Erlanger Beitr. Petr. Min Bilder, 3 Skizzen Erlangen 2013

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1 Erlanger Beitr. Petr. Min Bilder, 3 Skizzen Erlangen 2013 Kantenabplatzungen an Kalksteinplatten bei Verlegung im Dickbett TH. GRUNENBERG 1 Einleitung Die vorliegenden Untersuchungen behandeln Schäden an Bodenbelägen aus Kalksteinplatten in einem Hochhaus im arabischen Kulturraum. Die in der Dickbettmethode verlegen Bodenbeläge im Untergeschoss und Erdgeschoss weisen Abplatzungen in erheblichem Umfang an den Plattenrändern auf. Die ebenfalls in der Dickbettmethode verlegten Bodenbeläge aus dem gleichen Kalkstein in den darüber liegenden Geschossen des Hochhauses weisen keine Kantenabplatzungen auf. Es bestand daher zunächst der Verdacht, dass es sich um unterschiedliche Qualitäten des verarbeiteten Kalksteines handele. Die durchgeführten Untersuchungen wurden beauftragt, um die Ursachen der Schäden zu klären und Möglichkeiten zur Beseitigung der Schäden aufzuzeigen. 2 Augenscheinliche Feststellungen an den Belagsoberflächen a) Die Bodenplatten im Erdgeschoss bestehen aus einem hellbeigen Kalkstein. Der Natursteinboden ist durch Friese und Streifen aus einem braunen Marmor gegliedert. b) Das Format der Bodenplatten ist rautenförmig oder trapezförmig in unterschiedlichen Größen bis zu einer Länge von 80 cm. c) Der Bodenaufbau über der Stahlbetonplatte besteht laut Plandetail aus einem 50 mm dicken Zement/Sand-Gemisch, einem 20 mm dicken Zementmörtelbett und 30 mm dicken Kalksteinplatten. Auf der Rückseite der Steinplatten wurde eine zementäre Haftbrücke von 2-3 mm Dicke verwendet, um die Haftung zu verbessern. d) Die Fugen zwischen den Kalksteinplatten haben eine Breite von ca. 1 mm. Edelstahlschienen mit einer Breite von 10 mm dienen als optischer Akzent. Mit einer Höhe von 50 mm sind die Edelstahlschienen so hoch wie das Zementmörtelbett und die Kalksteinplatten. e) Bewegungsfugen sind in einer Breite von 10 mm und im Abstand von ca. 10 m angelegt. Das System der Bewegungsfugen ist unvollständig, da die Bewegungsfugen teilweise unvermittelt in den Belagsflächen enden. f) Die Kalksteinplatten im Untergeschoss und Erdgeschoss weisen Kantenabplatzungen in erheblichem Umfang auf. Die Beschädigungen liegen sowohl in Bereichen mit hoher Fußgängerfrequenz als auch in Randbereichen ohne Fußgängerverkehr vor. g) Beim Abklopfen der beschädigten Kalksteinplatten mit einem Kunststoffhammer klingen diese hohl. In Bereichen der Kantenabplatzungen sind Schwingungen an den Plattenrändern feststellbar.

2 34 Kantenabplatzungen an Kalksteinplatten bei Verlegung im Dickbett h) Mit der 2 m Latte sind im Bereich der beschädigten Plattenränder konvexe Verformungen mit einem Stichmaß bis 8 mm / 2000 mm nachweisbar. Die nachstehenden Fotoaufnahmen geben die Situation vor Ort wieder: Bild 1: Kantenabplatzungen an rautenförmigen Kalksteinplatten Bild 2: Kantenabplatzungen an trapezförmigen Kalksteinplatten Bild 3: Kantenabplatzungen an Bodenplatten aus braunem Marmor

3 Kantenabplatzungen an Kalksteinplatten bei Verlegung im Dickbett 35 Bild 4: Konvexe Verformungen bis 8 mm / 2000 mm 3 Bauteilöffnungen a) Zur Untersuchung des Bodenaufbaus wurden die Bodenbeläge an mehreren Stellen durch den Ausbau von Kalksteinplatten geöffnet. Nach dem Einschneiden der zementären Fugen zeigen die Kalksteinplatten einen guten Haftverbund zum Verlegemörtel. Die Steinplatten können nur mit großem Aufwand aus dem Mörtel gelöst werden. b) Auf der Rückseite der Steinplatten ist eine zementäre Haftbrücke aufgebracht. Die Dicke der Haftbrücke beträgt 2-3 mm. Die Lösung des Haftverbundes erfolgt teilweise im oberen Bereich des Verlegemörtels und teilweise zwischen Haftbrücke und Steinplatte. c) Die Dicke des Bodenaufbaus zwischen Naturstein und der Bodenplatte aus Stahlbeton beträgt 100 mm. Der starre Zementmörtel weist eine Dicke von etwa 70 mm auf. Unter dieser festen Schicht befindet sich eine Zement / Sand-Mischung von geringer Festigkeit, welche mit einem Metallwerkzeug ohne Kraftaufwand zerrieben werden kann. d) Die Bewegungsfugen reichen nur bis 20 mm in den Bodenaufbau. Darunter befindet sich eine kompakte Mörtelschicht. Die Bewegungsfugen haben daher keinen Einfluss auf die kompakte Mörtelschicht und sind daher ohne Funktion. e) Die Dicke des Zementmörtels und das Zement / Sand-Gemisch sind identisch mit den Bodenaufbauten im Untergeschoss und Erdgeschoss. f) Die Kalksteinplatten in den oberen Stockwerken haben rechteckige Formate und sind mit Kreuzfugen verlegt. g) Es wurde keine Haftbrücke und ein Verlegemörtel von geringerer Qualität und Festigkeit als bei den Bodenbelägen im Untergeschoss und im Erdgeschoss verwendet. h) Zum Zeitpunkt der Untersuchung gab es keine signifikanten Schäden an den Steinplatten in den oberen Etagen des Hochhausturms. Die Fotoaufnahmen auf den beiden nächsten Seiten zeigen die Details aus den Bodenöffnungen.

4 36 Kantenabplatzungen an Kalksteinplatten bei Verlegung im Dickbett Bild 5: Rückseite einer ausgebauten Kalksteinplatte mit sichtbarer Haftbrücke Bild 6: Die Dicke der zementären Haftbrücke beträgt 2-3 mm Bild 7: Die Bewegungsfugen durchdringen den Bodenaufbau nicht und sind daher ohne Funktion

5 Kantenabplatzungen an Kalksteinplatten bei Verlegung im Dickbett 37 Bild 8: Nur der unterste Bereich des Mörtelbetts besitzt keine nennenswerte Festigkeit Bild 9: Das Mörtelbett in den oberen Geschossen hat insgesamt eine geringe Festigkeit Bild 10: Das Mörtelbett in den oberen Geschossen hat insgesamt eine geringe Festigkeit

6 38 Kantenabplatzungen an Kalksteinplatten bei Verlegung im Dickbett 4 Erkenntnisse und Schlussfolgerungen Zementmörtel schwinden durch Hydratation und Trocknen, Natursteinplatten schwinden nicht. Aus diesem Grund verursacht das Schwinden eines zementären Verlegemörtels bzw. Estrichs Druckspannungen in den Steinplatten. Bei ausreichendem Spannungsaufbau und Ablösung vom tragenden Untergrund kann es zu einer konvexen Verformung des Belagsaufbaus kommen. Die entstehende Spannung hängt von der Dicke der Steine und des Verlegemörtels bzw. Estrichs und den Elastizitätsmoduln der verwendeten Materialien ab. Das Eigengewicht des Belagsaufbaus wirkt einer konvexen Verformung entgegen. Im vorliegenden Fall sind konvexe Verformungen der Steinböden bis zu 8 mm / 2000 mm vorhanden. Dies bedeutet, dass das Schwindmaß des verwendeten Zementmörtels groß genug und der Haftverbund zwischen Mörtel und Stein ausreichend hoch waren, um diese Verformungen zu ermöglichen. Ein schwacher Haftverbund zwischen Mörtel und Steinplatten würde zu einer Lockerung der Steinplatten führen. Höhere Zementanteile bewirken generell eine höhere Schrumpfung. Ein höherer Wasser / Zement-Wert bewirkt ebenfalls ein höheres Schwindmaß. Die geringe Festigkeit der Zement / Sand Mischung im untersten Bereich des Bodenaufbaus ermöglicht die konvexen Verformungen. Ein hoher Haftverbund zwischen dem verwendeten Zementmörtel und dem tragenden Untergrund aus Stahlbeton würde die Verformung verhindern. Die Skizze zeigt das Prinzip der konvexen Verformung. Bodenplatten mit zementärer Haftbrücke Zementmörtel hoher Festigkeit Zement/Sand Gemisch hoher Festigkeit Zement/Sand Gemisch niedriger Festigkeit Stahlbeton Bodenplatte Skizze 1: Schematische Darstellung einer konvexen Verformung eines Estrichs mit Natursteinbelag Bei auftretender Druckspannung in den Kalksteinplatten besteht ein hohes Risiko von Kantenabplatzungen an den Kalksteinplatten. Dieses Risiko wird zusätzlich erhöht durch unvermeidbare Unregelmäßigkeiten nicht exakt rechtwinklig geschnittener Bodenplatten, zu schmale und nicht vollständig gefüllte Zementfugen und verkippte Bodenplatten. Nachfolgend sind die angesprochenen Unregelmäßigkeiten schematisch dargestellt.

7 Kantenabplatzungen an Kalksteinplatten bei Verlegung im Dickbett 39 Nicht exakt rechtwinklig geschnittene Bodenplatten Unvollständige Fugenfüllung Verkippte Bodenplatten Skizze 2: Unvermeidbare Unregelmäßigkeiten bei der Verlegung von Bodenplatten Sogenannte Haarfugen mit einer Breite von maximal 1 mm bergen ein sehr hohes Risiko von Kantenabplatzungen, insbesondere bei der Verlegung im Verband. Aus den oben dargestellten Gründen werden zementäre Fugen in der Regel mit einer Breite von mindestens 3 mm ausgeführt. Die eingesetzten Fugenmörtel besitzen eine niedrigere Druckfestigkeit als die Steinplatten. Auftretende Druckspannungen würden daher zu einer Beschädigung der Fugenmasse und nicht zu Abplatzungen an den Steinkanten führen. Der Verlege- und Estrichmörtel in den oberen Etagen hat einen geringeren Zementanteil und ist sandiger, daraus resultiert eine geringere Festigkeit. Das Schwindvermögen des Mörtels ist daher geringer. In den oberen Etagen des hier untersuchten Hochhausturmes treten keine Kantenabplatzungen an den Kalksteinplatten auf. Die dort verwendeten Kalksteinplatten haben rechteckige Plattenformate und sind mit Kreuzfugen verlegt. Dies ermöglicht einen besseren Abbau von Druckspannungen als bei einer Verlegung im Verband. Die Kalksteinplatten in den oberen Etagen weisen aufgrund einer nicht vorhandenen Haftbrücke auf der Rückseite der Steinplatten einen geringeren Haftverbund auf. Druckspannungen führen daher eher zu einer Lockerung der Steinplatten als zu Kantenabplatzungen. Geringere Verkehrsbelastungen durch den fehlenden Einsatz schwerer Reinigungsmaschinen und geringeren Fußgängerverkehr in den oberen Etagen reduzieren das Risiko von Kantenabplatzungen.

8 40 Kantenabplatzungen an Kalksteinplatten bei Verlegung im Dickbett 5 Zusammenfassung In der Gesamtschau ergibt sich für die festgestellten konvexen Kantenabplatzungen ein System von mehreren Einflussfaktoren, wie in der nachstehenden Skizze dargestellt. Das Risiko von Kantenabplatzungen steigt mit dem Schwindmaß des Zementmörtels bzw. Estrichs, mit zu schmalen Zementfugen, nicht funktionsfähigen Bewegungsfugen und einem hohen Haftverbund zwischen Steinplatten und Mörtel sowie steigender Verkehrsbelastung. Kantenaplatzungen Mörtel- Schwinden Verkehrslast Fugenbreite Haftverbund Bewegungsfugen Skizze 3: Einflussfaktoren auf Kantenabplatzungen der untersuchten Kalksteinplatten