Dr. Frank Winnefeld. Abteilung Beton/Bauchemie Überlandstrasse Dübendorf. Materials Science & Technology

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1 Dr. Frank Winnefeld Abteilung Beton/Bauchemie Überlandstrasse Dübendorf Materials Science & Technology

2 Inhalt Warum Merkblatt zu Kalkputzen? Inhalt des Merkblattes Beispiel: Trocken gelöschte Kalkmörtel nach historischem Vorbild Schlusswort 2

3 WTA-Merkblätter WTA-Merkblätter werden zu einem bestimmten Thema in Arbeitsgruppen erstellt, welche den entsprechenden WTA- Referaten untergeordnet sind. Arbeitsgruppen erfassen und bewerten in der Regel den derzeitigen Kenntnisstand und veröffentlichen diesen als Sachstandsbericht. Neue Erkenntnisse werden für die Anwendung in der Praxis zusammengefasst und in Form von Merkblättern veröffentlicht. Lücken in der Normierung sollen geschlossen werden. Merkblätter können Teil der Vertragsgrundlage zwischen Bauherr und Ausführendem werden. Merkblätter können Grundlage für eine Zertifizierung sein. 3

4 Warum Merkblatt zu Kalkputzen? Nikolaikirche, Stralsund (D) 13./14. Jhd. 4

5 Warum Merkblatt zu Kalkputzen? Mörtelkartierung (Bestand) Nikolaikirche Stralsund, Südturm Zahlreiche Schäden an den Kalkputzen 5

6 Kalkmörtel historische Beispiele Gerundeter Anschluss Boden-Wand Ältester Nachweis 7000 v. Chr. Yiftah El, Galilea, Israel Estrich m², Dicke mm Quelle: Concrete through the ages British Cement Association, 1999, Seite 2 6

7 Kalkmörtel historische Beispiele Rekonstruktion einer Fischerhütte an der Donau Hüttenboden 5600 v. Chr. Lepinski Vir, Jugoslawische Dicke 250 mm Republik roter Kalkstein 320 km Transport Quelle: Concrete through the ages British Cement Association, 1999, Seite 2 7

8 Kalkmörtel historische Beispiele Verwendung puzzolanischer Zusätze Cheops-Pyramide 2600 v. Chr. Giseh, Ägypten Cheops-Pyramide Kalkmörtel mit Ziegelmehl 8

9 Kalkmörtel historische Beispiele Verwendung hydraulischer Kalke 2500 v. Chr. Quelle: Asaga: Teikyo University, 2000 Dünnschliff Probekörper Druckfestigkeit ß D >15 MPa 9

10 Kalkmörtel historische Beispiele Verwendung puzzolanischer Zusätze Wasserbehälter 500 v. Chr. Camiros, Rhodos Quelle: Concrete through the ages British Cement Association, 1999, Seite 2 10

11 Kalkmörtel historische Beispiele Verwendung puzzolanischer Zusätze Pantheon n. Chr. Rom, Italien erbaut von Kaiser Hadrian 11

12 Kalkmörtel Lücken in der Normierung Baustoffe: EN 459: Baukalk EN 413: Putz- und Mauerbinder => Normierung des Bindemittels Kalkmörtel für Restaurierung können abweichende Eigenschaften haben EN 998-1: Festlegungen für Mörtel im Mauerwerksbau Teil 1: Putzmörtel) => Normierung des Putzmörtels gilt nicht für Baustellenmörtel, sondern für industrielle Produkte Ausführung: DIN V Putz und Putzsysteme Ausführung => gilt bei Verwendung von Putzen nach EN SIA V 242/1 Verputz- und Gipserarbeiten => Anforderungen an Putze, Hinweise zu Ausführung und Ausschreibungen beide Normen gelten nicht speziell für Kalkmörtel in der Denkmalpflege => Bedarf für ein Merkblatt, welches die Voraussetzungen für die Anwendung von Kalkputzen bei der Restaurierung historische Bauwerke darstellt. 12

13 Inhalt Warum Merkblatt zu Kalkputzen? Inhalt des Merkblattes Beispiel: Trocken gelöschte Kalkmörtel nach historischem Vorbild Schlusswort 13

14 Merkblatt - Inhalt 14

15 Eigenschaften (historischer) Kalkmörtel Kalkmörtel Zementmörtel Erstarren und Erhärten langsam rasch Festigkeit gering: 2-10 MPa hoch: MPa Verformbarkeit (E-Modul) hoch (gering: 5-10 GPa) gering (hoch: GPa) Schwinden hoch: 2-20 mm/m gering: 1 mm/m Feuchtedehnung gering: < 0.1 mm/m mittel: mm/m Porosität hoch gering Wasseraufnahme hoch und rasch gering und langsam Trocknen/Wasserabgabe rasch langsam Wasserdampfdiffusion hoch gering Frostwiderstand gering-mittel i.d.r. hoch Anpassung an historische Bauwerke Vergleich Kalkmörtel - Zementmörtel i.d.r. gut i.d.r. ungenügend 15

16 Eigenschaften (historischer) Kalkmörtel Verformbarkeit (E-Modul) / Festigkeit: historisches Bauwerk arbeitet in Abhängigkeit von Feuchte/Temperatur Kalkmörtel: kann die Bewegungen mitmachen Zementmörtel: zu spröde => Risse, Abplatzungen, Frostschäden 16

17 Eigenschaften (historischer) Kalkmörtel Porenvolumen / Vol.-% Porenradienverteilung Vergleich Kalkmörtel - Zementmörtel mittelalterlicher Kalkmörtel (NK 4) Zementmörtel (NK 12) < 0,03 0,03-0,1 0, > 50 Porenradius / µm Kapillarporen: Wassertransport 17

18 Eigenschaften (historischer) Kalkmörtel Feuchtigkeit im Bauwerk transportiert lösliche Salze => Ausblühungen (Verdunstung) Kalkmörtel: transportiert Feuchte und Salze Zementmörtel: zu geringer Feuchtigkeitstransport => Feuchtigkeit und Salze werden daher oft im Stein transportiert und blühen dort aus => Schäden NaCl-Ausblühungen 18

19 Zielsetzung des Merkblattes besondere Eigenschaften von Kalkmörteln, denkmalpflegerische Bedeutung häufig Unsicherheit in Bezug auf: Eigenschaften der Bindemittel bauphysikalische/-chemische Anforderungen am Objekt Praxiserfahrungen Langzeiterfahrungen Vermeidung von Schadensfällen Fokus auf flächigen Neuverputz (keine Konservierung historischer Putzflächen, keine Mauermörtel, keine Behandlung von Kalkputzen als Träger von Wandmalerei) 19

20 Der Begriff Kalk Kalk kann verschiedene Bedeutungen haben: Kalkstein, chemisch Calciumcarbonat, CaCO 3 Gestein, Ausgangsmaterial für die Kalkherstellung Branntkalk, chemisch Calciumoxid, CaO aus Kalkstein gebrannt muss zur Verwendung im Mörtel gelöscht werden Kalkhydrat = gelöschter Kalk, chemisch Calciumhydroxid, Ca(OH) 2 mit Wasser gelöschter Branntkalk Kalkmörtel wird aus Kalkhydrat unter Zusatz von Wasser, Sand und ggf. Zusätzen zum hergestellt 20

21 Herstellung von Baukalk - Übersicht Kalkstein: weitverbreitetes Mineral; kommt vor als -CaCO 3 - verunreinigt mit Magnesiumcarbonat (MgCO 3 ) - Dolomit (MgCO 3 CaCO 3 ) - Kalkmergel (tonhaltiger Kalk) Kalkstein wird bei C zu Branntkalk gebrannt: - Entsäuern der Kalke (Abgabe von CO 2 ) - bei den hydraulischen Kalken zusätzlich Reaktionen von CaO mit SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3 Wirksame Bestandteile der Baukalke sind: -CaO, MgO -SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3 (Hydraulefaktoren => hydraulische Kalke) 21

22 Luftkalke und hydraulische Kalke Baukalke unterscheiden sich in ihrem Erhärtungsverhalten: mit hohem CaO- und MgO-Gehalt: Carbonaterhärtung nach Anmachen mit Wasser Aufnahme von CO 2 aus Luft => Luftkalke zusätzlich mit SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3 : hydraulische Erhärtung Erhärtung nach Anmachen mit Wasser auch unter Wasser Erhärtung, rascher, höhere Festigkeiten => hydraulische Kalke 22

23 Der Kalkkreislauf Abbau Brennen Kalkstein Branntkalk Löschen Erhärten Gelöschter Kalk 23

24 Baukalk Normung EN CaO-Gehalt Druckfestigkeit 24

25 Herstellung und Erhärtung von Luftkalk CaO CaO CaCO CaO 33 natürlich CaCO 3 künstlich Branntkalk CaO -65,5 kj/mol Löschen H 2 O Löschkalk Ca(OH) 2 25

26 Herstellung von Baukalk früher Mörtelabdeckung unterer Teil eines Kalkofens, (Zypern, frühes Mittelalter) 26

27 Herstellung von Baukalk - heute Kalkwerk Hahnstätten (Schaefer Kalk, D) Schachtofen mit Gasfeuerung Steinbruch Löschen 27

28 Löschen von Branntkalk 0 Minuten 12 Minuten 18 Minuten 21 Minuten 60 C! 28

29 Erhärtung von Luftkalk - mikroskopisch Aufnahmen im Rasterelektronenmikroskop Kalkmörtel 90 d, CO 2 Calciumhydroxid Calciumcarbonat Kalkmörtel, nicht carbonatisiert 29 29

30 Der Kalkkreislauf - Reaktionsgleichungen Kalkbrennen CaCO 3 + Energie CaO + CO 2 Kalkstein Branntkalk + Kohlendioxid Kalklöschen CaO + H 2 O Ca(OH) 2 + Energie Branntkalk + Wasser gelöschter Kalk - Nasslöschen: mit Wasserüberschuss (Baustelle) - Trockenlöschen: nur die theoretisch benötigte Wassermenge (Kalkwerk) Erhärtung (Carbonatisierung) Ca(OH) 2 + H 2 O + CO 2 CaCO H 2 O gelöschter Kalk + Wasser + Kohlendioxid Kalkstein + Wasser: Baufeuchte - geringe Reaktionsgeschwindigkeit, wird beschleunigt durch Wärme, CO 2 -Zufuhr, Luftzirkulation - langandauernde Verfestigung, vollständige Carbonatisierung wird nicht erreicht: dicke Mauern z. T. auch noch nach Jahrtausenden nicht carbonatisiert 30

31 Hydraulische Kalke Luftkalke: hoher CaO-Gehalt, praktisch nur Carbonaterhärtung Hydraulische Kalke: weisen höhere Festigkeiten als Luftkalke auf Unterscheidung bei hydraulischen Kalken: - gebrannte hydraulische Kalke; Rohstoffe: Kalkmergel gegenüber Luftkalken höhere Gehalte an Hydraulefaktoren (SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3 ) - gemischte hydraulische Kalke Gemische aus Weisskalkhydrat mit Puzzolanen, Zement, etc. Erhärtung von hydraulischen Kalken - Carbonaterhärtung (wie bei Luftkalken) - zusätzlich hydraulische Erhärtung (wie bei Zementen) durch Reaktion der Calciumsilicate, -aluminate und -ferrate mit Wasser 31

32 Produkte der hydraulischen Erhärtung Calciumsilicathydrate (C-S-H-Phasen) => vgl. Zement 32

33 Festigkeitsentwicklung von Kalkmörteln Druckfestigkeit / N/mm² Feuchtlagerung 7 d 28 d 90 d n. m. Carbonatisierung 90 d Carbonatisierung + Wässerung 90 d CL90a CL90b CL80a CL80b NHL2a NHL5 KZM HydraulefaktorenFTW - Widerstand 33

34 Puzzolanische Zusatzstoffe zugemischte Hydraulefaktoren (Ca-Si-Al-Fe) reagieren mit dem Calciumhydroxid zu festigkeitsbildenden Hydratphasen Bsp.: Vulkanische Aschen (Trass u.a.), Schlacken, gebrannte Tone (z. B. Ziegelmehl) 0.1 mm Kalk 0.2 mm Kalk Hydratphasen Hydratphasen Ziegelmehl Eisenschlacke (Dünnschliffmikroskopische Bilder, gekreuzte Polarisatoren) 34

35 Inhalt Warum Merkblatt zu Kalkputzen? Inhalt des Merkblattes Beispiel: Trocken gelöschte Kalkmörtel nach historischem Vorbild Schlusswort 35

36 Anwendungsbeispiel Trockengelöschte Kalkmörtel mit Kalkspatzen weisse Einschlüsse ca. 3-5 Vol.-% Kalkspatzen Pyrgos, Santorin 36

37 Kalkspatzen mikroskopisch Selbstheilung von Rissen => Hohe Dauerhaftigkeit historischer Kalkputze 0.2 mm 37

38 Historisches Trockenlöschverfahren nach Kraus, Wisser, Knöfel: Arbeitsblätter für Restauratoren 22 (1989) Berechnen der zum Löschen notwendigen Menge Wasser, Einsatz von 110% des theoretischen Wertes (Verdunstung) Befeuchten des Zuschlags mit dem Löschwasser wechselweises Überschichten von stückigem Branntkalk (gebrochen auf ca mm) und nassem Sand Ablauf der Löschreaktion (je nach Kalk einige Stunden bis Tage, Temperatur beim Löschen ca. 150 C) Wasserzugabe bis zur gewünschten Verarbeitbarkeit, je nach Kalk weitere Lagerung für einige Tage (Vermeidung von Kalktreiben) => Sandkalk (nach Böttger) 38

39 Historisches Trockenlöschverfahren nach Kraus, Wisser, Knöfel: Arbeitsblätter für Restauratoren 22 (1989) wechselseitiges Überschichten von feuchtem Sand und stückigem Branntkalk => Sandkalk (nach Böttger) (Bilder: Ingenieurbüro Padberg und Partner, Brandenburg / D) 39

40 Korngrössenverteilung von gelöschtem Kalk heutiges Weißkalkhydrat oder hydraulischer Kalk Siebrückstand / M.-% hydraulischer Kalk mit nassem Sand gelöscht Weißkalkhydrat mit nassem Sand gelöscht < 0,09 0,09 0,2 0,63 1,25 2 Korngrösse / mm 40

41 Nachgestellter Kalkmörtel - Eigenschaften Vergleich Sandkalkmörtel Weisskalkhydratmörtel (gleicher Kalk, gleicher Zuschlag, gleiche Konsistenz), Lagerung 23 C / 65% r. LF, 1 Vol.-% CO 2 Kennwert Sandkalk- Mörtel Weißkalkhydrat- Mörtel Bindemittel/Zuschlag (Gew.-T.) 1:2,9 1:2,9 Wasser/Bindemittel-Wert 0,89 0,77 Schwinden / mm/m -9,2-15,5 dyn. E-Modul / N/mm Druckfestigkeit / N/mm 2 7,7 3,8 Biegezugfestigkeit / N/mm 2 1,6 0,9 Zugfestigkeit / N/mm 2 0,19 0,16 Frost-Tauwechsel-Widerstand hoch gering 41

42 Nachgestellter Kalkmörtel - Mikroskopie vollständig carbonatisierter Kalkspatz nach 90 d Lagerung bei 1 Vol.-% CO 2 Selbstheilung von Rissen (Dünnschliff, gekreuzte Polarisatoren) 0.5 mm 42

43 erbaut um 800 UNESCO Weltkulturerbe Torhalle Lorsch Einsatz von Sandkalken als Innenputz 43

44 Brandenburger Dom Domkirche St. Peter und Paul zu Brandenburg / D, erbaut ab

45 Kalkmörtel-Kurse in Graubünden Vals, 2004 / Valendas,

46 Inhalt Warum Merkblatt zu Kalkputzen? Inhalt des Merkblattes Beispiel: Trocken gelöschte Kalkmörtel nach historischem Vorbild Schlusswort 46

47 Schlusswort 47

48 Schlusswort 48