Unsichtbare Schicht: Witterungsschutz für Marmor

Stein Magazin

Von Bologna nach Princeton: Entwicklung des Forschungsprojekts

Marmor hat eine lange Lebensdauer – aber keine unendliche. Daher entwickelt der Professor Enrico Sassoni einen Witterungsschutz an der Universität Princeton und Bologna.

Der Cimitero Monumentale della Certosa di Bologna wurde 1801 als Gemeindefriedhof angelegt. Die architektonisch anspruchsvollen Gruften entwickelten sich zu einem Freilichtmuseum; Jahrzehnte lang galt der Friedhof als Symbol für Frieden und Unsterblichkeit.

Aber auch am Stein nagt der Zahn der Zeit. „Obwohl Marmor sehr langlebig ist, durchläuft er Alterungsprozesse. Durch schwankende Temperaturen entstehen Risse, Regen zersetzt die brüchige Oberfläche,“ erklärt der italienische Professor Enrico Sassoni, der derzeit an einem Witterungsschutz für Marmor forscht.

Momentan arbeitet der Italiener als Gastprofessor an der Universität Princeton, wo er ein internationales Team um sich hat. Erste Tests zur Erhaltung der Kunstwerke und Grabmähler des Certosa di Bologna testete der Professor mit seinem Team der Universität Bologna. Insgesamt soll das Forschungsprojekt drei Jahre dauern.

Führung Sightseeing-Tour Friedhof Certosa di Bologna
Sightseeing auf dem bekannten Friedhof Certosa di Bologna
Behandlung Marmor Schutz vor Witterung
Behandlungs-Test: Marmor vor Witterung schützen
Detail behandelte Stütze Witterungsschutz
Detail einer behandelten Stütze
Marmor-Verfall Friedhof Certosa di Bologna
Marmor-Verfall auf dem Friedhof Certosa di Bologna

Lösung mit Calcium-Verbindung

„Im Gegensatz zu anderen Ansätzen hat unsere Methode die Vorteile, dass sie auf dem nicht-toxischen Lösungsmittel Wasser basiert, tief in die Risse im Stein eindringt und innerhalb von 24 Stunden reagiert“, erklärt Sassoni.

Die Substanz ist eine Calcium-Verbindung, wie sie in menschlichen Knochen und Zähnen vorkommt. Darin enthalten ist Hydroxylapatit, das aus der Reaktion einer Wasser-basierten Phosphat-Salz-Lösung und Kalzit entsteht – aus letzterem Mineral besteht Marmor.

Die Lösung sickert in Hohlräume des Steins und schafft eine Verbindung zwischen den Rissen. Somit entsteht eine beständigere Oberfläche gegenüber Umweltverschmutzung oder Regen.

Im Prinzip wirkt die Lösung wie ein Klebstoff, der die Lücken im Stein füllt. Aufgetragen wird lediglich ein feiner Film, „etwa so stark wie ein Zehntel eines menschlichen Haares“, erklärt George Scherer, der das Materialforscher-Team des Lehrstuhls in Princeton führt. „Es geht darum, dass die Schicht nicht sichtbar ist. Sobald sie dicker aufgetragen wird, ändern sich Reflexion und Oberflächenfarbe.“

Zukunft der Marmor-Beschichtung

Noch handelt es sich um erste Tests – Hoffnungen der Teams in Bologna und Princetons liegen in einem Schutzfilm, der Marmorstrukturen Jahrzehnte lang schützen kann. Im nächsten Schritt geht es darum, die Lösung dichter und rissfester zu machen. Enrico Sassoni: „Folgend unserer vorläufigen Auswertungen könnte das Ergebnis erreicht werden, indem der Lösung Alkohol hinzugefügt wird.“

Als Pilotprojekt der Princeton-Forscher soll außerdem eine Hydroxylapatit-Behandlung an einigen Skulpturen im Park des Versailler Schloss vorgenommen werden, in Kooperation mit Restauratoren und Forschern vor Ort.

Im September kehrt Sassoni an die Universität Bologna zurück. Dort möchte er außerdem Möglichkeiten der Galvanotechnik testen, um mittels Strom eine vielleicht noch dünnere Schicht bilden zu können.

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Tuffstein langfristig erhalten

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Der italienische Flächenspezialist Fila investiert über zehn Prozent seines Jahresumsatzes in die Forschungs- und Entwicklungslabore, um regelmäßig Studien zu Themen wie Reinigung, Schutz und Pflege durchführen zu können. Nun hat das Unternehmen untersucht, wie Tuffstein-Oberflächen mit einer entsprechenden Schutzbehandlung und Unterhaltspflege langfristig erhalten werden können.

Muster-Tuff
Ein Tuffstein, der ein Jahr lang im Auβenbereich gelassen wurde. Links behandelt mit wasserabweisendem Schutz, rechts unbehandelt und mit Grünbewuchs. (Foto: Fila Industria Chimica Spa)
Tuffstein-einzellige-Alge
Die Aufnahme mit einem Rasterelektronenmikroskop zeigt eine einzellige Alge des Tuffsteins. (Foto: Fila Industria Chimica Spa)
Tuffstein-Mikroskop-Schimmel
Die REM-Aufnahme zeigt ein Detail der Schimmel, die die unbehandelte Oberfläche angegriffen haben. (Foto: Fila Industria Chimica Spa)
Wasseraufnahme-Tuffstein
Verschiedene wasserabweisende Schutzbehandlungen reduzieren die Wasseraufnahme langfristig. (Foto: Fila Industria Chimica Spa)
Wasserkontakt-Finishprodukt-Fila
Der Kontakt mit Wasser eine Stunde nach der Awendung. Das Finishprodukt von Fila verhindert die Wasseraufnahme anhand einer korrekten Filmbildung und der Wirkung als „Porenfüller”. (Foto: Fila Industria Chimica Spa)
Fila-F&E-Abteilung
Der Flächenspezialist Film investiert jährlich über 10 Prozent seines Umsatzes in die Forschung und Entwicklung. (Foto: Fila Industria Chimica Spa)

Verwitterungserscheinungen von Tuffstein

Unter Tuff oder Tuffstein versteht man weiche Natursteinsorten aus Süditalien, wie weiche Kalksteine, extrem stark saugende Travertine, aber auch brüchige Sandsteine. Dennoch ist Tuffstein, petrografisch gesehen, ein Gestein vulkanischen Ursprungs. Tuff entsteht durch die Aufschichtung von Auswurfsprodukten bei einer vulkanischen Eruption an der Erdoberfläche. Die überlagernden Tuffschichten verfestigen sich mit der Zeit zu einem festen Gestein. Tuff ist ein besonders beliebter Naturstein im Außenbereich und wird zur Fassadenverkleidung, als Mauerelement oder im Garten- und Landschaftsbau verwendet. Aber auch im Innenbereich, als Wandgestaltungselement im historischen oder modernen Ambiente, wird das Material eingesetzt.

Auf Grund seiner Porösität ist das Weichgestein besonders für Witterungseinflüsse anfällig. Aber auch andere Einflussfaktoren, wie Temperatur, Feuchtigkeit, Wind und Regen, tragen zur Verwitterung des Natursteins bei. Wasser stellt dabei die Hauptursache dar. Unterschiedliche physikalische, mechanische und biologische Mechanismen werden durch Wassereinwirkung hervorgerufen. Die sichtbarsten Verwitterungsphänomene bei Tuff und Weichgestein sind zum einen der Verfall, der durch Staubbildung und durch die Ablösung kleiner Materialfragmente deutlich wird. Zum anderen wird das Material durch den mikrobiellen Befall, also durch den Angriff von Mikroorganismen, wie Schimmel, Algen und Flechten, besiedelt und beschädigt.

Verwitterungsschäden im Außenbereich vorbeugen

Fila ist in seiner Studie der Verwitterungshauptursache, der Wassereinwirkung, nachgegangen und hat herausgefunden, dass mit Hilfe von wasserabweisenden Schutzmitteln, wie dem HYDROREP und HYDROREP ECO von Fila, mit Bewuchsschutzwirkung der Tuffstein widerstandsfähiger wird – die Wasseraufnahme und die Besiedelung mit Mikroorganismen werden reduziert. Durch den Einsatz von wasserabweisenden festigenden Produkten, wie dem Schutzmittel SALVATERRAZZA, wird der Naturstein zusätzlich gekräftigt und die Struktur des Materials wiederhergestellt.

Staubbildung im Innenbereich verhindern

Damit die Optik von Innenwänden trotz Staubbildung und der Freisetzung kleiner Materialfragmente bewahrt wird, hat Fila das matte Finish-Produkt für Naturstein und Cotto, FILAMATT entwickelt. Für ein wohngesundes Raumklima ist es wichtig, ein wasserbasiertes Produkt einzusetzen, das die Kompaktheit des Materials wiederherstellt und einen leichten Film auf der Oberfläche hinterlässt, der vor Staub schützt und die Pflege erleichtert.
Die Ergebnisse der Studie lassen sich jedoch auch auf andere Materialien mit hoher Wasseraufnahmefähigkeit übertragen, darunter Kalksteine, Marmor, Granite, Klinker, Ziegel oder Putze. Diese unterliegen im Laufe der Zeit den gleichen Verfallserscheinungen.

Erfahren Sie mehr über den Flächenspezialisten Fila.

Lichtspiele am Kloster aus Kalkstein

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Das Trierer Büro Architektur 9+ plante und realisierte ein Kloster aus Kalkstein am See Genezareth in Israel.

Fährt man über die Asphaltstraße zum biblischen Ort Kapharnaum, wird einem das neue Kloster kaum auffallen – es ist perfekt in die Landschaft am See Genezareth eingepasst. Der robuste Kalksteinbau liegt direkt am Fuß des Bergs der Seligpreisung, dort wo Jesus seine berühmte Predigt gehalten und unten am See das Wunder der Brotvermehrung gewirkt haben soll. Schon lange steht dort eine Kirche, die Gläubigen aus aller Welt zum Gebet dient. Zehntausende von Pilgern machen jedes Jahr hier Station auf ihrer Reise durch das Heilige Land.

Eine Herausforderung für die Mönche, die seit vielen Jahren diesen Ansturm bewältigen müssen. Das alte baufällige Kloster war keine angemessene Bleibe mehr für sie. So beschloss der Deutsche Verein vom Heiligen Land, ein neues Kloster zu errichten, und beauftragte die Trierer Architekten Alois Peitz, Hubertus Hillinger und Susanne Hoffman-Hillinger. „Das war wirklich nichts Alltägliches“, sagen die drei unisono. „Ein Kloster für die Menschen des 21. Jahrhunderts, gleichzeitig aber in benediktinischer Tradition – das macht man nur einmal im Leben.“

Zehn Jahre dauerte es alles in allem: vom Masterplan bis zur Einweihung. Ganz in Anlehnung an den klassischen St. Gallener Klosterplan der Benediktiner aus dem 9. Jahrhundert entstanden zwölf  Mönchszellen, ein Refektorium, ein Kapitelsaal, ein Oratorium, eine Bibliothek, eine Rekreation, Gästezimmer und eine Küche. Das Kloster ordnet sich architektonisch der Kirche unter, die Höhe orientiert sich an ihrem Giebel. Auch die Baustoffe sind die gleichen: Kalkstein aus Hebron, mit Kalksplitt angereicherter Beton, Holz und rote, stark reflektierende Tonziegel. „Es sind zwar die gleichen Materialien“, erklärt Susanne Hoffman-Hillinger, „aber modern bearbeitet – gesägt, geschliffen oder poliert. Damit ändert sich der Glanz und die Farbe von Kalkstein und Ziegeln.

Auf den Fußböden wurden unterschiedlich große Platten verlegt und an den zurückgesetzten Außenfenstern Steinstelen angebracht – orientalische, filigrane Elemente in dem Gebäude, das sonst eher massiv wirkt. Die Oberflächen der Außenwandbekleidung sind fein gespitzt. Und durch kleine Rücksprünge in der Fassade von nur einem Zentimeter Bänderung ergeben sich, bedingt durch die Lichtverhältnisse in Israel, starke, kontrastreiche Akzentuierungen. Im Inneren des Klosters schafft die Symbiose von Beton und Naturstein außergewöhnliche Effekte: Die Oberflächen der Betonkonsolen und Sichbetondecken sind gestockt. Dadurch  kommen die hellen Zuschlagstoffe des Kalksteins zum Vorschein.

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Der heimische „Jarraa fateh“-Kalkstein kommt aus Jamaain, Nablus City, Israel. Die Oberflächenbearbeitung variiert: Der Stein wurde gesägt, geschliffen oder poliert.

„Bauen im Heiligen Land heißt auch mit anderen Lichtverhältnissen“, sagt Hubertus Hillinger. „Es gibt weltweit kaum Orte, die heller sind als die Gegend rund um den See Genezareth.“ Daher muss das Kloster ausreichend Schatten spenden und die Maueröffnungen sind nach außen klein gehalten. Das Gebäude öffnet sich nach innen. Im Sommer bleibt es kühl, auch wenn die Hitze draußen 40 Grad erreicht; im Winter schützt es vor Kälte. In puncto Baudämmung und Isolation beschritten Peitz und Hillinger neue Wege. „Die mehrschaligen Wände sind 60 Zentimeter dick und die Kühlanlagen brauchen nur einen Bruchteil der dort sonst benötigten Energie“, erklärt Alois Peitz. Die Decken und Dächer statteten sie es mit einer Bauteiltemperierung als „Stille Kühlung“ aus und verwendeten Rohrregister, durch die kaltes Wasser läuft, das die Räume angenehm temperiert. „Die Energiekosten sind gering, weil die Dämmung so gut ist.“ Architekten aus Israel besuchten die Baustelle immer wieder, um Ideen für ihre eigenen Projekte aufzugreifen.

Lesen Sie mehr zum Kloster aus Kalkstein in Israel in STEIN im Mai 2015.