DE3932990A1

DE3932990A1 - Verfahren zum konservieren von natursteinen, naturwerksteinen und historischen putzen

Info

Publication number: DE3932990A1
Application number: DE19893932990
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl Ing Reul
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-10-19
Filing date: 1989-10-03
Publication date: 1990-04-26
Also published as: DE3932990C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Konservierung von Natursteinen, Naturwerksteinen und historischen Putzen unter Verwendung von Lithiumsilikaten.

Es ist bekannt, daß vor allem historische Bauten, wie Baudenkmäler, Skulpturen oder Ornamente oder auch Mauerwerk aus Natursteinen, sowie Putze durch Umwelteinflüsse besonders stark in Mitleidenschaft gezogen werden. Nicht nur die natürliche Verwitterung, z. B. aufgrund von Regen-, Schnee- oder Sonneneinwirkung, sondern auch die chemische und biologische Verwitterung haben gerade in jüngster Zeit zu einer wesentlichen Zunahme der Schädigungen von Baudenkmälern geführt. Deshalb sucht man schon lange nach geeigneten Konservierungs- und Verfestigungsmaterialien, die dauerhafte Wirkungen besitzen.

Aus der DE-OS 33 14 475 ist die Verwendung von Natrium-, Kalium- und/oder Lithiumsilikatlösungen unter Zusatz stabilisierender organischer Polymere als Bindemittel für Beschichtungsstoffe, wie Wasserglasfarben, Wasserglasputze, Grundierungen, Wasserglaskitte und Wasserglaskleber bekannt; eine Tiefenverfestigung der behandelten Materialien wird jedoch nicht erreicht.

Aus der DE-AS 26 52 421 ist die Herstellung einer Mischwasserglaslösung von Natrium/Kalium mit Lithiumsilikat mit Viskositäten von 10-10 000 mPas bekannt. Mit diesen Lösungen soll u. a. eine Betonimprägnierung vorgenommen werden.

Die bekannte Verwendung von Natron- oder Kaliwasserglas als Abdichtungsmaterial ist auch deshalb nachteilig, weil ausblühfähiges Kaliumcarbonat (Pottasche) bzw. Natriumcarbonat (Soda) auf der Oberfläche der verfestigten Materialien in Kristallform gebildet wird. Weiterhin kann sich besonders mit dem durch Umweltbelastungen erzeugten, beim historischen Putz vorhandenen Calciumsulfat (Gips) lösliches Natrium- bzw. Kaliumsulfat bilden und den Putz gefährden. Beide Salze sind darüber hinaus hygroskopisch bzw. bilden hydratwasserreiche Formen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Konservierungsverfahren unter Verwendung eines Konservierungsmittels der oben erwähnten Art durchzuführen, das

- umweltfreundlich ist,
- zu keinen bauschädlichen Nebenprodukten führt,
- die bauphysikalischen Merkmale des behandelten Materials (z. B. Wasserdampfdiffusion) nicht negativ beeinflußt,
- kapillar gut aufgesaugt wird,
- keine farblichen Änderungen des behandelten Untergrunds bzw. des Materials erzeugt und
- sowohl in stark porösen, aber auch feinporigen Untergründen, einschließlich historischen Putzen, eine gute Eindringtiefe besitzt und einen hohen Verfestigungsgrad erzeugt.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß eine natrium-, kalium- und polymerfreie Lithiumpolysilikatlösung mit einer maximalen Viskosität von 10 mPas, mit einem maximalen Feststoffgehalt von 30 Gew.-% und einem Li₂O/SiO₂-Verhältnis von 1 : 3,5 bis 7 in situ verwendet wird.

Erst die außerordentlich geringe Viskosität der verwendeten Lithiumpolysilikatlösung ermöglicht ein Eindringen des Konservierungsmittels z. B. in feinporige kalzitisch gebundene Sandsteine und sogar Granit. Eine Verfärbung des behandelten Materials tritt nicht auf. Das Mittel ist umweltfreundlich (wäßrig, lösungsmittelfrei) und beeinflußt die bauphysikalischen Merkmale des behandelten Materials nicht negativ. Da das Mittel rein anorganisch aufgebaut ist, entspricht es auch den Ansprüchen der Denkmalpflegeämter und der Restauratoren.

Aus der US-PS 44 43 496 und der US-PS 45 21 249 ist es bereits bekannt, Lithiumsilikatlösungen für die Imprägnierung und Strukturierung zementgebundener Oberflächen zu benutzen. Hierdurch erreicht man zwar eine silikatische Beschichtung mit einer Verankerung im Zementuntergrund, nicht dagegen eine Konservierung mit Tiefenfestigung von Natursteinen, deren pH-Wert deutlich unterhalb dem der Zementmatrix liegt. Um die erforderliche Permeierung zu erhalten, wird ein Zusatz von Natriumnaphthalinsulfonatformaldehydkondensat vorgeschlagen. Letzteres ist dunkelbraun gefärbt und führt nach der Applikation zu einer unerwünschten Farbvertiefung des Substrates (Braunfärbung). Weiterhin ist damit die Einführung organischen Materials verbunden. Aufgrund der heutigen Erkenntnisse des mikrobiellen Befalls von Natursteinen muß dies vermieden werden, da sonst die Gefahr der mikrobiellen Zersetzung, verbunden mit sauren Stoffwechselprodukten, besteht.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Mittel mit einer Viskosität unter 8 mPas, vorzugsweise unter 4,0 mPas verwendet. Ein besonders bevorzugter Bereich der Viskosität liegt zwischen 3,5 und 2,0 mPas. Der Feststoffgehalt liegt zweckmäßigerweise unter 20 Gew.-% und vorzugsweise zwischen 10 und 5 Gew.-%. Besonders bevorzugt beträgt das Li₂O/SiO₂-Verhältnis 1 : 5,5 bis 6,5.

Sind Hohlräume auszufüllen, insbesondere hohlliegende Putzflächen zu verfüllen, ist vorzugsweise eine 5-25%ige Lithiumpolysilikatlösung zu verwenden. Verfahrensmäßig wird so vorgegangen, daß das Mittel getränkt, geflutet oder injiziert werden kann; diese Behandlung kann auch mehrmals, z. B. bis zu viermal, vorgenommen werden.

Beispiel A

Ein stark verwitterter historischer, aus dem 16. Jahrhundert stammender Kalkputz mit einer Schichtdicke von 5-15 mm wird mit einer 7%igen wäßrigen Lithiumpolysilikatlösung mit einer Viskosität von 2,25 mPas zweimal satt getränkt; schon nach ca. 14 Tagen wurde eine durchgehend gleichmäßige Verfestigung erreicht. Nur durch einen erheblichen mechanischen Aufwand konnte der Putz zerbrochen werden. Es waren keine Ausblühungen (weißlicher Belag) nach der Behandlung feststellbar.

Beispiel B

Ein stark verwitterter historischer, aus dem 16. Jahrhundert stammender Kalkputz wurde vergleichsweise mit einer bekannten Kaliwasserglaslösung zweimal satt getränkt. Dabei war auf dem Kalkputz eine Krustenbildung und ein weißlicher Belag auf der Putzoberfläche erkennbar. Die Verfestigung nahm von der Oberfläche in Richtung auf das Innere des Putzes hin ab.

Beispiel C

Nach einem weiteren Vergleich wurde ein stark verwitterter historischer, aus dem 16. Jahrhundert stammender Kalkputz mit einem bekannten, handelsüblichen Kieselsäureester zweimal satt getränkt. Es wurde eine geringere Verfestigung erreicht als bei der Behandlung mit der bekannten Kaliwasserglaslösung nach Beispiel B. Auch hier konnte festgestellt werden, daß die Verfestigung von der Putzoberfläche zum Inneren hin abnahm. Der Putz war auch nach der Behandlung leicht zerbröselbar.

Beispiel D

Ein stark verwitterter Granitstein mit einer Schichtdicke von 6 cm konnte durch Abreiben mit dem Finger relativ leicht zerkleinert werden. Dieser Granitstein wurde mit einer 10%igen wäßrigen Lithiumpolysilikatlösung mit einer Viskosität von 2,7 mPas und einem Li₂O/SiO₂-Verhältnis von 1 : 4,6 hälftig zweimal getränkt. Schon nach ca. 14 Tagen konnten qualitativ entscheidende Festigkeitsunterschiede festgestellt werden. Die von der Luftseite her behandelte Granitfläche war bis zur Unterseite gleichmäßig gefestigt und konnte nur unter hohem mechanischem Aufwand geringfügig vom Rand her zerstört werden.

Die Wirksamkeit von Steinkonservierungs- bzw. Steinverfestigungsmitteln wird durch Überprüfung der Merkmale

- biaxiale Biegezugfestigkeit,
- Reduktion des Porenraumes,
- Reduktion der Wasseraufnahme,
- Einfluß auf die hygrische Längenänderung und
- Änderung des Wasserdampfdiffusionsverhaltens

festgestellt.

Ein wesentliches Merkmal der Wirksamkeit des Verfestigungsmittels ist die kapillare Aufnahmefähigkeit.

Die nachfolgend aufgeführten Ergebnisse sind mit in der Fachwelt bekannten Untersuchungsmethoden ermittelt worden.

Beispiel E
1. Rüthener Sandstein:
Null-Wert	3,9 N/mm²
Nach Behandlung mit einer 20%igen Lithiumpolysilikatlösung mit einer Viskosität von 4,5 mPas und einem Li₂O/SiO₂-Verhältnis von 1 : 5,9	9,0 N/mm²
Nach Behandlung mit einer 10%igen Lithiumpolysilikatlösung mit einer Viskosität von 2,7 mPas und einem Li₂O/SiO₂-Verhältnis von 1 : 6,0	7,4 N/mm²
2. Sander Sandstein: @	Null-Wert	5,0 N/mm²
Nach Behandlung mit einer 10%igen Lithiumpolysilikatlösung mit einer Viskosität von 2,7 mPas und einem Li₂O/SiO₂-Verhältnis von 1 : 5,8	8,0 N/mm²
Nach Behandlung mit einer 5%igen Lithiumpolysilikatlösung mit einer Viskosität von 2,25 mPas und einem Li₂O/SiO₂-Verhältnis von 1 : 6,0	7,0 N/mm²

Beispiel F

Zur Prüfung der kapillaren Steighöhe wurde an einem Bohrkern mit einer Höhe von 10 cm beim Rüthener Sandstein eine Höhe von 10 cm festgestellt, d. h. der Stein war vollständig kapillar getränkt. Nachgewiesen wurde dies durch Besprühen des Bohrkernes mit einer 0,1%igen Phenolphthaleinlösung. Die Lithiumpolysilikatlösung besaß einen pH-Wert von ca. 9,8-10,0 (je nach Verdünnungsgrad) und führte deshalb zur Rotviolettfärbung der Phenolphthaleinlösung. Das Li₂O/SiO₂-Verhältnis betrug 1 : 6,1 bei einem Feststoffgehalt von 21%.

Beispiel G

Zur Prüfung der Reduktion des Porenraumes wurde wie folgt vorgegangen:

1. Rüthener Sandstein:
Null-Wert	16 Vol.-%
Nach Behandlung mit einer 20%igen Lithiumpolysilikatlösung mit einer Viskosität von 7 mPas und einem Li₂O/SiO₂-Verhältnis von 1 : 4,2	13 Vol.-%
Nach Behandlung mit einer 10%igen Lithiumpolysilikatlösung mit einer Viskosität von 2,7 mPas und einem Li₂O/SiO₂-Verhältnis von 1 : 6	13 Vol.-%
Nach Behandlung mit einer 5%igen Lithiumpolysilikatlösung mit einer Viskosität von 2,25 mPas und einem Li₂O/SiO₂-Verhältnis von 1 : 5,9	14,8 Vol.-%
2. Sehr feinporiger Baumberger Sandstein: @	Null-Wert	15 Vol.-%
Nach Behandlung mit einer 5%igen Lithiumpolysilikatlösung mit einer Viskosität von 2,2 mPas und einem Li₂O/SiO₂-Verh. von 1 : 6	13 Vol.-%

Der Wasserdampfdiffusionswiderstandskoeffizient wurde nach zwei Methoden ermittelt, nämlich nach der dry-cup-Methode und nach der wet-cup-Methode.

Nachfolgende Werte nach beiden Methoden wurden ermittelt:

dry-cup-Methode
Rüthener Sandstein:
Null-Wert	µ = 25
Nach Behandlung mit einer 10%igen Lithiumpolysilikatlösung mit einer Viskosität von 2,7 mPas und einem Li₂O/SiO₂-Verhältnis von 1 : 5,9	µ = 17
Sander Sandstein: @	Null-Wert	µ = 35
Behandelt mit einer 5%igen Lithiumpolysilikatlösung mit einer Viskosität von 2,1 mPas und einem Li₂O/SiO₂-Verhältnis von 1 : 5,9	µ = 28
Baumberger Sandstein: @	Null-Wert	µ = 31
Behandelt mit einer 5%igen Lithiumpolysilikatlösung mit einer Viskosität von 2,1 mPas und einem Li₂O/SiO₂-Verhältnis von 1 : 5,9	µ = 38

wet-cup-Methode
Rüthener Sandstein:
Null-Wert	µ = 19
Nach Behandlung mit einer 10%igen Lithiumpolysilikatlösung mit einer Viskosität von 2,7 mPas und einem Li₂O/SiO₂-Verhältnis von 1 : 5,9	µ = 17
Sander Sandstein: @	Null-Wert	µ = 25
Nach Behandlung mit einer 5%igen Lithiumpolysilikatlösung mit einer Viskosität von 2,1 mPas und einem Li₂O/SiO₂-Verhältnis von 1 : 5,9	µ = 23
Baumberger Sandstein: @	Null-Wert	µ = 24
Nach Behandlung mit einer 5%igen Lithiumpolysilikatlösung mit einer Viskosität von 2,1 mPas und einem Li₂O/SiO₂-Verhältnis von 1 : 5,9	µ = 20

Der Einfluß auf die Wasserdampfdiffusionsfähigkeit ist von entscheidender Bedeutung für das Verhalten geschädigter Sandsteine. Da die Porosität, d. h. die Porengeometrie und die Radienverteilung in Natursteinen nicht reproduzierbar vorliegt, kann nur durch eine Vielzahl von Versuchen das Ergebnis statistisch gesichert werden. Viel einfacher und mit wesentlich geringerem Aufwand verbunden ist die Prüfung an definierten Glasfritten, d. h. Glasfritten definierter Porosität. Auch hier wurde wieder die Wasserdampfdiffusion bzw. der Wasserdampfdiffusionskoeffizient µ nach der dry-cup- und der wet-cup-Methode ermittelt.

Nachfolgend Werte, ermittelt an Glasfritten D 4:

dry-cup-Methode
Null-Wert
µ = 30
Nach Behandlung mit einer 10%igen Lithiumpolysilikatlösung mit einer Viskosität von 2,7 mPas und einem Li₂O/SiO₂-Verhältnis von 1 : 5,9	µ = 26
Nach Behandlumg mit einer 5%igen Lithiumpolysilikatlösung mit einer Viskosität von 2,05 mPas und einem Li₂O/SiO₂-Verhältnis von 1 : 6	µ = 23

wet-cup-Methode
Null-Wert
µ = 22
Nach Behandlung mit einer 10%igen Lithiumpolysilikatlösung mit einer Viskosität von 2,7 mPas und einem Li₂O/SiO₂-Verhältnis von 1 : 5,9	µ = 18
Nach Behandlung mit einer 5%igen Lithiumpolysilikatlösung mit einer Viskosität von 2,05 mPas und einem Li₂O/SiO₂-Verhältnis von 1 : 6	µ = 15

Reduktion der Wasseraufnahme

Durch die Reduktion des Porenraumes ist auch eine Reduktion des Wasseraufnahmeverhaltens zu erwarten. Aus Gründen der Reproduzierbarkeit wurden wiederum Glasfritten mit einer definierten Porengeometrie (Bezeichnung D 4) verwendet.

Nachfolgend die Werte:

Null-Wert
44,6 Vol.-%
Nach Behandlung mit einer 10%igen Lithiumpolysilikatlösung mit einer Viskosität von 2,7 mPas und einem Li₂O/SiO₂-Verhältnis von 1 : 6	35,3 Vol.-%
Nach Behandlung mit einer 5%igen Lithiumpolysilikatlösung mit einer Viskosität von 2,1 mPas und einem Li₂O/SiO₂-Verhältnis von 1 : 5,9	40,9 Vol.-%

Bindemittelzuwachs

Um festzustellen, inwieweit die kapillare Saugfähigkeit zu einer Bindemittelzuwachserhöhung geführt hat, eignen sich sowohl grob- bis mittelporige Sandsteine, vielmehr aber wiederum die zuvor beschriebene Glasfrittenqualität.

Nachfolgende Werte wurden mit der Glasfrittenqualität D 4 ermittelt:

Nach Behandlung in einer 5%igen Lithiumpolysilikatlösung - Bindemittelzuwachs:\|3,9%
Nach Behandlung in einer 10%igen Lithiumpolysilikatlösung - Bindemittelzuwachs:	6,9%

Li₂O/SiO₂-Verhältnis in beiden Fällen: 1 : 5,8.

Claims

1. Verfahren zur Konservierung von Natursteinen, Naturwerksteinen und historischen Putzen, insbesondere Baudenkmälern unter Verwendung von Lithiumsilikaten, dadurch gekennzeichnet, daß eine wäßrige, natrium-, kalium- und polymerfreie Lithiumpolysilikatlösung mit einer maximalen Viskosität von 10 mPas, einem maximalen Feststoffgehalt von 30 Gew.-% und einem Li₂O/SiO₂-Verhältnis von 1 : 3,5 bis 1 : 7 in situ verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine wäßrige Lithiumpolysilikatlösung mit einer Viskosität unter 8 mPas, vorzugsweise unter 4 mPas, verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lithiumpolysilikatlösung mit einer Viskosität von 3,5 bis 2,0 mPas verwendet wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine wäßrige Lithiumpolysilikatlösung mit einem Feststoffgehalt unter 20 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 5 Gew.-%, verwendet wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine wäßrige Lithiumpolysilikatlösung verwendet wird, deren Li₂O/SiO₂-Verhältnis 1 : 5,5 bis 1 : 6,5 beträgt.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 zum Ausfüllen von Hohlräumen, insbesondere hohlliegenden Putzflächen, dadurch gekennzeichnet, daß eine wäßrige Lithiumpolysilikatlösung mit einem Feststoffgehalt von 5 bis 25 Gew.-% verwendet wird.

7. Verfahren zum Konservieren von Natursteinen, Naturwerksteinen und historischen Putzen, insbesondere historischen Baudenkmälern, nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfestigung und Konservierung durch Tränken, Fluten oder Injizieren vorgenommen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mehrmals vorgenommen wird.