Dimensional Sandstones: Weathering Phenomena, Technical Properties and Numerical Modeling of Water Migration

Stipendiatin/Stipendiat: Dr. Heidrun Louise Stück

In der Natur tragen natürliche Prozesse der chemischen, physikalischen und biologischen Verwitterung zur Gefügeauflockerung und zur Zerstörung von Gesteinen bei, und ermöglichen damit gleichzeitig eine Genese neuer, andersartiger Gesteine. Die Produkte dieser Prozesse sind Sedimente, i.w.S. Sandsteine, aus denen ein Großteil des Deckgebirges Deutschlands besteht. Zum Erbau historischer Kulturgüter wurden meist auf regional vorkommende Gesteine zurückgegriffen, weswegen heute ein Großteil dieser Kulturgüter aus eben diesen Sandsteinen besteht. Im verbauten Zustand unterliegen die Sandsteine jedoch weiterhin natürlichen Verwitterungsprozessen, die über längere Zeiträume zu einem massiven Materialverlust und zur Zerstörung des Kulturguts beitragen können.Neben diesem natürlich bedingten Zerfall der Naturwerksteine sind es heute unter anderem veränderte Umweltbedingungen, wie antropogene Emissionen und Klimawandel, die zu einem beschleunigten Zerfall der Naturwerksteine führen, da diese direkt die beiden Hauptverwitterungsformen von Sandsteinen, hygrische Expansion und Salzverwitterung, beeinflussen. Um einen Schutz der Kulturgüter vor weiterer Schädigung durch die genannten Einflüsse zu ermöglichen, müssen die wirkenden Mechanismen und deren Wechselwirkung untereinander verstanden werden. Ein wesentliches Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die systematische Erweiterung der Kenntnisse über die Ursachen des hygrischen Quellprozesses von tonmineralführenden Sandsteinen sowie deren Abhängigkeit zum Salzgehalt und die Auswirkung der veränderten Umweltbedingungen auf diese Mechanismen.Erste Ergebnisse lassen einen Zusammenhang zwischen Ablagerungsmilieu der untersuchten Sedimente und ihren Materialeigenschaften der Sandsteine erkennen. Letztere beeinflussen maßgeblich das Material -und Verwitterungsverhalten der Gesteine. Untersuchungen der Verwitterungsformen im Gelände (Schloss Gleichen/ Thüringen), lassen neben der Abhängigkeit zur Lithologie ebenfalls eine Beeinflussung zur Exposition erkennen. Um den eventuellen Einfluss quellfähiger Tonminerale auf die hygrische Dehnung zu charakterisieren, werden zur Zeit Messungen der petrophysikalischen Eigenschaften und der hygrischen Dehnung an künstlich hergestellten Ton-Sand-Gemischen hergestellt. Besondere Aufmerksamkeit soll der Frage zur funktionellen Beteiligung der Tonminerale an der hygrischen Dehnung zukommen. Zurzeit existieren mehrere Modellvorstelllungen neben der Beteiligung von quellfähigen Tonmineralen, welche als Ursache bezüglich der hygrischen Dehnung angenommen werden. Die genauen Abläufe und die Interaktion der beteiligten Prozesse ist bisher weitestgehend ungeklärt. Durch den geplanten Versuchsaufbau können u.a. zusätzliche Informationen zu einem weiteren möglichen Einflussfaktor der hygrischen Dehnung, dem (Mikro-)porenanteil, gewonnen werden.Zusätzlich sollen die im Rahmen dieser Versuche erhobenen Daten zu vergleichenden numerischen Modellierungen der Feuchtigkeitsverteilung mit natürlichen Sandsteinen genutzt werden. Die Modellierung der Feuchtigkeitsverteilung beruht dabei auf den sich in Abhängigkeit vom Ton-Anteil der Prüfkörper verändernden gesteinstechnischen Parametern, wie beispielsweise der Porenradienverteilung und des Wasseraufnahmeverhaltens. Um weiterhin eine aussagekräftige Vorhersagbarkeit des Verwitterungsverhaltens von Sandsteinen über ihre petrophysikalische Eigenschaften zu ermöglichen, muss die Datengrundlage entsprechend statistisch repräsentativ sein. Dementsprechend sollen die eigens erfassten Daten von insgesamt zehn Sandsteinen zur Petrophysik mit bereits existierenden Daten (Literatur) statistisch aufbereitet werden.

Förderzeitraum:
01.01.2009 - 31.12.2011

Institut:
Georg-August-Universität Göttingen
Geowissenschaftliches Zentrum

Betreuer:
Prof. Dr. Siegfried Siegesmund

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Umweltinduzierte Schädigung von Kulturgütern aus Sandsteinen
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