nach Kraus, Wisser, Knöfel - WTA

Kalkputze in der Denkmalpflege 

Dr. Frank Winnefeld 

Eidgenössische Materialprüfungs- und 

Forschungsanstalt 

Abteilung Beton / Bauchemie 

8600 Dübendorf / Schweiz 

WTA-CH - Seminar Kalkputze 21.04.2005 / F. Winnefeld / 1


1 Einleitung 

2 Luftkalke und hydraulische Kalke 

3 Historische Kalklöschtechniken 

4 Zusatzmittel 

5 Schlussfolgerungen 


Baukalk - eines der wichtigsten 

historischen Baustoffbindemittel 

Ältester Nachweis 7000 v. Chr. – Yiftah El, Galilea, Israel 

Estrich - 180 m², Dicke 30 – 80 mm 

Quelle: Concrete through the ages – British Cement Association, 1999, Seite 2 

WTA-CH - Seminar Kalkputze 21.04.2005 / F. Winnefeld / 3 

Gerundeter Anschluss 

Boden-Wand


1 Einleitung 






Motivation 

Ausblühungen durch 

Reparaturen mit Zementmörtel 

? 


Kampischer Hof, Stralsund / D 

Rissbildung aufgrund 

Einsatz von Zementmörtel 

mit hoher Festigkeit

Herstellung und Erhärtung von Luftkalk 

CaO 

CaO 

CaCO CaCO3 CaCO CaO 3 

3 

Branntkalk 

CaO 

CO 2 

+178,2 kJ/mol 

Brennen ca. 900°C 

natürlich 


CaCO 3 

-65,5 kJ/mol 

Löschen 

H 2 O 

künstlich 

-112,9 kJ/mol 

CO 2 

Abbinden 

H 2 O 

Löschkalk 

Ca(OH) 2

CaO 

C2S Al2450°C O3 CaCO Mergeliger Kalk 

CaCO 

Al CaCO3 3 

2CaO O3 SiO3 2 Kaolin 

Calciumsilicathydrate 

CaCO 

CSiO2 3 

3A Calciumaluminathydrate 

Branntkalk 

CaO 

C 2 S, C 3 A 

Herstellung und Erhärtung 

von hydraulischem Kalk 

CO 2 

Brennen 

+ Energie 


-Energie 

Löschen 

H 2 O 

-Energie 

CO 2 

Abbinden 

H 2 O 

Löschkalk 

Ca(OH) 2 

Puzzolane 

C2S, C3A

Untersuchung von Kalkmörteln - Materialien 

Bindemittel 

� 9 Baukalke: CL90 … NHL5 

� 1 Kalkzementmörtel CL90 / CEM I 42.5 R – HS 

Verhältnis Kalk / Zement = 75 / 25 

Mörtel 

� Bindemittel / Zuschlag = 1:3 in Gewichtsteilen 

� Zuschlag: Normsand nach EN 196-1 

� Wasseranspruch: Ausbreitmass 14 cm ± 0.5 cm 

� Normprismen 4 cm x 4 cm x 16 cm nach EN 196-1 

� Entformen so früh wie möglich 


Probe 

CL90a 

CL90b 

CL80a 

CL80b 

NHL2a 

NHL2b 

NHL5 

BK 

MK 

ZEM 

KZM 

CaO 

74.3 

70.1 

66.2 

64.5 

60.5 

58.1 

38.5 

54.9 

61.7 

63.6 

71.6 

Chemische Analysen der Kalke 

SiO 2 

0.07 

2.1 

5.5 

9.0 

11.1 

11.0 

26.4 

24.7 

18.0 

20.0 

5.1 

Al 2 O 3 

0.05 

0.44 

2.1 

3.3 

3.9 

3.8 

9.0 

1.9 

1.1 

3.5 

0.91 

Fe 2 O 3 

0.06 

0.38 

0.93 

1.2 

1.8 

1.5 

3.1 

1.3 

0.54 

6.5 

1.7 


MgO 

0.58 

0.58 

1.2 

0.70 

2.3 

2.1 

1.1 

0.72 

0.14 

1.7 

0.86 

K 2 O 

0.00 

0.05 

0.51 

0.48 

1.3 

1.1 

1.6 

0.41 

0.28 

1.0 

0.25 

Na 2 O 

0.00 

0.02 

0.5 

0.04 

0.07 

0.06 

0.07 

0.14 

0.60 

0.08 

0.02 

SO 3 

0.00 

0.10 

0.15 

0.23 

0.44 

1.1 

2.6 

1.3 

0.16 

2.2 

0.56 

CO 2 

2.2 

4.4 

5.7 

4.9 

4.8 

10.1 

13.3 

3.4 

6.8 

0.21 

1.7 

H 2 O 

22.8 

21.1 

16.3 

15.1 

12.7 

10.1 

3.2 

9.4 

11.3 

0.54 

17.2

Lagerungsbedingungen der Mörtel 

Vorlagerung 

� bis zum 7. Tag: 20°C / 95% rel. LF 

� Ausnahme: Kalk CL90a: bis zum 7. Tag 23°C / 50% rel. LF 

Lagerung 

feucht 

Carbonatisierung 


+ Wässerung 

T / °C 

20 

23 

23 


rel. LF / % 

95 

65 

65 

2 x pro Woche 

30 s wässern 

Bewitterung 

- 

1 Vol.-% CO 2 

1 Vol.-% CO 2

Untersuchungsmethoden 

� Wasser/Bindemittel-Wert für Ausbreitmass 14 cm 

� E-Modul nach 7, 28, 90 Tagen 

� Biegezug- und Druckfestigkeit nach 7, 28, 90 Tagen 

� Schwinden “in der Form” 

� Schwinden des Festmörtels 

� hygrisches Quellen und Schwinden 

� Innerer Sulfatwiderstand 

� Prüfung der Ausblühneigung 

� Frost-Tauwechsel-Widerstand 


Schwinden der Kalkmörtel 

Lagerung bei 20°C/65% r. F., Bewitterung mit 1 Vol.-% CO 2 

CL90a 

CL90b 

CL80a 

CL80b 

NHL2a 

NHL5a 

KZM 

W/B = 0.70 

W/B = 0.64 

W/B = 0.63 

W/B = 0.53 

W/B = 0.70 

0 5 10 15 20 25 30 


W/B = 0.72 

Schwinden ''in der Form'' 

Schwinden des Festmörtels 

Schwinden / mm/m 

W/B = 0.87

Druckfestigkeit / N/mm² 

16 

14 

12 

10 

8 

6 

4 

2 

0 

Festigkeitsentwicklung der Kalkmörtel 

Feuchtlagerung 

7 d 28 d 90 d 

n. m. 

CL90a CL90b CL80a CL80b NHL2a NHL5 KZM 


Carbonatisierung 90 d 


+ Wässerung 90 d 

- + 

FTW - Widerstand

1 d 

Bestimmung des Ausblühverhaltens 

Vorlagerung 90 d bei 20°C/65% r. F. + 1 Vol.-% CO 2 

H 2 O dest 

23°C / 50% r. F. 

20 x 


2-3 d 

Ausblühungen: 

� abkratzen 

� wägen 

� qualitative 

Phasenanalyse 

(XRD)

Probe 

CL90a 

CL90b 

CL80a 

CL80b 

NHL2a 

NHL2b 

NHL5 

BK 

MK 

KZM 

Ausblühverhalten der Kalkmörtel 

Masse Ausblühungen * 

3.0 g / m 2 Putz 

5.3 g / m 2 Putz 

18 g / m 2 Putz 

0.6 g / m 2 Putz 

25 g / m 2 Putz 

1.3 g / m 2 Putz 


- 

- 

1.3 g / m 2 Putz 

0.9 g / m 2 Putz 

Identifizierte Salze (XRD) 

- 

- 

Picromerit 

Gips 

Gips, Picromerit, Syngenit 

Gips, Picromerit, Syngenit 

Epsomit 

Gips 

Thenardit 

Thenardit, Trona 

Epsomit: MgSO 4 ·7H 2 O Syngenit: K 2 Ca(SO 4 ) 2 ·2H 2 O 

Gips: CaSO 4 ·2H 2 O Thenardit: Na 2 SO 4 

Picromerit: K 2 Mg(SO 4 ) 2 ·6H 2 O Trona: Na 3 (HCO 3 )(CO 3 ) ·2H 2 O 

* bezogen auf Putzstärke 2 cm

Innerer Sulfatwiderstand der Kalkmörtel 

Zugabe von 15 M.-% Gips zum Bindemittel 

Lagerung 8°C unter Wasser, Vorlagerung 28 d 23°C/50% r. F. 

Längenänderung / mm/m 

4.0 

3.5 

3.0 

2.5 

2.0 

1.5 

1.0 

0.5 

0.0 

-0.5 

CL80a CL80b 

NHL2a 

0 7 14 21 28 35 


Lagerungsdauer in d 

NHL5 

KZM 

CL90b

Schadenfall Sulfateinwirkung 

Martinikirche Halberstadt / D 


Fugenmörtel (hydraulischer Kalk, 

Restaurierungsmassnahme) im Sockelbereich: 

Schadensbild Durchfeuchtung, Zermürbung

500 

Intensität / Cps 

0 

Röntgenbeugungsanalyse 

Mörtelprobe aus Sockelbereich, Tiefe 12 cm 

T 

G 

T 

E 

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 

Q = Quarz C = Calcit T = Thaumasit 

2 Θ / ° 

F = Feldspat G = Gips E = Ettringit 


Q Q Q Q 

T 

E 

T 

T 

F 

T 

C 

T 

G 

C 

Q 

Q 

T 

C 

Q 

C C 

Q Q

REM-Aufnahme 

Mörtelprobe aus Sockelbereich, Tiefe 12 cm 

Intensität 


EDX-Spektrum 

E / keV

0.1 mm 

(Dünnschliff, gekreuzte Polarisatoren) 

Hüttensand HÜS 

Ölschiefer Öls 

10 

100 % 

CaO + 

MgO 

Kalkmörtel mit Zusatzstoffen 

20 

30 

40 

Kalk 

90 

50 

60 

70 

80 

90 

Hüttensande 

Portlandzemente 

80 

70 

60 


100 % 

SiO 2 

50 

10 

Puzzolane 

40 

20 

30 

30 

40 

50 

Braunkohlen 

flugaschen 

Trass Tr 

Ziegelmehl ZM 

Steinkohlen- 

Flugasche SFA 

Metakaolin MK 

20 

60 

70 

10 

Braunkohlen- 

Flugasche BFA 

80 

90 

100 % 

Al 2 O 3 + 

Fe 2 O 3

CaO / mmol/l 

20 

15 

10 

5 

0 

MK 

Zusatzstoffe – Kalkbindung 

Puzzolanität in Anlehnung an EN 196-5 

Sättigungsisotherme 

von Ca(OH) 2 bei 40°C 

HÜS 

SFA 

20 40 60 80 100 

OH - / mmol/l 


BFA 

ZM 

Öls 

Tr 

7 Tage 

14 Tage 

PhM

Druckfestigkeit / N/mm 2 

Kalkmörtel mit Zusatzstoffen – Festigkeiten 

CL90/Puzzolan 1:1; B/Z = 1:3, W/B für AB = 14 cm 

Lagerung 20°C / 95% rel. LF 

30 

25 

20 

15 

10 

5 

0 

HÜS Öls PhM SFA Tr ZM MK 


7 d 

28 d 

56 d 

90 d 

180 d

Kalkmörtel mit Zusatzstoffen - Ausblühverhalten 

Probe 

CL90a 

HÜS 

Öls 

PhM 

BFA 

SFA 

Tr 

ZM 

MK 

K 2 O 

M.-% 

0.00 

0.58 

1.7 

4.7 

0.68 

2.7 

5.1 

3.7 

2.3 

Na 2 O 

M.-% 

0.00 

0.01 

0.08 

6.8 

0.01 

0.12 

3.6 

1.2 

0.00 

SO 3 

M.-% 

0.00 

2.5 1 ) 

3.1 

k. A. 

5.2 

1.2 

0.26 

k. A. 

k. A. 


Masse * 

Ausblühungen 

- 

- 

10 g/m 2 Putz 

2 ) 

23 g/m 2 Putz 

3.1 g/m 2 Putz 

2.3 g/m 2 Putz 

2 ) 

- 

Identifizierte Salze (XRD) 

- 

- 

Epsomit, Gips 

Trona 

Epsomit, Gips 

Epsomit, Gips 

Thenardit 

Trona 

1 ) Schwefel liegt zu ca. 90% als Sulfid vor 

2 ) Wägen nicht möglich, da Mörtelmaterial infolge Salzkristallisation vom 

Prisma abgesprengt wurde 

* bezogen auf Putzstärke 2 cm 

-


1 Einleitung 






Dauerhaftigkeit historischer Kalkmörtel 

mittelalterlicher Kalkputzmörtel, Kloster Heydau / D 

10 mm 


weisse 

Einschlüsse 

ca. 3 - 5 Vol.-% 

„Kalkspatzen“

Mikroskopie eines 

historischen Kalkmörtels 

Nikolaikirche, Stralsund / D 

Kalk-Bindemittel 

(carbonatisiert) 

Quarzzuschlag 

„Kalkspatz“ 

(carbonatisiert) 

Luftpore 


0.5 mm 

(Dünnschliff, gekreuzte Polarisatoren)

„Kalkspatzen“ sind kein Schwachbrand 

(= unvollständig gebrannter Kalkstein) 

Kalkmörtel mit Schwachbrand: 

0.2 mm 



ungebrannter 

Kalkstein 

nur der äussere 

Rand des Kalksteins 

ist beim 

Brennen entsäuert 

worden 

Bild: K. G. Böttger

„Kalkspatz“ in einem 

historischen Kalkmörtel 

Burg Hohenrechberg / D 

Selbstheilung 

von Rissen aufgrund 

von Lösungs- und 

Rekristallisationsprozessen 

=> hohe Dauerhaftigkeit 

der 

historischen 


0.2 mm 

Kalkmörtel (Dünnschliff, gekreuzte Polarisatoren)

„Historisches“ Trockenlöschverfahren 

nach Kraus, Wisser, Knöfel: Arbeitsblätter für Restauratoren 22 (1989) 206-221 

� Berechnen der zum Löschen notwendigen Menge Wasser, 

Einsatz von 110% des theoretischen Wertes (Verdunstung) 

� Befeuchten des Zuschlags mit dem Löschwasser 

� wechselweises Überschichten von stückigem Branntkalk 

(gebrochen auf ca. 4 – 20 mm) und nassem Sand 

� Ablauf der Löschreaktion (je nach Kalk einige Stunden bis 

Tage, Temperatur beim Löschen ca. 150°C) 

� Wasserzugabe bis zur gewünschten Verarbeitbarkeit, je 

nach Kalk weitere Lagerung für einige Tage (Vermeidung 

von Kalktreiben) 

=> „Sandkalk“ (nach Böttger) 


Trockenlöschen auf der Baustelle 

wechselseitiges Überschichten von feuchtem Sand und 

stückigem Branntkalk 

(Bilder: Ingenieurbüro Padberg und Partner, Brandenburg / D) 


Siebrückstand / M.-% 

100 

80 

60 

40 

20 

0 

Kornverteilung von Kalkbindemitteln 

< 0,09 0,09 0,2 0,63 1,25 2 


heutiges Weißkalkhydrat oder 

hydraulischer Kalk 

hydraulischer Kalk 

mit nassem Sand gelöscht 

Weißkalkhydrat 

mit nassem Sand gelöscht 

Korngrösse / mm

Mikroskopie - nachgestellter Kalkmörtel 



0.5 mm 

� vollständig carbonatisierter„Kalkspatz“ 

nach 90 d 

Lagerung bei 

1 Vol.-% CO 2 

� Selbstheilung von 

Rissen

Vergleich Sandkalkmörtel - Weisskalkhydratmörtel 

Lagerung 23°C / 65% r. LF, 1 Vol.-% CO 2 

Kennwert Sandkalk- 

Mörtel 


Weißkalkhydrat- 

Mörtel 

Bindemittel/Zuschlag (Gew.-T.) 1:2,9 1:2,9 

Wasser/Bindemittel-Wert 0,89 0,77 

Schwinden / mm/m -9,2 -15,5 

dyn. E-Modul / N/mm 2 13’800 10’100 

Druckfestigkeit / N/mm 2 7,7 3,8 

Biegezugfestigkeit / N/mm 2 1,6 0,9 

Zugfestigkeit / N/mm 2 0,19 0,16 

Frost-Tauwechsel-Widerstand hoch gering

Anwendungsbeispiel 1 

Torhalle Lorsch / D 

erbaut um 800 

UNESCO Weltkulturerbe 


Einsatz 

von Sandkalken 

als Innenputz


Domkirche St. Peter und Paul zu 

Brandenburg / D, erbaut ab 1165 

Detailansicht: 

� keine Schwindrisse 

� gute Haftung zwischen 

Mörtel und Ziegel 


Einsatz von Sandkalken 

als Mauermörtel


Kalkmörtel-Kurs 2004, Vals GR 

(Bilder: Ramun Capaul, Ingenieurbüro Capaul + Blumenthal, Glion GR) 



1 Einleitung 






„Historische“ Zusatzmittel 

� in zahlreichen Quellen und Rezepturen erwähnt 

� viele "Legenden" 

Beispiele 

� Wein, Bier, Zucker als Verzögerer 

� Milch, Käse, Eier, Buttermilch als Verflüssiger, Verzögerer, 

Dichtungsmittel 

� Blut, Stärke als Luftporenbildner 

� Schmalz, Pflanzenöl als Dichtungsmittel 

Heutige Erkenntnisse 

� Nachweis in historischen Mörteln 

� Einsatz von Casein, Kollagen, Molkeeiweiss, Trockenblut in 

nachgestellten Mörteln für die Denkmalpflege 

� Casein in „modernen Produkten“ z. B. in Spachtelmassen 


„Historische“ Zusatzmittel – Beispiel 1: Proteine 

(nach Boenkendorf, U.; Knöfel, D., Bautenschutz und Bausanierung 18 (1995), Heft 4, S. 57-63) 

Casein � Hauptanteil des Eiweisses der Milch (ca. 80%) 

� hergestellt durch Gerinnen von auf 45°C erwärmter, 

entrahmter Milch unter Zusatz von Säuren 

Molkeeiweiss � neben dem Casein im Milcheiweiss enthalten (20%) 

� hergestellt durch Eindampfen der gereinigten Molke und 

anschließendes Trocknen 

Kollagen � in Bindegeweben (Haut, Knorpel, Haare, Sehnen) und in 

der eiweisshaltigen Grundsubstanz der Knochen 

� Gewinnung erfolgt durch saure oder alkalische 

Äscherung 

Blutplasma � Hauptbestandteile Albumin und γ-Globulin 

� Gewinnung durch Zentrifugieren und Sprüh- oder 

Vakuumtrocknung 


Proteine – Einfluss auf die Druckfestigkeit von Sandkalken 

Druckfestigkeit 90d / N/mm 2 

8 

7 

6 

5 

4 

3 

2 

1 

0 

ohne Zusätze 

0 0.5 1 1.5 

Zusatzmittel bezogen auf das Bindemittel / M.-% 


Molkeeiweiss 

Kollagen 

Casein

Proteine – Einfluss auf die Wasseraufnahme von Sandkalken 

Wasseraufnahmekoeff. / kg/(m 2 h 0.5 ) 

50 

40 

30 

20 

10 

0 

ohne Zusätze 

0 0.5 1 1.5 

Zusatzmittel bezogen auf das Bindemittel / M.-% 


Molkeeiweiss 

Kollagen 

Casein

„Historische“ Zusatzmittel – Beispiel 2: Holzkohle 

(nach Degenkolb, M. und Knöfel, D.:, Jahresberichte Steinzerfall – Steinkonservierung, 

Bd. 6, 1994-96, IRB-Verlag, Stuttgart, S. 237-245 ) 

0.5 mm Rückstand vom Kalkbrennen oder 

bewusster Zusatz ? 

Dünnschliff 

REM-Bild 


Druckfestigkeit / N/mm 2 

8 

7 

6 

5 

4 

3 

2 

1 

0 

ohne Zusatz 

feine Sieblinie: 0-1 mm 

grobe Sieblinie: 0,09-2 mm 

0 0.3 1 3 

Zusatz Holzkohle / M.-% vom Trockenmörtel 

=> Keine signifikanten Eigenschaftsverbesserungen


1 Einleitung 







Schlussfolgerungen 

� Kalkmörtel unverzichtbar bei der Restaurierung 

� In bestimmten Fällen Schadenspotential 

- stark sulfatbelastetes Mauerwerk 

- Salzeintrag in das Gebäude möglich 

- durchfeuchtete und frostgefährdete Bereiche 

� Auch bei Zusatzstoffen Ausblühneigung und 

Sulfatwiderstand berücksichtigen 

� Verwendung von Zement in dosierter Form sinnvoll: 

- technologische Mörteleigenschaften einstellbar 

- Wahl eines geeigneten Zementes (NA-, HS-Zement) 

- Nachbehandlung braucht weniger intensiv zu sein 

� Sandkalke als dauerhafte, alkalifreie Weisskalkmörtel 

� Modifizierung mit Zusatzmitteln (z. B. Proteine) möglich

nach Kraus, Wisser, Knöfel - WTA

Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.

Template löschen?

Als Template speichern?