Salzreduzierung

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Autor: Hans-Jürgen Schwarz

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Abstract

Liegt eine erhöhte Salzbelastung vor, ist die Reduzierung dieser das Mittel der Wahl, um damit umzugehen. Salzreduzierungsmaßnahmen beinhalten die Möglichkeiten der Kompressenentsalzung, alleine oder in Kombination mit anderen Verfahren. Weitere Optionen sind die Salzreduzierung im Wasserbad sowie die durch elektrischen Strom unterstützten Möglichkeiten. Bei der Wahl des Verfahrens hat der Schutz des Objektes immer erste Priorität. Durch geeignete Untersuchungen ist der Erfolg einer Maßnahme sicherzustellen.

Einführung

Unter Salzreduzierung versteht man die Entfernung von Salzen und salzbildenden Ionen aus dem Porengefüge von porösen Stoffen, Natursteinen (Sandsteine, Kalksteine, Tuffe usw.), Ziegel oder Terrakotta, Putze und Wandmalereien in situ am Objekt oder aber an beweglichen Objekten in der Werkstatt.

Die am häufigsten anzutreffenden Salze sind Sulfate (Gips CaSO42H2O, Mirabilit (Thenardit) Na2SO4•10H2O (Na2SO4), Magnesiumsulfate (MgSO4•7H2O u.a), Chloride (NaCl u.a.) und Nitrate (Nitrokalit KNO3 u.a.). Im Einzelfall können mehrere Salze nebeneinander und eine Vielzahl von salzbildenden Ionen in der Porenlösung vorliegen.

Salze zerstören das Gefüge der porösen Stoffe und führen z. B. zum Absanden mit teils hohem Materialverlust. Die Zerstörung und das Schadensbild sind abhängig von den kristallisierenden Salzen, der Konzentration der Salzlösungen und dem Umfeldklima. Besonders schädlich sind Klimaschwankungen um die Deliqueszenzfeuchte der sich bildenden Salze. Daneben können wasserlösliche Salze sich auch auf Konservierungsmaßnahmen wie Festigung, Hydrophobierungwasserabweisende Ausrüstung eines Materials, Anstrich oder Verputz negativ auswirken bzw. diese Maßnahmen unmöglich machen. Aus diesen Gründen ist für den Erfolg und die Dauerhaftigkeit einer Maßnahme die Reduzierung des Salzgehaltes eine unabdingbare Voraussetzung.

Die Salzreduzierung kann auf mehrere Arten erfolgen [Sawdy.etal:2006]Titel: Desalination-rubbing salt into the wound?
Autor / Verfasser: Sawdy, Alison; Heritage, Adrian
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. Auf den Einsatz von Putzen/Mörteln bei salzbelasteten Materialien [Auras:2008]Titel: Poultices and mortars for salt contaminated masonry and stone objects
Autor / Verfasser: Auras, Michael
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wird an anderer Stelle eingegangen.

Entsalzung im Wasserbad

Diese Methode ist nur bei Objekten durchführbar, welche in eine Werkstatt transportiert werden können, im Regelfall also bei Skulpturen und Objekten, die zu einer Restaurierung abgebaut werden können.

Das mit Salzen belastete Objekt wird in ein Bad mit kaltem oder leicht erwärmten Wasser gelegt. Das Wasser kann umgewälzt und dabei entsalzt werden. Im einfacheren Fall wird das Wasser von Zeit zu Zeit ausgetauscht. Die Wirksamkeit der Salzreduzierung wird durch Messung der Leitfähigkeit des Wasserbades kontrolliert [Franzen.etal:2008]Titel: Water bath desalination of sandstone objects
Autor / Verfasser: Franzen, Christoph; Hoferick, Frank; Laue, Steffen; Siedel, Heiner
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[Hoferick.etal:2006]Titel: Entsalzung von Skulpturen aus Elbsandstein im Wasserbadverfahren
Autor / Verfasser: Hoferick, Frank; Laue, Steffen; Siedel, Heiner
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.

Grad und Geschwindigkeit einer Salzreduzierung sind abhängig von der Größe des Objektes, der Materialart (z.B. feinporig oder grobporiger Stein), der Art der Salze und salzbildenden Ionen, deren Menge und Verteilung im Porengefüge. Oberflächennah konzentrierte Salze werden schneller entfernt als die aus tiefer liegenden Bereichen. Allgemein muss bei lebensgroßen Figuren mit mehrwöchigen bis mehrmonatigen Anwendungen gerechnet werden.

Salzreduzierungen im Wasserbad haben bei Eignung des Objektes generell gute Erfolgsaussichten. Besondere Risikofaktoren sind:

  • die totale Durchfeuchtung des gesamten Porengefüges, Gefährdung von Farbschichten;
  • bei fortgeschrittenem Zerstörungsgrad: durch das Wasser wird die mürbe Oberfläche abgelöst;
  • liegen Salze vor, die in mehreren Hydratstufen vorliegen können, so können Hydratationssprengungen ausgelöst werden, die zu Substanzverlust führen.

Eine Vorfestigung bei mürben Oberflächen mit geeigneten Festigungsmitteln ist u.U. möglich (z.B. KieselsäureesterEster der Orthokieselsäure mit der allgemeinen Formel (Si(OR)4)). Die Salzreduzierung kann dadurch z.T. erheblich verzögert werden.

Salzreduzierung durch Kompressen

Die "Kompressenentsalzung" [WTA_3-13-01_D:2003]Titel: WTA-Merkblatt 3-13-01 D, Zerstörungsfreies Entsalzen von Naturstein und anderen porösen Baustoffen mittels Kompressen
Autor / Verfasser: WTA_3-13-01 D
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beruht auf dem Prinzip, Salze in Wasser zu lösen und aus dem salzbelasteten, porösen, mineralischen Baustoff in die Kompresse zu transportieren [Sawdy.etal:2010]Titel: Optimizing the extraction of soluble salts from porous materials by poultices
Autor / Verfasser: Sawdy, Alison; Lubelli, Barbara; Voronina, V.; Pel, Leo
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. Der Transport von gelösten Salzen kann sowohl durch deren Eigenbewegung als auch durch die sich bewegende Flüssigkeit erfolgen. Eine Flüssigkeitsbewegung wird durch einen Feuchtegradienten (Kapillartransport) oder durch Temperatur-, Dichte- und Druckgradienten (Konvektion) ausgelöst, wobei in der Flüssigkeit gelöste Salze mit dieser transportiert werden. Dagegen führen Konzentrationsgradienten zur Eigenbewegung der Salzionen (DiffusionIst ein physikalischer Prozess, der zu einer gleichmäßigen Verteilung von Teilchen und somit zur vollständigen Durchmischung zweier oder mehrerer Stoffe führt.). Der Kapillartransport (AdvektionTransport eines im Wasser gelösten bzw. suspendierten Stoffes mit der Strömung des Wassers) wird durch das Porengefüge des Baustoffes bestimmt und kann in einfacher Weise durch den Wasseraufnahmekoeffizienten charakterisiert werden [Heritage.etal:2008]Titel: How do conservators tackle desalination? An international survey of current poulticing methods
Autor / Verfasser: Heritage, Adrian; Sawdy, Alison; Funke, Fredericke; Vergès-Belmin, Veronique; Bourgès, Anne
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. Die Transportrichtung der Ionen verläuft entsprechend dem Feuchtegradienten vom feuchteren zum trockeneren Bereich. Die treibende Kraft für einen Ionentransport durch DiffusionIst ein physikalischer Prozess, der zu einer gleichmäßigen Verteilung von Teilchen und somit zur vollständigen Durchmischung zweier oder mehrerer Stoffe führt. ist ein Konzentrationsgefälle. Die Ionen diffundieren entsprechend dem Konzentrationsgradienten von der höheren zur niedrigeren Konzentration. DiffusionIst ein physikalischer Prozess, der zu einer gleichmäßigen Verteilung von Teilchen und somit zur vollständigen Durchmischung zweier oder mehrerer Stoffe führt. findet auch als Oberflächendiffusion an den Grenzflächen statt. Der konvektive Transport wird durch Druck-, Dichte- und Temperaturdifferenzen hervorgerufen und kann in einfacher Weise durch die Wasserdurchlässigkeit und andere Versuche überprüft werden. Dieser Transportprozess tritt bevorzugt in größeren Poren (> 0,1 mm), Rissen und Hohlstellen auf.

Die beschriebenen Prozesse treten gemeinsam auf. In welcher Größenordnung die einzelnen Transportprozesse zur Salzreduzierung beitragen, hängt von den Eigenschaften des Kompressenmaterials sowie den Umgebungs- und Verfahrensbedingungen ab. Die sich einstellenden Feuchte- und Salzströme werden darüber hinaus wesentlich vom komplexen Wechselspiel zwischen Feuchtezustand, Salzverteilung und Eigenschaften des Untergrundmaterials, insbesondere desser Porosität [Pel.etal:2010]Titel: Physical principles and efficiency of salt extraction by poulticing
Autor / Verfasser: Pel, Leo; Sawdy, Alison; Voronina, V.
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[Lubelli.etal:2010]Titel: Desalination of masonry structures: fine tuning of pore-size distribution of poultices to substrate properties
Autor / Verfasser: Lubelli, Barbara; van Hees, Rob P. J.
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, beeinflusst.

Die Salzreduzierung durch Kompresssen ist die am häufigsten angewandte Methode [Bourges.etal:2008]Titel: Comparison and optimization of five desalination systems on inner walls of Saint Philibert church in Dijon, France
Autor / Verfasser: Bourgès, Anne; Vergès-Belmin, Veronique
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[Verges-Belmin.etal:2005]Titel: Desalination of masonries and monumental sculptures by poulticing: a review
Autor / Verfasser: Vergès-Belmin, Veronique; Siedel, Heiner
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. In den letzten Jahren wurden, insbesondere auch durch die Arbeiten im EU Projekt "Desalination", große methodische Fortschritte [Sawdy.etal:2008]Titel: A review of salt transport in porous media, assessment methods and salt reduction treatments
Autor / Verfasser: Sawdy, Alison; Heritage, Adrian; Pel, Leo
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erzielt.

Es werden auch mikrobiologisch arbeitende Kompressen beschrieben [Marten.etal:2006]Titel: BIOKOM – Eine mikrobiologisch arbeitende Kompresse zur Entsalzung von Fassadenoberflächen
Autor / Verfasser: Marten, Petra; Bretschneider, Anja; Lesnych, Natalja; Venzmer, Helmuth
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Elektrochemische Entsalzung

Diese Methode kann in der Werkstatt oder am Objekt vor Ort durchgeführt werden. Durch Anlegen einer Spannung wandern die Salzionen zur Anode bzw. zur Kathode. Die Elektroden müssen ebenfalls in eine Kompresse eingebettet oder in einen Mauerwerkschlitz eingemörtelt sein.

Grundlage dieser Methode sind die Prozesse der Elektrokinese bzw. der Elektroosmose. Wird mit Hilfe von Elektroden ein elektrisches Feld angelegt, so wandern die Ionen zu den entgegengesetzt geladenen Polen.

Die elektrochemische Entsalzung nach dem Prinzip der Elektroosmose z. B. nach dem AET-Verfahren (Aktive Entsalzung und Trocknung) wird in der Literatur kontrovers diskutiert. Allgemein benötigt man für eine wirkungsvolle Salzreduzierung entweder zahlreiche stabförmige Elektroden, die in Schlitze oder Bohrlöcher eingemörtelt werden. Der Abstand sollte nicht über 30cm liegen. Besser geeignet scheinen netzförmige Elektroden, die in einer Kompresse auf die Oberfläche gelegt werden.

Ein großes Problem besteht darin, an jeder Elektrode einen gleich guten elektrischen Übergang herzustellen. Sonst fließt der Strom nur über eine Elektrode, was ohne besondere Schaltungen nicht überprüft werden kann.

Die angelegte Spannung muss in der Größenordnung von einigen Zehner Volt liegen, was bei Anwendung im Freien zu Sicherheitsproblemen führen kann. Die Salzreduzierung nach diesen Verfahren wirkt grundsätzlich nur, wenn ausreichend Feuchtigkeit vorhanden ist. Aus diesem Grund müssen die Objekte feucht gehalten werden.

Aufgrund der sehr komplizierten und noch nicht hinreichend bekannten Entladungsreaktionen der Ionen an den Elektroden kann es zur Rückwanderung von Ionenkomplexen in das Objekt kommen. Dies trifft insbesondere auf Ionen mit amphoteren Eigenschaften zu (z. B. Magnesiumionen).

Weiterhin können durch die Entladungsreaktionen an den Elektroden sehr starke pH-Wert-Verschiebungen zu stark saurem beziehungsweise stark alkalischem Milieu führen. Schäden im Bereich der Elektroden werden dadurch hervorgerufen.

Im Falle hoher Salzbelastung könnte ein neues Verfahren von Friese zur Anwendung kommen ([Venzmer:1991]Titel: Sanierung feuchter und versalzener Wände
Autor / Verfasser: Venzmer, Helmuth
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). In solchen Fällen kann allein durch elektrische Feldeinflüsse der Ionentransport nicht in Bewegung gebracht werden. Deshalb werden Saugnäpfe im Ziegelformat auf die Wandoberfläche gesetzt. Unter Vakuumbedingungen wird eine Flüssigkeit an der Probenfläche vorbeigeführt. Sie benetzt und ist in der Lage, den Salzionentransport in Gang zu setzen. Diese Salze werden damit quasi abgewaschen und weg transportiert.

Denkmalpflegerische Beurteilungskriterien

(nach [Snethlage:1994]Titel: Entsalzung
Autor / Verfasser: Snethlage, Rolf
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)

Salze sind fast immer ursächlich an der Zerstörung von historischer Substanz beteiligt. Bei der Entscheidung, ob eine Salzreduzierung durchgeführt werden muss oder kann, sind folgende Überlegungen anzustellen:

Beurteilung der Substanzgefährdung des Objekts durch die Salzbelastung

Es ist abzuwägen, ob die Maßnahme der Salzreduzierung u. U. einen größeren Substanzverlust nach sich zieht als das Belassen des gegenwärtigen Zustandes. Vertretbar ist die Entscheidung, keine Salzreduzierung vorzunehmen, dann, wenn beispielsweise das Klima so stabilisiert werden kann, dass die vorhandenen Salze keinen Auflösungs- und Kristallisationszyklen mehr unterliegen.

Zweckmäßigkeit der Salzreduzierung

Es ist zu prüfen, ob eine Salzreduzierung überhaupt erfolgreich durchführbar ist. Erfolg verspricht eine Salzreduzierung nur dann, wenn die Salze hauptsächlich in der Oberflächenzone auftreten. Gleichmäßige Versalzungen von annähernd 1 Gew.% über die gesamte Mauerwerksstärke, wie sie häufig bei Nitratversalzung auftreten, können nicht mit Aussicht auf Erfolg behandelt werden. Hier sind andere Lösungen, z. B. Nutzungsänderungen, anzustreben.

Schonung der Originalsubstanz

Bei einer Salzreduzierung können durch das angewendete Verfahren, wie oben beschrieben, Gefahren für das Objekt auftreten. Es ist vor allem zu berücksichtigen, dass falsch aufgebrachte Kompressen unter Umständen nicht mehr von der Oberfläche abgezogen werden können.

Mögliche Beeinträchtigung anderer Konservierungsmaßnahmen

Geringere Konzentrationen von Salzen gefährden nicht den Erfolg von Konservierungsmaßnahmen. Salzreduzierungen können dann entfallen. Allerdings lässt sich nur ein materialspezifischer Grenzwertbereich einer Salzbelastung angeben, da Porosität, Porenradienverteilung und Klima eine entscheidende Rolle spielen. Hier ist im Einzelfall nach Gutachten zu entscheiden. Es ist bekannt, dass Salze in höheren Konzentrationen eine Festigung mit Kieselsäueester oder eine Hydrophobierungwasserabweisende Ausrüstung eines Materials beeinträchtigen. Auch die Dauerhaftigkeit der Maßnahme wird stark eingeschränkt.


Erfolgskontrolle

Die Salzgehalte im Gestein, Putz oder Ziegel sind vor und nach der Anwendung zu messen, um den Erfolg der Salzreduzierung zu kontrollieren.

Über Salzreduzierungen an Gebäuden liegen nur wenige Erfahrungen vor. Grundsätzlich kann man eine befriedigende Salzreduzierung gleich welcher Art nur dann erwarten, wenn die Salze oberflächennah in 1-2 cm Tiefe angereichert sind. Sowohl mit Kompressen als auch mit elektrochemischer Salzreduzierung beträgt der Wirkungsradius nur wenige Zentimeter.

So konnte z.B. mit zweimaligen Kompressenansatz Bentonit/Sand/Zellulose eine NaCl-Versalzung im Spritzwasserbereich des Nürnberger Tores in Forchheim zu 90% entfernt werden, da die Versalzung nur auf den obersten Zentimeter beschränkt war.

Literatur

[Auras:2008]Auras, Michael (2008): Poultices and mortars for salt contaminated masonry and stone objects. In: Ottosen, Lisbeth M.; Rörig-Dalgaard, Inge; Larsen, Poul Klenz; Brajer, Isabelle; Bøllingtoft, Peder; Marciniak, Mette; Svane, Maja (Hrsg.): Salt Weathering on Buildings and Stone Sculptures, Technical University of Denmark, Lyngby, Denmark, 197-217.Link zu Google ScholarLink zum Volltext
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[WTA_3-13-01_D:2003]WTA_3-13-01 D (2003): WTA-Merkblatt 3-13-01 D, Zerstörungsfreies Entsalzen von Naturstein und anderen porösen Baustoffen mittels Kompressen, WTA-Merkblatt, 13.Link zu Google Scholar