Untersuchungen zum Nanoklima im verwitterten Sandstein und vergleichende Messungen

Mit der vorliegenden Untersuchung wurde der Versuch unternommen, beispielhaft die Temperatur- und Feuchtigkeitsverhältnisse eines Sandsteins auf der Oberfläche und in den daran anschließenden, verwitterten Bereichen zum Gesteinskern unmittelbar zu erfassen.

Unter dem standortbedingten Einfluß der Bewitterung und der Modifizierung durch die petrophysikalischen Eigenschaften entwickeln sich im Gesteinskörper und an der Oberfläche innerhalb kleinster Dimensionen zum Teil erhebliche thermische und hygrische Gegensätze. Diese unterscheiden sich auch in ihrem zeitlichen Verhalten und bestimmen die tatsächlichen Angriffe der natürlichen Verwitterungsprozesse, die letztlich zum Zerfall des Sandsteins führen. Die Anwesenheit von Wasser ist für alle Verwitterungsarten wichtig. Die Feuchtigkeitsbedingungen in den verwitterten Schichten werden zusätzlich durch die modifizierten petrophysikalischen Eigenschaften und die klimatischen Elemente im Gesteinskörper bestimmt. Die wiederholten Wechsel der Temperatur und Feuchtigkeit an der Oberfläche und zum Gesteinskern hin können aber auch den Transport des umweltbedingten Schadstoffeintrags und die natürlichen Verwitterungsprozesse beeinflussen.

Die natürlich bedingten Inhomogenitäten des Sandsteins werden durch die Verwitterung weiter modifiziert. Seine unsteten physikalischen Eigenschaften verhindern eine mögliche Berechnung der thermischen und hygrischen Werte im Sandstein. Für die Simulation der Verwitterungseinflüsse in Klimakammern sind daher auch die Kenntnisse der tatsächlichen Temperatur- und Feuchtigkeitswerte, ihre Variabilität und ihr zeitliches Verhalten von grundlegender Bedeutung. Daher werden die Temperaturen und die relativen Feuchtigkeiten direkt durch Messungen im verwitterten Sandstein unter natürlichen Bedingungen bestimmt.

Der Einbau der Meßfühler durfte die physikalischen Eigenschaften und den Stoff- und Energieaustausch zwischen den Verwitterungsschichten und der Oberfläche nicht beeinflussen. Die Sensoren mußten daher geringe Abmessungen aufweisen, aber auch unempfindlich gegenüber den Witterungseinflüssen sein. Die verwendeten kleinen Fühler erlauben hinreichend genaue Messungen, da sie weder die Ausgleichsvorgänge noch die absoluten Meßbeträge stören. Durch eine kurze Ansprechzeit reagieren sie auch auf rasche Zustandsänderungen.

Die verwendeten Datalogger haben eine hohe Speicherkapazität und ermöglichen eine kontinuierliche Aufzeichung der Meßwerte in kurzen Intervallen. Damit können die realen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen erfaßt und im Hinblick auf das Verwitterungsverhalten interpretiert werden.

Für die mehrjährigen Messungen wurde ein Flurdenkmal (Bildstock) aus Sandstein (Keuper) gewählt. Dieses Material ist im Untersuchungsraum Nordbayern weit verbreitet und fand besonders als Werkstein in Denkmälern häufig Verwendung. Diese Sandsteine zeigen ein sehr unterschiedliches Verwitterungsverhalten.

Den Messungen der vorliegenden Untersuchung ging eine Erhebung und Auswertung der Schadensbilder an den Sandsteindenkmälern im Untersuchungsraum voraus. Dabei konnten drei typische Verwitterungsformen herausgearbeitet werden, die sich in ihrem Aufbau deutlich voneinander unterschieden: feinkörnig absandende Flächen, abschuppende Schichten und dünne Krusten. Sie traten auch an dem ausgewählten Meßobjekt auf.

Die Auswertung der Tagesgänge der Temperatur ergab in der Frostperiode eine deutliche Abhängigkeit der Maxima von der direkten Einstrahlung. Die vertikalen und nach Süden exponierten Flächen zeigten an allen Verwitterungsprofilen vergleichbar hohe Extremwerte und einen sehr hohen Temperaturgradienten zum Gesteinskörper. Die Temperaturen lagen um mehr als 20 °C über der Lufttemperatur. Besonders variabel waren die thermischen Bedingungen in den abschuppenden Schichten.

In der frostfreien Periode wurden an allen Oberflächen Temperaturen von über 50 °C gemessen. Innerhalb der Verwitterungsprofile entwickelten sich aber erhebliche Gegensätze. Der kontinuierlichen Temperaturabnahme in den absandenden Schichten standen hohe Temperaturschwankungen in den abschuppenden Profilen gegenüber. Der höchste Temperaturgradient wurde unter der verdichtenden Kruste gemessen. Zwischen den Oberflächen mit dunklen Krusten und den hellen Sandsteinflächen entwickelten sich nur geringe Temperaturdifferenzen.

Die Feuchtigkeitsbedingungen wiesen an den Oberflächen vergleichbare Tagesschwankungen auf. Im Tiefenprofil entwickelten sich jedoch zum Teil erhebliche Unterschiede der Absolutwerte und deutliche zeitliche Verzögerungen. Die höchsten Schwankungen wiesen wieder die abschuppenden Schichten auf. Demgegenüber machte sich unter den Krustenflächen deren abdichtende Wirkung durch einen reduzierten Feuchtigkeitsaustausch bemerkbar.

Wie die Auswertung der Tagesgänge zeigt, beeinflußten die Eigenschaften der verwitterten Schichten erheblich die Temperatur- und Feuchtigkeitsverhältnisse innerhalb der Profile. In der Grenzfläche Sandstein zur anliegenden Luftschicht entwickelten sich innerhalb kleiner Räume Klimazonen, die sich in ihrem typischen Temperatur- und Feuchtigkeitsverhalten erheblich voneinander unterschieden. Damit wurde auch auf der Oberfläche des Sandsteins eine Differenzierung des umgebenden Mikroklimas zu einem eigenständigen Nanoklima nachgewisen. Dies gilt sowohl für die Oberfläche als auch innerhalb der verschiedenen Verwitterungsprofile. Die Größe der eigenständigen thermischen und hygrischen Zustände beeinflußt in unterschiedlichem Maße das Verwitterungsverhalten.

Nach dem jetzigen Kenntnisstand ist es aber nicht möglich zu entscheiden ob das Verwitterungsverhalten durch die Änderung der nanoklimatischen Eigenschaften im Gestein bestimmt wird oder ob durch die veränderten petrophysikalischen Eigenschaften innerhalb der Verwitterungsprofile die thermischen und hygrischen Zustände beeinflußt werden. Zumindest die Ausbildung kleiner Nanoklimabereiche ist für den Ablauf der verschiedenen Verwitterungsprozesse verantwortlich.