Hochschularbeit

Karin Schinken: Festigungsmöglichkeiten für Weiberner Tuff. Vergleichende Untersuchungen zur Effektivität von Produkten auf Kieselsäureester- und Epoxidharzbasis. Zurück
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Zusammenfassung: Die Basis der vorliegenden Arbeit ist die konservatorische Fragestellung, wie durch Verwitterungsprozesse stark geschadigter Tuff an Bauwerken und Objekten im Ausenbereich erhalten werden kann. Aufgrund der inhomogenen Gesteinszusammensetzung, der Porenradienverteilung und der hohen Wasseraufnahmefahigkeit sind Tuffe besonders anfallig gegen Verwitterungsprozesse. Die Festigung in der restauratorischen Praxis erweist sich als problematisch, deshalb ist dieses Thema Untersuchungsgegenstand der vorliegenden Arbeit.
Neben der theoretischen Auseinandersetzung mit den Verwitterungsprozessen und Formen, sowie dem aktuellen Forschungsstand bezuglich der Tuffsteinfestigung, werden vergleichende Untersuchungen an bruchfrischem Weiberner Tuff durchgefuhrt. Als Festigungsmittel werden handelsubliche Kieselsaureester als Einzel – und Kombinationsanwendung sowie niedrigviskose Epoxidharze verschiedener Wirkstoffkonzentrationen verwendet.
Die Wirkung sowie die Veranderung der Gesteinseigenschaften wird durch instrumentelle Analysen und Prufverfahren im Vergleich von unbehandelten und gefestigten Prufkorpern hinsichtlich des Porenraums, des Gefuges, der Feuchtetransportmechanismen und der Festigkeiten, sowie der thermischen und hygrischen Dilatation nachgewiesen, diskutiert und abschliesend unter Bezug auf die restauratorischen Anforderungen an ein Festigungsmittel bewertet.

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Inhalt: 1 Einleitung (9)

2 Ziel der Arbeit und Eingrenzung des Themas ( 11)

3 Vulkanischer Tuff (12)
3.1 Entstehung (12)
3.2 Petrografische Einordnung (13)
3.3 Vorkommen in Deutschland (14)
3.4 Weiberner Tuff (14)

4 Natursteinverwitterung (19)
4.1 Physikalische Verwitterung (19)
4.1.1 Hygrische Dehnung (19)
4.1.2 Thermische Dehnung 20)
4.1.3 Eiskristallisation (20)
4.1.4 Salzkristallisation (22)
4.2 Chemische Verwitterung (23)
4.3 Biogene Verwitterung (24)
4.4 Verwitterung von Weiberner Tuff (25)

5 Natursteinfestigung (29)
5.1 Anforderungen an Festigungsmittel (30)
5.2 Festigungsmittel (31)
5.2.1 Kieselsäureester (32)
5.2.2 Epoxidharze (34)
5.3 Forschungsstand der Tuffsteinfestigung (38)

6 Experimenteller Teil (44)
6.1 Probematerial Weiberner Tuff (44)
6.2 Ausgewählte Festigungsmittel (45)
6.3 Vorversuche mit Epoxidharzlösungen (48)
6.4 Versuchsreihe: Festigung von bruchfrischem Weiberner Tuff (51)
6.4.1 Herstellung der Prüfkörper (51)
6.4.2 Prüfkörperbezeichnung, Konditionierung (52)
6.4.3 Tränkung mit Festigungsmitteln (53)
6.4.4 Klimatisierung der gefestigten Prüfkörper (55)
6.4.5 Trocknung der gefestigten Prüfkörper 56)

7 Untersuchungsgegenstand und –methoden (57)
7.1 Optische Veränderung (57)
7.2 Porenraumeigenschaften (57)
7.2.1 Porosität (57)
7.2.2 Porengrößenverteilung (58)
7.3 Feuchtetransport (60)
7.3.1 Kapillare Wasseraufnahme (60)
7.3.1.1 Wasseraufnahmekoeffizient (w-Wert) (61)
7.3.1.2 Wasseraufnahmegrad (63)
7.3.1.3 Wasserkapazität (WAk) (63)
7.3.1.4 Wassereindringkoeffizient (B-Wert) (63)
7.3.2 Wasserabgabe (64)
7.3.3 Wasserdampfdurchlässigkeit 65)
7.4 Gefügeveränderung (66)
7.4.1 Ultraschallanalytik (66)
7.4.2 Dynamischer Elastizitätsmodul (67)
7.4.3 Festigungsmittelverteilung im Gesteinsgefüge (68)
7.4.3.1 Kieselsäureesteranfärbung mit Dithizon (68)
7.4.3.2 Epoxidharzfärbung durch Erhitzung (69)
7.4.3.3 Rasterelektronenmikroskopie (REM) (69)
7.5 Mechanischen Eigenschaften (69)
7.5.1 Spaltzugfestigkeit (70)
7.5.2 Biegezugfestigkeit (71)
7.5.3 Druckfestigkeit (71)
7.6 Verwitterungsverhalten (72)
7.6.1 Hygrische Dehnung (72)
7.6.2 Thermische Dehnung (73)

8 Ergebnisse (75)
8.1 Optische Veränderung (76)
8.2 Porenraumeigenschaften (77)
8.2.1 Porosität (77)
8.2.2 Porenradienverteilung (80)
8.3 Feuchtetransport (82)
8.3.1 Kapillare Wasseraufnahme (82)
8.3.1.1 Wasseraufnahmekoeffizient (w-Wert) (84)
8.3.1.2 Wassereindringkoeffizient (85)
8.3.2 Wasserabgabe (86)
8.3.3 Wasserdampfdurchlässigkeit (89)
8.4 Gefügeeigenschaften (90)
8.4.1 Dynamischer E-Modul (90)
8.4.2 Festigungsmittelverteilung im Gesteinsgefüge (92)
8.4.2.1 Kieselsäureesteranfärbung durch Dithizon (93)
8.4.2.2 Epoxidharzfärbung durch Erhitzung (94)
8.4.2.3 Ultraschallanalytik (95)
8.4.2.4 REM-Aufnahmen (96)
8.5 Mechanische Eigenschaften (99)
8.5.1 Spaltzugfestigkeit (99)
8.5.2 Biegezugfestigkeit (100)
8.5.3 Druckfestigkeit (102)
8.6 Verwitterungsverhalten (103)
8.6.1 Hygrische Dehnung (103)
8.6.2 Thermische Dehnung (105)

9 Ergebnisübersicht und Zusammenfassung ( 109)

10 Auswertung der Versuchsreihe ( 115)

11 Exkurs: Festigungsversuche an verwittertem Weiberner Tuff ( 119)
11.1 Verwittertes Probematerial (119)
11.2 Anlegen der Testflächen (121)
11.3 Auswahl der Festigungsmittel (121)
11.4 Vorbereitung der Testflächen (121)
11.5 Applikation der Festigungsmittel (122)
11.6 Optisches Erscheinungsbild der Testflächen (123)
11.7 Bohrwiderstandsmessung (124)
11.8 Bewertung der Testflächen (130)

12 Schlussfolgerungen ( 132)

13 Verzeichnisse ( 134)
13.1 Literaturverzeichnis (134)
13.2 DIN/ EN Normen (141)
13.3 Internetquellen (141)
13.4 Abbildungsverzeichnis (141)

14 Anhang A Vorversuche ( 146)
14.1 Vorkonditionierung mit Calciumhydroxid-Sol (146)
14.2 Versuche zur künstlichen Schädigung von Weiberner Tuff (147)
14.3 Temperaturbelastung (148)
14.4 Frost-Tau-Wechsel (148)
14.5 Kombination NaCl- Versalzung und Frost-Tauwechsel Belastung (149)

15 Anhang B Messprotokolle ( 151)
15.1 Tränkungsprotokolle (152)
15.2 Quecksilberdruckporosimetrie 164)
15.3 Kapillare Wasseraufnahme (165)
15.4 Wasserabgabe (174)
15.5 Wasserdampfdurchlässigkeit (178)
15.6 Dynamischer E- Modul (182)
15.7 Festigungsmittelverteilung (187)
15.7.1 Ultraschalllaufzeit Messung im Tiefenprofil (187)
15.8 Mechanische Festigkeiten (191)
15.8.1 Spaltzugfestigkeit (191)
15.8.2 Biegezugfestigkeit (194)
15.8.3 Druckfestigkeit 197)
15.9 Hygrische Dehnung (200)
15.10 Thermische Dehnung (203)

16 Anhang C Fotos: ( 207)
16.1 Tränkungsergebnisse der 50 %-igen Epoxidharzlösung (EP 50 %) (207)
16.2 Wasseraufnahme (208)
16.3 Schrumpfung und Rotfärbung Reaktivverdünner (208)
16.4 Exkurs: Festigungsversuche an verwittertem Weiberner Tuff (209)

17 Anhang D Bohrwiderstandsmessung

18 Anhang E Produktdatenblätter
18.1 Kieselsäureester
18.2 Epoxidharze
18.3 Acryllat

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weitere Angaben:
  • Hochschule:  HAWK Hildesheim/ Holzminden/Göttingen
  • Art der Arbeit:  Masterarbeit
  • Erstprüfer:  Prof. Jan Schubert
  • Zweitprüfer:  Dr. Jörg Rüdrich
  • Abgabedatum:  2009
  • Sprache:  Deutsch
  • Seitenzahl:  215
  • Abbildungen:  97
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