Prof. Dr. Roman Koch, Erlangen/Deutschland. Der Rorschacher Sandstein. Entstehungsgeschichte und. Eigenschaften

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1 Prof. Dr. Roman Koch, Erlangen/Deutschland Der Rorschacher Sandstein Entstehungsgeschichte und Eigenschaften Naturwerksteine werden im Garten- und Landschaftsbau seit Jahrhunderten eingesetzt und besitzen neben der optischen in vielen Fällen eine wichtige funktionale Bedeutung. Als Stützmauern oder Wegplatten spielt dabei die Dauerhaftigkeit eine wichtige Rolle. Neben dazu notwendigen handwerklichen und konstruktiven Erfordernissen ist die Qualität der eingesetzten Natursteine entscheidend. Obwohl auch hier grundsätzlich Erfahrungen bestehen, kommt es immer wieder zu Schadensfällen, zum Beispiel beim Einsatz neuer Gesteine oder schlichtweg durch Nichtbeachtung des Standes der Steintechnik. Viele dieser Fragestellungen können durch Geowissenschaftler beantwortet werden, die ihre Kenntnisse und Erfahrungen aus der Sedimentologie (Bildungsmechanismen, Korngrößen, Sedimentstukturen) und Erdölindustrie (Porenraumgenese, gesteinsphysikalische Kenndaten) fast eins zu eins in der Anwendung auf Natursteine übertragen können. Fragen an Geologen Aus geologischer Sicht kommen für den Einsatz von Natursteinen im Außenbereich vor allem folgende beiden Einflussfaktoren zum Tragen: - Der Porenraum, der den spezifischen Feuchtegehalt des Steines bestimmt, hat wichtige Auswirkungen beispielsweise auf Frost-Tauwechsel-Stabilität sowie auf das biogene Besiedlungspotential (siehe Abb. 1a/b). - Gefügeanisotropien (z. B. Schichtung, = Lager) spielen beim Einbau aufgrund der unterschiedlichen Verwitterungsanfälligkeit und Festigkeitseigenschaften eine wichtige Rolle. 16

2 Rorschacher[Stein]Fachgespräch Verwitterungsschema von Naturwerksteinen am Bauwerk (Feuchtigkeitskreislauf). Krustenbildung: 1 = Außenkruste (Salze und Verschmutzung), 2 = Innenkruste (Salze), 3 = Zone des Absandens (Bindemittel gelöst) 4 = unverändertes Gestein (gesunder Kern) Abb. 1a: Verwitterungsschema von Natursteinen am Bauwerk (Feuchtigkeitskreislauf) Abb. 1b: Stabilitätsprofil eines verwitterten Natursteins (von links nach rechts): Außenkruste, ursprüngliche Oberfläche, innere Kruste, stark verwittert, Übergangszone, unverwittertes Originalgestein) Dass diese wichtigen Faktoren oft nicht beachtet werden, zeigen zwei Beispiele aus dem Erlanger Raum: Im Zuge der kürzlich erfolgten Restaurierung eines Schlosses bei Erlangen zeigten sich schon nach wenigen Monaten Salzausblühungen am teilerneuerten Sandsteinmauerwerk. Gründe liegen hier im ungeeigneten Austauschmaterial, das sehr unterschiedliche petrographische und baufeuchtetechnische Eigenschaften gegenüber dem Originalgestein besitzt. Durch Bodendüngung eingebrachte Salze konnten sich so an den Kontaktstellen Alt-/ Neumaterial anreichern. Eine Steinmauer einer öffentlichen Platzgestaltung in Effeltrich bei Erlangen aus grobkörnigen Keupersandsteinen zeigte schon nach relativ kurzer Zeit starke biogene Besiedlung (Vermosung). Bakterien und Pilze konnten mit ihren Wurzeln gut in den groben offenporigen Sandstein eindringen und dabei Bindemittel entma gern, was zum Absanden führte. Anderer biogener Bewuchs kann jedoch positiv auf den Steinerhalt auswirken, wie zum Beispiel manche Arten von Flechten. Allgemein hängt das Besiedlungspotential von bekannten Faktoren ab. Hierzu zählt unter anderem sowohl der Porenraum, der die Feuchte unterschiedlich lange speichern kann und Tonminerale, die sich durch Windeintrag in offenen Poren ansammeln können. Das in den Tonen enthaltene Kalium und Natrium wird von den Organismen zur Stabilisierung der Zellmembran verwendet. Ferner kann ein durch den Stoffwechsel von Mikroorganismen entstehendes, saures (ph-wert) Milieu als Bindemittel enthaltenes Karbonat lösen und das Gefüge bis zum völligen Zerfall auflockern. Oft werden im Galabau alte Mauersteine wieder verwendet. Stammen diese beispielsweise aus Viehställen, können eingelagerte hygroskopische Salze (Nitrate) mobilisiert werden und schon nach kurzer Zeit zerstörend wirken. 17

3 Prof. Dr. Roman Koch, Erlangen/Deutschland Das Verwitterungspotential hängt weiterhin vom Einbau ab. Oft sind feine Lagerfugen nur zu erahnen, erweitern sich aber im Laufe der Zeit durch Feuchtigkeit und Temperatureinflüsse bis zum völligen schichtparallelen Aufspalten. Der Wasserzutritt kann im Falle falschen Einbaues durch kapillaren Aufstieg beschleunigt werden und wirkt dabei in feinkörnigem Sandstein schneller als in grobkörnigem. Dabei heraus gelöstes Bindemittel kann sich an der Oberfläche als Kruste abscheiden. Versuche, diese Kruste mit oberflächlich aufgebrachtem Konservierungsmittel wie beispielsweise Kieselsäureester anzubinden scheitern oft aufgrund zu geringer Eindringtiefe. Grunddaten wie Partikelgröße, Porosität und Permeabilität steuern also das Verwitterungs- und Konservierungsverhalten eines Gesteines. Zum Vergleich des Einflusses der Korngröße auf den Wassertransport kann der Durchlässigkeitsbeiwert (Kf-Wert) aus der Hydrologie herangezogen werden: Durch einen groben Kies kann Wasser mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 Meter pro Sekunde, in einem Feinsand nur noch mit 1 mm/sec fließen. In noch feinkörnigeren Sedimenten wie Ton ist die Fließge- Alluviale Schüttungsfächer Überschwemmungsebene Standdünen Deltasedimentation Schelfablagerungen Seeablagerungen Flußtransport (fluviatil) Dünenbildungen (äolisch) Mäßig- bis gut-sortierte Delta-Litoralsedimente Feinkörnige Schelfsedimente Gradierte Schichten (Turbidite) Abb. 3: Ablagerungsmodell und Ablagerungsmilieus von Sanden: Vom Gebirge über Flüsse zum Meer Abb: 2: Fließgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der Korngröße 18

4 Rorschacher[Stein]Fachgespräch schwindigkeit in menschlichen Zeitmaßstäben nicht mehr messbar. Daher eigenen sich Tone beispielsweise als Deponieabdichtungen (siehe Abb. 2). Vom Sand zum Sandstein Die wichtigsten Eigenschaften ererben Sandsteine bereits im Zuge ihrer frühesten Entstehung bei der Ablagerung als Sediment. In einem idealisierten Ablagerungsmodell (siehe Abb. 3), in dem alle Ablagerungsräume vom Gebirge bis zum Meer zusammengefasst sind, werden die Veränderungen deutlich: So nimmt die Korngröße der Mineralkörner wie auch der Gehalt an instabilen Mineralen mit der Entfernung vom Abtragungsgebiet (Gebirge) ab, während deren Rundung und Sortierung zunimmt. Die Korngrößenangaben sind genormt, allerdings im deutschen und angelsächsischen Bereich unterschiedlich gefasst (siehe Abb. 4a). Mit zunehmendem Transportweg wird ein Sandstein also immer quarzreicher, da Quarz gegenüber anderen Mineralen wie zum Beispiel Feldspat und Glimmer stabiler ist, sowie feinkörniger und homogener. Die Klassifizierung eines Sandsteines kann dabei anhand der Hauptbestandteile innerhalb eines Dreieckes Quarz Feldspat Gesteinsbruchstücke erfolgen (siehe Abb. 4b). So gleicht der beispielsweise in weiten Teilen Mittel- und Süddeutschlands vorkommende Buntsandstein nicht an jedem Ort, an dem dieser heute als Werkstein abgebaut wird, dem anderen, sondern unterscheidet sich schon aufgrund seines unterschiedlichen Transportweges in mineralogischen und petrographischen Parametern. Die Charakterisierung dieser Parameter lässt also schon wichtige Rückschlüsse auf die Verwitterungsstabilität zu. Die Korngrößenverteilung lässt sich in Form einer Sieblinie angeben bzw. in Form eines Histogrammes. Je flacher die Sieblinie oder je breiter das Histogramm, desto schlechter ist ein Sandstein sortiert. Dies hat auch unmittelbaren Einfluss auf die Permeabilität (Durchlässigkeit) für Flüssigkeiten. Diese Parameter sind die grundlegenden Kenndaten eines jeden Sedimentgesteins, die viele bautechnischen Eigenschaften steuern, und sollten immer beachtet werden. Abb. 4a: Korngrößeneinteilung (links nach WENT- WORTH im englischsprachigem Raum und rechts nach DIN 4022) Abb. 4b: Sandsteinklassifikation 19

5 Prof. Dr. Roman Koch, Erlangen/Deutschland Abb. 5: Wassertransportmechanismen Sandsteine unter dem Mikroskop Zur mikroskopischen Gesteinscharakterisierung dienen auch Dünnschliffe mit Porenraumblaufärbung. Daraus lassen sich neben mineralogischer Zusammensetzung sowie kornbezogener Daten die Art des Bindemittels (karbonatisch, tonig, kieselig) erkennen. Dieser Einblick erlaubt dem erfahrenen Geologen erste Rückschlüsse auf bautechnische Daten sowie auf das zu erwartende Verwitterungsverhalten. So besitzt unter den Keupersandsteinen der kieselig dicht zementierte grobkörnige Worzeldorfer Sandstein hervorragende technische Eigenschaften bei hoher Verwitterungsresistenz, ist aber aufgrund seiner großen Härte schwer zu bearbeiten. Der feinkörnige Grüne Mainsandstein (Schilfsandstein) zeigt dagegen aufgrund seines Tonanteils im Bindemittel schlechtere technische Werte bei geringer Verwitterungsbeständigkeit, ist aber als Bildhauergestein gut zu bearbeiten. Große Unterschiede bestehen auch innerhalb der Arten der tonigen Bindung. In einem Sandstein mit 12 % Porosität und mit illitischen Filztonen bestehen Durchlässigkeiten von gerade einmal 1 Millidarcy (md), im Falle von authigenen Kaolinit 200 md. Im Zuge der Gesteinsbildung (Diagenese) können Sandsteine auch in größere Tiefen von mehreren tausend Metern versenkt werden. Unter Überlagerungsdruck können dabei Stylolithen (Drucksuturen, Zahnlager ) entstehen. Teile des Steines werden gelöst, zurück bleiben dichte, feine, gezackt verlaufende Tonanreicherungen, die als Permeabilitätsbarrieren wirken. Unterschiedliche Porengrößen Für den Wasser- bzw. Feuchtetransport im Stein ist der Porenhalsdurchmesser entscheidend: Bis zu einer Größe von 1 mm hinab ist laminares Fließen möglich, darunter bis 1 µm (1/1000 mm) Kapillarität, und unter 1 µm herrscht nur noch Diffusionstransport (siehe Abb. 5). Dem so genannten Porenhalsdurchmesser als Engstelle zwischen zwei verbundenen Poren bzw. deren Verteilungsmuster kommt dabei entscheidende Rolle für die Durchlässigkeit zu. 20

6 Rorschacher[Stein]Fachgespräch Anhand zweier Beispiele, dem Schleeriether und dem Bentheimer Sandstein, kann dies verdeutlicht werden. Während beim Schleeriether Sandstein das Maximum der Porenhalsdurchmesser unter 0,1 µm liegt, liegt es beim Bentheimer Sandstein um 25 µm. Entsprechend weist auch die Permeabilität mit 0,2 und 770 md (Millidarcy) große Unterschiede auf. Auch andere Kennwerte wie Porosität, Wasseraufnahme und spezifische Oberfläche differieren entsprechend. Daher besitzt auch der Rorschacher Sandstein ganz spezifische und charakteristische Eigenschaften im Vergleich zu anderen Sandsteinen. Geologie des Rorschacher Sandsteins Das Sediment, aus dem der heutige Rorschacher Sandsteins entstanden ist, wurde vor ca. 20 Millionen Jahren im Tertiär zur Zeit der sogenannten Oberen Meeresmolasse (OMM) (siehe Abb. 7) in einem kleineren Meeresarm ungefähr im Bereich des heutigen Voralpenlandes, dem Molassemeer, abgelagert. Im Zuge der Auffaltung der Alpen wurde das entstandene ursprünglich horizontale Schichtpaket leicht schräg aufgebogen und fällt daher heute wie im Steinbruch der Fa. Bärlocher gut sichtbar mit ca. 30 nach Norden ein (siehe Abb. 6). A Stbr. Bärlocher B A Stbr. Bärlocher B Abb. 6: Vereinfachte geologische Karte von Südwestdeutschland und der Nordschweiz sowie Profilschnitt Nordwest-Südost (Linie) mit Lage des Steinbruches der Fa. Bärlocher 21

7 Prof. Dr. Roman Koch, Erlangen/Deutschland Sandsteine aus dieser Zeit stehen auch in Überlingen im Stadtgarten am nordwestlichen Bodensee an. Dort zeigen sedimentologische Kriterien wie Rinnenfüllungen, Schrägschichtung mit wechselnden Richtungen und Fluchtbauten von im Sediment lebenden Organismen Lebensverhältnisse wie in einem heutigen Wattbereich an. Da zugehörige Flüsse ehemals von Norden kamen, stellt dieser Bereich um Überlingen die Nordküste des Molassemeeres dar. Der Rorschacher Sandstein ist dagegen in einem überwiegend ruhigeren Meeresbereich unterhalb der Wellenbasis abgelagert worden. Dies wird, wie im Steinbruch Bärlocher sehr gut erkennbar, durch mehrere Meter mächtige Schichtpakete mit feiner Parallelschichtung belegt. Diese werden ab und zu durch episodische Rippelflächen und Lagen von schon verfestigten Tonkomponenten unterbrochen, die im Zuge von Sturmereignissen entstanden sind. Petrographische Detailuntersuchungen Die in Bänken abgebauten Sandsteinschichten im Steinbruch Bärlocher werden seit langer Zeit erfahrungsbedingt aufgrund ihrer unterschiedlichen Qualität spezifisch eingesetzt. Während der obere Abschnitt für roh gespaltene Mauersteine verwendet wird, wird der mittlere Teil für roh gespaltene Bodenplatten verwendet. Nur der untere Abschnitt liefert einen hochwertigen homogenen Sandstein für Werkstücke wie Bildhauerarbeiten. (siehe Abb. 8) Diese Unterschiede lassen sich gut durch petrographische Detailuntersuchungen fassen und erklären: So weisen die Sandsteine im oberen Teil der Abbauwand eine leichte Feinschichtung mit Glimmeranreicherungen auf Schichtflächen auf und werden, mehrmals unterbrochen durch Rippelflächen und Lagen von Anreicherungen mit Tonkomponenten, zur Basis immer homogener und massiger. Dazu wurden die Proben 1 (Top) bis 4 (Basis) untersucht. In Detailansicht im Abb. 7: Stratigraphische Tabelle zur Einordnung der Schichten im Steinbruch Bärlocher (OMM) 22

8 Rorschacher[Stein]Fachgespräch Anschnitt zeigt Probe 1 feine dunkle Lagen, die in Probe 3 nicht mehr vorhanden sind (Vergleich siehe Abb. 8a/b). Im Dünnschliffbild wird dies ebenfalls deutlich: Hier überwiegen in Probe 1 längliche Minerale wie in der Schichtung eingeregelte längliche Quarze und Glimmer, die für das gute schichtparallele Aufspalten verantwortlich sind. In Probe 3 sind die Körner rundlicher und weisen weniger Glimmeranteile auf, so dass diese Sandsteine wesentlich homogener sind. Die Unterschiede werden auch in der Darstellung der Kornsummenkurve deutlich, die für Probe 1 gegenüber Probe 3 zu feineren Korngrößen verschoben ist (siehe Abb. 10a). Die Permeabilität von Probe 1 liegt um eine 10er Potenz niedriger als die von Probe 3 (siehe Abb. 10b). Versuche wie die kapillare Wasseraufnahme verdeutlichen die Auswirkungen dieser unterschiedlichen petrographischen Merkmale auf die praktischen Gesteineigenschaften: Probe 1 zeigt pro Zeiteinheit einen größeren kapillaren Aufstieg als Probe 3 (siehe Abb. 11). Noch ausgeprägter ist dieses Verhalten, wenn der kapillare Aufstieg mit der Schichtung erfolgt. Selbstverständlich bestehen Auswirkungen auch auf weitere gesteinstechnische Daten wie Wasseraufnahme und Druckfestigkeit und letztlich das Verwitterungsverhalten. Sedimentation im Gebiet des Stbr. Bärlocher Mauersteine roh, gespalten No.1 No.2 Bodenplatten roh gespalten No.3 1 A Material für Werkstücke No.4 Abb. 8a/b: Profil im Steinbruch Bärlocher mit Verwendung der Bänke und Probennummern für Untersuchungen 23

9 Prof. Dr. Roman Koch, Erlangen/Deutschland Abb. 9a: Detail des Rorschacher Sandsteins Probe 1, jeweils trocken und nass No.1 trocken No.1 naß 24

10 Rorschacher[Stein]Fachgespräch Abb. 9b: Detail des Rorschacher Sandsteins Probe 3 No.3 trocken No.3 naß 25

11 Prof. Dr. Roman Koch, Erlangen/Deutschland Erfolgreiche Qualitätsdifferenzierung Aufgrund dieser und weiterer Eigenschaften ist eine Differenzierung in unterschiedliche Qualitäten, wie sie beim Rorschacher Sandstein möglich ist, sehr sinnvoll. Der Abbau im Steinbruch Bärlocher und die nachfolgende Auswahl erfolgen in vorbildlicher Weise in Schichteinheiten, die den unterschiedlichen Anforderungen nicht nur im Garten- und Landschaftsbau sondern auch im besonderes sensiblen Bereich der Bildhauerarbeiten gerecht werden. Abb. 10a: Kornsummenkurve der Probe 1 / Probe 3 Abb. 10 b: Unterschiedliche Permeabilitäten der Probe 1 und 3, verdeutlicht anhand des Vergleiches der unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten 26

12 Rorschacher[Stein]Fachgespräch No. 1 No. 1 5 Min. 15 Min. No. 3 No. 3 Abb. 11: Vergleich des kapillaren Aufstiegs der Probe 1 / Probe 3 nach 5 und 15 Minuten 27