Stone deterioration and replacement of natural building stones at the Cologne cathedral - A contribution to the preservation of cultural heritage

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Verwitterung von Naturwerkstein als Funktion von mineralogischen und petrophysikalischen Eigenschaften unter unterschiedlichen umwelt- und bauphysikalischen Bedingungen. Am Beispiel des Kölner Doms wird zum einen die große Anzahl an unterschiedlichen Baumaterialien, die in diesem Bauwerk angetroffen werden, vorgestellt. Darüber hinaus werden auch die daraus resultierenden Probleme von Interferenzen der verschiedenen Materialien untereinander in Hinblick auf ihre Verwitterung beleuchtet. Physikalische und chemische Verwitterungsprozesse werden anhand von Laborversuchen und Tests empirisch erfasst. Diese werden mit den festgestellten spezifischen petrophysikalischen Eigenschaften der unterschiedlichen Gesteine korreliert und im Zusammenhang mit den in situ festgestellten Verwitterungsphänomenen und –prozessen diskutiert. Um die unterschiedlichen Einflüsse der Verwitterungs- und Umweltbelastungen zu evaluieren, wird die Natursteinverwitterung an drei Standorten – dem industriell geprägten Köln, Xanten mit einem städtischen Klima und im ländlichen Altenberg im Bergischen Land – vergleichend studiert. Hierbei zeigt sich der starke Einfluss der Luftverschmutzung auf die Natursteinverwitterung nicht nur für karbonatische sondern auch für silikatische Gesteine. Beispielhaft werden am Drachenfels Trachyt die Mineralkomposition, die Gefügeeigenschaften und die petrophysikalischen Eigenschaften des Gesteins im Gesamtzusammenhang miteinander korreliert und mit den festgestellten Schadensphänomenen und den ermittelten physikalischen und chemischen Verwitterungsprozessen abgeglichen. Aus diesen Erkenntnissen heraus wird ein Modell zur Verwitterung dieses Naturwerksteins entwickelt. In Hinblick auf Natursteinersatz als Erhaltungsmaßnahme für historische Kulturgüter aus Stein werden die Untersuchungsergebnisse, die Erkenntnisse aus den Laborversuchen und den Diskussionen zusammengeführt und bestehende grundsätzliche Anforderungen an ein Ersatzgestein weiter differenziert. Die verschiedenen Wechselwirkungsmechanismen der unterschiedlichen Naturwerksteine, die in einem Bauwerk verbaut sind, werden vor dem Hintergrund ihrer petrophysikalischen Charakteristika sowie ihres Verwitterungsverhaltens bewertet. Basierend auf dieser Beurteilung wird eine Auswahl-Systematik entwickelt, die die Evaluierung der Verträglichkeit von historischen und modernen Austauschgesteinen für historische Bauwerke unterstützt.

Aufgrund seiner langen über 600 Jahre währenden Baugeschichte ist der Kölner Dom aus über 50 verschiedenen Bausteinen errichtet. Die vorliegende Arbeit bezieht sich dabei auf acht Haupt-Bausteine. Die untersuchten „Dom-Bausteine“ sind der Drachenfels Trachyt, der Stenzelberg Latit, der Obernkirchener und der Schlaitdorfer Sandstein, der Krensheimer Muschelkalk, die Londorfer Basaltlava sowie der Montemerlo Trachyt und der Bozanov Sandstein. Eine Verwendung ähnlicher Naturwerksteine ist auch beim Xantener und beim Altenberger Dom festzustellen, die ebenfalls aus dem 13. Jahrhundert stammen. Für diese drei mittelalterlichen Bauwerke wurden nicht nur zu ihrer Entstehungszeit sondern auch in späteren Restaurierungs- und Wiederinstandsetzungsmaßnahmen ähnliche Bausteine verwendet. Kapitel 2 der vorliegenden Arbeit stellt die drei Kathedralen in ihrem bauhistorischen Kontext vor und zeigt die Verwendung der unterschiedlichen Naturwerksteine auf. Es erwies sich schon zu ihrer Erbauungszeit und auch zu Zeiten des Weiterbaus, dass die Frage nach einem adäquaten Ersatzgestein entscheidend war, seit der ursprünglich verwendete Drachenfels Trachyt ab dem 19. Jahrhundert für Weiterbau- und Instandsetzungsmaßnahmen nicht mehr zur Verfügung stand. Die Umweltbedingungen an den drei Standorten unterscheiden sich sehr stark: Der Kölner Dom ist in einem industriell geprägten Raum zu finden, das städtische Klima von Xanten zeigt geringe industrielle Prägung, während Altenberg in einer ländlichen waldreichen Gegend liegt. Diese drei unterschiedlichen Umweltbedingungen der Kathedralen werden in Kapitel 3 beleuchtet. Darüber hinaus, werden mikroklimatische Feuchtigkeits- und Temperatur-Messungen und die entsprechenden Verteilungen in verschiedenen Bausteinen des Kölner Doms vorgestellt. Sensoren wurden in situ platziert in unterschiedlichen Tiefen innerhalb der jeweiligen Bauwerksteine und in unterschiedlich exponierten Bereichen des Bauwerks. Diese Messungen sollen dazu beitragen, die Wechselwirkungen von Feuchtigkeits- und Temperatur-Verteilung in den Bauwerksgesteinen mit den festgestellten Schäden und untersuchten Verwitterungsprozessen zu korrelieren. Die Naturwerksteine an den drei Bauwerken in den unterschiedlichen Umweltbedingungen zeigen ähnliche Verwitterungsmuster. Am Kölner Dom ist eine sehr starke Naturstein-Verwitterung festzustellen, die die statische Sicherheit von Gebäudeteilen mitunter gefährdet. Der Drachenfels Trachyt zeigt ausgeprägte Verwitterungsmerkmale, wie Schalen- und Schuppenbildung, strukturelle Entfestigung und Bröckelzerfall bis hin zum Totalverlust. Auch die anderen Bauwerksgesteine wie Sand- und Kalksteine sowie vulkanische Gesteine zeigen signifikante Verwitterung. Die unterschiedlichen Verwitterungsphänomene sind in Kapitel 4 dargestellt. Am Xantener und Altenberger Dom wurden ähnliche Verwitterungsmerkmale festgestellt, allerdings in viel geringerem Umfang und geringerer Intensität. Die Prozesse, die die Verwitterung begründen, sind vergleichbar. Diese werden von der mineralogischen Zusammensetzung und den Gefügeeigenschaften der jeweiligen Steine bestimmt, die wiederum die petrophysikalischen Eigenschaften beeinflussen. Dadurch wird deutlich, dass die unterschiedliche Intensitätsausprägung an den drei Bauwerken in den unterschiedlichen umweltklimatischen Bedingungen begründet liegt. Die Eigenschaften und gesteinsspezifischen Charakteristika der acht untersuchten „Dom-Bausteine“ sind festgestellt worden. In Kapitel 5 werden ihre petrographischen und petrophysikalischen Eigenschaften sowie ihr Feuchte- und Temperaturverhalten als auch ihre Festigkeitsparameter bestimmt. Diese Eigenschaften werden miteinander korreliert in Hinblick auf ihren wechselwirkenden Einfluss und ihre Abhängigkeiten untereinander und sie werden in Hinblick auf ihren Einfluss auf die typischen Verwitterungsphänomene der einzelnen Steine diskutiert. Kapitel 6 beschreibt Experimente und Tests zur physikalischen Verwitterung von Naturwerksteinen. Das Trocknungsverhalten der acht „Dom-Bausteine“ sowie ihr Verhalten bei zyklischer Frost-Tau-Belastung und Salzbelastung werden diskutiert. Die Test-Ergebnisse werden mit den gesteinsspezifischen Eigenschaften korreliert und mit dem in situ beobachteten Verfall verglichen. Die Ergebnisse von verschiedenen chemischen Experimenten werden in Kapitel 7 diskutiert und sollen zum Verständnis von chemischen Verwitterungsreaktionen der unterschiedlichen Steine beitragen. Neben einer generellen Beurteilung ihrer Säureresistenz soll ihr Lösungsverhalten in unterschiedlichen Lösungen untersucht werden. Mögliche chemische Verwitterungsreaktionen werden diskutiert, um das Verhalten der Naturwerksteine in unterschiedlichen Umweltbedingungen zu beleuchten Nachdem die einzelnen extrinsischen Faktoren (u.a. Klima- und Umweltbedingungen) sowie die intrinsischen Faktoren der einzelnen Steine (petrophysikalische Eigenschaften und Mineralkomposition sowie Gefügeeigenschaften, etc.) erfasst und ihr physikalisches und chemisches Verwitterungsverhalten in Tests empirisch festgestellt wurde, werden in einem nächsten Schritt diese verschiedenen, sehr komplexen wechselwirkenden Verwitterungsreaktionen und –prozesse physikalischer und chemischer Art in situ untersucht. Kapitel 8 stellt die Untersuchungen an den verschiedenen Bauwerksteinen der drei unterschiedlichen Standorte des Kölner, Xantener und Altenberger Doms vor. Die Bildung schwarzer Verwitterungskrusten als Hauptindikator für die Natursteinverwitterung im Zusammenhang mit Luftverschmutzung variiert sehr stark in diesen drei unterschiedlichen – industriell geprägten, städtischen und ländlichen – Klimata. Darüber hinaus wird gezeigt, dass sich nicht nur auf Karbonatgesteinen schwarze Verwitterungskrusten bilden, sondern auch auf silikatischen Naturwerksteinen. Die Krustenbildung auf dem Drachenfels Trachyt ist hauptsächlich durch extrinsische Faktoren bestimmt, dabei können benachbarte Gesteine zu dieser Krustenbildung mit beitragen. Für den Drachenfels Trachyt wird ein Verwitterungsmodell entwickelt, das die Wechselwirkung der verschiedenen Rückkopplungsmechanismen physikalischer und chemischer Verwitterungsprozesse als Funktion intrinsischer und extrinsischer Faktoren darstellt. Im abschließenden Kapitel wird die anfangs gestellte Frage nach einem adäquaten Ersatzgestein aufgegriffen. Vor dem Hintergrund der unterschiedlichen durchgeführten Untersuchungen und daraus gewonnenen Erkenntnisse werden mögliche Wechselwirkungen der unterschiedlichen miteinander verbauten Werksteine beleuchtet. Grundsätzliche Anforderungen an Ersatzgesteine umfassen mineralogische, optische und petrophysikalische Eigenschaften. Die starke Divergenz der festgestellten Steinparameter der verschiedenen untersuchten Gesteine (Mineralkomposition, Porosität, Wasseraufnahme und –sättigung, Trocknungsverhalten, Feuchte- und Temperaturdehnung, Festigkeitsparameter, etc.) zeigt, dass es anhand dieses Anforderungskataloges fast unmöglich ist, ein ideales Ersatzgestein zu finden, falls die Parameter nicht differenzierter betrachtet werden. Dazu wird die Summe der Eigenschaften und Charakteristika in Hinblick auf ihre Signifikanz für die Materialeigenschaften und das Materialverhalten auf der einen Seite sowie für die Ausprägung von Schadensphänomenen und ihr Verwitterungsverhalten auf der anderen Seite miteinander korreliert und bewertet. Anhand einer entsprechenden Punktevergabe werden ein „Material-interner Index“ und ein „Verwitterungs-Index“ erstellt. Aus diesen beiden Bewertungs-Skalen ergeben sich die „Schlüssel-Parameter“ des Originalgesteins, die bei einem Kompatibilitätsabgleich mit einem potenziellen Austauschgestein im Rahmen des genannten Anforderungskataloges übereinstimmen sollten. Diese systematische Herangehensweise der Evaluierung führt zu einer Entwicklung von allgemeinen Qualitätskriterien für die Kompatibilität zur Auswahl geeigneter Ersatzgesteine für historische Bauwerke, in denen mehr als ein Naturwerkstein verbaut ist. Sie trägt zur Beurteilung der Verträglichkeit von historischen und modernen Austauschmaterialien in einem Bauwerk bei. Die neu gewonnenen Erkenntnisse sollen also einen Beitrag leisten bei der Aufstellung von Sanierungs- und Konservierungskonzepten, im Besonderen bei der Evaluierung von Materialkompatibilitäten und der entsprechenden Auswahl von Ersatzgestein, und damit die Entwicklung und Umsetzung von qualitativ hochwertigen Erhaltungsstrategien für Baudenkmäler aus Naturwerkstein unterstützen.