Wie Salze Bauwerke zum Bröckeln bringen

Historische Steinbauwerke sind Touristenmagnete. So werden beispielsweise die jordanische Felsenstadt Petra, die mittelalterliche Stadt Rhodos in der ?g?is oder die in Sandstein gebauten Tempelanlagen im ?gyptischen Luxor j?hrlich von mehreren Hunderttausend Personen besucht. Diese Kulturg¨¹ter haben etwas gemeinsam: sie verwittern. Verantwortlich sind daf¨¹r Salze, die im Innern der por?sen Baumaterialien kristallisieren und dabei eine so grosse Kraft entwickeln, dass sie die Steine sprengen oder zum Br?ckeln bringen. Dasselbe Problem stellt sich auch bei Betonbauwerken hierzulande. Forschende des Instituts f¨¹r Baustoffe der ETH Z¨¹rich sowie der Princeton University haben nun die Wirkung von Salzen unter kontrollierten Bedingungen in einem Experiment nachgestellt. Die Ergebnisse sollen unter anderem Denkmalsch¨¹tzern und Restauratoren von Kulturg¨¹tern helfen, Vorhersagen zum Verwitterungsprozess von Bauwerken zu machen.

Salze k?nnten auf ganz unterschiedliche Weise in die Baumaterialen gelangen, erkl?rt Francesco Caruso, Postdoc in der Gruppe von Robert Flatt, Professor f¨¹r Baustoffe. Der Betonbestandteil Zement beispielsweise beinhalte immer auch Gips (Calciumsulfat) und sogenannte Alkalisulfate. Beides sind Salze. Und auch aus der Umwelt k?nnen Salze in Baustoffe gelangen: etwa ¨¹ber oberfl?chennahes, mineralienhaltiges Grundwasser, das ¨¹ber Kapillarkr?fte in por?se Baumaterialien eindringt, oder ¨¹ber den Luftschadstoff Schwefeldioxid, der mit dem Calcium in Kalkstein zu Gips reagieren kann.

Zudem k?nnen auch an der Oberfl?che des Bauwerks abgelagerter Meerwasser-Spr¨¹hnebel oder Tausalz Schaden anrichten: ?Werden diese Salze von Regen gel?st, kann die salzhaltige Fl¨¹ssigkeit ¨¹ber Poren oder Risse ins Baumaterial eindringen?, so Caruso. Verdunstet die Fl¨¹ssigkeit bei Trockenheit, kristallisieren die Salze dort aus. Dabei k?nnen Teile des Mauerwerks weggesprengt werden.

Temperaturunterschiede f¨¹hren zu Anreicherung

In ihrem Laborexperiment verwendeten die ETH-Forschenden Natriumsulfat, das Salz mit dem gr?ssten bekannten Zerst?rungspotenzial. Es existiert in zwei Formen, einer sogenannt anhydrierten und einer hydrierten Form. In mehreren Zyklen stellten sie Kalkstein-W¨¹rfel mit einer Seitenl?nge von zwei Zentimetern in ein Natriumsulfat-Salzbad, wobei die Salzl?sung in die Poren des Kalksteins eindringen konnte. Anschliessend trockneten sie die Steine bei hoher Temperatur, bevor sie sie f¨¹r eine n?chste Runde erneut bei tieferer Temperatur ins Salzbad stellten. W?hrend den Trocknungsphasen kristallisierte das Salz in anhydrierter Form in den Poren der Steine aus. In den Salzbad-Phasen drang erneut Salzl?sung in die Poren ein, wobei das bereits kristallisierte Salz wieder in L?sung ¨¹berging.

?ber diesen kontrollierten zyklischen Prozess gelang es den Wissenschaftlern, das Salz im Innern des Steins stark anzureichern und dort eine in Bezug auf die hydrierte Form ¨¹bers?ttigte Salzl?sung zu erhalten. Mit einer ¨¹bers?ttigten Salzl?sung ist eine Fl¨¹ssigkeit gemeint, in der wegen besonderer Umst?nde mehr Salz gel?st ist als es unter normalen Umst?nden m?glich w?re.

Wichtige Erkenntnisse f¨¹r Restauratoren

Das Experiment zeigte: Je gr?sser die ?bers?ttigung, desto gr?sser ist das Zerst?rungspotenzial des Salzes. Und auch die Temperatur spielte eine Rolle: In Durchl?ufen, in denen die Temperatur nie unter 25 Grad fiel, brauchte es im Experiment im Schnitt vier Zyklen, bis es zu Sch?den kam, fiel die Temperatur auf 3 Grad, reichte ein Zyklus. ?Es braucht diese Zyklen von Feuchte und Trockenheit, doch letztlich geht es um die ?bers?ttigung?, erkl?rt der Chemiker Caruso.

F¨¹r ein Bauwerk heisst das: Sind die Umweltbedingungen so, dass immer wieder Salzl?sung in einen por?sen Stein eindringen und die Fl¨¹ssigkeit zum Beispiel wegen starker Sonnenstrahlung oder starken Winden wieder verdunsten kann, dann kann sich das Salz im Baumaterial stark ¨¹bers?ttigen. ?In diesem Fall braucht es keine grossen Salzmengen, um grosse Sch?den anzurichten?, sagt ETH-Professor Flatt. Bei gem?ssigteren Umweltbedingungen hingegen brauche es gr?ssere Mengen.

Dank des kontrollierten Experiments konnten die Forschenden das Ph?nomen dieser Salzsprengung erstmals ausf¨¹hrlich physikalisch-chemisch und mechanisch beschreiben. ?Wir haben gezeigt, dass die Salzsprengung und die von ihr verursachten Sch?den zumindest unter kontrollierten Bedingungen vorhersagbar sind?, sagt Flatt. Die Experimente w¨¹rden Restaurations- und Konservierungswissenschaftlern beispielsweise helfen zu entschieden, wie viel Salz von einem Bauwerk entfernt werden m¨¹sse um Sch?den zu verhindern oder ¨C falls das Salz nicht entfernt werden k?nne ¨C um vorherzusagen, wann ein Geb?ude Schaden nehmen werde.

Michelangelos Fresken und Geothermiebohrungen

Sichtbar sind solche auf diese Salzsprengung zur¨¹ckzuf¨¹hrende Sch?den nicht nur bei historischen Steinbauwerken. Auch bei Wandgem?lden wie Michelangelos Fresken in der Sixtinischen Kapelle im Vatikan sei Salz ein Problem, sagt Caruso. Sogenannte Salzausbl¨¹hungen im Mauerwerk, in der Malschicht oder dazwischen f¨¹hrten dort zu Sch?den.

Ebenfalls zeigt sich das Problem im grossen Massstab in Erosionsprozessen und bei Geothermiebohrungen. ?Die Salzsprengung formt ganze Felslandschaften?, sagt Caruso. Und 2007 hat sich bei Erdw?rmebohrungen in der Altstadt von Stauffen im Breisgau der Boden angehoben, an einigen Stellen bis zu 26 Zentimetern. In H?userzeilen bildeten sich Risse. Wie sich im Nachhinein herausstellte, drang wegen der Bohrungen im Untergrund Grundwasser in eine Schicht, in der das Mineral Calciumsulfat in seiner anhydrierten Form vorlag. Durch die Verbindung mit dem Wasser bildete sich daraus Gips. Die ?bers?ttigung dieses Gips erzeugte den Druck, der dazu f¨¹hrte, dass sich der Boden hob.

Anwenden m?chten die Forschenden der ETH Z¨¹rich ihre Erkenntnisse nun in einem Projekt in der Altstadt von Havanna. Salz sei dort ein grosses Problem und f¨¹hre dazu, dass bei Restaurierungsarbeiten eingesetzter Spezialputz nach wenigen Jahren bereits von den Fassaden br?ckle, sagt Flatt. Im Forschungsprojekt soll es darum gehen, daf¨¹r die genauen Ursachen zu finden. Ausserdem m?chten die an dieser Forschungsarbeit beteiligten Wissenschaftler der ETH Z¨¹rich und der Princeton University nach M?glichkeiten suchen, die Salzsprengung zu reduzieren, beispielsweise durch eine Ver?nderung der W?nde der Poren von Baumaterialen auf der Nanoskala.