/oder chemische Homogenität. Hier werden im Regelfall feinkristalline gegenüber grobkristallinen Gefügen hinsichtlich der Verwitterungsresistenz bevorzugt. Tendenziell - auch wenn einzelne Gesteinen individuell davon abweichend beurteilt werden - werden Festgesteine vulkanischer Herkunft gegenüber solchen plutonischer Herkunft, und plutonische Gesteine gegenüber Sedimentgesteinen bevorzugt; Anzeichen tektonischer Beanspruchung. Mechanischer Stress, Klüfte, Risse Faltungsvorgänge und Verwerfungen schwächen das Gestein. Das Fehlen bzw. möglichst geringe tektonische Beanspruchung sind Zeichen erhöhter Verwitterungsresistenz; die Porosität. Beider Porosität schwächt einen zusammenhängende Porosität das Gestein mehr, als vollkommen abgeschlossene Hohlräume; den Wassergehalt. Sowohl Kristallwasser als auch freies Wasser fördern den Ionenaustausch. Da ein hoher Ionenaustausch die Verwitterung begünstigt ist ein möglichst niedriger Wassergehalt vorteilhaft. Einen möglichst geringen Anteil verwitterungsinstabiler Komponenten. Gesteine mit hohen Quarzanteilen können dann verwitterungsunbeständig sei wenn leicht verwitternden Bestandteile, z.B. leichtlösliche Glimmer das Gefüge durchdringen und somit erheblich die mechanische und chemische Stabilität verschlechtern. Es gilt also sowohl auf die resistenten als auch auf die weniger resistenten Bestandteile zu achten, und bei der Bewertung eines Gesteins die Verwitterungsbeständig als das Zusammenspiel der Einzelkomponenten gesamthaft zu werten. die Extrapolation von Laborversuchen zur Verwitterungsstabilität über Zeiträume die länger als die Versuchsdauer sind dass zur Extrapolation auf historische Beobachtungen zurückgegriffen wird. Hierzu ist ein umfassender Stand der Technik vorhanden.

[0022] Gegenstand der Erfindung ist aber nicht nur die Auswahl sondern gegebenenfalls auch das Herstellen der soeben benannten Kriterien. Es ist bekannt, dass sehr glatte Oberflächen mit möglichst geringer Porosität wie z.B. von entsprechenden Quarziten bisweilen selbst auf der Wetterseite von Mosen nicht bewachsen werden. Ergo lässt sich durch Oberflächenbehandlungen wie Schleifen oder Spachteln die Verwitterungsresistenz im Nachhinein steigern. Sollte man also einen lokalen rauen Quarzit vorfinden, lässt sich dieser wie soeben beschrieben behandeln und somit eine lokal technisch sehr günstige Lösung im Aufwand-Nutzen-Sinn erzielen. Selbstverständlich lassen sich andere Gesteine natürlichen oder künstlichen Ursprungs sowie Mörtel und Zemente entsprechend behandeln. Auch, sollte eine solche Massnahme wiederholt werden müssen, ist dies technisch erheblich weniger aufwendig als klassische Abriss- oder Betonsanierungsmassnahmen.

[0023] Verwitterungsresistenz ist natürlich immer ein relativer Begriff, da absolut verwitterungsresistente Materialen nicht bestehen. Von daher geht es darum die Verwitterungsresistenz zu optimieren. Neben der Verwitterungsresistenz an sich, gibt es weitere Optimierungskriterien wie etwa die Handhabbarkeit, Blockgrössen, Transportierbarkeit z.B. der günstige Wassertransport zahlreicher skandinavischer kristalliner Gesteinsvorkommen. Eine allfällige Optimierung sollte daher auch diese Einflüsse berücksichtigen.

[0024] Um verwitterungsresistent zu bauen bedarf es, wie bereits angesprochen, der Beurteilung der einzusetzenden Materialien. Neben den soeben vorgestellten Bewertungsgrössen bieten sich Versuche an. Solche Versuche sind in der technischen Gesteinskunde und der technischen Werkstoffprüfung bekannt. Auch wenn hier noch Weiterentwicklungen im Rahmen der hier vorgestellten Lehre denkbar sind, geht es hier weniger um die Versuche an sich. Vielmehr geht es darum die Versuchsbedingungen in Testserien auf die sich ändernde Atmosphärenzusammensetzung und das sich verändernde Klima anzupassen um Bedingungen auszutesten, die gemäss wissenschaftlichen Szenarien mit grosser Wahrscheinlichkeit über den angestrebten Beständigkeitszeitraum zu erwarten sind. Zudem sollten gezielt Versuche zur Verwitterungswirkung verschiedener Organismen, die, wie bereits angesprochen, bereits rezent eine deutliche Zunahme verzeichnen, im Bedarfsfall, also bei erhöhter CO2-, Methan- oder Feuchtigkeitsexposition angewendet werden. Durch solche Versuche und eine konservativ vorsichtige Auslegung der Ergebnisse sollte es möglich sein auch über sehr lange Zeiträume, die selbst viele Generationen umfassen, verwitterungsresistent und wert- und substanzerhaltend zu bauen. Die konservative Auslegung der Versuche ist auch ein Teil der Lösung die Verwitterungsbeständigkeit zu antizipieren, weil CO2-Senken, natürliche PH-Puffer und dergleichen mehr technisch derzeit nur der Grössenordnung nach erfassbar sind.

[0025] Die Erfindung betrifft nicht nur die Planung und die Materialauswahl und Beschaffung. Die Erfindung umfasst auch damit erstellte Gebäude und Gebäude die bautechnisch, also etwa z.B. durch Anbringen eines verwitterungsresistenten Materials auf exponierten Aussenseiten, Mauern aus verwitterungsresistenten Natur- oder Kunststein, sauren Mörteln und Zementen, formschlüssige Befestigung des verwitterungsbeständigen Baumaterials ohne verwitterungsanfällige Befestigungsmittel oder gerundete Ecken.

[0026] Zwecks Veranschaulichung folgt eine Erläuterung erfindungsgemässen verwitterungsresistentes Bauens in Norddeutschland -(Ausführungen, die sich natürlich auf klimatisch vergleichbare Gebiete übertragen lassen): Ausgehend von den vorhandenen Klima und Geosphärenentwicklungsprognosen (z.B. von IPCC, Klima- und Wetterforschungsinstitutionen) könnte es in Norddeutschland wärmer und feuchter werden und der CO2 Gehalt die nächsten Dekaden wahrscheinlich über 500 ppm steigen. Natürlich sind die Prognosen mit grossen Unsicherheiten behaftet aber für eine konservative Auslegung der Verwitterungsresistenz eines Gebäudes empfiehlt es sich ohnehin von ungünstigen Annahmen auszugehen. Sollte das Klima günstiger als erwartet entwickeln würde man eben eine noch höhere Verwitterungsresistenz und folglich Haltbarkeit erreichen. Derzeit wird in Norddeutschland die Gebäudeaussenseite häufig verklinkert. Dabei zeigen die Backsteine bisweilen bereits nach wenige Jahren verwitterungsbedingte Ausblühungen, häufig auf Salztransport vom Inneren des Steins nach aussen zurückgehend. Ergo für zukünftige Gebäude, die dauerhaft und unterhaltsarm möglichst verwitterungsresistent ausgelegt sein sollen, ist die Verwendung resistenterer Baumaterialen angebracht. Aufgrund der günstigen Transportmöglichkeiten per Schiff und der räumlichen Nähe bietet sich die Verwendung südschwedischer kristalliner saurer Gesteine, insbesondere Granite und saurer Migmatite an.

[0027] Sollten ungenügende Daten zur Verwitterungsresistenz der in Frage kommenden Gesteinsvorkommen vorliegen, sind gegebenenfalls Versuche mit den in Frage kommenden Gesteinen durchzuführen.

[0028] Um die Verwitterungsresistenz einzelner Gesteine und Gesteinsvorkommen über die Standardverfahren der technischen Gesteinskunde wie Gefügeanalysen oder Frost-Tau-Zyklen für die bereits eingetretenen und sich abzeichnenden weiteren Veränderungen der Atmosphärenzusammensetzung einzustufen, sind die Gesteinsproben erfindungsgemäss zu Testen. Bei den Tests sind die Proben erhöhten CO2-, Methan-, Wasserdampf-, und weiterer Treibhausgaskonzentrationen einzeln oder in Kombination auszusetzen. Insbesondere die Kombination erhöhter CO2- mit erhöhten Wasserdampfgehalten, oder zusätzlich zudem mit erhöhten Methankonzentrationen eignen sich um die zu erwartenden Verwitterungsbedingungen zu simulieren. Dabei empfiehlt es sich stark überhöhte Konzentrationen zu verwenden um in Zeiträumen zwischen Minuten und Wochen zu aussagekräftigen Ergebnissen zukommen. Statt Exposition in der Gasphase, die hohe Anforderungen an die Behältnisse (Dichtheit, Be- und Entlüftung) stellt, bietet es sich an CO2, Methan und Wasser in der flüssigen Phase den Proben zuzusetzen. Dabei können z.B. 0,1 oder 1 molare Lösungen zum Einsatz kommen. Die Probe kann dabei erst den wässrigen Säuren, dann gefroren, dann erhitzt und getrocknet werden. Zur weiteren Beschleunigung kann die erste Säureexposition mit sehr heissen, insbesondere siedenden Lösungen durchgeführt werden. Um den Versuchsaufbau weiter zu vereinfachen, kann statt CO2 eine andere schwache Säure wie etwa Essig-, Ameisen oder Zitronensäure oder eine verdünnte starke Säure wie etwa Salzsäure verwendet werden. Die Verhältnisse sind dann zwar weit entfernt von den natürlichen, aber die Wirkungsprinzipien und somit die prinzipielle relative Eignung von Gesteinen kann so ebenfalls ermittelt werden. Diese Versuchsabfolge ob zunächst in Gasphase oder in wässriger Lösung kann beliebig wiederholt werden. Da es beim Testen um die relative Verwitterungsbeständigkeit ähnlicher Gesteine geht - die Verwitterungsbeständigkeit nach Gesteinstyp an sich gibt der vorliegende übrige Text bereits an - genügt es die Verwitterungsresistenz lediglich so lange zu testen bis aus den Probenvergleich hervorgeht welches der untersuchten Gesteine am resistentesten ist. Das Gestein also z.B. das am wenigsten Masse verloren hat, dessen Gefüge, Porosität und oder Festigkeitsparameter sich am wenigsten verschlechtert haben. Dabei können sich soeben beschriebene Tests als auch klassische Analysen der technischen Gesteinskunde ergänzen.

[0029] Zurück zur Veranschaulichung lassen sich so unter z.B. unter den bereits angesprochenen verschiedenen Migmatitvorkommen Südschwedens diejenigen auswählen, die vergleichsweise die beste Verwitterungsresistenz aufweisen.

[0030] Je nach technischem Aufwand-Nutzen-Verhältnis würde man zumindest die Aussenseite eines Bauwerks mit entsprechenden Gesteinsplatten versehen, wobei die Befestigung mit anderen Gebäudeteilen vorzugsweise durch entsprechende Ausformungen an den Gesteinsplatten selbst erfolgt. Zudem sind aussenliegende Gesteinsplatten vorzugsweise hinterlüftet, da Norddeutschland auch bei Klimaerwärmung wohl humid bleiben wird. In einem ariden Klima hingegen ist die Hinterlüftung weniger wichtig, da die Verwitterungswirkung schwach dissozierender Säuren wie etwa CO2 in trockener Umgebung deutlich schwächer ist.

[0031] Nachfolgend werden noch weitere Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft erläutert:

[0032] Zunächst ein Beispiel für die Erstellung eines verwitterungsbeständigen Hauses in der Nähe eines Basaltsteinbruchs z.B. in der Eifel betrachtet. Basalt ist sehr verwitterungsresistent und selbst wenn man Basalt als basisches Gestein bezeichnet weist er immer noch hohe Kieselsäure Gehalte auf und die allfällige Löslichkeit anderer Komponenten ist begrenzt. Von daher insbesondere aufgrund der lokalen Verfügbarkeit bietet sich Basalt für Aussen- und Innenwände an. Allerdings sollte ein säureresistenter Zement bzw. Mörtel, wie etwa aus den eingangs in der Beschreibung aufgeführten, zur Anwendung kommen, weil ein normaler basischer Zement bzw. Mörtel eine erhebliche Angriffsfläche für Verwitterungsvorgänge bieten würde und trotz der Haltbarkeit des Basalts das Haus je nach der tatsächlichen Atmosphärenentwicklung unnötig früh verfallen würde.

[0033] Die säurebeständigen Mörtel bzw. deren Bindemittel lassen sich auch verwenden um einen entsprechend säure- und verwitterungsbeständiges betonartiges Material zu bilden. Dies kann durch Zuschläge von und/oder Kiesel (z.B. aus Quarz oder anderen sauren metamorphen bis vulkanischen Gesteinsmaterial) Quarzsand hergestellt werden. Zur Verstärkung des Materials können Glas- und der Kohlefaserarmierungen erzeugt werden. Auch hieraus können ganz oder teilweise Bauten erstellt werden.

[0034] Des Weiteren bieten sich ganz allgemein für Bauwerke jeglicher Art mörtel- bzw. zementfreie freie Ausführungsformen an. Dabei können die Steine flach aufeinander gefügt sein. Vorzugsweise werden jedoch die Steine durch entsprechende Formgebung gegeneinander festgelegt, etwa durch Nut-Federverbindungen oder aufeinander abgestimmte Ausnehmungen und Einsätze. Diese können zwar eckig sein, vorzugsweise handelt es sich jedoch um runde oder abgerundete Formen.

[0035] Möchte man die Verwitterungsresistenz maximieren sind Bauten aus möglichst vollständig, also Aussen- und Innenwände sowie Dach- und Tragende Strukturen aus feinkristallinem Quarzit zu erstellen. Solche Bauten können insbesondere in humiden, sehr heissen und kalten Klima zusätzlich mit beabstandeten Quarzitplatten oder doppelten Mauern und oder Dächern ausgestattet werden. Allfällige Distanzhalter werden dabei vorzugsweise ebenfalls aus Quarzit ausgeführt.

[0036] Die Erfindung umfasst zudem auch die Nach- oder Vorbehandlungen von Steinen und Baustoffen. Mit Abschleifen, Spachteln, Auftragen von Kunstharzen können Oberflächen versiegelt und die Haltbarkeit weiter gesteigert werden, bzw. es können an sich massig geeignete Materialien z.B. Beton und säureresistenterer Beton in Hinblick auf ihren Haltbarkeit aufgewertet werden.

[0037] Bevorzugte Ausführungsformen umfassen die Verwendung von geschnittenen bzw. gesägten Gesteinsplatten. Insbesondere selbst dünne Quarzite, Migmatite, Granite in Plattenform können einem gewöhnlichen Bauwerk aussen - vorzugsweise hinterlüftet - angebracht werden und so eine sehr beständige Aussenhülle schaffen und die inneren Wände Strukturen vor den Witterungseinflüssen schützen. Selbstverständlich können solche äusseren Gesteinsplatten auch an einem an sich beständigen Gebäude aus verwitterungsbeständigen erfindungsgemässen Materialen noch zusätzlichen Schutz bieten.

[0038] Die Erfindung und die Ausführungsformen ermöglichen eine relative Verbesserung bzw. Optimierung der Verwitterungsresistenz unter anderen aufgrund der offenbarten Beständigkeitseinstufung der angegebenen Materialen und der technisch konstruktiven Anordnung derselben. Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht nur auf den erstmaligen Bau, sondern lässt sich zudem sowohl beim Nachrüsten von Gebäuden als auch im Sanierungsfall anwenden.

Claims (16)

1. Verfahren zur Auswahl von Baumaterial, Bauweisen und Bauverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswahl bzw. Anordnung derselben, Änderungen des Klimas und oder der Atmosphärenzusammensetzung, berücksichtigt werden.

2. Verfahren zur Auswahl von Baumaterial, Bauweisen und Bauverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass sich für die geplante Nutzungsdauer eines Gebäudes absehbare Änderungen des Klimas und oder der Atmosphärenzusammensetzung berücksichtigt werden, insbesondere wissenschaftlichen Klima- und Atmosphärendaten in Kombination mit Verwitterungsstudien ausgewertet werden, um die daraus resultierenden Szenarien als Grundlagen für die Bau- und oder Materialkonzeption zu verwenden.

3. Verfahren zur Auswahl von Baumaterial, Bauweisen und Bauverfahren, nach einem der vorherigen Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zur Steigerung der Verwitterungsresistenz bei zunehmender Säurenexposition, säureresistente Kunst- und oder Natursteine wie z.B. Quarzit, insbesondere an mindestens einer Gebäudeaussenseite vorgesehen werden, vorzugweise derart, dass etwaig lokale anisotrope Verwitterungseinwirkungen bei der Bauausgestaltung berücksichtigt werden.

4. Verfahren zur Auswahl von Baumaterial, Bauweisen und Bauverfahren, nach einem der vorherigen Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswahl von Kunst- Natursteinen, Mörteln sowie Baumaterialien allgemein, diese anhand und/oder – der chemischen bzw. mineralogischen Zusammensetzung der Gesteine – der kristallinen und/oder chemischen Homogenität – der Anzeichen tektonischer Beanspruchung, wie Klüfte oder Risse – der Porosität – des Wassergehalts – möglichst geringer Anteil verwitterungsinstabiler Komponenten – der Extrapolation von Laborversuchen zur Verwitterungsstabilität über Zeiträume die länger als die Versuchsdauer sind erfolgt, wobei vorzugsweise jeweils, – bei der chemischen bzw. mineralogischen Zusammensetzung insbesondere der Gehalt an Kieselsäure als verwitterungsresistent gewertet wird – bei der Homogenität möglichst eine hohe Homogenität als vorteilhaft für eine hohe Verwitterungsresistenz gewertet wird, insbesondere feinkristalline Gefüge gegenüber gröber kristallinen Gefügen bevorzugt werden – das Fehlen von bzw. möglichst wenig Anzeichen tektonischer Beanspruchung als vorteilhaft für eine hohe Verwitterungsresistenz gewertet wird – eine möglichst geringe Porosität als vorteilhaft für eine hohe Verwitterungsresistenz gewertet wird – ein möglichst niedriger Wassergehalt als vorteilhaft für eine hohe Verwitterungsresistenz gewertet wird – bei zur Extrapolation auf historische Beobachtungen zurückgegriffen wird.

5. Verfahren zur Auswahl von Baumaterial, Bauweisen und Bauverfahren, nach einem der vorherigen Patentansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass zur Optimierung von technischen Aufwand vs. technischen Nutzen die Auswahl von Baumaterial, Bauweisen und Bauverfahren, nicht nur die Verwitterungsresistenz an sich berücksichtigt sondern auch die lokale Verfügbarkeit, insbesondere Abbau- und oder Transport- und oder Verarbeitungsaufwand bei der Auswahl der Baumaterial-, Bauweisen- und/oder Bauverfahrensauswahl einfliessen, es also nicht nur um die absolute Höher der Verwitterungsresistenz geht, und gegebenenfalls aufgrund lokaler Gegebenheiten chemische, mineralogische und verwitterungstechnische Abklärungen für einzelne Gesteinsvorkommen vorzunehmen sind.

6. Verfahren zum Testen der Verwitterungsresistenz von Baumaterial dadurch gekennzeichnet, dass absehbare Änderungen des Klimas und oder der Atmosphärenzusammensetzung bei mindestens einem Test berücksichtigt werden, vorzugsweise mehrere Änderungsszenarien in mehreren Tests zu einer Testserie zusammengestellt werden, vorzugsweise bei den Tests und/oder - Expositionen des Testmaterials gegenüber verschiedenen durchweg über den gegenwärtigen Werten liegende Konzentrationen schwach dissozierender Säuren durchgeführt und ausgewertet werden, vorzugsweise in wässriger Lösung oder bei erhöhten CO2-, Methan-, Wasserdampf-, und weiterer Treibhausgaskonzentrationen - Expositionen des Testmaterials gegenüber verschiedenen durchweg über den gegenwärtigen Werten liegende Besiedlung mit niederen und höheren Organismen wie Bakterien, Flechten, Moosen und Epiphyten durchgeführt und ausgewertet werden, vorzugsweise bei erhöhten und oder Humussäure, CO2-, Methan-, Wasserdampf-, und weiterer Treibhausgaskonzentrationen.

7. Gebäude dadurch gekennzeichnet, dass es unter Anwendung mindestens einer der Verfahren nach einem der vorherigen Patentansprüche geplant und/oder erstellt wurde.

8. Gebäude, Baumaterialien, Bauverfahren und Bauweisen, dadurch gekennzeichnet, dass absehbare Änderungen des Klimas und oder der Atmosphärenzusammensetzung berücksichtigt werden, dass ein verwitterungsbeständiges Material an mindestens an einer der Verwitterung exponierten Aussenseite, keine Fremd- oder Befestigungskörper mit niedrigerer Verwitterungsresistenz zumindest im Verwitterungsbereich aufweist, vorzugsweise monolithisch ist, vorzugsweise jegliche Befestigung und Verbindung durch entsprechende Formgebung des verwitterungsresistenten Materials selber erfolgt, beispielsweise über Nut-Feder-Verbindungen, Vorsprünge und Ausnehmungen in Quarzitplatten und vorzugsweise etwaig zu Anwendung kommende Mörtel oder Zemente möglichst säureresistent sind.

9. Gebäude, nach einem der Ansprüche 7 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass bei erstrebter hoher Verwitterungsresistenz mindestens an exponierten Stellen metamorpher Quarzit, bei weniger hoher angestrebter Verwitterungsresistenz feinkörnige saure Vulkanite bis hin zum Basalt, und bei weiter abnehmender angestrebter Verwitterungsbeständigkeit saure Plutonite und metamorphe Gesteine verwendet werden.

10. Gebäude nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass verwendete Gesteine möglichst wenig verwitterungsunbeständige Schichtsilikate wie z.B. Glimmer enthalten und vorhandene Schichtsilikate möglichst feinkristallin sind um die summarische Verwitterungsresistenz eines verwendeten Gesteins möglichst wenig herabzusetzen.

11. Gebäude nach einem der Ansprüche 7 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass das Baumaterial teilweise oder ganz oberflächenbehandelt ist und die Oberflächenbehandlung vorzugsweise eine Verminderung der Porosität und oder eine glättere Oberfläche geschaffen hat, beispielsweise geschliffen und oder gespachtelt.

12. Gebäude nach einem der Ansprüche 7 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Baumaterialen, insbesondere Steine und Mörtel möglichst abgestimmt gleichermassen verwitterungsresistent sind, also beispielsweise Quarzite mit einem möglichst sauren Mörtel oder Zement verbunden sind, entsprechend weniger saure Gesteine mit entsprechend weniger sauren Mörtel oder Zement kombiniert sind.

13. Gebäude nach einem der Ansprüche 7 bis 12 dadurch gekennzeichnet dass von der verwitterungsexponierten Aussenseite nach innen betrachtet das Verwitterungsresistenteste Material des Gebäudes zu äusserst angeordnet ist und die Verwitterungsresistenz des eingesetzten Materials nach innen zu abnimmt.

14. Gebäude nach einem der Ansprüche 7 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass von aussen bis innen Material mit möglichst gleicher Verwitterungsresistenz vorgesehen ist.

15. Gebäude nach einem der Ansprüche 7 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass es im Wesentlichen aus einem einzigen Material besteht, wobei etwaige Tragstrukturen, Verbindungs- und Befestigungselemente sowohl aus dem gleichen oder aus anderen Material bestehen.

16. Gebäude nach einem der Ansprüche 7 bis 15 dadurch gekennzeichnet dass Bauelemente, insbesondere aussen angeordnete Gesteinsplatten, be- bzw. hinterlüftet sind.