Historische und moderne Baustoffe in der Denkmalpflege II.

Historische und moderne Baustoffein der Denkmalpflege II.Dr. rer. nat. Farkas PintérHydraulische BindemittelKünstliche Bindemittel die unter Wasser erhärtenCalcium (CaO)Magnesium (MgO)Silizium (SiO 2)Aluminium (Al 2O 3)Eisen (Fe 2O 3)hydraule Faktoren1

Rohstoffe - ProdukteNATÜRLICHE ROHSTOFFEKÜNSTLICH GEMISCHTERROHSTOFF(ca. 75% Kalk + 25% Ton)„reiner“ Kalk(0-10%Tonanteil)Kalk mit niedrigemTonanteil(10-25%)Kalk mit hohemTonanteil(30-45%)LUFT-KALKEgebrannt zw.800-1200 ºCLöschenMahlengebrannt über 1350 ºC(Schmelzphase)MahlenGips als Zuschlaggemischt mit natürlichen odersynthetischen Puzzolanengemischt mit natürlichen odersynthetischen PuzzolanenNATÜRLICH HYDRAULISCHER KALK (NHL)HYDRAULISCHER KALKROMANZEMENTEPORTLANDZEMENTIn der Zementchemie verwendete Nomenklatur für ZementphasenC = CaOS = SiO 2A = Al 2O 3F = Fe 2O 3H = H 2Oz.B.: C 3S = 3CaO·SiO 2= Ca 3SiO 5CSH = 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 3S2

Geschichte der Mörtelbindemittelheuteca. 19201843Portlandzement17961756RomanzementNHLAltertum> 1.700 v. Chr. KalkPuzzolanische Kalke = „römischer Zement”opus caementitiumAbb.: J. WeberNatürlich Hydraulischer Kalk (NHL)1756 von John Smeaton erfundenRohstoff:Toniger Kalkstein75-90% CaCO 310-25% TonmineraleCC 2 SC 2 A3

ab. ca. 700 – 900 ºCCaCO 3+ SiO 2→ CaO + 2CaO·SiO 2(C 2S)(Al 2O 3)+ H 2 OCa(OH) 2(Ablöschen)3CaO·2SiO 2·H 2O(Abbinden)feste HydratverbindungCaCO 3+ CO 2(Aushärtung)Wasserhärten+Lufthärtung2.1.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 ähnlichMerkmale von NHL- Rohstoff: toniger Kalkstein (75-90% CaCO 3)- Brenntemperatur: 800-1100 (max. 1200) ºC- Endprodukte: CaO, C 2S, C 2A, SiO 2, CaCO 3- Erhärten: langsam mit niedrig bis mässiger Endfestigkeit- Kompatibiltät mit historischen Materialien: gut- Farbe: hellgrau – gelbIn erster Reihe in Belgien,Frankreich und Deutschlandverbreitetes Material(seit dem 19. Jh.)Heutzutage wieder beliebtes BauundRestaurierungsmaterial4

Hydraulische ErhärtungNach Erreichen der maximalen Festigkeit: statisch über die Bauwerksstandzeit,nach einer gewissen Zeit ist die Hydratationsreaktion abgeschlossen- Hydratationsreaktion: Wasser wird eingebunden- Nadelige Hydratphasen (Verfilzung) →- hohe Festigkeiten- statisch (abgesehen vonunerwünschten,schädigendenTreibreaktionen)- keine Reversiblen Reaktionen (wiez.B. bei Luftkalken)- keine SelbstheilungskräfteKalzitCSHJe 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.5

0,5 mmRomanzement („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 erbrannt6

• 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, Schweiz, Österreich-Ungarn,Süddeutschland, Oberitalien, …• Anwendung:Fundamente, Brücken- und Kanalbauten, FassadenZentren in Europa7

RohstoffMergel = feinkörniges Sedimentgestein, bestehend aus Kalk und Ton „in innigerMischung“Phasen im Romanzementhängen ab von:•Brenntemperatur• lokalen chemischenGleichgewichtenWeber & Gadermayr, 2007Schachtöfen(üblicherweise für kontinuierlichen Betrieb)Foto: J. WeberEinzelschachtofen inSandsend (Whitby, UK)Gartenau (Salzburg)8

Rohstoff:Mergel:- 54-67 % CaCO 3- 33-46% Tonminerale(C)C 2 SC 3 S 2C 2 ASPhasenzusammensetzung von Laborzementen100%90%Gehlenit80%70%60%50%40%Optimumα’-C 2 Sβ-C 2 SGehleniteb belitea' beliteAmorphousFree limeQuartzCalcite30%20%10%QuarzCalcitCaOamorph0%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 gebranntenBestandteilen9

Bindemittel-Körnung Verhältnis in einem typischem RomanzementmörtelAbb.: J. Weber11

unterbrannte „Zementknollen”(Mergelfragmente)Fotos: J. Weberoptimal gebrannte„Zementknollen”C 2 SFotos: J. Weber12

überbrannte Knollen,SchmelzbildungFotos: J. WeberunterbranntüberbranntoptimalgebranntAbb.: J. WeberUnterschiedliche Zusammensetzung der Zementknollen:• rel. niedrige Brenntemperaturen (keine Gleichgewichtsreaktionen)• Temperaturgradiente im Schachtofen• Rohstoff → großes Volumen (Gradiente in jedem Mergelstein)• Inhomogenität des Rohstoffs13

Physikalische 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 geringeremFüllstoffanteil (Sand)hohe Porosität – hohe Festigkeit!Foto: J. WeberHydratmatrix („Kartenhausstruktur”) eines historischen Romenzement Gussmörtels14

AnwendungsbeispieleThemse-Tunnel1825-41Bildquelle: wikipediaFotos: J. Weber15

Fotos: J. WeberSaint Bruno Clocher Grenoble (1872)Photo: C. AvenierWien, Hoftheater-Kulissendepot(“Semperdepot”), 187316

GusselementeFassadenschlämmenKittungenFassadenzugPortlandzementPortlandzement: hydraulisches Bindemittel, das aus einer Mischung von Kalkund Ton bis zur Schmelzphase (> 1400 ºC) gebrannt und nach derAbkühlung mit der Zugabe von Gips feingemalhlen wird. Der Zement bildetunter Wassereinwirkung 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 – Rotationsofen – industrielle Zementherstellung auf hoher Temperatur1890 – Gips in den Zementen (Verzögerer); Ettringitbildungab 1920-er Jahren rasche Verbreitung von Zementmörtel und -putze(Höhepunkt in der Nachkriegszeit)17

Deliveries of cementsin the Austro-Hungarian Empiretons120.00080.000totalPCRC40.00001820 1840 1860 1880 1900 1920Abb.: J. WeberRohstoff:Gemisch von:ca. 75% Kalkca. 25% TonC 3 SC 2 SC 3 AC 4 AF1450 ºC18

CaCO 3+feste Hydratverbindungen+Ca(OH) 2OPC Klinkerphasen3CaO·SiOSiO 2= C 3S21400 ºC 2CaO·SiOAl 2O 2= C 2S + H 2O3Teilaufschmelzung3CaO·AlFe 2O 2O 3= C 3A34CaO·Al 2O 3·Fe 2O 3= C 4AFbasischer pH-Wert(>13) = RostschutzC 4AFC 3SC 4AF + C 3AC 2SC 3Awww.understanding-cement.comDie wichtigstenProduktionsschritte bei derZementherstellung1. KünstlicheRohstoffmischung aus Kalk&Ton2. Mahlen3. Brand bei über 1400 ºC imDrehofen4. Feinmahlung desentstandenen Klinkers5. Zumischung von Gips alsVerzögerer (+ ev. anderenStoffen)6. LagerungAbbildung: wikipedia19

Hydratation - Zementhärtung (Abbinden)Das Abbinden beruht auf Reaktion der fein gemalhelen (ca. 10 µm) Klinkermineralemit Wasser zur Bindung von Hydratverbindeungen. 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)20

Hydratation - Zementhärtung (Abbinden)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- langsamerCSH 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 2OZement 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!21

Zemente unterscheiden sich vor allem hinsichtlich…- zeitliche Entwicklung der Festigkeit- Höhe der Endfestigkeit (28-Tage-Festigkeit)- Wasserbedarf- Beständigkeit gegen Korrosion+ Zusatz- und Hilfsmittel: Verflüssiger,Luftporenbilder, Beschleuniger, Verzögerer, etc.Weißzement: OPC mit geringerem Anteil anC 3A und C 4AF (→ weiße Farbe)Tonerdezement: Calciumaluminatzement,hergestellt aus Bauxit und KalksteinKlinkerSchlackeFlugascheKalksteinZementmörtel: Zement + Wasser +Zuschlag (< 4mm)Zementmörtel - BetonBeton: Zement + Wasser + Zuschlag (> 4 mm) +Additive2 mm20 cm22

Zement- und Betonkorrosion I.CarbonatisierungHydratation von Zement:C 2S+ 2H 2O → 2CSH + Ca(OH) 2Portlandit (Ca(OH) 2) reagiert mit dem CO 2aus der Luft (Neutralisierung des Betons

Zement- und Betonkorrosion III.Verzögerte Ettringitbildung (Sulfatkorrosion)Neubildung von Ettringit in der erhärtetenZementmatrix → expansive Kräfte, Rissbildung→ Auflockerung des Gefüges- hohe Temperatur (60-70 ºC)- Wasser- häufig gemeinsam mit ASRwww.understanding-cement.comZement- und Betonkorrosion IV.Externe Sulfatkorrosion, SalzbelastungGips, K 2SO 4, Na 2SO 4, Alkalicarbonate, etc.24

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 cm25

Portlandzement – falsche Anwendungen II.TuffsteinZementstein1 mmWasseraufnahme-Koeffizient (w) DIN-EN 1062w ≥ 0,5kg/m 2 •h 0,5 hoch wasserdurchlässigw = 0,1 – 0,5kg/m 2 •h 0,5 mittel wasserdurchlässigw ≤ 0,1kg/m 2 •h 0,5 gering wasserdurchlässigDurch das Vorliegen bzw. Fehlenkapillaraktiver Porensystemeoder den hydrophobenCharakter der Porenwandungenbestimmt26

Wasserdampf-Diffusionkoeffizient (µ) DIN 4108/4Diffusion: ohne äußere Einwirkung eintretender Ausgleich von unterschiedlichenGaskonzentrationen. Die "Wasserdampf-Wanderung", bzw. Diffusion erfolgt immer zumStoff mit der geringeren Feuchtigkeit. Die Diffusion ist der Antrieb für die Trocknungfeuchter Bauteile, gleichzeitig aber auch Ursache für die Durchfeuchtung von Stoffen.Die Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahl µ ist definiert als der Quotient aus demWasserdampf-Diffusionskoeffizienten der Luft und dem des betreffenden Stoffes. Lufthat daher eine Wasserdampfdiffusions-Widerstandzahl von 1, Ziegel hat gegenüber Luftden 10-fachen Widerstand. Dies bedeutet, dass das Ausdiffundieren einer bestimmtenWassermenge aus Ziegel 10-mal so lange dauert wie aus Luft.Ziegel 6 – 12Kalkputz 11innen:Zementputz 19T = 20 O C, rH: 50%(8,65 g H 20 Dampf/m 3 )Kunstharz-haltiger Putz 140Teerpapier 4000 – 18000Alufolie 2000000außen:T = -10 O C, rH: 80%(1,71 g H 20 Dampf/m 3 )Sanierputze (nach WTA 2-2-917/D)ZumVerputzenfeuchterund/odersalzhaltigerMauerwerkeAus 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 Mauerwerks27

Wirkungsprinzip der SanierputzeOpferputze (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.28

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 bietenWirkungsprinzip des OP-I-Salz Putzes29