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Steinkonservierung

Unter dem Begriff Steinkonservierung werden Maßnahmen verstanden, die dem Zweck dienen, den Zustand eines verwitterten Denkmalgesteins zu bewahren/zu erhalten (=konservieren). Da die Verwitterung fast immer das Ergebnis der chemischen und/oder physikalischen Wechselwirkung von Wasser mit den gesteinsbildenden Mineralen bzw. deren Gefüge ist, besteht ein Ansatz der Steinkonservierung darin, Wasser vom Stein fernzuhalten und gegebenenfalls aufgelöstes bzw. verloren gegangenes Bindemittel zu ersetzen.

Die Steinkonservierung besitzt eine lange Tradition. Die verwendeten Mittel und Applikationstechniken haben sich im Laufe der Zeit in Anlehnung an den aktuellen Stand von Forschung und Entwicklung verändert, aber das Ziel, die Bewahrung und der Schutz von Kulturgut aus Naturwerksteinen, ist das gleiche geblieben. Stets muss bedacht werden, dass jede Konservierungsmaßnahme an porösen Stoffen als nicht reversibel einzustufen sind.

Inhaltsverzeichnis 1 Kieselsäureester-Festigung 2 Acrylharzvolltränkung 3 Hydrophobierung 4 Durchführung der Steinkonservierung an einem Sandsteinportal

Kieselsäureester-Festigung

Gegenwärtig wird insbesondere die Festigung verwitterter Gesteinsoberflächen mit Kieselsäureester praktiziert. Der Kieselsäureester wird mit einer Injektionsspritze, einem Pinsel oder einer Kompresse auf die Gesteinsoberfläche gebracht, dringt in das oberflächennahe Porengefüge des Steins ein und hydrolysiert dort unter Reaktion mit der Feuchte im Gestein zu amorpher Kieselsäure. Diese amorphe Kieselsäure ersetzt bei der Verwitterung verloren gegangenes Bindemittel und konsolidiert dadurch absandende und leicht abschuppende Gesteinsoberflächen. Tiefergehende Schäden wie Rissbildungen oder sich von der Oberfläche ablösende Schalen können durch dieses Verfahren nicht repariert werden. Dazu sind aufwendigere Maßnahmen wie das Verfüllen der Risse bzw. das Hinterfüllen der Schalen mit materialangepassten Mörteln erforderlich. Das Bindemittel dieser Mörtel ist häufig auch Kieselsäureester oder ein Kieselsol.

Problematisch bei der Kieselsäureesterfestigung sind die Eindringtiefe des Festigungsmittels und das Erreichen eines ausgeglichenen Festigkeitsprofils. Das Problem ist durch die in-situ möglichen Applikationstechniken bedingt, bei der das Festigungsmittel ausschließlich kapillar aufgesogen wird. Bei sehr feinporigen Gesteinen mit einem mittleren Porenradius < 1µm beträgt die Eindringtiefe nur wenige Millimeter, während sie bei großporigen Gesteinen (> 5µm) einige Zentimeter betragen kann. Reicht die verwitterte Zone tiefer in den Stein als die Eindringfront des Kieselsäureesters, dann entsteht eine harte, äußere Schale auf einer schwach verfestigten Zone, die dann zur Sollbruchstelle wird.

Acrylharzvolltränkung

Für abbaubare Objekte wird seit mehr als 30 Jahren das Verfahren der Acrylharz-Volltränkung angewendet, bei dem die problematische Schalenbildung nicht auftritt. In großen Autoklaven wird mit Unterstützung von Vakuum und Druck monomeres Methylmetacrylat (MMA) in das zuvor vollständig ausgetrocknete Porensystems eingebracht. Nach vollständiger Durchdringung wird das MMA durch Wärmezufuhr polymerisiert, so dass in dem Porensystem PMMA (Acrylglas, Plexiglas) entsteht. Durch Haftvermittler wird eine gute Verhaftung mit der Porenwandung erreicht, so dass eine hohe -über den gesamten Querschnitt des Gesteins- gleichmäßige Festigkeit erzielt wird, und die Wasseraufnahme vollständig unterbunden ist. Nach anfänglich aufgetretenen Problemen, die u. a. auf nicht ausreichende, vorherige Trocknung zurückzuführen waren, hat sich das Verfahren inzwischen für zahlreiche, keinesfalls aber alle Gesteinsarten, die Feuchtigkeit aufnehmen und damit witterunsganfällig sind, bewährt. Das Verfahren wurde aufgrund des starken Eingriffs in die Gesteinsubstanz in der Anfangsphase ausschließlich als Ultima Ratio bei anders nicht mehr zu rettenden Objekten eingesetzt. Diese Einschränkung ist inzwischen weitgehend aufgehoben. Eine besondere Bedeutung kommt dem Verfahren bei statisch gefährdeten Objekten zu (z.B. Treppenanlage des Wendelsteins in Torgau). Geringfeste Natursteine mit hohem Porenvolumen, beispielsweise Weiberner Tuff, sind aufgrund einer hohen Wahrscheinlichkeit von Folgeschäden in Form von Rissbildungen für eine Acrylharzvolltränkung nicht geeignet. Eine prophylaktische Anwendung dieses Verfahrens sollte unterbleiben.

Hydrophobierung

Als eine schonende – weil „nur“ wasserabweisende – Konservierungsmaßnahme ist lange Zeit die Hydrophobierung angesehen worden. Der Hinweis, dass der Stein weiterhin „atmen“ könne, hat den Blick auf die Probleme verschlossen, die hinter der hydrophobierten Schicht auftreten können. Die Hydrophobierung wirkt nicht nur von außen nach innen, sondern auch von innen nach außen. Das bedeutet, dass das im Stein befindliche Wasser den Stein durch diese Schicht nur über die Dampfphase verlassen kann. Hinter dieser Schicht kann es somit zu einem Wasserstau und bei salzbelasteten Steinen zu einer Salzkonzentration kommen. Die Hydrophobierung erfordert deshalb eine sehr umfangreiche Voruntersuchung auf Eignung des Gesteins und des individuellen Einsatzortes, um Schäden durch Frost und Salzbelastung auszuschließen. Verschiedene Steinvarietäten, insbesondere die rheinischen Tuffe, aber auch Backsteine bzw. Ziegel zeigen sehr häufig auf die Hydrophobierung zurückzuführende Folgeschäden in Form von Schalenbildungen von der Stärke der von der Hydrophobierung erfassten Gesteinsoberfläche.

Voraussetzung für eine erfolgreiche Konservierungsmaßnahme ist die Aufnahmefähigkeit des zu behandelnden Gesteins für das angebotene Konservierungsmittel. So nehmen sehr feinporige Gesteine u.U. nur das Lösungsmittel auf, während an der Oberfläche eine Ablagerung des Wirkstoffes festzustellen ist. Die Eignung des Konservierungsmittels für das jeweilige Gestein (oder umgekehrt des Gesteins für ein ansonsten bewährtes Konservierungsmittel) ist deshalb von Fall zu Fall zu prüfen, nicht zuletzt im Hinblick auf den vorliegenden Verwitterungszustand und eventuell früher durchgeführter Maßnahmen. Zu prüfen ist aber auch die Aufnahmebereitschaft des Kapillarsystems. Eine mit Wasser gefüllte Pore kann kein Konservierungsmittel aufnehmen. Die in-situ Behandlung stößt hier an natürliche, physikalische Grenzen.

Durchführung der Steinkonservierung an einem Sandsteinportal

Mögliche Restaurierungsmaßnahme:

• Vorfestigung, Sicherung der lockeren Teile mit Kieselsäureester:

Kieselsäureester sind monomolekular und niedrigviskos. Sie können zu einem Wirkstoffgehalt von ca. 80% verarbeitet werden und scheiden damit ausreichend Bindemittel ab. Man benötigt einen Katalysator und die Verwendung von einem 2-Komponentensystem. Die Reaktionszeiten liegen bei 2 bis 3 Wochen, wobei die Temperatur (10-25°C) und die Luftfeuchte (40-70%) zu beachten sind. Man muss das Portal vor Regen schützen, keine Beschleunigungsversuche ausprobieren und weitere Arbeiten erst nach Abschluss der Reaktion durchführen.

Vorteil: gute Eindringtiefe, Bindemittelabscheidung, keine Nebenprodukte; Jedoch nur flächenweise durchführen, die Oberfläche muss man mit Aceton abmagern (damit die Reinigung nicht beschwert wird).

• Reinigung mit Dampfstrahl (Sinterkrusten entfernen),

mit niedrigem Druck, JOS-Reinigungsverfahren:

Ist eine Strahlreinigung im Niederdruck- Rotationswirbel- Verfahren. Es arbeitet ohne chemische Zusätze mit einem Luftdruck von 0,5- 1,5 bar, geringem Wasserverbrauch und einem neutralen Feinstgranulat. Es hat einen Luft- Wasser- Granulatwirbel. Da der Luftdruck beim Düsenaustritt nahezu proportional im Quadrat abnimmt, führt das durch den Luft- Wasser- Granulatwirbel erfolgende „Abschleifen“ und „Polieren“ der zu reinigenden Oberfläche zu keiner erheblichen Schädigung einer Patina (falls vorhanden). Das Jos- Reinigungsverfahren würde somit die kleinen Details und die Gesichtszüge der Büsten nicht zerstören oder abmindern.

• schwarze Versinterungen händisch entfernen:

Mit feinen Raspeln, Schleifpapier oder Minihandfräsen vorsichtig die schwarzen Flecken vom Portal entfernen.

• Ammoniumkarbonatkompressen:

Vornässen, befeuchten mit Zerstäuber, Nylonbürsten verwenden; Bei diesem Verfahren wird der für gute Eindringtiefe notwendige lange Kontakt zwischen Stein und Konservierungsmittel mit Hilfe einer Kompresse erreicht. Das Portal wird mit (Buchen-)Zellstoff umwickelt, der mit Polyäthylenfolie abgedeckt wird. Man sollte die Folien unter Druck aufbringen. Vorsicht vor Schimmelbildung- Verwendung von Thymol (Vorbeugung). Das Ganze wird umschnürt und eine Wanne wird anmontiert. Über ein Vorratsgefäß wird der Kieselsäureester eingebracht. Es soll dabei nur soviel einfließen, dass unten möglichst wenig oder kein Material abfließt. Die Kompresse muss einige Tage am Sandstein bleiben. Überschüssiges Material sollte man nicht weiter verwenden. Nach Abnehmen der Kompressen wird der Sandstein mit reinem Lösungsmittel abgewaschen. Die Behandlungszeit wird ca. 2-3 Wochen dauern.

• Mechanische Entfernung von Bewuchs:

Verwendung von speziellen Chemikalien, so genannten Bioziden: Die Abtötung von Bewuchs in den Poren erfolgt durch organische Lösungsmittel, Oxalsäure, Äthylendiamintetraacetat, … Ablaufschema: Man muss das Mittel auf den Stein auftragen, das Ganze feucht halten (1 Tag einwirken), danach Abziehen und Dampfstrahlen. Man kann aber auch mit reinem Wasser abwaschen. Bei Fettlösern muss man die Vorschriften beachten, da sie die Gesundheit gefährden könnten. Eventuell können Chemikalienrückstände vorkommen.

• Hauptfestigung mit Kieselsäureester,

Nachfestigung mit Paraloid B-72:

Hauptfestigung mit Kieselsäureester OH: Ist eine tiefreichende, langsame Tränkung, um Krustenbildung zu vermeiden (eventuell mit Infusionskompressen); häufige Behandlung bzw. Flutung mürber Partien; Abbindezeit und Regenschutz sind zu beachten. Je nach Steinart und Zustand ist die KSE Konzentration zu modifizieren.

Partielle Nachfestigung (und Verklebung) von haarrissigen oder scholligen Partien mit Paraloid B-72 (7%) mit kalzitisch gebundenen Feinkittungsmassen oder modifizierten KSE¬-Typen. Paraloid B-72 ist ein Acrylatesterpolymerisat, welches in fester Granulatform oder als 15%ige Lösung lieferbar ist. Es bildet wasserklare, transparente Überzüge von ausgezeichneter Hitze- und Chemikalienbeständigkeit. Es hat eine gute Beständigkeit gegen Wasser, Alkalien, Säuren, Öle, Fette und chemische Dämpfe. Die Überzüge sind sehr elastisch und haften sehr gut auf vielen Oberflächen. Der Lösevorgang kann in schnell laufenden Rührwerksmaschinen oder auf einem Fassroller erfolgen. Unlöslich ist Paraloid B-72 in Butylalkohol und aliphatischen Lösemitteln. Es gibt keinen scharf definierten Schmelzpunkt. Die ersten Zeichen des Schmelzens werden bei 70-75° C sichtbar. Ein wirkliches Fließen entsteht bei 145-150° C.

• alte Armierungen (falls vorhanden) durch nicht korrodierende

Armierungen ersetzen (zB.: NIROSTA).

• Epoxidharz(mörtel) für Ergänzungen/ Ersetzungen:

Je kleiner die Fehlstelle am Sandstein ist, umso besser ist es, mit einer Steinersatzmasse zu arbeiten. Falls man etwas am Giebel oder den Büsten ersetzen will, sollte man am Besten mit entsprechend witterungsbeständigen Naturwerksteinen (ähnlicher Stein) oder mit bauphysikalisch besonders günstigen Kunststeinen (epoxidharzgebunden) arbeiten.

• Porenfüllungen:

Benützung eines Netzmittels zum Auftragen der Schlämme. a) Verwendung der Kalkschlämme: Sumpfkalk wird verwendet, Auftragen auf einem vorgenässtem Grund (einmassieren), man muss den Sandstein immer wieder besprühen und den Vorgang öfters wiederholen. Diese Methode wäre besser, weil so schöne Verzierungen aufgrund der dünnen Schlämme nicht verloren gehen. Die Oberfläche muss danach formbezogen geglättet werden (ev. mit Gummispachtel). b) Verwendung der Opferschlämme: Sie ist dicker als die Kalkschlämme, daher muss man auch künstlerische Details am Sandstein nacharbeiten. Vorteil: Sie ist ein dauerhafter SO²-Schutz.

• Fehlstellen/ Kittungen:

Vorgeschlagene Grundkittmasse: 4 Teile Kalksteinsand geeigneter Körnung und Farbe, 1 Teil Bindemittel (Löschkalk + Weißzement bzw. Trass) und Kunstharzbinder Primal E330S (ca. 1:10 verdünnt), eventuell im Anmachwasser. Primal E330S hat einen guten Plastifizierungseffekt. Zuerst:Vornetzen der Kittfläche mit verdünntem Primal E330S als Haftvermittler. Grundsätzlich ist die Steinkittung in Körnung, Farbe, Dichte (wichtig ist die Porosität), Härte und Oberflächenstruktur dem Originalstein anzugleichen. Um die Kittung spannungsärmer zu machen, wird der Weißzement (bis zur Hälfte) mit Löschkalk gemischt oder es wird überhaupt eine Mischung von Trasspulver und Löschkalk eingesetzt („Trass“ nicht verwechseln mit „Trassit plus“ oder „Trasszement“). Die Kalkkittung benötigt dann eine längere Aushärtezeit vor dem Nacharbeiten und eine größere Sorgfalt beim farblichen Angleichen an den originalen Sandstein. Vorher sollte man Probemischungen anfertigen und aushärten lassen. Ein Feuchthalten der Kittungen ermöglicht eine optimale Abbindung (ca. 2 bis 4 Tage).

• Schlusshydrophobierung:

Siloxanlösungen wie Wacker 280 werden verwendet: Sie sind gut geeignet zur Hydrophobierung von Kalksandstein und zugleich auch alkalifest. Anwendungsfertige Lösungen mit dem Grundstoff Wacker 280 werden von verschiedenen Bautenschutzfirmen angeboten. Der Verbrauch soll zwischen 0.5 und 1 Liter pro m² Oberfläche liegen.

• Schutzmaßnahmen

Als vorbeugenden Schutz sollte man die Gesimse am Portal verblechen. Es würde zwar nicht schön wirken, wäre jedoch ein vorbeugender Schutz.