Zielsetzung & Anlass
Im Rahmen des Monitorings von Natursteinobjekten, das in Kombination mit angemessenen Pflegemaßnahmen wesentlich zum langfristigen Erhalt von Denkmalen beiträgt, spielen zerstörungsfreie Untersuchungen zur Festigkeit der Materialien eine elementare Rolle. In dem Zusammenhang kommt der Ultraschall-messung hinsichtlich der Bestimmung des Erhaltungszustandes der Natursteinob-jekte eine große Bedeutung zu. Die Verwitterung der verschiedenen Naturstein-arten, die zu großen Teilen anthropogen induziert ist (Schadstoffe in der Luft), geht mit dem Verlust von Bindemittel einher bzw. mit einer Auflockerung des Gefüges. Diese Phänomene äußern sich entsprechend den physikalischen Grundsätzen der Ultraschallmessung mit einer Minderung der Laufzeitgeschwindigkeit.
Allerdings ist im Rahmen verschiedener, auch durch die Deutschen Bundesstiftung Umwelt geförderter Projekte festgestellt worden, dass neben den zu erwartenden Geschwindigkeitsabnahmen auch immer wieder Geschwindig-keitszunahmen zu detektieren sind. Der Umstand beeinträchtigt die Aussagen hinsichtlich des Monitorings bzw. die Rückschlüsse bezüglich des Zustands erheblich. Diese Beobachtungen wurden bislang an Marmoren und auch an Sandsteinen gemacht. Der Feuchteeinfluss auf diesen Sachverhalt konnte durch Wolfram Köhler für Carrara Marmor nachgewiesen werden. Er war allerdings auch bei Sandsteinen zu vermuten. Die Erfahrungen bisheriger Projekte haben gezeigt, dass der Feuchtegehalt in einem Gestein dessen Ultraschallgeschwindigkeit in beträchtlichem Maße verändern kann. Für das Langzeitmonitoring ist es aber eine unabdingbare Voraussetzung, die Messwerte immer auf der Basis identischer Konditionen zu vergleichen. Dafür ist eine konkrete Kenntnis der Abhängigkeit der Ultraschallgeschwindigkeit von der Materialfeuchte erforderlich. Dieser Umstand gab Anlass für das vorliegende Forschungsprojekt. Wesentliches Projektziel umfasste zunächst die Ermittlung des konkreten Zusammenhangs zwischen der Materialfeuchte der für die Objekte der Stiftung Preußische Schlösser und Gärten (SPSG) relevanten Sandsteine (Varietät Cotta und Ummendorfer) und der Veränderung der Ultraschallgeschwindigkeit an diesen Materialien. Parallel zur Untersuchung an Probekörpern wurde an ausgewählten Skulpturen am Neuen Palais in Potsdam der Feuchtehaushalt im Sandsteingefüge und dessen Einfluss auf die Ultraschallmessung systematisch untersucht. Für die modellhaften Arbeiten wurden 8 repräsentative Sandsteinskulpturen aus den insgesamt 172 Erdgeschossskulpturen des Neuen Palais im Park von Potsdam-Sanssouci ausgewählt. Ein weiteres Projektziel bestand darin, eine Korrekturformel abzuleiten, mit deren Hilfe eine gemessene Ultraschallgeschwindigkeit auf einen normierten Vergleichszustand korrigiert werden kann. Auch wurde angestrebt, für frühere Messungen, sozusagen nachträglich, eine Korrelation der Außenfeuchte zur Innenfeuchte für unterschiedliche Materialien zu ermitteln. Anhand dieser Kenntnisse sollte ermöglicht werden, die vorhandenen Messwerte zu korrigieren.
Weiterhin sollte auf der Grundlage der Untersuchungen auch Sandsteinvarietäten (Porositätsabhängigkeit) herausgearbeitet werden, für die der Feuchteeinfluss auf die Ultraschallgeschwindigkeit eventuell vernachlässigbar ist bzw. zu welchen Klimabedingungen Messungen verlässlicher sind. Ein wesentliches Projektziel lag in der Optimierung der Ultraschallmessungen unter Beachtung der jeweiligen Materialfeuchte und die Erarbeitung einer verlässlichen Korrekturmöglichkeit der Messung. Es wurde darüber hinaus versucht, für die untersuchten Materialien einen Jahres- bzw. Tageskorridor abzuleiten, in dem Ultraschallmessungen ohne Korrektur ausgeführt werden können. Damit wäre bei weiterhin komfortabler Anwendbarkeit der Methode die Steigerung der Verlässlichkeit der Messungen und der Rückschlüsse (z.B. hinsichtlich des Monitorings) erreicht.
Arbeitsschritte & Methoden
Das von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderte Projekt begann auf Antragstellung von Wolfram Köhler im Jahr 2018. Weitere
Projektbeteiligte waren der Studiengang Steinrestaurierung
der Fachhochschule Potsdam, die Abteilung der Skulpturenrestaurierung der Stiftung Preußische Schlösser und Gärten (SPSG) und Prof. Rolf Snethlage. Das Projekt war zunächst für einen Zeitraum von drei Jahren angelegt. Es musste aufgrund der Coronasituation und darüber hinaus durch den Tod von Wolfram Köhler und Rolf Snethlage auf insgesamt 4 Jahre Projektlaufzeit verlängert werden. Der Hauptfokus des Projekts lag auf der Untersuchung der Feuchteabhängigkeit von Ultraschalllaufzeitmessungen an Sandstein und die Frage nach der Anwendbarkeit der Methode für ein Langzeitmonitoring. Als
Untersuchungsobjekte sind vor allem Skulpturen des Neuen Palais in Potsdam,
aus dem Verantwortungsbereich der SPSG, genutzt worden. Neben der bereits erwähnten erforderlichen zeitlichen Verlängerung der Projektlaufzeit ergab sich auch die Notwendigkeit der Anpassung des Untersuchungsprogramms. So wurde zu Beginn des Projekts ein Messstand in freier Exposition an der FH Potsdam installiert, an dem über die Projektlaufzeit an Blöcken aus Ummendorfer und Cottaer Sandstein in Abhängigkeit vom Außenklima und der Materialfeuchte automatisiert die Ultraschallgeschwindigkeit aufgezeichnet werden sollte. Die automatisierten Messungen zeigten sich allerdings als sehr störungsanfällig. Die Sensoren lösten sich immer wieder von der Oberfläche und konnten so keine zuverlässigen Daten mit gleichbleibenden Kopplungsbedingung liefern. Das Messprogramm wurde eben daraufhin angepasst. Weitere Untersuchungen erfolgten nunmehr an Bohrkernen, die im Labor auf bestimmte Luftfeuchtigkeiten konditioniert wurden. Durch das geringere Volumen der Bohrkerne konnte die Gleichgewichtsfeuchte leichter eingestellt bzw. kontrolliert werden. Erste Vorversuche erfolgten an kleinen Gesteinsprismen, um die Akklimatisierungszeit maximal zu verkürzen. Des Weiteren wurde zur Untersuchung der Trägheit der Feuchteaufnahme von großen Sandsteinkörpern (Skulpturen) gegenüber dem Außenklima eine Simulation der Feuchteverteilung durchgeführt. Die Arbeitsschritte des Projekts umfassten weiterhin selbstverständlich Recherchen zum aktuellen Forschungs- und Wissensstand zur Feuchtabhängigkeit von Ultraschallmessungen und flankierender Themen. Dabei fanden auch die bereits bei vorangegangenen Forschungsprojekten in Potsdam-Sanssouci an Marmorskulpturen (US-Geschwindigkeit und Klima) gewonnen Erkenntnisse Berücksichtigung. Weiterhin wurde die Klima- und Umweltsituation in Potsdam, dem Ort der Untersuchungen, ermittelt und ausgewertet (Installation von Datenloggern am Neuen Palais für die Temperatur- und Feuchtemessungen an den Sandsteinskulpturen und deren Auswertung über einen Jahreszyklus). Es erfolgte die Aufarbeitung und Erfassung der Objektdaten (Bestand und Zustand), insbesondere der Materialkennwerte der Skulpturensandsteine am Neuen Palais in Potsdam. Somit ist eine umfassende Datenbasis für die Sandsteinvarietäten Cotta und Ummerdorfer erstellt, auf deren Grundlage die Auswahl von insgesamt 8 Sandsteinskulpturen (vier große und vier kleine Skulpturen) für detaillierte Untersuchungen erfolgte. Neben den Skulpturen sind in den Laboren der FH Potsdam zahlreiche Probekörper einem intensiven Labormessprogramm zur Bestimmung der Materialkennwerte unterzogen worden, das im Zusammenhang mit der Bestimmung der Feuchteabhängigkeit der Ultraschallmessungen stand.
An den zahlreichen Proben aus Sandsteinen der Cottaer und Ummendorfer Varietät, die auch für die Skulpturen am Neuen Palais verwendet wurden, sind somit Messung bezüglich des Porenraums und der Feuchtetransporteigenschaften sowie Ultraschallmessungen an verschieden konditionierten Probekörpern ausgeführt worden. Neben den Zuständen "komplett durchfeuchtet" (Sättigungsfeuchte) und "trocken" sind die verschiedenen Proben, zu unterschiedlichen relativen Luftfeuchten konditioniert (0, 25, 50, 75, 85 100 % r.F.), anschließend Ultraschallmessungen unterzogen worden. Bei
angenommener Gleichgewichtsfeuchte wurde die Ultraschallgeschwindigkeit
gemessen. Das ausgesprochen kleine Probekörpervolumen wurde gewählt, um
die benötigten Wartezeiten zwischen den Messungen möglichst gering zu halten. Die Messungen erfolgten an 3 Probekörpern pro Varietät, jeweils an einem Messpunkt entlang der Längsachse. Die Messungen geben einen Trend wieder.
Die Objektarbeiten an den Skulpturen am Neuen Palais in Potsdam erfolgten klima- bzw. jahreszeitenabhängig. Die mehrmaligen Ultraschallmessungen erfolgten an ausgewählten Messpunkten an den Sandsteinskulpturen. Die Bewertungen der Messungen erfolgten an den Sandsteinskulpturen eben mit besonderem Hinblick auf den Einfluss der Feuchte auf die Ultraschalllaufzeiten und bezüglich der daraus zu ziehenden Rückschlüssen auf die Gefährdungsbeurteilung und die Ableitung notwendiger Konservierungsmaßnahmen.
Ergebnisse & Diskussion
Es war generell kein Einfluss der relativen Feuchte der Umgebungsluft auf die Ultraschallgeschwindigkeiten (nachfolgend vp genannt) zu erkennen. Eine größere Streuung bei Ummendorfer Sandstein bei 0% rH weist auf Inhomogenitäten des Materials hin. Bezüglich der gemessenen vp bei 0% rH und den bei 100°C getrockneten Proben war bei beiden Gesteinen kein Unterschied zu erkennen. Bei den wassergesättigten Proben kam es bei beiden Gesteinen zu einem deutlichen Abfall der vp, wobei bei Ummendorfer große Streuungen auftraten. Als mögliche Erklärung für den Abfall der vp bei Wassersättigung bei beiden Sandsteinen nennt Snethlage den Abfall des E-Moduls. Die vp steht in direktem Zusammenhang mit dem dynamischen E-Moduls. Bei Cottaer Sandstein sinkt bei Wassersättigung die Druckfestigkeit um 50 %. Aus den Ergebnissen schlussfolgerte Snethlage, dass im Gegensatz zu Messungen an Marmor klimatische Bedingungen, mit Ausnahme von direkter Beregnung, eine eher untergeordnete Rolle spielen und damit keine Korrektur notwendig sein wird.
Im Rahmen des DBU-Projekts wurde von Prof. R. Snethlage, mit Unterstützung
von Dr. R. Utz (Pro Denkmal), eine Simulation zum Feuchtetransport in Skulpturen
aus Cottaer Stein mittels der Software WUFI durchgeführt. WUFI dient der
Simulation der Verteilung von Feuchtigkeit in Bauteilen bei Exposition in einem
bekannten lokalen Außenklima. Es kann dabei die Verteilung in unterschiedlichen
Geometrien über den Verlauf mehrerer Jahre betrachtet werden. Die Simulation verdeutlichte u.a., dass es durch die Westorientierung der Niederschläge in Deutschland auch im Jahresverlauf zu einer stärkeren westseitigen Durchfeuchtung kommt. Fazit war, dass im Inneren von frei bewitterten Steinobjekten immer eine Zone mit erhöhter Feuchte besteht. Die Randbereiche werden bei Regenereignissen stärker durchfeuchtet und trocknen wieder vollständig auf die Gleichgewichtsfeuchte ab. Die Zone mit erhöhtem Wassergehalt im Inneren schwankte in einem Bereich zwischen 1,2 und 2,2 M.-% und war damit weit entfernt von der Sättigungsfeuchte. Es konnten aufgrund der Heterogenität des betrachteten Cottaer Steins anhand der Simulationen keine allgemeingültigen Aussagen getroffen werden. Dennoch wurden die in der Simulation gezeigten Trends als repräsentativ angesehen. Die Versuche, die im Rahmen des Projekts durchgeführt worden sind, haben insgesamt gezeigt, dass der im Gestein vorhandene Wassergehalt einen deutlichen Einfluss auf die vp hat. Die beiden untersuchten Sandsteine zeigten dabei ein sehr unterschiedliches Verhalten. Die Mediane der vp der Referenzmessungen an den
Skulpturen des Neuen Palais lagen bei beiden Varietäten im Bereich zwischen 2,7 und 3,1 km/s. In den meisten Fällen kam es bei den Herbst- und Wintermessungen zu einem Abfall der vp. Dieser war, anders als nach den Laborversuchen zu erwarten, bei den Skulpturen aus Ummendorfer wesentlich deutlicher ausgeprägt, als bei denen aus Cottaer. Beim Ummendorfer lagen die Abnahmen der Kennwerte im Winter mit 0,75 km/s bei bis zu 27%. Die Änderungen zwischen Sommer- und Frühlingsmessung waren bei beiden Gesteinen weniger signifikant. Bei der Auswertung der vp-Messungen fiel vor allem auf, dass die auftretenden Streuungen gesteinsspezifisch sehr unterschiedlich waren. Bei den Skulpturen aus Ummendorfer kam es bei der Untersuchung zum Teil zu Streubreiten von über 20%. Bei Cottaer waren die auftretenden Streuungen eher gering. Bei Messdistanzen über 40 cm traten vor allem beim Ummendorfer vermehrt deutliche Ausreißer nach unten auf. Unabhängig von diesen Ausreißern kam es bei Herbst- und Wintermessungen auch bei kleinen Messdistanzen vermehrt zu Abweichungen der vp nach unten. Die größten Abweichungen lagen auch hier bei Skulpturen aus Ummendorfer vor.
Zudem waren die an den einzelnen Messpunkten auftretenden Änderungen zwischen den Jahreszeiten sehr unterschiedlich. Bei den Laborversuchen lag der nach Tränkung erreichte Wassergehalt bei den kleinen Probekörpern bei 9% und bei den großen Probekörpern bei 6 bis 7%. Ein signifikanter Unterschied zwischen den Varietäten bestand nicht. In trockenem Zustand wiesen die Ummendorfer Proben höhere vp auf als die aus Cottaer Stein. Bei Tränkung kam es bei Cottaer zu einer Abnahme der vp zwischen 0,36 km/s und 0,55 km/s, was einer Abnahme von bis zu 19% entsprach. Bei Ummendorfer war der Abfall
der vp bei Tränkung mit bis zu 9% geringer und zum Teil nicht signifikant. Nach Ende der Tränkung hatten die großen Probekörper aus Ummendorfer Stein nach 3 Tagen bereits ihr Trockengewicht annähernd erreicht. Bei Cottaer Stein war die
Trocknung mit 6 Tagen deutlich langsamer. Bis zum 7. Tag der Trocknung war
beim Cottaer ein Anstieg der vp sichtbar. Die Schwankungen der vp bei 3 Wiederholungsmessungen innerhalb der selben Akklimatisierungsstufe waren mit
Öffentlichkeitsarbeit
Aufgrund der extrem widrigen Projektumstände, die insbesondere mit dem Tod des Bewilligungsempfänger Wolfram Köhler und dem Projektmitglied Prof. Rolf Snethlage verbunden waren, kam es während der eigentlichen Laufzeit des Fördervorhabens leider nicht zur konkreten Publikation der Zwischenergebnisse. Allerdings ist geplant, die abschließenden Projektergebnisse, die nun in Form der Masterthesis von Sarah-T. Becker vorliegen, zu publizieren und auf der Natursteintagung 2024 präsentieren. Auch für dem 15th International Congress on Deterioration and Conservation of Stone ist ein Artikel zu dem dargestellten Fördervorhaben in Planung.
Die Erfordernisse, die im Projektvorhaben bezüglich der Eignung des Ultraschallmessverfahrens für das Natursteinmonitoring und der damit verbundenen Messparameter formuliert worden sind, legen eigentlich den Bedarf nahe, das WTA-Kennblatt 3-18-14/D zum Natursteinmonitoring zu überarbeiten und dabei den Teil zur Ultraschalldiagnostik zu konkretisieren. Oder aber die Erstellung eines eigenen WTA-Merkblattes zur Ultraschalldiagnostik im Referat 3 Naturstein und Kunststein ist zu erwägen. Somit könnte eine verbindliche Anleitung bei der Anwendung dieses Verfahrens und damit eine belastbarerer Datenlage an den Denkmalobjekten erreicht werden.
Fazit
Die Versuche zur Feuchteabhängigkeit der Ultraschallmessungen im Labor ergaben, dass mit dem Ultraschalllaufzeitverfahren die für Monitoringmessungen nötige Genauigkeiten bei den beiden untersuchten Probegesteinen erreicht werden können. Auch aufgrund der geringen Schwankungen der Werte bei den Messungen der Skulpturen aus Cottaer Sandstein ist davon auszugehen, dass Gefügeveränderungen gut erfasst werden können. Das zeigt das Potential der Methode und bestätigt dessen prinzipielle Eignung auch für Messungen an Sandsteinobjekten. Die Untersuchungen des DBU-Projektes und der darin eingebetteten Masterarbeit von S.-T. Becker machen jedoch auch deutlich, dass sich die Messpraxis verbessern muss, damit Ultraschallmessungen nicht zu einem „aussagelosen Ratespiel“ degradiert werden, wie von Fleischer (2002) angemerkt.
Um Ultraschalllaufzeitmessungen an Sandsteinobjekten in der Zukunft weiter zu
verbessern, sollte perspektivisch der Frage nachgegangen werden, warum es
insbesondere bei Ummendorfer Sandstein unter Praxisbedingungen zu nicht reproduzierbaren Ergebnissen kam. Wünschenswert wäre es hierzu, in Zukunft den Porenraum verschiedener Sandsteine näher zu betrachten, um zu einem besseren Verständnis der Ultraschallausbreitung und in dem Kontext des unterschiedlichen Verhaltens verschiedener Sandsteine unter Feuchteeinfluss
zu gelangen. Bei den durchgeführten Untersuchungen an den beiden
Sandsteinvarietäten war der Einfluss der Signaldämpfung von größerer
Bedeutung als die feuchtebedingte Geschwindigkeitsänderung. Daher sollte der
Frage nachgegangen werden, warum und unter welchen Rahmenbedingungen
diese auftritt und wie hier gesteinsspezifisch auftretende Messfehler vermieden
werden können.
In Bezug auf die Verbesserung der Signalqualität und Genauigkeit bei der
auftretenden Dämpfung sind sicherlich auch Lösungen auf Hardware- und
Softwareebene der Messtechnik denkbar.
Die Ergebnisse des DBU-Projektes und der Masterarbeit von S.-T. Becker verdeutlichten, wie wichtig interdisziplinäre Zusammenarbeit bei den komplexen Fragestellungen ist, die bei dem Erhalt von Kunst- und Kulturgütern auftreten. So liefern Naturwissenschaftler*innen einen wesentlichen Beitrag bei der Entwicklung und Verbesserung von Untersuchungs- und Konservierungsmethoden. Der Blick aus der Praxis ist jedoch unersetzlich, um die richtigen (konservatorisch relevanten) Fragen zu stellen, Zusammenhänge zu erfassen und entsprechende Schlussfolgerungen ziehen zu können.
