Verwitterungsformen, Verwitterungsprozesse und Schadenskartierung

Verwitterungsformen, Verwitterungsprozesse 

und Schadenskartierung 

Dr. Hans Ettl (Labor Dr. Ettl/Dr. Schuh) Verwitterung – Kartierung 1

Verwitterungsformen, Verwitterungsprozesse und Schadenskartierung 

Geschichte der Verwitterungsforschung 

- umfassendste beschreibende Darstellung durch Kieslinger (1932), 

ohne physikochemischen Ursachen. 

- Kaiser, Verwitterung des Schlaitdorfer Sandsteins (1907), am Kölner 

Dom 

- Bestreben, die Natursteinverwitterungsformen mit Verwitterungsformen 

in natürlichen Klimazonen in Zusammenhang zu bringen: 

- Kaiser: „Oase ariden Klimas innerhalb eines Gebietes humiden Klimas“ 

- Später wurde erkannt, dass noch mehr Einflüsse auf ein Bauwerk 

einwirken können, z.B.: 

- Klima 

- Feuchte/Salz aus dem Untergrund 

- Mangelnder Bauwerksunterhalt 



Schadensformen und Verwitterungsprozesse an 

unterschiedlich gebundenen Sandsteinen 



Veränderungen der Oberfläche: 


I: Verschmutzung 

II: Farbveränderung 




Dr. Hans Ettl (Labor Dr. Ettl/Dr. Schuh) 

Schwarze Krusten: I. Geschützt: 

Verwitterung 

Gips 

– Kartierung 

II. Exponiert: Biologie 

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Dr. Hans Ettl Biologische (Labor Dr. Ettl/Dr. Besiedlung 

Schuh) Verwitterung – Kartierung Beschädigung 

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Formen des Materialverlusts an der Oberfläche: 

Absanden 

Schuppen 



Schalen 

Schalen und Schuppen 



Dr. Hans Ettl (Labor Dr. Ettl/Dr. Schuh) Verwitterung – Kartierung 9 

Abblättern 

Aufspalten


Abbröckeln 



Formen des Zustands an der Oberfläche: 

Relief 



Formen des Zustands an der Oberfläche: 

Rückwitterung 



Mauersalze 

Dom Halberstadt Tympanon 

Schwarze Krusten 

Abplatzungen 

Nach Reinigung und Konservierung 




Das Grabmal Wagmüller am Alten Nordfriedhof in München am Ende des 

Sommers und im Winter


Alter Südfriedhof München 



Kieselig gebundene Sandsteine 

- bei porösen Sandsteinen erfolgt bei hohem Feuchteeinfluss eine 

Auflösung der Kornbindung durch Absanden, z.B. Nürnberger 

Burgsandstein 

- aufliegende Schmutzkrusten blättern immer wieder zusammen 

mit der obersten Kornlage ab 

- dichte Sandsteine spalten häufig schichtig auf, dies muss aber 

nicht an sedimentär vorgegebene Lagen gebunden sein, z.B. 

Roter Mainsandstein 



Tonig gebundene Sandsteine (z. B. Schilfsandstein) 

- bei hohem Feuchtegehalt und hoher Versalzung: Aufschuppung, 

Abschieferung, Krustenabplatzungen, Auswitterung entlang von 

Lagerfugen, wabenförmiges Auswittern 

- sinkende Durchfeuchtung: starke Salzausblühung 

- Wechsel zwischen Durchfeuchtung und Trocknung: lagerhafte 

und auch nicht zum Lager orientierte Rissbildung 



Carbonatisch gebundene Sandsteine (z. B. Lechbrucker Sandstein) 

- Starke Krustenbildung durch Auflösen des Bindemittels und 

Wiederausfällung an oder nahe der Oberfläche als Gips 

- Fixierung von angewehten Verschmutzungen 

- Aufwölbungen aufgrund thermischer und hygrischer Effekte 



- Alle Schadensbilder sind durch ineinandergreifende chemische und 

physikalische Verwitterungsvorgänge bedingt 

- mit Ausnahme der thermischen h Dehnung werden alle Schadensbilder erst 

durch den Zutritt von Wasser in Gang gesetzt und beschleunigt 

- Voraussetzung dafür ist die Wasseraufnahme, sei sie flüssig (kapillares 

Saugen) oder gasförmig (Sorption) aus der Luft und/oder durch 

Bodenfeuchte bedingt. 

- Durch Oberflächenbearbeitung wird eine „künstliche“ Porosität geschaffen: 

- Lockerung des Kornverbandes und Zerstörung von Einzelkörnern 

Mikroporosität 

- die „Zerstörung“ nimmt dabei von Handmeißel über Beil bis zum 

Stockhammer zu 


Verwitterungsprozesse, Verwitterungsformen und Schadenskartierung 

Verwitterungsursachen 

Physikalische Verwitterung 

- Wasser ist die treibende Kraft der meisten Verwitterungsvorgänge 

- mechanischer Abtrag 

- hygrisches Quellen und Schwinden 

- Lösungsvorgänge 

- Salze sind in Verbindung mit Wasser an der Verwitterung beteiligt: 

- Salzkristallisation im Gefüge wenn Verdunstung größer als Kapillarsog 

- Kristallsationsdruck 

- Salzhydratation: Thenardit (Na 2 

SO 4 

) Mirabilit (Na 2 

SO 4 

x 10 H 2 

O) 

- Hydratationsdruck 

- Anlagerung von Kristallwasser führt zu einer deutlichen Erhöhung des Molvolumens 

(V1/V2 = 4,15) 

(Salzsprengtest) 

- Konservierung: Keine Hydrophobierung oder filmbildende Anstriche! 





- Hygrische Dehnung 

- entsteht z.B. durch Weitung von Tonmineralen wie Illit, Chlorit, Kaolinit 

- Dehnungsbeträge von 0,1 bis 4,0 mm/m 

- Häufige Wechsel führen zu Schäden 

- Salze verstärken die hygrische Dehnung, da sie zu wechselnden 

Feuchtegehalten und dadurch zu Umkristallisationen führen können; 

daraus resultieren Spannungen und damit Dehnungen! 

- Durch Salzanreicherungen im oberflächennahen Bereich ändern sich die 

physikalischen Eigenschaften zwischen „Schale“ und Gesteinsinneres; 

auch dadurch entstehen Spannungen und im Gefolge Dehnungen 





- Kalkspatzen bei Ziegeln führen zum sog. Alkalitreiben 

- Bei Verwendung von Gips und Zement nebeneinander bildet sich Ettringit 

(wasserhaltiges Ca-Al-Sulfat) mit einer 8-fachen Volumenerhöhung! 

- Mikrorisse, entstanden durch Verwitterung, erhöhen die 

Feuchteaufnahme, wodurch ein verstärkter Angriff durch Atmosphärilien 

etc. entsteht: „Selbstbeschleunigung der Verwitterung“ 

- Kürzere Instandsetzungsintervalle lassen eventuelle Schäden nicht 

entstehen bzw. halten sie klein Kostenersparnis! 





- Frostsprengung: 

Im Gegensatz zu den meisten Materialien vergrößert sich das Volumen von Wasser 

bei Abkühlung um 1/11 

- Thermische Verwitterung: 

spielt in unseren Breiten außer bei Marmor keine so große Rolle 

- Temperaturschwankungen bis zu 80 K, 

- Spannungen führen zu Mikrorissen erhöhte Feuchteaufnahme 

- äußere Schichten heizen sich schneller auf als innere Spannungen 

- Marmorverwitterung 

grobkörniger Marmor stärker gefährdet, da sich die Calcitkristalle in verschiedenen 

Richtungen unterschiedlich ausdehnen; Folge: Volumenvergrößerung und damit 

Verformungen bei Platten 



Grundzüge der Verwitterung von Marmor 

C 

a 

a 

C 

Erwärmung Temperatur Abkühlung 

Thermischer Ausdehnungskoeffizient // c: = 26,0 * 10 -6 

Thermischer Ausdehnungskoeffizient // a: = -6,0 * 10 -6 



Marmorverbiegung durch 

vollständige Fixierung der Ecken 





- Thermische und hygrische Einwirkungen dann intensiv, wenn im/am Stein 

zwei Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften aneinandergrenzen: 

- salzbelastete Oberflächenkruste (Kruste hat keine Schutzfunktion!) 

- Oberflächenschlämme, z.B. Zementschlämme (Augsburger Dom) 

- Ölanstriche 

- Überfestigung von oberflächennahen Bereichen 





- Es entstehen sog. Verwitterungsprofile, die u.a. durch folgende zwei 

Eigenschaften charakterisiert sind: 

- Variation des SO 4 

2- 

- Gehaltes 

- Gehalt an Alkali- und Erdalkali-Ionen 





- z.B. erhöhte Gipsgehalte in Krusten des Regensburger Grünsandsteins 

der Alten Pinakothek führt zur Auflösung von Calcit und Dolomit 

- In den Porenräumen der Sandsteine wechseln Auflösung- und 

Ausfällungsreaktionen einander ständig ab; es kommt zur Bildung von 

leichtlöslichen Salzen, die sich oberflächennah anreichern! 

Die häufigsten Salze sind Na-, Mg- und Ca-Sulfate 




Chemische Verwitterung 

- Hauptschadstoff früher: SO 4 

2- 

bzw. H 2 

SO 4 

- Heute: Stickoxide (NOx) 







Chemische Verwitterung 

Chlorit, Illit Montmorillonit (in Gegenwart von sauren, salzhaltigen Lösungen) 

Feldspäte (Plagioklas, Kalifeldspäte) 

Montmorillonit unter Abgabe von Metallionen 

(Ca, Na, K) 

Montmorillonit Kaolinit unter Abgabe von SiO 2 

Glimmer 

Illit 

Illit unter Abgabe von Metallionen (Ca, Na, K, Mg) 

Montmorillonit unter Abgabe von Kaliumionen 

Die Stabilität von Tonmineralen hängt sehr von der Salinität der Porenlösungen ab. 




Biologische Verwitterung 

- Wachstumsdruck von Wurzeln 

- chem. Angriff: Kationenaustausch gegen H + - Ionen; damit werden 

lebensnotwendige Metallionen freigesetzt 

- Mikrobiologische Aktivität 

- Schwefel und Eisenoxidierende und - reduzierende Bakterien 

- Nitrifkanten 

- Weniger die Bakterienzahl sondern deren Stoffwechselaktivität ität ist von Bedeutung 

- Flechten: langsamer Angriff 

- Resümee: Insgesamt geringer Einfluss, aber optische Beeinträchtigung! 



Allgemein zur Verwitterung 

Auf Süd- und Westseiten mit häufigem Wechsel von Wind, Sonne, 

Schatten, Regen etc. bleibt die Verwitterung oberflächennah begrenzt 

(z.B. Absanden) 

An Nord- und Ostseiten greift die Verwitterung tiefer in den Stein ein 

(z.B. Abschiefern) 



Unterschiedliche Verteilung der Feuchte 

an Vorderseite und Rückseite führt zu 

unterschiedlichen Schadensformen 



Kartierung 

- welche Kartierung? 

- Gesteine 

- Zustand: Verwitterung, Anstriche, Verschmutzung etc.) 

- Schäden: einfach oder detailliert 

- Maßnahmen 

- welches Planmaterial steht zur Verfügung? 

g 

- Verformungsgerechtes Aufmaß 

- Photografien 

- Photogrammetrie 


Verbindliche 

Nomenklatur 

der 

Schadensformen 

Verlust von Steinsubstanz 

Schadenskartierung 


Relief 

Mechanischer Schaden 

Farbveränderung/Ablagerungen 

Verfärbung 

Verschmutzung 

Ausblühung 

Biol. Besiedlung 

Krusten 

Ablösung von Steinsubstanz 

Risse 

Ohne Schaden 

Absanden 

Abschuppen 

Abschalen 

Abbröckeln 

Abblättern/Aufspalten 

Risse parallel Lagerung 

Risse unabhängig 

Lagerung 



Kartierungsvorschlag 

der BMFT 

Arbeitsgruppe 

Farben 

Signaturen 

Schraffuren 



Verlust von Steinsubstanz 

zustandsbeschreibend 

? 

Relief 



Schaden durch mechanische Einwirkung


Farbveränderung/Ablagerung 

Biologische Besiedlung 

Feuchtkruste 

Salzausblühungen 

Trockenkruste 



Ablösung von Gesteinsbestandteilen 

prozessbeschreibend 

Absanden 

Abbröckeln 

Aufblättern 


Schuppen 

Schalen


Gesteinsrisse und Verbiegungen 

? 

Risse, 

nicht dem Lager folgend 

Aufspalten, 


dem Lager folgend


Kloster 

Birkenfeld 

Westgiebel 

Plangrundlage: 

Photographie 

Bestandsplan: Kartierung der Steinarten. 



Beispiel : vereinfachte Schadenskartierung 



Porta 

Prätoria 

Regensburg 

Kartierung der Verschmutzung. Krusten 

und andere Phänomene (Drewello) 



St. Moriz Coburg Kartierungen 



Nürnberg Maxtormauer 

Analyse der Salzmengen im Gestein 



Nürnberg Maxtormauer 

Kartierung der komplexen Maßnahmen 


Ende

Verwitterungsformen, Verwitterungsprozesse und Schadenskartierung

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