Die Eis- und Salzkristallisation im Porenraum von Sandsteinen und ihre Auswirkungen auf das Gefüge unter besonderer Berücksichtigung gesteinsspezifischer Parameter

In der vorliegenden Arbeit werden die Folgen der Frost- und Salzeinwirkung auf das Gefüge von fünf aus unterschiedlichen erdgeschichtlichen Epochen stammenden Sandsteinen aus der Bundesrepublik Deutschland diskutiert, wobei dem dynamischen Prozeß der Salz- und Eiskristallisation im Porenraum besonderes Augenmerk geschenkt wird.

An diesen Gesteinen wurde eine Vielzahl von Kennwerten und Merkmalen erfaßt, z.B. mineralogische und Gefügeeigenschaften, porenraumbezogene Merkmale, Festigkeits- und Verformungseigenschaften. Damit sind die gesteinsspezifischen Randbedingungen für die anschließende Verwitterungssimulation bekannt.

Die Simulation des Eisbildungsprozesses erfolgte an Proben, die immer eine definierte Sättigung (von 0,5 bis 1,0) aufwiesen. Als Untersuchungsmethoden kamen zur Anwendung: Porositäts-, E-Modul-, Temperatur- und Längenänderungsmessungen sowie die Licht- und Rasterelektronenmikroskopie. Mit der Methode der Kryopräparation wird ein neues Verfahren zur direkten Beobachtung von Eis im Porenraum von 5andsteinen im REM vorgestellt.

Bei teilgesättigten Proben war bei allen untersuchten Sandsteinen eine Kontraktion, bei vollgesättigten eine Expansion des Gefüges zu beobachten. Beide Vorgänge hielten auch bei tieferen Temperaturen an; ihr Ausmaß war gesteinsspezifisch unterschiedlich und nahm tendenziell mit zunehmendem Tonmineral- und Mikroporenanteil zu. Teilgesättigte tonig gebundene Sandsteine wiesen trotz Kontraktion nach dem Auftauen eine Gefügeaufweitung auf.

Diese Phänomene lassen sich durch zwei zeitlich getrennte Eisbildungsphasen erklären. Zunächst gefriert das Wasser in den Kapillarporen bei Temperaturen, die nur wenig unterhalb von 0 °C liegen (= primären Eisbildung). Wegen der Wirksamkeit der spezifischen Oberflächenkräfte bleibt das Wasser in den Mikroporen zu diesem Zeitpunkt noch flüssig und schließt sich erst bei weiterem

Wärmeentzug den bestehenden Eiskristallen in den Kapillarporen an (= sekundäre Eisbildung). Dies bewirkt im Falle der Teilsättigung die Kontraktion, im Falle der Vollsättigung die zusätzliche Expansion des Gefüges nach Abschluß der primären Eisbildung. Gefügeaufweitungen nach dem Auftauen teilgesättigter Sandsteine lassen sich mit der sekundären Eisbildung und dem bevorzugten Wachstum von Eis in den kleineren Kapillarporen erklären.

Gestützt wird insbesondere die letzte Schlußfolgerung mit der direkten Betrachtung des Eises im Porenraum von Sandsteinen mit dem REM. In teilgesättigten Sandsteinen tragen die größeren Kapillarporen nur randlich einen Eispanzer, der gegen das Innere des Hohlraumes wächst, während kleinere Kapillarporen vollständig mit Eis gefüllt sein können.

In einem Langzeitversuch läßt sich die Wirksamkeit der sekundären Eisbildung an einem teilgesättigten Schilfsandstein belegen. Die vollgesättigten Proben zeigen im selben Versuch allesamt eine zunächst steile, später verflachende Porositätserhöhung bzw. E-Modul-Minderung, die gesteinsspezifisch unterschiedlich verläuft. Beide Faktoren stehen zueinander in einer indirekten Proportionalität. Im Gegensatz zu den teilgesättigten Proben können hier die Gefügezerrüttungen direkt im Mikroskop beobachtet werden.

Die Simulation der Salzsprengung erfolgt mit Hilfe des Salzsystems Thenardit/Mirabilit. Die Aufzeigung der Gefügeveränderung geschah über Massenänderungskurven, über Messungen zum dynamischen E-Modul und zur Porosität sowie über licht- und rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen.

Basierend auf den Maxima der Massenänderungskurven wird ein einfaches Modell vorgestellt, mit dem sich die Porenfüllungsgrade mit Salz berechnen lassen. Dies belegt die geringe Wahrscheinlichkeit einer Aufsprengung des Gefüges alleine durch die Wirksamkeit der integralen Volumenexpansion beim Übergang von Thenardit in Mirabilit. Ähnliche Ergebnisse erbringen Porositätsmessungen, die während des laufenden Salzsprengtestes mit einer das Salz nicht auflösenden organischen Flüssigkeit (Heptan) durchgeführt wurden.

Die licht- und rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen beweisen, daß das Salz nicht in den großen Poren, sondern bevorzugt in engen Kornzwickeln und Spaltenporen anzutreffen ist.

Mit der Methode der Kryopräparation wird Mirabilit erstmals im Porenraum von zwei Sandsteinen dargestellt. Der Vorgang der Aufsprengung des Gefüges beim Phasenübergang Thenardit/Mirabilit ist folgendermaßen anzunehmen: Beim Trocknungsvorgang zieht sich der Thenardit in die engen Zwickelräume und Spaltenporen zurück. Bei Initiierung der Umbildung des wasserfreien in das wasserhaltige Natriumsulfat durch Wasserzufuhr (flüssig, Dampf) entsteht an Ort und Stelle das Mirabilitgitter und bricht das Gesteinsgefüge von eng benachbarten Korngrenzen her auf.