Historische und moderne Mörtelsysteme in der Denkmalpflege II.

Historische und moderneMörtelsystemein der DenkmalpflegeII.Dr. rer. nat. Farkas PintérGeschichte der Mörtelbindemittel (Überblick)heuteca. 19201843Portlandzement17961756RomanzementNHL?Altertum> 1.700 v. Chr. Kalkpuzzolanische Kalke = „römischer Zement”opus caementitiumAbb.: J. Weber1

Bindemittel die unter Wasser erhärtenHydraulische BindemittelCalcium (CaO)Magnesium (MgO)Silizium (SiO 2)Aluminium (Al 2O 3)Eisen (Fe 2O 3)„hydraule Faktoren“Rohstoffe - ProdukteNATÜRLICHE ROHSTOFFEKÜNSTLICH GEMISCHTERROHSTOFF(ca. 75% Kalk + 25% Ton)„reiner“ Kalk(0-10%Tonanteil)Kalk mit niedrigemTonanteil(10-25%)Kalk mit hohemTonanteil(30-45%)gebrannt zw.800-1200 ºCgebrannt über 1400 ºCLUFT-KALKELöschenMahlenMahlenGips als Zuschlaggemischt mit natürlichenoder synthetischenPuzzolanengemischt mit natürlichen odersynthetischen PuzzolanenHYDRAULISCHERKALKNATÜRLICHHYDRAULISCHER KALK(NHL)ROMANZEMENTEPORTLANDZEMENT2

Nomenklatur für die Zementphasen in der ZementchemieC = CaOS = SiO 2A = Al 2O 3F = Fe 2O 3H = H 2Oz.B.: C 3S = 3CaO·SiO 2= Ca 3SiO 5C-S-H = 3CaO·2SiO2·3H 2O Ca-Silikat-Hydrat PhaseDie wichtigsten Zementklinkerphasen:C 2S = Belit (Dicalcium-silikat)C 3S = Alit (Tricalcium-silikat)C 3A = Tricalcium-aluminatC 4AF = Ferritphase (Brownmillerite)C 2SC 3SC 3A + C 4AFNatürlich Hydraulischer Kalk (NHL)1756 von John Smeaton erfundenNATÜRLICHE ROHSTOFFERohstoff:Toniger Kalkstein„reiner“ Kalk(0-10%Tonanteil)Kalk mit niedrigemTonanteil(10-25%)Kalk mit hohemTonanteil(30-45%)75-90% CaCO 310-25% Tonmineralegebrannt zw.800-1200 ºCLUFT-KALKELöschenMahlenIn erster Linie in Belgien,Frankreich und Deutschlandverbreitetes Material(~ seit dem 19ten Jh.)gemischt mit natürlichenoder synthetischenPuzzolanenHYDRAULISCHERKALKNATÜRLICHHYDRAULISCHER KALK(NHL)ROMANZEMENTEHeutzutage wieder beliebtesBau- und Restaurierungsmaterial3

ab. ca. 700 – 900 ºCCaCO 3+ SiO 2→ CaO + 2CaO·SiO 2(C 2S)(Al 2O 3)+ H 2 OCa(OH) 2 3CaO·2SiO 2·H 2O = C-S-H Phase(Ablöschen) (Abbinden) ->feste Hydratverbindung+ CO 2Wasserhärten+LufthärtungCaCO 3(Aushärtung)Das MengenverhältnisCaO : (SiO 2+ Al 2O 3) kannunterschiedlich seinDie Mörtel von NHL erreichen eine höhere Frühfestigkeit als Luftkalke, aber inanderen physikalischen Parameter sind sie einem Luftkalk ähnlichHydraulische ErhärtungNach Erreichen der maximalen Festigkeit: statisch über die Bauwerksstandzeit,nach einer gewissen Zeit ist die Hydratationsreaktion abgeschlossen- Hydratationsreaktion: Wasser wird eingebunden- nadelige oder blattförmige Hydratphasen →- höhere Festigkeiten als bei Luftkalken- statisch (abgesehen vonunerwünschten, schädigendenTreibreaktionen)- keine Reversiblen Reaktionen(wie z.B. bei Luftkalken)- keine SelbstheilungskräfteKalzitC-S-HAbb.: Karol Bayer4

Je höher hydraulisch ein Kalk ist, desto…- schlechter lässt er sich mit Wasser ablöschen- besser härtet er auch ohne Luftzutritt bzw.unter Wasser- höhere Endfestigkeiten können erreicht werdenKurzbezeichnungk.A.Romanzement („Wiener Hydrauer“)• kalkfreier hydraulischer Mörtelbinderanders als bei hydraulischen Kalken gibt es keinen Freikalk• Naturzementerbrannt aus einem natürlichen Rohstoff - Mergel• Niedrig-Temperatur-Zementbei Temperaturen unterhalb der Sintergrenze erbrannt5

• 1796 von James Parker in England patentiert• 19. Jh. im europäischen Festland und den USABlütezeit in Mitteleuropa: ca. 1850 – 1914letzte Produktion in Österreich: 1928• Zentren in Europa:England, Frankreich (Vicat Prompt), Schweiz,Österreich-Ungarn, Süddeutschland, Oberitalien, …• Anwendung:Fundamente, Brücken- und Kanalbauten, FassadenZentren in EuropaAbb.: N.Gadermayer6

RohstoffMergel = feinkörniges Sedimentgestein, bestehend aus Kalk und Ton „in innigerMischung“Phasen im Romanzementhängen ab von:• Brenntemperatur• lokalen chemischenGleichgewichtenWeber & Gadermayer, 2007Brennen in SchachtöfenFoto: J. WeberEinzelschachtofen inSandsend (Whitby, UK)Gartenau (Sbg.)7

NATÜRLICHE ROHSTOFFE„reiner“ Kalk(0-10%Tonanteil)Kalk mit niedrigemTonanteil(10-25%)Kalk mit hohemTonanteil(30-45%)gebrannt zw.800-1200 ºCLöschenMahlenLUFT-KALKEgemischt mit natürlichenoder synthetischenPuzzolanenNATÜRLICHHYDRAULISCHER KALK(NHL)ROMANZEMENTEHYDRAULISCHERKALKPhasenzusammensetzung von Laborzementen100%90%Gehlenit80%70%60%50%40%Optimumα’-C 2 Sβ-C 2 SGehleniteb belitea' beliteAmorphousFree limeQuartzCalcite30%20%10%QuarzCalcitCaOamorphe Phase0%900 921.1 942.1 963.2 984.2 1005.3 1026.3 1047.4 1068.4 1089.5Temperature ( o C)Abb. nach WeberRomanzemente bestehen aus unterschiedlich stark gebranntenBestandteilen8

Österr. Norm von 1880 und 1890AlterZugfestigkeit [N/mm²]Romanzementrasch≤ 15 minlangsam> 15 minDruckfestigkeit [N/mm²]Romanzementrasch≤ 15 minlangsam> 15 min7 T ≥ 0,4 ≥ 0,5 ≥ 1 k. A.PortlandzementPortlandzement28 T ≥ 0,8 ≥1 ≥ 1,5 ≥ 6 ≥ 8 ≥ 15RascheFestigkeits–entwicklung!Abb.: J. WeberGrundsätzlicherVerlauf derFestigkeitsentwicklungbeiRomanzement9

Bindemittel-Körnung–Verhältnis in einem historischemRomanzementmörtelAbb.: J. WeberUnterschiedlich gebrannte ZementknollenFotos: N. Gadermayr10

unterbranntüberbranntoptimalgebranntAbb.: J. WeberUnterschiedliche Zusammensetzung der Zementknollen:• rel. niedrige Brenntemperaturen (keine Gleichgewichtsreaktionen)• Temperaturgradiente im Schachtofen• Rohstoff → großes Volumen (Gradiente in jedem Mergelstein)• Inhomogenität des RohstoffsPhysikalische Eigenschaften historischer RomanzementmörtelGußPutz 1(mager)Putz 2Putz 3 (RZ/Kalk)(wenig gemagert)BM-Zuschlag Verhältnis w/w 1 : 0.5±0.2 1 : 1.5 1 : 0.1 1 : 0.5Druckfestigkeit (N/mm 2 ) 47.9 ± 2.5 18.4 56.8 10.7Biegezugfestigkeit (N/mm 2 ) 3.0 ± 0.7 2.4 0. 8 (?) 0.6E-Modul (kN/mm 2 ) 18.2 ± 1.7 31.3 11.4 5.4Rohdichte (g/cm 3 ) 1.62 1.85 1.47 1.4Porosität (% v/v) 30.7 ± 2.1 19.5 37.1 39.3Wasseraufnahme (% w/w) 18.6 ± 1.7 10.4 25.0 27.5w-Wert (kg/m 2 √h) 7.0 ± 0.7 4.42 12.75 22.67Wasserdampfdiffusion µ 23.5 ± 0.5 28 20 18Rolle der Zementknollen:1. Bindung2. FüllstoffTab.: J. Weberhohe Festigkeiten auch bei geringeremAnteil an Zuschlägen (Sand)11

hohe Porosität – hohe Festigkeit!Foto: J. WeberHydratmatrix („Kartenhausstruktur”) eines historischen Romenzement-GussmörtelsAnwendungsbeispieleThemse-Tunnel1825-41Bildquelle: wikipedia12

Fotos: J. WeberFotos: J. Weber13

Saint Bruno Clocher Grenoble (1872)Foto: C. AvenierWien, Hoftheater-Kulissendepot(“Semperdepot”), 1873GusselementeFassadenschlämmenFassadenzug14

PortlandzementPortlandzement: hydraulisches Bindemittel, das aus einer Mischung von Kalkund Ton bis zur Sinterung (~ 1500 ºC) gebrannt und nach der Abkühlungmit der Zugabe von Gips feingemalhlen wird. Der Zement bildet unterWassereinwirkung ein hartes und beständiges Mineralgefüge.1824 – Joseph Aspdin Patent no. 5022: „Portlandzement” (kein echter PZ, eherNHL)1843 – William Aspdin, I.C. Johnston – Herstellung von hochtemperaturZement: drastische Verbesserung der physikalischen Parameter desBindemittels1878 – Drehrohrofen – industrielle Zementherstellung auf hoher Temperatur1890 – Gips in den Zementen (Verzögerer); Ettringitbildungab 1920-er Jahren rasche Verbreitung von Zementmörteln und -putzen(Höhepunkt in der Nachkriegszeit)Deliveries of cementsin the Austro-Hungarian Empiretons120.00080.000totalPCRC40.00001820 1840 1860 1880 1900 1920Abb.: J. Weber15

Die wichtigstenProduktionsschritte in derZementherstellung1. KünstlicheRohstoffmischung aus Kalk& Ton2. Mahlen3. Brand bei über 1400 ºC imDrehrohrofen4. Feinmahlung desentstandenen Klinkers5. Zumischung von Gips alsVerzögerer (+ ev. anderenStoffen)6. LagerungAbb.: wikipediaDer Weg des Rohstoffs vomRohstoffmehl bis zumZementklinker im DrehrohrofenRohstoff:Gemisch von~ 75% Kalk~ 25% TonTmax ~ 1450 ºCZementklinkerAbb.: P-C Aïtcin, 200816

CaCO 3+feste HydratverbindungenOPC Klinkerphasen3CaO·SiOSiO 2= C 3S2~1450 ºC 2CaO·SiOAl 2O 2= C 2S + H 2O3Teilaufschmelzung3CaO·AlFe 2O 2O 3= C 3A34CaO·Al 2O 3·Fe 2O 3= C 4AF+Ca(OH) 2Klinkerknollenbasischer pH-Wert(>12) = RostschutzC 4AFC 3SC 2SC 3Awww.understanding-cement.comHydratation - Zementhärtung (Abbinden)Das Abbinden beruht auf Reaktion der fein gemalhelen (ca. 10 µm) Klinkermineralemit Wasser zur Bindung von Hydratverbindungen. Diese sind extrem fein (1 bis 10nm) und haben die Wassermoleküle nicht nur im Moleküleverband eingebaut,sondern auch sehr fest an ihren Oberflächen angelagert.Formel Anteil in PZ ErhärtungsverhaltenC 3S 45-75% rasch, hohe FestigkeitC 2S 5-35% langsam, hohe FestigkeitC 3A 4-15% sehr rasch (wird durchGipszusatz verzögert)C 4AF 4-15% kein bes. Beitrag (Farbgebend)17

Hydratation - Zementhärtung (Abbinden) I.C 3S: 2(3CaO·SiO 2) + 6H 2O → 3CaO·2SiO 2·3H 2O + 3Ca(OH) 2- schnellerC 2S: 2(2CaO·SiO 2) + 4H 2O → 3CaO·2SiO 2·3H 2O + Ca(OH) 2- langsamerC-S-H PhasenC 3A: 3CaO·Al 2O 3+ Ca(OH) 2+ 12H 2O → 4CaO·Al 2O 3·13H 2O zu rasch3CaO·Al 2 O 3 + CaSO 4·2H 2 O + 32H 2 O → 3CaO·Al 2 O 3·3CaSO 4·13H 2 O Ettringit, passivierendC 4AF: 4CaO·Al 2O 3·Fe 2O 3+ 4Ca(OH) 2++ xH 2O → 8CaO·Al 2O 3· Fe 2O 3 ·xH 2OHydratation II.Abb.: Stark & Wicht, 199818

Zement und Wasser: der W/Z WertDie Menge der Wasserzugabe bei der Zementverarbeitung (W/Z Wert) bestimmtdie Dichte und Festigkeit des EndproduktesDa bei der Hydratation des Zementes nur ein Teil des zugegebenen Wasserschemisch in den Zementstein eingebunden wird, verbleibt ein Teil des Wassers inflüssiger Form in der Masse. Das rechnerische Verhältnis aus Wasser undZement, das für eine vollständige Hydratation notwendig ist, liegt zwischen 0,45- 0,55 (Mittelwert: 0,35). Sowohl das überschüssige Wasser als auch die nacheventuellem Austrocknen verbleibenden Poren stellen hinsichtlich derFestigkeiteigenschaften und der Dauerhaftigkeit des Betons Schwachstellendar. Ein erhöhter oder verringerter Wasserzementwert kann gezielt zurEinstellung bestimmter Festigkeitseigenschaften bzw. zur Einstellung einesbestimmten Porenanteils eingesetzt werden.1. Hydratwasser (chemsich fest eingebaut) - 25g H 20/100g Zement2. Gelwasser (an die Oberflächen der Partikel - 10g H 20/100g Zementgebunden, trägt zur Festigkeit bei,verdampft erst oberhalb v. 100 ºC) 35g H 20/100g ZementW/Z Wert = 0,353. Porenwasser (rel. frei im Porenraum - 0-35g H 20/100g Zementbeweglich, zur Verarbeitungnötig; bewirkt Porenbildungbeim Aushärten)W/Z Wert bis 0,70!Zementarten und deren Zusammensetzung in M.-% nach DIN 1164-1Abb.: Stark & Wicht, 199819

Zementmörtel: Zement + Wasser +Zuschlag (< 4mm)Zementmörtel - BetonBeton: Zement + Wasser + Zuschlag (> 4 mm) +Additive2 mm10 cmBetonkorrosion I.CarbonatisierungHydratation von Zement:3C 3S + 3H 2O → 3C-S-H + Ca(OH) 2Portlandit (Ca(OH) 2) reagiert mit dem CO 2aus der Luft (Neutralisierung des Betons< pH 9) → Carbonatisierung:Ca(OH) 2+ CO 2→ CaCO 3+ H 2OKalksinterzäpfchen, Kalksinterkruste ander OberflächePhenolphthaleintest:rosa Bereich pH > 9 =keine CarbonatisierungKalksinterkruste an einer Betonoberflächeinfolge Auswaschen und Carbonatisierungvon Ca(OH) 220

Alkali-Silikat-Reaktion (ASR)Betonkorrosion II.Zemente mit hohem Alkalianteil +reaktiver Silikatkörnung (z.B. Feuerstein)+ Wasser → Bildung von Alkaligel(Volumenszunahme, Rissbildung, Sprengungdes Gefüges)www.understanding-cement.comBetonkorrosion III.- Externe und interne SulfatkorrosionVerzögerte Ettringitbildung (interne)Neubildung von Ettringit in der erhärtetenZementmatrix → expansive Kräfte, Rissbildung→ Auflockerung des GefügesExterne SulfatkorrosionGips, Ettringit, K 2SO 4,Na 2SO 4, etc.- hohe Temperatur (60-70 ºC)- Wasser- häufig gemeinsam mit ASRAbb.: Bauhaus-Universität, Weimar21

Vorbehalte in der Restaurierung gegen Zementmaterialien• höhere mechanische Festigkeit und geringere Verformbarkeit als bei denmeisten historischen BaustoffenKalkmörtel sind „weicher” aber weniger belastbar• am meisten geringe Wasserdampfdurchlässigkeit – sie behindern dieVerdunstung aus durchfeuchteten BauteilenKalkmörtel bzw. –anstriche sind poröser, haften aber schlechter und altern rascher• Zemente führen meistens lösliche Salze mit sich, die beim Austrocknen inbenachbarte, porösere Baustoffe gelangen und dort Schäden verursachenkönnenReiner Kalk ist bezügl. der Salze unbedenklich, durch die Zugabe von Trass kann aber u.U.Salz eingebracht werden• die Entstehung von Ca(OH) 2ist in historischen Bindemitteln untergeordnet• FarbeIn der Restaurierung bevorzugt man folgende Kompromisse:• Kalk mit Zugabe von ger. Mengen organ. Stoffe (z.B. Acrylharze)• Verwendung hydraulischer Kalke, Naturzemente (NHL, ROZEM)• Verwendung puzzolanischer Kalke oder eigene Zumischung von Trass zu Kalk• Eigene Zumischung von (Weiss)zement zu KalkPortlandzement – falsche Anwendungen I.3 cm22

Portlandzement – falsche Anwendungen II.TuffsteinZementstein1 mmSanierputze (nach WTA 2-2-917/D)Zum Verputzen feuchter und/oder salzhaltiger MauerwerkeAus Werktrockenmörtel hergestellte Putze mit hoher Porosität undWasserdampfdurchlässigkeit bei gelichzeitig deutlich verminderter kapillarerLeitfähigkeit; dadurch erhöhte Frost- und Salzbeständigkeit.Bindemittel: vorwiegend ZementRohdichte: < 1,4 kg/dm 3 µ-Wert: < 12 Druckfestigkeit: 1,5 – 5 N/mm 2w-Wert: > 0,3 kg/m 2 Porosität: > 40 Vol. % Luftporengehalt: ≥ 25%SalzresistentDie geförderten Mörteleigenschaften werden durch eine Kombiantion vonKapillar- und Luftporen (ca. > 30 µm) sowie teilweise durch hydrophobierendeZusätze erzieltDie Luftporen sollen der Einlagerung von Salzen dienen und beruhen aufTensiden oder auf hochporösen ZuschlägenDie verminderte Kapillaraktivität birgt das Risiko einer reduzierten Trocknungdes darunterliegenden Mauerwerks23

Sanierputze - MikrostrokturSanierputz mit PerlitzuschlagSanierputz mit LuftporenbildnerWirkungsprinzip der Sanierputze24

Opferputze (nach WTA 2-10-06/D)Alle Putze dienen dem Schutz von Mauerwerk. Die Nutzungsdauer dieser Putze beträgt inder Regel mehrere Jahrzehnte, in Ausnahmefällen bis zu Jahrhunderten.Opferputze: Verschleißschichten konzipierte Putze die nur zum kurzzeitigen Schutz vonOberflächen vorgesehen (Monate bis wenige Jahre) und begrenzt anzuwendend sindAllgemeine Eigenschaften:• Sanierungswirkung oder Schutzfunktion• OP-I Putze: hohe Porosität und kap. Leitfähigkeit• OP-A Putz: geringe Saugfähigkeit• Reversibilität (leicht entfernbare Putze)• ausreichender Oberflächenkontakt für die Einwanderung von Salzen und/oderFeuchtigkeitSind Opferputze speziell auf einen hohen Salzeintrag ausgelegt, werden sie alsKompressenputze bezeichnet.Unter dem Aspekt der Salzreduzierung/Entsalzung nehmen die Opferputze eineZwischenstellung zwischen den Kompressen und den Sanierputzsystemen ein. Kompressenwerden kurzfristig über wenige Tage bis Wochen eingesetzt, Sanierputzsysteme erfüllenüber viele Jahre ihre Aufgaben, die auch gestalterische Funktionen beinhalten können. DieOpferputze sind mit einer mittelfristigen Anwendungsdauer zwischen den beidengenannten Systemen einzuordnen.TypOP-IOP-I-SalzOP-I-FeuchteOP-ACharakterisierung nach der AnwendungVerhinderung von Schäden an Oberflächen vorEinwirkungen durch Salze und Feuchte aus dem Innerendes Mauerwerks o. BauteilsDieser Kompressenputz ist für eine hohe Salzeinlagerungkonzipiert und kann auf stark durchfeuchtetenUntergründe eingesetzt werdenFür temporären Verputzen von stark mit Feuchtebelasteten Untergründen. Der Putz bewirkt jedoch keinebeschleunigte AustrocknungZum Schutz von vorgeschädigten, empfindlichen undschutzbedürftigen Oberflächen vor Einwirkungen vonaußen. Bei ausreichender Dicke kann er Schutz vorWitterung (Feuchte, Temperatur), vor Verschmutzung(Stäube, Gase, Spritzwasser) und vor mechanischen oderbiologischen Belastungen bieten25

Wirkungsprinzip des OP-I-Salz Putzes26