Interdisziplinäre Bausteinforschung: Wer Steine kennt, blickt in Vergangenheit und Zukunft

Schon 40 Jahre nach seiner Errichtung drohte das Nationaldenkmal Op den Dam, das den niederländischen Widerstand im 2. Weltkrieg symbolisiert, auseinander zu fallen. Senkrechte Risse erschienen, als ob unsichtbare Keile die Steinblöcke in Schichten aufzuspalten versuchten; eine Platte der Relief- und Figurengruppe war abgebrochen. Wie konnte der Travertin, ein Kalkstein, der sich beim Bau von Rom bewährt hatte, in Amsterdam in derart kurzer Zeit verwittern? Ließ sich die Zerstörung aufhalten, war das Denkmal zu retten? Problemen dieser Art widmet sich die Interdisziplinäre Bausteinforschung, ein Zusammenschluss von zehn Instituten und Lehrstühlen an der Universität Erlangen-Nürnberg. Auf der Fachmesse Stone+tec vom 24. bis zum 27. Mai im Nürnberger Messegelände (Halle 1, Stand 102) können Industrie und öffentliche Institutionen das breite Spektrum der Fachkenntnisse in dieser Kooperation und das Angebot an wissenschaftlich fundierten, praxisorientierten Dienstleistungen kennenlernen.

„Welche Eigenschaften Kalksteine und Sandsteine als Bau- und Werkstoffe zeigen, wird weitestgehend von ihrer frühesten Entstehungsgeschichte gesteuert“, erklärt Prof. Dr. Roman Koch, der Leiter der Arbeitsgruppe Faziesforschung-Bausteinforschung am Erlanger Institut für Paläontologie. Er fungiert als Kontaktperson für den Verbund, der sich auf diese Gesteinsarten spezialisiert hat. Als Partner dabei sind außerdem die Institute für Geologie und Mineralogie, für Geographie und für Anorganische und Allgemeine Chemie sowie die Lehrstühle für Glas und Keramik, für Kristallographie und Strukturphysik, für Angewandte Mathematik I, Angewandte Physik, Physikalische Chemie I und für Bayerische und Fränkische Landesgeschichte.

Im Brennpunkt verschiedener Wissenschaften

Sedimentgesteine, die durch die Verwitterung anderer Gesteine und aus Ablagerungen oder Abscheidungen von Organismen entstanden sind, haben auf ihrem langen Weg vom Lockersediment zum Gestein viele Bildungsphasen in geologischen Zeiträumen durchlaufen. Dabei werden die Gesteinseigenschaften besonders durch die frühesten Bildungsbedingungen (Primärfazies) geprägt. Unter hoher oder geringer Strömungsenergie des Wassers werden grobkörnige oder feinkörnige Sedimente angehäuft. In den kleinen freien Poren zwischen den Körnern (vergleichbar nassem Sand) werden bald nach der Ablagerung Minerale aus dem Wasser ausgeschieden, die zur ersten Verfestigung führen. Die weitere Verfestigung erfolgt während der Versenkung in größere Tiefen (mehrere 1000 Meter). Hier kann es durch tektonische Kräfte (Druck, Faltung, Verschiebung) zusätzlich zur Bildung von Rissen und großen Klüften kommen, die dann Schwächungszonen im Gestein darstellen. Nur die Zusammenschau aller Parameter erlaubt es, die heute vorliegenden bautechnischen Eigenschaften durch den Blick in die Vergangenheit der Sedimentgesteine erklären und ihr Verwitterungsverhalten vorhersagen zu können.

Geht es um Qualitätsmerksmale, Verwendbarkeit, Restaurierung und Konservierung solcher Steine, ist es deshalb verständlich, dass die Anlaufstelle bei den Geowissenschaften eingerichtet wurde. An der Universität Erlangen-Nürnberg erstrecken sich geowissenschaftliche Untersuchungen u. a. auf die räumliche Verteilung unterschiedlicher Gesteinsqualitäten und das tektonische Inventar von Steinbrüchen, auf die Korngrößen-Charakteristika von Sedimentgesteinen, ihre technischen Kenngrößen und ihre mineralogische Zusammensetzung.

Die Bandbreite anderer Fachrichtungen in der Interdisziplinären Bausteinforschung wirkt vielleicht überraschend, aber nur auf den ersten Blick. Sand- und Kalksteine, im Stadtbild oft vom Anblick her vertraut, sind Baustoffe von sehr komplexer Struktur. Wichtige Kenngrößen sind zum Beispiel die Durchlässigkeit für Wasser, die Speicherungsfähigkeit und der Sättigungsgrad, die durch die Form und Größe feinster Poren zwischen den Körnern gesteuert werden. Derartige Fragen zur Feuchte von Gesteinen fallen in die Zuständigkeit der Physik und der Werkstoffwissenschaften. Die Angewandte Mathematik kann hierzu Modelle von Porenräumen und deren Vernetzung erstellen, so dass kleinste Proben ausreichen, einen Baustein in dieser Hinsicht zu klassifizieren.

So brachte eine Kombination aus klimatischen Bedingungen und Gesteinseigenschaften das niederländische Nationaldenkmal an den Rand des Zerfalls. Der Travertin, der „Stein vom Tiber“, speichert in hohem Grade Feuchtigkeit, die in dem nördlichen Klima nie austrocknen konnte und unter anderem die Frostsprengung begünstigt. Intensives Trocknen der behandlungsbedürftigen Elemente und eine Durchtränkung mit Acrylharz im Vakuum (nach der Methode der Firma Jbach-Steinkonservierung in Bischberg) retteten das Denkmal, das rechtzeitig zum Nationalfeiertag am 4. Mai 1998 wieder intakt aufgebaut war.

Die Wechselwirkung verschiedener Konservierungsmittel mit der Gesteinsmatrix und den internen Strukturen eines Sedimentgesteins wird gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Physikalische Chemie untersucht. Mikrobiologen steuern Kenntnisse über die Folgen der Besiedlung von Werksteinen mit Pflanzen, Pilzen oder Bakterien bei. Langfristig ist an antimikrobielle Schutzschichten gedacht, die ein Objekt reinhalten können.

Die Kombination von geowissenschaftlichen Fragen und kulturhistorischen Aspekten in der Zusammenarbeit mit der Landesgeschichte ist eine Besonderheit der Erlanger Bausteinforschung. Welche Steinbrüche in der Umgebung in früheren Zeiten genutzt wurden, wohin die Steine transportiert und wie sie verbaut wurden, welche Farben und Strukturen den Vorzug erhielten – dies alles rundet sich zu einem Bild, das einen Teil der regionalen Identität ausmacht.

Aktuelles Projekt: Der Südturm des Ulmer Münsters

Für den rechten Ort den richtigen Stein auszuwählen, ist eine der zentralen Anforderungen, wenn historische Gebäude fachgerecht restauriert werden sollen. Eines der aktuellen Projekte der Erlanger Bausteinforschung ist darauf konzentriert. Im Auftrag von Dr. Ingrid Rommel, der Münsterbaumeisterin von Ulm – in Deutschland der ersten Frau in einer solchen Funktion – hat Prof. Koch nach Kalkstein gesucht, der in den Südturm des Gotteshauses ersatzweise eingefügt werden kann. An Rosetten im Helm des Turms zeigen sich deutliche Verwitterungserscheinungen, teilweise ist die steinerne Oberfläche abgeplatzt. Dieser Schaden soll auf adäquate Weise behoben werden.

Die Verzierungen sind aus einem hellen, gelblich- bis rosafarbenen Kalkstein angefertigt, der in Frankreich in der Nähe des Ortes Savonnières (in der Umgebung von Nancy) zu finden ist. Die runden oder ovalen Kalkkörner, die, abgeleitet vom griechischen Wort „Oon“ für „Ei“, als Ooide bezeichnet werden, geben dem Stein seinen Namen: Savonnières-Oolith. Zwei Steinbrüche, die heute noch solches Material anbieten, kamen in die engere Wahl, und der eingehende Vergleich der Gesteinsproben ergab, dass der gesuchte Typus darunter war. Auch wenn das Abbaugebiet damit gefunden ist, muss genau eingegrenzt werden, welche Stellen der Werksteinbank geeignete Blöcke liefern können, ohne dass Klüfte die Ausbeute einengen oder Qualitätseinbußen zu befürchten sind. Fehler bei der damaligen Auswahl einiger Kalksteine sollen nicht wiederholt werden. „Die verwitterten Teile der Rosetten sind aus minderwertigem Oolith“, urteilt Prof. Koch, „sonst wären sie heute nicht so stark angegriffen.“

Kenntnisse über die Entstehungsbedingungen des Savonnières-Ooliths vor 145 Millionen Jahren auf der einen, bautechnische und gesteinsphysikalische Daten aus neuester Zeit auf der anderen Seite ergänzen einander und machen es möglich, die beste Wahl zu treffen. Geländebegehungen in den Gesteinsvorkommen waren ebenso notwendig wie detaillierte Eigenschafts- und Verwitterungsanalysen an Proben des alten und neuen Gesteins im Labor. Das Projekt hat im Mai 2000 begonnen und wird noch in diesem Jahr abgeschlossen, doch weitere, ähnliche Arbeiten sind zu erwarten. „Die Renovierung des Südturms am Ulmer Münster soll in vier Jahren beendet sein“, berichtet Prof. Koch. Das Münster besteht aus sehr unterschiedlichen Steinen, die Ersatz von gleichem oder sogar höherem Wert verlangen; für die Bausteinforschung gibt es hier also ein weites Betätigungsfeld.

* Kontakt:
Prof. Dr. Roman Koch
Arbeitsgruppe Faziesforschung, Institut für Paläontologie
Loewenichstraße 28, 91054 Erlangen
Tel.: 09131/85 -22714, Fax: 09131/85 -22690
E-Mail: rkoch@pal.uni-erlangen.de