Brennprodukte von Tonen als Puzzolane für hydraulisch erhärtende Mörtel: früher und heute

Hier stelle ich die Thematik und einige wesentliche Ergebnisse meiner Dissertation vor.

Einleitung

Etwa 2000 Jahre alte römische Hafenmauern aus Gussmauerwerk, das Gesteinsbrocken, Ziegelsplitt, oder auch enthält, zeugen von der bereits in der Antike entwickelten Erkenntnis, dass Baukalke ohne hydraulische Anteile nur an der Luft, mit hydraulischen Anteilen oder geeigneten puzzolanischen Zusätzen auch im Wasser erhärten können.

Gebrannte Tone werden seit mindestens 1000 v. Chr. bis in die heutige Zeit als Bestandteile von Kalkmörteln und Betonen genutzt. Die vorliegende Dissertation untersucht das Kalkbindevermögen, die so genannte ‘Puzzolanität’, gebrannter und pulverisierter Tone.

Das Kapitel 2 dieser Dissertation erklärt den heutigen Begriff ‘das Puzzolan’, stellt ‘natürliche’ und ‘künstliche’ Puzzolane vor und erläutert die ‘Kristallstrukturbaupläne’ silicatischer Tonminerale sowie deren thermische Zersetzung, die die Puzzolanität der gebrannten Tone verursacht. Die Begriffe ‘natürlich’ und ‘künstlich’ werden in dieser Arbeit dem Alltagsgebrauch folgend verwendet; es werden aber auch diesbezügliche begriffliche Probleme diskutiert.

Puzzolane

Puzzolane sind silicatische oder alumosilicatische Stoffe, die wegen ihrer geringen Calciumoxidgehalte weder hydraulisch noch latent hydraulisch (nach alkalischer Anregung durch OH^- oder sulfatischer Anregung durch SO₄^2-) erhärten können, sondern erst durch chemische Reaktion mit Ca(OH)₂ (‘Calciumhydroxid’ oder baufachsprachlich ‘Weißkalkhydrat’) in Gegenwart von Wasser ein hydraulisch erhärtendes Bindemittel bilden. Einige Puzzolane sind amorph (z. B. Opal), andere weisen amorphe und kristalline Bestandteile (z. B. Trass) oder zersetzte Kristallstrukturen (z. B. Metakaolin) auf.

Die chemischen Zusammensetzungen der Baukalke, Zemente, latent hydraulischen Bindemittelzusätze und der Puzzolane werden häufig im RANKIN-Diagramm mit den Eckpunkten [CaO + MgO], [SiO₂] und [Al₂O₃ + Fe₂O₃] dargestellt. Im zeige ich die Zusammensetzungen dieser Materialien auf der Linie mit konstantem [SiO₂]/[Al₂O₃ + Fe₂O₃]-Verhältnis von 2:1. Die Tonerdezemente sind wegen ihrer anderen Zusammensetzungen (weitaus niedrigere [SiO₂]/[Al₂O₃]-Verhältnisse und niedrigere CaO-Gehalte) in dieser Darstellung nicht anzutreffen.

Die Puzzolane reagieren mit dem in den (durch Wasserzugabe ‘gelöschten’) Baukalken enthaltenen Calciumhydroxid oder in Puzzolan/Portlandzement-Mischungen mit dem Calciumhydroxid, das bei der Hydratation der Portlandzemente entsteht. In den Puzzolan/Portlandzement-Mischungen kristallisieren die Reaktionsprodukte (vorwiegend Calciumsilicathydrate) in den Poren des entstehenden Zementsteins und erhöhen dessen Dichtigkeit. Zudem werden Mörtel und Betone widerstandsfähiger gegen den Angriff von Säuren, sofern im Beisein von Wasser die Reaktionen mit Calciumhydroxid ablaufen konnten.

Die Kapitel 3 bis 6 sind in thematisch miteinander verbundene Abschnitte gegliedert, wobei die Kapitel 3 und 4 Literaturauswertungen und die Kapitel 5 und 6 eigene Laboruntersuchungen beinhalten:

Literaturauswertungen: Wissenszuwachs seit der römischen Zeit über die Puzzolane sowie über die Erhärtung der Puzzolanmörtel – Gebrannte Tone als Puzzolane

Das Kapitel 3 dieser Dissertation wertet einige Quellen der westeuropäischen Literatur zum Bauwesen und zur Chemie von der Antike bis zur Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert aus, die über Entwicklungsschritte des Wissens über die puzzolanische Reaktivität oder über Nutzungsmöglichkeiten von gebrannten Tonen – meist von Ziegel- oder Tonkeramikmehlen – vorwiegend als Puzzolane in Kalkmörteln und in Kalk enthaltenden Kitten Aufschluss geben. Die Ausgangssituation der Forschungen über Puzzolane und Mörtel im 19. Jahrhundert wird durch Erläuterungen zur Erkenntnisgewinnung über die Baukalke skizziert.

Das seit alters bekannte Ziegelmehl ist das erste von Menschenhand hergestellte ‘künstliche’ Puzzolan; ziegelmehlhaltige hydraulische Mörtel sind bis in die Zeit um 1000 v. Chr. nachgewiesen worden. Zum Einsatz von Ziegelmehl als Puzzolan in römischer Zeit existieren viele Architekturbeispiele und Literaturdokumente. Das Ziegelmehl wurde auch nach der Römerherrschaft als Puzzolan genutzt. Hier werden Quellen ab dem 13. Jahrhundert angeführt. Ferner werden in der Vergangenheit gebräuchlich gewesene Bezeichnungen für gebrannte Tone, die damit einhergegangene Begriffsverwirrung und der sonstige Gebrauch gebrannter Tone beschrieben. Diese Ausführungen sollen dazu anregen, durch die in den Natur- und Ingenieurwissenschaften eher unübliche Beschäftigung mit der historischen Fachliteratur den Fortschritt sowie Entwicklungen in einem Wissensgebiet bis zum heutigen Kenntnisstand kritisch darzustellen und dadurch für heutige Forschungen nutzbar zu machen.

Das Kapitel 4 dieser Dissertation erläutert die in Art und Umfang regional verschiedene Anwendung gebrannter Tone in Mörteln und Betonen im 20. Jahrhundert am Beispiel der Staaten Deutschland und Indien und gibt eine Übersicht der Forschungen zur Reaktivität der Brennprodukte von Tonen mit Weißkalkhydrat im 20. Jahrhundert bis hin zum heutigen Wissensstand.

Eigene Laboruntersuchungen Teil 1: Puzzolanität der gebrannten Tone; Untersuchung der Reaktivität gebrannter und ungebrannter Tone mit Calciumhydroxid

Das Kapitel 5 dieser Dissertation behandelt eigene chemische und baustofftechnische Laboruntersuchungen zur puzzolanischen Reaktivität überwiegend von gebrannten Tonen.

Mit nasschemischen Methoden sowie Untersuchungen zur Druckfestigkeit von feucht und in Wasser gelagerten Prüfkörpern wurde die Reaktivität von gebrannten und ungebrannten Tonen, auch Ziegelmehlen, Kaolinen und Bentoniten, mit Calciumhydroxid ermittelt. Die puzzolanische Reaktivität gebrannter Kaoline und Bentonite ist verschieden ausgeprägt. Ihre Untersuchung durch Messung der elektrischen Leitfähigkeit einer Ca(OH)₂-Lösung über dem Puzzolan sowie durch die Titration der Lösung über einer Portlandzement/Puzzolan-Paste liefert Ergebnisse, die im Kapitel 5 interpretiert werden.

Eigene Laboruntersuchungen Teil 2: Verfugmörtel mit und ohne Ziegelmehlanteil; Objektuntersuchung und Mörtelentwicklung

Das Kapitel 6 dieser Dissertation beschreibt chemische, mineralogische und baustofftechnische Untersuchungen an vorwiegend ziegelmehlhaltigen Verfugmörteln einer historischen Fassadenverkleidung aus Terrakottaplatten sowie die Entwicklung von eingefärbten Mörteln zur Fugenreparatur nach denkmalpflegerischen Anforderungen. Diese Tätigkeiten waren in das Projekt ‘Erhaltung historischer Terrakotten des norddeutschen Raums am Beispiel der Schlösser Schwerin, Basedow und Gadebusch’ des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie – des ‘BMBF’ – eingebunden.

Anlässlich der Forschungen zur Restaurierung und Konservierung der Terrakottaplatten des 19. Jahrhunderts an der Fassade des wurden aus einer Musterfläche am Giebel über dem Chor der Schlosskirche mehrere Mörtelproben, darunter vorwiegend ziegelmehlhaltige Verfugmörtel, entnommen. Von jeder Probe wurde die chemische und die mineralische Zusammensetzung sowie, wenn es aufgrund der Abmessungen möglich war, die Porosität und die Druckfestigkeit bestimmt. Auf den Ergebnissen dieser Untersuchungen aufbauend wurden Mörtel für die Instandsetzung der Fugen entwickelt und an die Eigenschaften der Terrakotten angepasst. Fünf der durch gebrannten Ziegelton oder durch Hochofenzement (in einem Fall zusätzlich durch zugemischten Branntkalk) modifizierten Kalkmörtel kamen an der Musterfläche am Schweriner Schloss zur Anwendung.

Zusammenfassung und Ausblick

Diese Dissertation behandelt die Verwendung und Beurteilung gebrannter und pulverisierter Tone als so genannte ‘künstliche’ Puzzolane früher und heute. Hierzu wurde zunächst eine historische Nachzeichnung der Anwendungen dieser Puzzolane und des Erkenntnisfortschritts in der Chemie der Puzzolanmörtel seit der Antike versucht. Darauf aufbauend wurde in Laboruntersuchungen das Kalkbindevermögen – die Puzzolanität – mehrerer ungebrannter und verschiedengradig gebrannter Tone mit besonderer Berücksichtigung des unterschiedlichen Verhaltens von Kaolinen und Bentoniten ermittelt. Ein baupraktisches Beispiel zum Einsatz gebrannter Tone in Mörteln ist in dieser Arbeit die Entwicklung ziegelmehlhaltiger Verfugmörtel nach denkmalpflegerischen Anforderungen für eine Fassadenverkleidung des 19. Jahrhunderts aus Terrakottaplatten im Rahmen der Restaurierungen am Schweriner Schloss.

Diese Literatur- und Laboruntersuchungen haben zu den im folgenden skizzierten Feststellungen geführt:

Literaturauswertungen: Wissenszuwachs seit der römischen Zeit über die Puzzolane sowie über die Erhärtung der Puzzolanmörtel – Gebrannte Tone als Puzzolane

(Kapitel 3 und Kapitel 4)

Gebrannte Tone sind unter Ausnutzung ihrer puzzolanischen Eigenschaft mindestens seit 1000 v. Chr. in wasserdichten Beschichtungen aus Kalkputzmörteln und seit römischer Zeit – in regional sehr verschiedenem Umfang – in den meisten Kalkmörtelarten sowie neben dem Ziegelsplitt auch in Estrichen und Betonen eingesetzt worden. Die durch Problemlösungen in der Baupraxis gewonnenen Erkenntnisse fixierte man bereits in der Antike schriftlich. Einige dieser Schriften sind bis in die heutige Zeit überliefert worden (so z. B. Abhandlungen von CATO d. Ä. ~155 v. Chr. und VITRUVIUS ~14 v. Chr.). Außerdem wurde in der Neuzeit durch archäologische Forschungen der Einsatz von gebrannten Tonen als Puzzolane für einen Zeitraum von – bis heute – mindestens 3000 Jahren bestätigt. Nach den Ergebnissen der Literaturuntersuchungen zum Kapitel 3 dieser Dissertation werden gebrannte Tone als Puzzolane nach dem Ende der römischen Herrschaftszeit in westeuropäischen Schriften zum Bauwesen zunächst wieder vereinzelt seit dem 13. Jahrhundert erwähnt. In den meisten deutschsprachigen Lehrbüchern des 19. Jahrhunderts zur Baustoffkunde werden sie als Komponenten von Kalkmörteln, Kitten, Estrichen und Betonen genannt. Die gebrannten Tone dienten in den Kalkmörteln und kalkhaltigen Kitten als Puzzolane, in den kalkfreien Kitten als Füllmaterialien, zudem in Mörteln, Estrichen und Betonen – vor allem in römischer Zeit – häufig auch gezielt als Ersatz für die Zuschlagstoffe Quarzsand bzw. Quarzkies.

Gebrannte und pulverisierte Tone waren früher in drei Erscheinungsformen als Puzzolane in Gebrauch: Das ‘Ziegelmehl’ stammt seinem Wortsinn gemäß von Ziegelsteinen, insbesondere von Mauerziegeln. ‘Zerstoßene Tonscherben’ kommen oft als Pulver von Dachziegeln oder – vor allem in der Antike – als gepulverte Scherben keramischer Geschirre vor. ‘Gebrannte Tone’ im direkten Sinn sind ohne den Umweg über die Weiterverwendung der Abfälle keramischer Produkte mindestens seit dem 18. Jahrhundert und in größerem Maßstab im 19. Jahrhundert gezielt für den Einsatz als Puzzolane gebrannt worden. Besonders in Frankreich dienten Tone im 19. Jahrhundert zusammen mit Kalksteinen auch zum Brennen ‘künstlicher’ hydraulischer Baukalke. Heute ist es üblich, neben dem eigentlich übergeordneten Begriff ‘Gebrannte Tone’ auch das Wort ‘Ziegelmehl’ als Oberbegriff für die hier beschriebene Gattung von Puzzolanen zu verwenden.

Die Vorstellungen von Autoren vergangener Jahrhunderte zur Chemie der Bindemittel sind bis ins 18. Jahrhundert hinein durch den über einen Zeitraum von vermutlich mehr als 2000 Jahren nicht mehr erweiterten Kenntnisstand der Antike zu den chemischen Vorgängen bei der Herstellung und Anwendung von Bindemitteln geprägt. Diese Kenntnisse sind beinahe ausschließlich durch die (zehn) ‘Bücher über die Architektur’ des VITRUVIUS (~14 v. Chr.) – bzw. durch spätere Abschriften – bis in die Gegenwart überliefert. Darin sind die vielleicht bereits erheblich älteren Vorstellungen erstaunlich durchdacht formuliert. CATO d. Ä. betont ~155 v. Chr. in seiner Abhandlung „De agri cultura“ (‘Vom Landbau’) allerdings irrigerweise, dass die Härte und die Reinheit der Kalksteine die ausschlaggebenden Faktoren für deren Eignung zur Bereitung von Baukalken für Mauerwerke seien. Diese Angaben des CATO d. Ä. sowie die Ausführungen des Vitruvius wurden später sehr oft abgeschrieben und noch bis zum Ende des 18. Jahrhunderts als anerkannte Lehrmeinungen verbreitet. Zwei Buchveröffentlichungen aus dem letzten Viertel des 18. Jahrhunderts – ein Reisebericht des Schweizers (1786) und ein bautechnisches Werk des Engländers (1791) – sind vermutlich die ersten Monographien, in denen die Erkenntnis, dass silicat- bzw. tonhaltige Kalksteine die Bereitung hydraulisch erhärtender Baukalke ermöglichen, korrekt formuliert wird. Smeaton’s großformatige Publikation über den Bau des dritten Edystone-Leuchtturms wird heute allgemein als grundlegend für die weiteren Entwicklungsschritte vom hydraulischen Baukalk bis zum Portlandzement angesehen. beschreibt 1774 in einem Aufsatz u. a. einen tonhaltigen Kalkstein mit auffälligem Eisengehalt, der zur Bereitung hydraulischer Baukalke genutzt wurde. Er äußert seine Vorstellungen über die Ursache der hydraulischen Eigenschaft mancher Baukalke – vermutlich unter dem Eindruck der damaligen, mit vielen Irrwegen belasteten Forschungen – sehr vorsichtig. ZIEGLER’s Formulierungen ist zu entnehmen, dass er die Bedeutung von Eisengehalten über-, die von Tongehalten aber noch unterschätzte.

Seit mindestens 3000 Jahren wird die Puzzolanität von Ziegelmehlen in großem Umfang baupraktisch genutzt, für wasserdichte Putze und Estriche sowie weitverbreitet im Wasserbau. Die Reaktivitäten von verschiedenen Puzzolanen mit Baukalken untersuchte man jedoch erst von der Mitte des 18. Jahrhunderts an im heutigen Sinn wissenschaftlich, zunächst durch Ermittlung des Erhärtungsverhaltens im Wasser. Chemische der hydraulischen Erhärtung puzzolanhaltiger Kalkmörtel werden ansatzweise zuerst in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts beschrieben. ZIEGLER nimmt 1774 an, dass gebrannte Tone sich generell ‘wie jede andere Kieselerde’ als Bestandteile hydraulischer Kalkmörtel eignen. Als ‘Kieselerden’ bezeichnet ZIEGLER 1774 die silicatischen (meist eisenhaltigen), zugleich puzzolanischen Stoffe wie z. B. den Trass. Im 19. Jahrhundert waren neben den chemotechnischen Forschungen zur Optimierung der Anwendungen von Puzzolanen zunehmend die Zusammensetzungen der Puzzolane sowie chemische Vorgänge bei der Bereitung ‘künstlicher’ Puzzolane und erstmals die Mineralumwandlungen während der Puzzolanmörtelerhärtung Themen chemischer und mineralogischer Forschungsarbeiten. Die physikochemischen Vorgänge bei der Erzeugung der Puzzolanität in Tonen bzw. in den darin enthaltenen silicatischen Tonmineralen sind jedoch auch heutzutage noch nicht vollständig aufgeklärt.

Weiterhin haben die Literaturauswertungen des Kapitels 3 folgendes ergeben: Nachdem Mörtel zuerst nur untergeordnet in Schriften zum Bauwesen erwähnt werden, erscheint im Jahr eine niederländische Abhandlung über Kalkmörtel und den Mauerwerksbau und im Jahr die erste (?) deutsche über Kalk- und Gipsmörtel. Im kurzen Zeitraum zwischen dem Erscheinen von ASTER’s Schrift über den rheinischen Trass im Jahr und SMEATON’s oben erwähnter Abhandlung im Jahr 1791 sind bereits bemerkenswert viele Monographien über die Baukalkherstellung und -anwendung bzw. über die Mörtelbereitung einschließlich der technisch-praktischen sowie physikochemischen Überlegungen zu diesem Themenbereich veröffentlicht worden. Deutschsprachige Wochenschriften und technisch-wissenschaftliche Organe präsentieren hierüber mindestens seit zahlreiche Aufsätze – 1755 z. B. einen mit der 1763 publizierten Monographie (s. o.) textgleichen Aufsatz von JACOBI. Viele Autoren empfehlen gebrannte Tone als puzzolanische Mörtelbestandteile. Ziegelmehle werden am häufigsten genannt, worunter manchmal allerdings die Mehle von Dachziegeln oder von keramischen Gefäßen verstanden werden. Oft wird auf eine hohe Reinheit der Tonsubstanz geachtet – so z. B. von einem Anonymus (s. dort den Abschnitt „Von der Wahl der Ziegelsteine, und gebrannten Erde.“). Einige der Autoren sehen die gebrannten Tone – im Fall der mit Quarzsand abgemagerten Tone und Lehme für die Ziegelproduktion zu Recht – als minderwertigere Ersatzstoffe für die vulkanischen Puzzolane an.

Heute ist der Gebrauch der gebrannten Tone als Puzzolane in den Industrieländern in den Hintergrund getreten, da hier die Portlandzemente genügend preiswert hergestellt werden können. Zur Verwendung als Puzzolane gebrannte Kaoline sind in Europa aber auch heutzutage als Zementzusätze in Gebrauch; diese Metakaoline weisen wegen der geringen Quarzmehlanteile erheblich stärkere puzzolanische Reaktivitäten als die Ziegelmehle auf. In Staaten mit reichhaltigen Tonvorkommen und großem Bedarf an preisgünstigen, unter Einbeziehung regionaler Verhältnisse herstellbaren Bindemitteln (z. B. in Indien) haben gebrannte Tone als Zementzusätze heute eine große Bedeutung.

Die Ausführungen im Kapitel 3 zeigen, dass die – europäische – Geschichte der Verwendung sowie der Erforschung der Puzzolanmörtel und des puzzolanischen Mörtelzusatzes Ziegelmehl – nach vorheriger Untersuchung der in diesem Themenbereich herrschenden Begriffsvielfalt – für die römische Zeit und für die Zeit ab dem 13. Jahrhundert gut aus historischen Schriften zum Bauwesen und zur Chemie ablesbar ist. Dies scheint sehr ähnlich für alle weiteren in der Vergangenheit als Mörtelzusätze zum Einsatz gekommenen Materialien zu gelten. Stets ist aber eine Untersuchung der einem Material zugeordneten Begriffe einschließlich der Verwechslungsmöglichkeiten mit anderen Inhalten erforderlich. Diese Dissertation untersucht insbesondere zeitliche Aspekte dieses Bereichs der europäischen Technikgeschichte. Am Beispiel des früher in den Niederlanden häufig anstelle des Ziegelmehls als Mörtelbestandteil eingesetzten Trassmehls werden ansatzweise auch regionale Zusammenhänge betrachtet.

Die im Kapitel 3.4 der Dissertation – hier für die gebrannten Tone – beschriebene Vielfalt von Begriffen für einen Gegenstand in den Bereichen Baustoffkunde und Chemie sowie die daraus entstandenen begrifflichen Unsicherheiten könnten im Rahmen der Fachdidaktik thematisiert werden. Außerdem können die vielen Begriffe für eine Sache (vgl. hier die Begriffe für das Material ‘Ziegelmehl’) zur Verdeutlichung ‘kontextgebundenen’ Lernens herangezogen werden, das auch in den Naturwissenschaften eine Rolle spielt. Man denke nur daran, welche unterschiedlichen gedanklichen ‘Zugriffsmodi’ naturwissenschaftliche Grundbegriffe wie ‘Gleichgewicht’ bei Physikern (‘Waage’) und bei Chemikern (‘Fließgleichgewicht’) aktivieren. Auf diese Weise könnte den Lernenden die Wichtigkeit eines auf Eindeutigkeit bedachten Sprachgebrauchs nahegebracht werden. Beispielsweise ist einem gegebenen Textzusammenhang nicht immer eindeutig zu entnehmen, was mit dem Wort ‘Kalk’ gemeint ist – reiner, ‘fetter’ oder mergeliger, ‘magerer’ Kalkstein?, Branntkalk?, gelöschter Kalk?, Luftkalk oder aber das Hydrat eines Luftkalks bzw. Weißkalkhydrat?, Wasserkalk?, Wasserkalkhydrat?, ‘Romankalk’ bzw. ein hochhydraulischer Kalk? Wissenschaftsgeschichtliche Betrachtungen eignen sich demnach auch dazu, auf derartige meist in sehr langen Zeiträumen ausgeprägte und in zahlreichen Fällen noch heute bestehende Kommunikationsschwierigkeiten hinzuweisen und zur Aufklärung dieser Gegebenheiten beizutragen.

Die Literaturauswertungen des Kapitels 3 zeigen, dass insbesondere historische Schriften sehr kritisch gelesen werden müssen: Ist eine wissenschaftsgeschichtliche Argumentation aus wenigen, auffälligen Textstellen entwickelt worden, die unaufmerksam den Textzusammenhängen entnommen worden sind, ist mit Fehldeutungen des Bearbeiters zu rechnen,

1. das Übersehen von Fehlern der Autoren und durch die Nichtbeachtung der in vielen Fällen abweichenden oder gegensätzlichen Angaben zeitgenössischer Autoren,

2. wegen der früher – zumindest nach heutiger Auffassung – oft sehr unklaren und damit missverständlichen Formulierung wissenschaftlicher Hypothesen und Erkenntnisse,

3. durch Fehler oder auch willkürliche Änderungen in Übersetzungen und Abschriften,

4. bei der Sichtung historischer Druckschriften generell durch die Annahme des Bearbeiters, dass die Druckereien die Manuskripte weitestgehend fehlerfrei übertragen haben.

Eigene Laboruntersuchungen Teil 1: Puzzolanität der gebrannten Tone; Untersuchung der Reaktivität gebrannter und ungebrannter Tone mit Calciumhydroxid

(Kapitel 5)

Im Kapitel 5 wird über verschiedene Laboruntersuchungen zur Ermittlung der Reaktivität gebrannter und ungebrannter europäischer Tone mit Calciumhydroxid berichtet.

Zunächst wurden Brennprodukte von Ziegeltonen und weiterer Tone – darunter eines Bentonits und eines Kaolins – hinsichtlich ihrer erwarteten Beiträge zur Erhärtung von Weißkalkmörteln untersucht. Druckfestigkeitsmessungen nach Lagerung bei 95 % relativer Luftfeuchte zeigten, dass die Anteile der Brennprodukte in diesen Mörteln mit 33,3 M.-% vom Bindemittel bei einem Bindemittel/Zuschlag-Verhältnis von 1:3 im Fall des Einsatzes gebrannter Ziegeltone offenbar zu gering waren, um höhere Druckfestigkeiten als mit entsprechenden Mörteln zu erzielen, die in Luft mit erhöhter CO₂-Konzentration (1 Vol.-% CO₂) gelagert worden waren. Lediglich mit dem Zusatz des 700-°C-Brennprodukts eines Kaolins wurden nach der Lagerung bei 95 % relativer Luftfeuchte höhere Festigkeiten als bei der Lagerung in Luft mit erhöhter CO₂-Konzentration erreicht. Die puzzolanische Reaktivität der niedrig gebrannten Ziegeltone scheint bei hohem Kaolinitgehalt etwa die Reaktivität des untersuchten Bentonits zu erreichen; sie ist aber auch dann erheblich geringer als die des untersuchten sehr reinen Kaolins.

In den Hauptversuchen wurde das puzzolanische Verhalten von ungebrannten und gebrannten Tonen und verwandten Schichtsilicaten sowie von einem Opal und einem Obsidian nasschemisch durch die Bestimmung des Kalkbindevermögens, durch die Ermittlung der Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit einer Calciumhydroxidlösung nach Zugabe der auf ihr mögliches puzzolanisches Verhalten zu testenden Substanz sowie durch Titration der Lösung über Portlandzement/Puzzolan-Pasten nach der Norm DIN EN 196-5 untersucht und die Anwendbarkeit der Methoden auf diese Proben ermittelt.

Der bereits für die Vorversuche verwendete Kaolin wurde durch Zumischen von Quarzmehl für vergleichende Untersuchungen zur Erhärtung von Pasten aus Weißkalkhydrat und Puzzolanen auch auf einen mit dem Quarzgehalt des hierzu verwendeten Bentonits vergleichbaren Quarzgehalt eingestellt.

Die Untersuchung der Reaktivität von ungebrannten und bis zu 1000 °C gebrannten Tonen und weiteren Stoffen mit Weißkalkhydrat dient zur Beurteilung dieser Stoffe als Zumahlstoffe zu Bindemitteln. Der Vergleich nasschemischer Verfahren mit Druckfestigkeitsprüfungen zeigt, dass nasschemisch sehr schnell Daten zur Reaktivität von Kaolinen gewonnen werden können. Die Messergebnisse an ungebrannten und gebrannten Bentoniten sind wegen deren Kationenaustauschvermögen irreführend. Sichere Aussagen ergeben hier nur die Druckfestigkeitsprüfungen. Dabei zeigte sich nach 90 Tagen Unterwasserlagerung von Prüfkörpern, die jeweils aus Roh- oder Brennprodukt der Tone und Weißkalkhydrat im Gewichtsverhältnis 3:1 herstellt wurden, die tatsächliche, bedeutend geringere Reaktivität des Bentonits. Der Kaolin wies nach dem Brand im Temperaturbereich von 500 °C bis 900 °C, der Bentonit nach dem Brand bei 800 °C die stärkste Reaktivität auf. In der historischen Literatur wird bis etwa Mitte des 19. Jahrhunderts sehr häufig der Einsatz von Pulvern hochgebrannter Dachziegel und keramischer Produkte als Puzzolan empfohlen (vgl. Kap. 3). Die in dieser Arbeit ermittelten reaktivsten Brennprodukte des Kaolins und des Bentonits sind jedoch heutzutage als niedriggebrannt zu bezeichnen. Diese Empfehlungen in der historischen Literatur beruhen deshalb wohl auf der größeren Reinheit der weitergehender aufbereiteten Dachziegel- und Töpfertone im Vergleich mit den durch Sand stärker abgemagerten Tonen, die zur Ziegelherstellung für den Mauerwerksbau Verwendung finden.

Nach den eigenen Laboruntersuchungen reagieren Kaoline erheblich stärker puzzolanisch als Bentonite. Es kommt demnach neben der Abmagerung der Ziegeltone mit Sand u. a. sehr auf die mineralische Zusammensetzung der verwendeten Ziegelmehle an. Für den Einsatz von gebrannten Tonen in Mörteln spricht auch, dass zum Brennen von Tonen weniger Energie erforderlich ist als zum Brennen von Zementklinkern. Weniger aufwendig ist auch das Mahlen ungesinterter und minder harter Brennprodukte.

Eigene Laboruntersuchungen Teil 2: Verfugmörtel mit und ohne Ziegelmehlanteil; Objektuntersuchung und Mörtelentwicklung

(Kapitel 6)

Im Rahmen der Forschungen zur Restaurierung und Konservierung der Außenterrakotta am Schloss Schwerin wurden historische (hauptsächlich aus dem 19. Jahrhundert stammende) Verfugmörtel – meist mit Ziegelmehlanteilen – und ein ziegelmehlhaltiger Putzmörtel beprobt und hinsichtlich ihrer chemischen und mineralischen Zusammensetzungen sowie wichtiger mechanischer Kennwerte untersucht. An Terrakottaausbauteilen wurden weitere Kenndaten zu deren Charakterisierung im Hinblick auf die Auswahl eines geeigneten Bindemittelsystems für die Entwicklung von Mörteln zur Instandsetzung der Steinfugen ermittelt. Damit wird hier ein Beispiel für die Untersuchung erhärteter Kalkmörtel und ein Anwendungsbeispiel für den Einsatz von gebrannten Tonen bzw. Ziegelmehlen in Verfugmörteln für denkmalpflegerische Anforderungen vorgestellt. Die Verfugmörtelentwicklung wurde nach dem Vergleich der Kenndaten der historischen Mörtel mit denen der Terrakottaausbauteile wie folgt vorgenommen:

In einer ersten Versuchsreihe wurden 24 Mörtelmischungen auf der Grundlage Wasserkalkhydrat (Baukalk CL  80) hergestellt: Das Bindemittel bestand zu jeweils 10 M.-%, 25 M.-% oder 40 M.-% alternativ aus Quarzmehl, drei gebrannten Tonen in Form von Mehlen oder Brechsanden oder einem Hochofenzement (CEM III/B 32,5-NW/HS). Die Effekte der gebrannten Tone waren allerdings gering und nicht eindeutig zu interpretieren: Wie erwartet, scheinen aber zunehmende Anteile (hier bis zu 25 M.-% des Bindemittels) der feingemahlenen Brennprodukte die Erhärtung der Mörtel zu fördern, zunehmende Anteile grobkörnigerer Brennprodukte die Festigkeit der Mörtel wegen ihrer geringeren Reaktivität aber zu erniedrigen. Diese Effekte waren vermutlich wegen der Lagerung an Luft bei lediglich wöchentlich zweimaliger Wässerung und dem relativ geringen Anteil in den Mörteln (Bindemittel/Zuschlag-Verhältnis 1:5) nur unsicher zu deuten. Zwei Mischungen mit 25 M.-% eines gebrannten Tons oder des Hochofenzements im Bindemittel wurden wegen ihrer hinsichtlich der Eignung zur Neuverfugung der Terrakotten insgesamt bereits positiv erscheinenden Eigenschaften zusätzlich modifiziert: Beide Mischungen wurden auch mit dem Zusatz eines Kunststoffredispersionspulvers untersucht – vorrangig zur Verbesserung der Haftung dieser Mörtel auf dem Untergrund. Der Mischung mit dem Hochofenzement wurde auch Hartbranntkalk zur Reduzierung des anfänglichen Schwindens zugesetzt. So konnten fünf Mörtelrezepturen an Außenmusterflächen in Siegen und Schwerin in ihrem Langzeitverhalten und damit in ihrer Verträglichkeit mit dem Terrakottamaterial beobachtet werden.

Die ziegelmehlhaltigen Mörtel, die zur Fugeninstandsetzung für die Außenterrakotten in Schwerin entwickelt wurden, wiesen erwartungsgemäß geringere Druckfestigkeiten als die alternativ zum Ziegelmehlzusatz unter Verwendung von Hochofenzement hergestellten Mörtel auf. Die puzzolanische Aktivität der Ziegelmehle wird – wie auch die Festigkeitsuntersuchungen an erhärteten Pasten aus gebrannten Tonen und Weißkalkhydrat gezeigt haben (vgl. Kap. 5) – bei dauernder Lagerung in Wasser am besten angeregt. Bei der Beurteilung von Ziegelmehlen hinsichtlich ihrer Eignung als reaktive Kalkmörtelbestandteile ist zu berücksichtigen, dass sie meist inaktive Zuschläge (in der Regel Quarzsande) enthalten, die zur Aufbereitung der Rohstoffe bei der Ziegelherstellung zugegeben werden müssen. Von Quarzanteilen gereinigter, gebrannter Kaolinit (Metakaolin) ist bedeutend reaktiver (vgl. Kap. 5). Hier wurde jedoch durch Feinmahlen niedriggebrannter Ziegeltone eine traditionelle Bereitung von Puzzolanen aus Ziegeln minderer Qualität (in diesem Fall aus so genanntem ‘Schwachbrand’) simuliert und die Festigkeitsentwicklung der damit hergestellten Kalkmörtel beobachtet. Die Messwerte lagen nur im Bereich der Messwerte der Vergleichsproben mit Quarzmehlzusatz. Diese Arbeiten wurden nach Beendigung der im Kapitel 5.1.2 der Dissertation beschriebenen Versuche begonnen; hätten bereits die im Kapitel 5.1.3 dargestellten Ergebnisse vorgelegen, wären allerdings kaolinitreichere Ziegeltone ausgewählt worden. Für weitere Versuche mit ziegelmehlhaltigen Mörteln wären höhere Ziegelmehlgehalte und/oder Ziegelmehle mit höheren Metakaolinanteilen zu empfehlen. An den Musterflächen in Siegen und Schwerin haben sich diese ‘Ziegelmehlmörtel’ dennoch insgesamt ebenso gut wie die übrigen – mit Zusatz von Hochofenzement statt mit ‘Ziegelmehl’ hergestellten – Mörtel bewährt, so dass bei geeigneten, niedrigen Temperaturen gebrannte Ziegeltone als Zusätze zu Kalkmörteln auch heute durchaus empfohlen werden können.

Martin Heide 2001