Salzkristallisationen im Grottensaal des Neuen Palais in Potsdam

Autor: Steffen Laue

Der Grottensaal im Neuen Palais, Potsdam

Der Grottensaal befindet sich im Erdgeschoß des Neuen Palais im Schloßpark Sanssouci und wurde zwischen 1765-1769 errichtet. Er ist an Wänden, Decke und Fußboden mit einer Vielzahl unterschiedlicher Bau- und Dekorationsmaterialien, wie z.B. Mineralen, Gesteinen, Fossilien, Conchilien und Stuckarbeiten, ausgestattet und stellt in dieser Form eine einzigartige geowissenschaftliche Sammlung dar. Die Ausstattungsstücke sind in einen Gipsmörtel in die Wände und Decken einbettet. An den Ausstattungsstücken ist eine Vielzahl von Schäden festzustellen. Die stärksten Schäden finden sich in den Fensterbereichen zum Park hin, generell nimmt die Schadensintensität in Richtung Schloßinneres ab. Sondierende Untersuchungen haben ergeben, dass bei den Verwitterungsprozessen im Grottensaal Salzkristallisationen eine große Rolle spielen. Salzminerale kristallisieren auf und in unmittelbarer Nähe der Wandoberflächen, was zur Zerstörung der Baumaterialien führt.

Salze und Raumklima im Grottensaal

Als Untersuchungsmethode zur Ermittlung der Schadensprozesse wurde die Methode‚ Monitoring von Referenzflächen in Kombination mit Klimamessungen gewählt [Laue:2002]Titel: Verwitterung von Naturstein durch lösliche Salze an wechselfeuchter Luft
Autor / Verfasser: Laue, Steffen
. Es war nicht möglich, im Grottensaal Proben für quantitative Salzanalysen zu nehmen. In den Ausblühungsproben konnten die beiden Natriumsulfate Thenardit [Na₂SO₄] und Mirabilit [Na₂SO₄•10H₂0] nachgewiesen werden. In wenigen Proben konnte auch Gips analysiert werden, der aber auch vom Grottierungsmörtel stammen könnte, also nicht neu kristallisiert sein muss. Die Quellen der Na⁺-Salzionen sind wahrscheinlich alkalische Baumaterialien (Portlandzemente), die zu verschiedensten Zeiten zur Stabilisierung des Bauwerks eingebracht worden sind. Diese Baustoffe enthalten Alkalien (u.a. Na⁺), die zu Alkalikarbonaten reagieren. Diese gehen bei geeigneten Feuchtebedingungen mit anderen autochtonen Salzen, z.B. mit den SO₄^2--Ionen des Grottierungsmörtels Gips, Reaktionen ein und wandeln sich in leichtlöslichere Salze – wie z.B. Natriumsulfate – um [Arnold:1985b]Titel: Moderne alkalische Baustoffe und die Probleme bei der Konservierung von Baudenkmälern
Autor / Verfasser: Arnold, Andreas
. Abb.1 zeigt die Tagesmittelwerte der Lufttemperatur und der relativen Luftfeuchte im Grottensaal von Januar 1998 bis Januar 1999. Die Klimakurve ist typisch für einen unbeheizten Raum: Das Innenklima spiegelt ein gedämpftes Außenklima wider. Die Temperatur pendelt zwischen 5°C und 20°C, die relativen Luftfeuchten variieren überwiegend zwischen 40% und 75%, nur während einer längeren trockenen Kälteperiode im Dezember sank die relative Luftfeuchte auf Werte um 30%.

• Raumklima im Grottensaal
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Klimamessungen in Kombination mit der Beobachtung der Referenzflächen ergaben, dass über das ganze Jahr hinweg Salzkristallisationen der beiden Natriumsulfate stattfinden. Das hat folgende Gründe: Im Oberflächenbereich der Wände verdunstet Wasser - aufgestiegende Feuchte und an den Außenwänden dazu eingedrungenes Oberflächenwasser - aus den mit Ionen angereicherten Mauerwerkslösungen. Beim Verdunsten konzentriert sich die Salzlösung auf, und es kommt zur Kristallisation von Mirabilit. Sinkt nun die relative Luftfeuchte, wandelt sich Mirabilit um in Thenardit in Abhängigkeit von der Temperatur und der relativen Luftfeuchte. Bei wieder steigenden Luftfeuchten kann die Rückumwandlung wieder zu Mirabilit stattfinden (siehe auch [Steiger.etal:1998b]Titel: Bedingungen für die Kristallisation verschiedener Salzhydrate am Beispiel Thenardit/Mirabilit
Autor / Verfasser: Steiger, Michael; Dannecker, Walter
und [Laue:2002]Titel: Verwitterung von Naturstein durch lösliche Salze an wechselfeuchter Luft
Autor / Verfasser: Laue, Steffen
. Beispielsweise kristallisiert bei einer Temperatur von 20°C unterhalb von 76% relativer Luftfeuchte das Mineral Thenardit, oberhalb von 76% kristallisiert Mirabilit. Der Umwandlungsprozeß von Thenardit zu Mirabilit geht mit einer Volumenvergrößerung einher, die z.B. von Price and Brimblecombe [Price.etal:1994]Titel: Preventing salt damage in porous materials
Autor / Verfasser: Price, Clifford A.; Brimblecomb, Peter
mit 314% angegeben wird. Jedesmal, wenn die kritische relative Luftfeuchtigkeit, die zur Kristallisation der jeweils anderen Phase führt, über- oder unterschritten wird, kommt es zu Umkristallisationsprozessen, die der eigentliche Motor für die Zerstörung sind. Da sich sowohl die Temperatur, als auch die relative Luftfeuchtigkeit im Grottensaal ständig ändern, werden die kritischen Klimabereiche sehr oft überschritten, dementsprechend zahlreich sind die Schäden.

Ablauf der Schadensprozesse

Folgender Ablauf der Schadensprozesse konnte für den Grottensaal ermittelt werden: Durch Grundfeuchte und durch Oberflächenwasser (Spritzwasser) erfolgt ein Feuchteeintrag ins Mauerwerk. Beim Verdunsten der Mauerwerkslösung konzentriert sich die Salzlösung auf, und es kommt - bei den ermittelten Temperaturbereichen im Grottensaal - zur Kristallisation von Mirabilit. Bei trockenem Klima – zwischen ca. 60% und 75% relativer Luftfeuchte, je nach Temperatur – findet eine Dehydratisierung von Mirabilit [Na₂SO₄•10H₂0] zu Thenardit [Na₂SO₄] statt. Mirabilit ist bei diesen Feuchteverhältnissen nicht mehr stabil, es verliert sein Kristallwasser, Thenardit kristallisiert. Beim erneuten Anstieg der Luftfeuchte findet die Hydratation von Thenardit zu Mirabilit statt. Dieser Kristallisationsprozess geht mit einer Volumenzunahme einher. Bei diesen Hydrations- und Dehydrationsprozessen findet wahrscheinlich ein Zusammenbruch des einen Kristallsystems statt, rasch danach erfolgt die jeweilige Kristallisation der anderen Hydratstufe. Dieser Effekt, Hydratation und Dehydratation, führt zum stetigen Umkristallisieren der Salze. Aus der damit einhergehenden Volumenzunahme bzw. -abnahme resultieren die beschriebenen Schäden.

Literatur

[Arnold:1985b]	Arnold, Andreas (1985): Moderne alkalische Baustoffe und die Probleme bei der Konservierung von Baudenkmälern. In: Snethlage, Rolf (Hrsg.): Natursteinkonservierung, Internationales Kolloquium, München, Bayer. Landesamt für Denkmalpflege, 152-161.
[Laue:2002]	Laue, Steffen (2002): Verwitterung von Naturstein durch lösliche Salze an wechselfeuchter Luft. In: IFS (Hrsg.): Salze im historischen Mauerwerk: Aktuelles zu Herkunft, Schadenswirkung und Restaurierungsmaßnahmen, IFS-Tagung 2002, Institut für Steinkonservierung e.V. (IFS), Mainz, 19-30.
[Price.etal:1994]	Price, Clifford A.; Brimblecomb, Peter (1994): Preventing salt damage in porous materials. In: Roy, A.; Smith, P. (Hrsg.): Preventive conservation: practice, theory and research. Preprints of the contributions to the Ottawa Congress, 12-16 September 1994, International Institute for Conservation of Historic and Artistic Works, 90-93, Webadresse.
[Steiger.etal:1998b]	Steiger, Michael; Dannecker, Walter (1998): Bedingungen für die Kristallisation verschiedener Salzhydrate am Beispiel Thenardit/Mirabilit, interner Bericht, 123-133.

Als Phase wird ein stofflicher Zustand bezeichnet, der in sich, makroskopisch betrachtet, homogen ist.