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Titelaufnahme

Titel
Bindemitteluntersuchungen an historischen Putzen und Mörteln aus Tirol und Südtirol / Anja Diekamp
VerfasserDiekamp, Anja
Begutachter / BegutachterinLukas, Walter ; Middendorf, Bernhard
Betreuer / BetreuerinLukas, Walter ; Mirwald, Peter W.
Erschienen2014
UmfangIX, 152, A71 S. : zahlr. Ill., graph. Darst., Kt.
HochschulschriftInnsbruck, Univ., Diss., 2014
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
Datum der AbgabeMärz 2014
SpracheDeutsch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Mörtel / Putz / Bindemittel / Dolomitkalk / natürlich hydraulischer Kalk
Schlagwörter (EN)mortar / plaster / binder composition / dolomitic lime / natural hydraulic lime
Schlagwörter (GND)Tirol / Südtirol / Putz / Mörtel / Bindemittel / Baudenkmal
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-889 Persistent Identifier (URN)
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Bindemitteluntersuchungen an historischen Putzen und Mörteln aus Tirol und Südtirol [77.05 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Gegenstand dieser Arbeit ist eine Studie der mineralischen Zusammensetzung historischer Bindemittel von Putzen und Mörteln aus Tirol und Südtirol. Es wurden ca. 400 Proben aus der Spätantike bis hin zum Barock von 40 Objekten wie Kirchen, Burganlagen und Ruinen untersucht. Die Phasenzusammensetzung der Bindemittel wurde mittels Pulverröntgendiffraktometrie (XRD) und Differenzthermoanalyse (DTA/TG) bestimmt. Weiterführende Untersuchungen wurden an Dünnschliffen mittels Polarisationsmikroskopie, Mikro-Ramanspektroskopie und Fourier-Transformierter Infrarotspektroskopie durchgeführt. Strukturelle Eigenschaften wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie an Bruchstücken untersucht.

Zwei wesentliche Bindemitteltypen können unterschieden werden: (1) Dolomitkalkmörtel mit den Bindemittelphasen Brucit Mg(OH)2, Hydromagnesit Mg5(CO3)4(OH)2 . 4H2O, Magnesit MgCO3 und amorphe und/oder schlecht kristalline wässrige Mg-Phasen neben Calciumkarbonat CaCO3; (2) Kalk- bzw. Dolomitkalkmörtel mit hydraulischen Anteilen wie Calciumsilikathydratphasen (CSH-Phasen) und Calciumaluminathydrat- bzw. Karboaluminat-Phasen (AFm-Phasen).

Ausgangsmaterial für Dolomitkalkmörtel ist Dolomit oder dolomithaltiger Kalkstein, der im Untersuchungsgebiet sehr weit verbreitet ist. Während des Brennens entstehen Calciumoxid CaO und Magnesiumoxid MgO, die während des Löschvorgangs zu Portlandit Ca(OH)2 und Brucit Mg(OH)2 hydratisieren. Ca-Anteil und Mg-Anteil binden unabhängig und in unterschiedlichen Geschwindigkeiten voneinander ab. Während Ca(OH)2 relativ rasch zu CaCO3 karbonatisiert, ist die Bildung von Mg(OH)2 zu MgCO3 kinetisch verzögert bzw. verhindert. Sowohl koexistierendes Auftreten von Hydromagnesit und Magnesit sowie von Brucit und Magnesit als auch texturelle Besonderheiten in Dünnschliffen wie fleckenförmige Aufkonzentrationen, Liesegang‘sche Ringstrukturen, sphärolithische und dendritische Strukturen, die mit den Mg-Phasen in Zusammenhang stehen, deuten auf ein Mineralwachstum in einem Ungleichgewichtssystem unter offenen Bedingungen hin. Die Kristallisation der Mg- Phasen startet mit einer lokalen Übersättigung und es fällt zunächst eine metastabile Phase wie amorphes, wässriges Mg-Karbonat oder Hydromagnesit aus. In weiteren Lösungs-, Diffusions- und Kristallisationsprozessen wird allmählich der stabile Magnesit gebildet. Über die Bildung von verschiedenen, metastabilen Zwischenphasen wird die hohe Aktivierungsbarriere der direkten Umwandlung von Brucit zu Magnesit unter atmosphärischen Bedingungen überwunden. Dieser Prozess erfolgt über sehr lange Zeiträume und ist teilweise auch nach mehreren Jahrhunderten noch nicht abgeschlossen.

Ausgangsmaterial für natürlich hydraulische Mörtel ist Kalkstein oder dolomithaltiger Kalkstein mit tonigen bzw. mergeligen Verunreinigungen. Bei einem Brennvorgang mit Temperaturen < 1000 C bilden sich amorphe, puzzolanisch wirkende Al- und Al-Si-Phasen sowie hydraulisch reaktives - und -Belit (C2S bzw. Ca2SiO4). Wenn entsprechend hohe Brenntemperaturen erreicht werden und ein Angebot an Alkalien wie Na und K vorliegt, können sich durch lokale Schmelzvorgänge silikatreiche, puzzolanisch wirkende Gläser bilden. Diese puzzolanisch bzw. hydraulisch wirksamen Phasen reagieren mit Ca(OH)2 bzw. hydratisieren zu AFm-Phasen und silikatreiche C SH-Phasen. Anschließende Karbonatisierung von CS-H-Phasen führt zu einer Bildung von amorphen Silicagel und der CaCO3-Modifikation Aragonit, wie in Reaktionssäumen um puzzolanisch wirkende Gläser gezeigt werden konnte.

Diese speziellen Mineralphasenkombinationen in den historischen Bindemitteln sind wesentlich, um (1) die sehr gut erhaltene Substanz und Dauerhaftigkeit vieler mittelalterlicher Putze und Mörtel in der untersuchten Region zu erklären; (2) spezielle Effekte atmosphärischer Einflüsse wie die Anfälligkeit von Dolomitkalkmörteln auf SO2- verunreinigte Luft oder die Karbonatisierung von hydraulischen Phasen zu verstehen; (3) auf die Bedingungen abgestimmte Restaurierkonzepte zu entwerfen.

Zusammenfassung (Englisch)

The topic of this thesis is a study of the crystalline and non-crystalline solid phase composition of medieval mortars and plasters from the late Antique to Baroque periods. Approximately 400 samples from 40 different churches, castles and remains thereof in Tyrol, Austria and South Tyrol, Northern Italy, were studied.

The following analytical methods were used: (1) thin section petrography, (2) X-ray powder diffraction, (3) differential thermal analysis, (3) electron microprobe analysis, (4) scanning electron microscopy, and (5) Raman- and FTIR-spectroscopy.

The samples investigated can be divided into two major groups: (1) samples containing Mg-Phases involving brucite Mg(OH)2, hydromagnesite Mg5(CO3)4 (OH)2 . 4H2O, magnesite Mg(CO3) and amorphous and/or poorly crystalline (hydrous) phases without significant amounts of hydraulic phases and (2) samples with hydraulic phases such as AFm- and CSH-phases in addition to variable proportions of calcium-carbonate CaCO3 and/or Mg-phases.

The starting material for the Mg-phase-containing mortars is thought to be dolomite or dolomite-containing limestone, which is available in abundance from widespread occurrences in investigated area. The formation of the various assemblages in the binders of this type is explained by the following model: During firing, dolomite CaMg(CO3)2 decomposes to calcium oxide CaO, magnesium oxide MgO and carbon dioxide CO2. Slaking forms portlandite Ca(OH)2 and brucite Mg(OH)2. Setting then leads to non-contemporaneous and independent carbonation of portlandite and brucite. Unlike portlandite that quickly reacts to form calcite CaCO3 providing sufficient humidity and CO2- supply, magnesite formation is delayed or may be even inhibited in favour of the formation of hydrous magnesiumcarbonate phases. Coexisting of magnesite + hydromagnesite and magnesite + brucite along with textural features such as liesegang rings, spherules and dendrites and the spot-like concentration of Mg-phases indicate mineral growth under disequilibrium conditions in an open system. The nucleation of the Mg-Phases starts with local oversaturation in the pore fluid and is enhanced by nonlinear reaction-diffusion processes in a first step to overcome the activation barrier for magnesite formation under atmospheric conditions. It is important to emphasise that magnesite as the stable phase does not form directly from the pore fluid but through a succession of precursor reactions involving metastable hydrous Mg-phases. This process make take centuries to go to completion or may even be inhibited as evidenced by the widespread presence of hydromagnesite and the occasional lack of magnesite.

The starting materials for samples with hydraulic phases are limestones or dolomitic limestones containing clay impurities (argillaceous limestone). During firing at temperatures < 1000 C, amorphous and pozzolanic Al- and Al-Si-phases and hydraulically reactive - and -belite (Ca2SiO4) is formed. If firing temperatures are sufficiently high and Na and/or K are present, partial melting may occur forming alkali-silicate-glass that may also act as a pozzolan. These phases then hydrate to form AFm and Sirich CSH-Phases. Subsequent carbonation may occur as evidenced by mixtures of CSH-phases, calcite, aragonite and amorphous SiO2 forming reaction rims around glass relicts.

The very special combination of calcite with Mg- and/or hydraulic phases is vital: (1) to explain the pristine state of preservation and excellent durability of many medieval mortars and plasters in the investigated region; (2) to explain specific effects of atmospheric impact such as the vulnerability of dolomitic lime to SO2-polluted air and chemical alterations due to carbonation of CSHphases; (3) to develop taylor-made restoration concepts.