Anwendungsbezogene gesteinsphysikalische Eigenschaften und Verwitterungsprozesse des Teplá-Trachyts

Die Verwitterungsprozesse des Teplá-Trachyts werden durch eine Reihe von Schadensmechanismen gesteuert, die zu einer Veränderung der gesteinsphysikalischen Eigenschaften führen. Um das Verwitterungsverhalten und die daraus resultierenden Auswirkungen auf den Naturwerkstein bzw. das Bauwerk verstehen zu können, wurden in einem Zeitraum von Juli 2004 bis Oktober 2007 sowohl petrographisch-mineralogische Untersuchungen durchgeführt, als auch die Porenkennwerte, die hygrischen Verformungseigenschaften und die Festigkeitseigenschaften bestimmt. Dabei wurden sowohl Proben aus dem ca. 5 km östlich des Klosters Teplá in Westböhmen (CZ) befindlichen Steinbruch Špicák als auch seit Jahrhunderten in Gebäuden verbaute Naturwerksteine untersucht. Gleichzeitig wurden an neu gewonnenen Proben aus dem Steinbruch Verwitterungssimulationen durchgeführt. Der früher im Besitz des Klosters Teplá befindliche und längere Zeit still gestandene Steinbruch wird heute intensiver als jemals zuvor betrieben. Es werden graue und gelb-beige Typen sowie eine Sonderform mit starker Ausprägung von Manganoxid-Dendriten abgebaut.

Als prominentestes Anwendungsbeispiel für den Teplá-Trachyt ist die Stiftskirche des Klosters Teplá aus dem 12./13. Jh. zu nennen. Die Kirche ist aufgrund ihrer exponierten Lage im Tepler Hochland, der Nähe zur Braunkohle verarbeitenden Industrie im Egergraben sowie dem teilweise seit mehr als 800 Jahren verbauten Trachyt das ideale Objekt für das Studium der Verwitterungserscheinungen. Eine Kartierung der Verwitterungsformen mit Hilfe eines Resonanz-Klangfühlers zeigte, dass sich als Hauptschadensform nur ein oberflächliches Zurückwittern ausbildet. Untergeordnet tritt noch eine oberflächliche, bis ca. 4 mm dicke Gefügeauflockerung durch Schuppen- und Schalenbildung auf. Insgesamt handelt es sich aber beim Teplá-Trachyt um ein verwitterungsstabiles Gestein.

Eine Kombination der Untersuchungen an den Trachyt-Proben aus dem Steinbruch und den am Bauwerk verwitterten Trachytblöcken ergab, dass der Hauptschadensmechanismus des Teplá-Trachyts die Silikatverwitterung ist. Im Laufe der Jahrhunderte kam es am Gebäude zu einer Intensivierung von Korrosionserscheinungen an den Feldspäten bis hin zu einer Zunahme von Tonmineralen. Verstärkt wurde dieser Effekt durch die hohen SO2-Emissionen in dieser Gegend vor dem Jahre 1982. Bereits im Gestein vorkommende oder durch die Steinbearbeitung induzierte Mikrorisse begünstigen durch eine Oberflächenvergrößerung ebenfalls das Fortschreiten der Verwitterung.

Die Verwitterung des Trachyts wird hauptsächlich durch den Porenraum, die vorhandenen Mikrorisse, die Gesteinsfestigkeit und die hygrischen sowie thermischen Eigenschaften des Trachyts gesteuert. Die Ermittlung dieser Parameter untermauerte die Resultate aus den Versuchen zur Verwitterung: der Teplá-Trachyt zeigt eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Frost, aber eine hohe Anfälligkeit gegenüber Salzsprengung.

Weitere Untersuchungen an den Proben der Verwitterungsversuche ergaben, dass eine zunehmende Gefügeschädigung einen stärkeren Einfluss auf den dynamischen E-Modul als auf den statischen E-Modul hat. Dadurch sinkt der anfänglich höhere dynamische E-Modul mit steigender Anzahl der Verwitterungszyklen unter den statischen E-Modul ab.

Die Simulation eines Brandes führte zu farblichen Veränderungen ab ca. 400 °C, die durch eine Kombination von Oxidationsprozessen sowie Dehydratationsvorgängen ausgelöst wird. Auftretende Porositätsänderungen mit steigender Temperatur konnten durch eine Abnahme der Schallgeschwindigkeit um fast ein Drittel nachgewiesen werden.

Die im Teplá-Trachyt vorkommende rhythmische Bänderung durch Fe- und Mn-Oxid wird durch eine Kopplung von Diffusionsvorgängen mit elektroosmotischen und Adsorptions-chromatographischen Effekten verursacht. Es handelt sich dabei um Prozesse der Selbstorganisation von geochemischen Strukturen.

Die z. T. lebhafte Bänderung mit bräunlich-gelben Streifen sowie die sehr gute Verwitterungsstabilität machen den Teplá-Trachyt zu einem attraktiven Naturwerkstein, der seit einigen Jahren in Mitteleuropa vermehrt zur Verwendung kommt. Die gewonnenen Ergebnisse helfen einerseits, in Zukunft Schäden am Trachyt an modernen Bauwerken zu vermeiden und dienen anderseits als Grundlage für zukünftige Restaurierungsmaßnahmen an historischen Kunst- und Architekturobjekten.

1. Aufgabenstellung 7
2. Allgemeine Einführung 7
3. Geologischer Bau der Umgebung von Teplá 10
3.1 Kristallines Grundgebirge 10
3.2 Molassefolgen des Karbons 11
3.3 Känozoischer (Jüngerer) Vulkanismus 11
4. Das Gestein Trachyt und seine Verwendung als Werkstein 14
4.1 Das Gestein Trachyt 14
4.2 Vorkommen von Trachyt in Mittel- und Südeuropa 16
4.3 Der Teplá-Trachyt 21
5. Physikalische Untersuchungsmethoden zur Charakterisierung der Gesteinseigenschaften 28
5.1 Petrographisch-mineralogische Untersuchungen 28
5.2 Porenraumbezogene Kennwerte 29
5.3 Verformungseigenschaften unter hygrischer Beanspruchung 31
5.4 Festigkeitseigenschaften 33
5.5 Verwitterungssimulation 37
6. Verwitterung von Teplá-Trachyt 39
6.1 Chemisch-physikalische Randbedingungen im Tepler Hochland (natürlich und anthropogen) 39
6.2 Verwitterung in der Natur 40
6.3 Schadensformen 40
6.4 Aufstellung von Schadensklassen 49
6.5 Kartierungen an ausgewählten Versuchsflächen 49
6.6 Verwitterungsprozesse 54
6.7 Schadensmechanismen 61
7. Diskussion und Interpretation der Verwitterungsmechanismen 88
7.1 Ineinandergreifende Prozesse 88
7.2 Veränderung von Schallgeschwindigkeit, E-Moduli und Druckfestigkeit in Abhängigkeit vom Grad der Verwitterung 90
7.3 Schäden durch Hitzeentwicklung 94
7.4 Verfärbungen 96
7.5 Schlussfolgerung 98
8. Ausblick 100
9. Literaturverzeichnis 101
A Anhang 107
A1 Schadenskartierung an den Trachytwerksteinen des Hroznata-Portals (Legende: Tab. 5, S. 41) 107
A2 Ermittelte Kennwerte aus dem Frost-Tau- und Glaubersalz-Versuch 108
A3 Ergebnisse aus dem Erhitzungsversuch im Muffelofen (Kapitel 6.7.6.2) 121