Der Baustoff Gips ist auf Grund seiner relativ hohen Löslichkeit im Wasser von ca. 2 g/l und der großen Lösungsgeschwindigkeit feuchtigkeitsempfindlich. Dies äußert sich beispielsweise in einem deutlichen Abfall der Festigkeit feuchter Bauteile (im Vergleich zu trockenen) oder in Umkristallisationserscheinungen, die zu einem verminderten Haftverbund im System �Gipsputz/Putzuntergrund� führen können.

Aus diesem Grunde sind Untersuchungen zur Verminderung des Feuchteeinflusses auf Gipsbaustoffe Gegenstand zahlreicher Untersuchungen der letzten Jahrzehnte /1-9/. Stellvertretend sei hier auf die Charakterisierung und Nachstellung historischer Gipsmörtel /2, 3, 4, 7, 8/ sowie verschiedene Ansätze zur Deutung und Verbesserung der Feuchtebeständigkeit /6, 1, 5, 9/ verwiesen.

Historische Gipsmörtel mit einer Standzeit von mehreren hundert Jahren haben bewiesen, daß Calciumsulfatbaustoffe durchaus feuchtebeständig sein können /2, 4/. Vermutet wird, daß hierfür � bedingt durch Zusatzmittelzugabe � Veränderungen der Dihydratkristalle (Textur) maßgeblich sein könnten /7/. Dabei wird zu Grunde gelegt, dass die verschiedenen Flächen der Gipskristalle unterschiedliche Löslichkeiten aufweisen. In Gipsmörteln, die über Jahrhunderte erhalten geblieben sind, müsste demnach eine Orientierung derart erfolgt sein, dass an exponierter Stelle sich jene Fläche(n) des Gipskristalls befinden, die eine geringere Löslichkeit aufweisen.

Durch experimentelle Untersuchungen sollte deshalb im Rahmen einer Studie zunächst herausgefunden werden, inwieweit es möglich ist, derartige Besonderheiten von historischen Gipsmörteln zu erfassen. Auf der Basis der erhaltenen Ergebnisse wäre es dann zukünftig möglich, dauerhafte Mörtel möglichst originalgetreu nachzustellen.

Durch den Auftraggeber (BV der Gips- und Gipsbauplattenindustrie e.V.) wurden folgende Proben für die Untersuchungen zur Verfügung gestellt:

Es ist davon auszugehen, daß diese Gipsputze zwischenzeitlich mit Farb- und/oder Kalkanstrichen versehen wurden. Deshalb wurden die untersuchten Proben dem oberflächennahen Bereich entnommen (nicht direkt von der Oberfläche).

Entsprechend der Absprache mit dem Auftraggeber wurden zur Charakterisierung der Mörtel folgende Methoden angewendet:

à    Röntgendiffraktometrie,

à Dünnschliffmikroskopie,

à Texturuntersuchungen mittels Polfiguren und

à Quecksilberporosimetrie.

Untersuchungsergebnisse

Die Untersuchung des Gipsputzgefüges wurde mit Hilfe eines Elektronenmikroskopes (Environmental Scanning Electron Microskope: XL-30 ESEM) mit integriertem energiedispersiven Röntgenmikroanalysesystem durchgeführt. Die Phasenanalyse erfolgte mit Hilfe eines Röntgendiffraktometers D 5000 (Fa. Siemens). Die Textur der historischen Mörtel wurde mit Hilfe einer modifizierten Diffraktometeranlage MZ IV (mit Eulerwiege und Fox-Glasfaserkapillare) beurteilt. Im Polarisationsmikroskop JENALAB (Firma Zeiss) wurden die Dünnschliffe der Mörtelproben untersucht. Zur Charakterisierung der Porosität diente außerdem ein Quecksilberhochdruckporosimeter.

Die zur Verfügung gestellten Mörtelproben (Proben 2 � 7) waren, bereits äußerlich erkennbar, inhomogen. Dies verdeutlicht die Abbildung 1.

Abb. 1

Inhomogenität der Mörtelprobe 4: Gipsestrich des 18. Jahrhunderts aus Bad Windsheim

Aus diesem Grunde wurden für röntgendiffraktometrische Untersuchungen einerseits Durchschnittsproben aufbereitet. Andererseits wurden Bereiche, die sich von der Matrix farblich deutlich unterschieden, separat untersucht. Die einzelnen Ergebnisse sind in der Tabelle 1 zusammengefasst.

Ein Vergleich zeigt, dass sich die Matrix der Mörtel (Proben 3 � 7) kaum unterscheidet. Die abbindefähigen Calciumsulfate haben sich fast vollständig in Gips umgewandelt. Anhydrit ist in geringeren (dabei leicht differierenden) Mengen nachweisbar. Quarz ist durchgängig in sehr geringen Mengen zu finden, selten als einzelne Körner (Entnahmestelle 5/3). Es kann somit von Verunreinigungen der Gipslagerstätten ausgegangen werden.

Speziell untersuchte, in die Matrix eingebettete Einschlüsse (z.B. Stellen 4/1, 4/2, 5/1, 5/2) könnten auf Grund ihrer Zusammensetzung Gipszuschlagkörner sein.

Vergleicht man verschiedene Proben miteinander, so kann man in einigen Fällen veränderte Relationen von verschiedenen DH-Peaks zueinander feststellen (Proben 3/0, 6/0 und 7/0).

Tabelle 1

Von ausgewählten Gipsmörteln wurden an der TH Clausthal mittels einer modifizierten Diffraktometeranlage Polfiguren gemessen. Die Ergebnisse der untersuchten Proben

2 - Mörtel aus Hochbrandgips (1950)

3 - Mörtel, Berlin (1845)

4 - Gipsestrich, Bad Windsheim (18. J.)

6 - Gipsaußenputz, Bad Windsheim

ergaben keine wesentlichen Unterschiede zwischen den Proben 3, 4 und 6. Bei diesen Mörteln wurde eine [010] Fasertextur gefunden. In Mörtelprobe 2 war dies kaum zu erkennen. Auf Grund der relativ geringen, nicht quantifizierbaren Unterschiede, wurde auf weitere derartige Untersuchungen verzichtet.

Die Messungen der Porosität wurden im Bereich F + E der Firma Gebr. KNAUF Westdeutsche Gipswerke in Iphofen durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Die Proben 3 und 7 enthalten neben Kapillarporen auch Luftporen (stark erhöhter Mittelwert des Porenradius). Der prozentuale Anteil der Porenfraktion weist bei diesen Proben 2 Maxima aus: 0,8 bzw. 1,5 m m sowie 100 m m. Für die übrigen Mörtelproben zeichnen sich geringe Unterschiede ab: das Maximum des prozentualen Anteiles der Porenfraktionen schwankt im Bereich von 0,7 ... 2 m m. Der Hochbrandgips unterscheidet sich selbstverständlich von den Mörtelproben.

An den zur Verfügung gestellten Proben wurde die Shore-Härte ermittelt (Tabelle 3). Die angeführten Ergebnisse ergeben sich als Mittelwert mehrerer Einzelmessungen. Da keine planparallelen Flächen zur Meßwertermittlung genutzt werden konnten, sind die Resultate unter Vorbehalt zu betrachten. Zum Vergleich wurde die Shore-Härte an anderen Probekörpern ermittelt.

Eine starke Differenzierung bezüglich Shore-Härte scheint nicht möglich, da fast alle Probe einen nahezu gleiche Härte aufweisen. Lediglich die Probe 6 ist von geringerer Härte.

Die durch Kunstharz verfestigten Proben wurden maschinell auf ca. 20 m m dünn geschliffen und anschließend im Polarisationsmikroskop JENALAB (Firma Zeiss) untersucht.

Im Ergebnis der Dünnschliffmikroskopie (siehe Abb. 2 und 3) lässt sich feststellen, dass die Mineralverteilung im Gefüge, Texturen und Mikrorisse in Gipszuschlagkörnern sowie Poren in der Bindemittelmatrix erkennbar sind.

Zur Unterscheidung von Mörteln, hergestellt aus aktuellen Bindemitteln, ist diese Methode sicher weniger geeignet, da sich die Gipskristalle wegen der geringen Lichtbrechung kaum unterscheiden (im parallel polarisiertem Licht). Hier sind mit Hilfe der Elektronenmikroskopie bessere Aussagen zu erwarten.

Die Elektronenmikroskopie (siehe Abb. 4) macht deutlich, dass Kristallgröße und Kristallform des Gipses in historischen Mörteln sehr unterschiedlich sein können:

    Klein (< 1 m m), vereinzelt, bis nahezu kugelförmig gedrungen,

    Klein und verwachsen,

    Groß (ca. 10 m m), vereinzelt, quaderförmig,

    Groß (> 10 m m), nadelförmig, einzeln oder verwachsen.

Selbst innerhalb eines Mörtels sind derartige Unterschiede festzustellen.

Auswirkungen scheint in erster Linie das Verhältnis CaO zu SO₃ zu haben, welches indirekt den Dolomit- bzw. Calciumcarbonatanteil charakterisiert.

Ein großes Verhältnis bedeutet einen erhöhten Gehalt an Dolomit- bzw. Calciumcarbonat und führt meist zu sehr feinen, oft verwachsenen Dihydratkristallen (blumenkohlartiges Aussehen).

Da die Mörtelproben für die Untersuchungen zur Verfügung gestellt wurden (keine eigene Probenahme), war eine Einordnung hinsichtlich ihrer Witterungsbeanspruchung leider nicht möglich. Außerdem standen auch keine unterschiedlich beanspruchten Proben (z.B. Feuchteexposition) für Vergleichszwecke zur Verfügung. Aus diesem Grunde lassen sich keine diesbezüglichen Aussagen zum Zusammenhang von Ausbildung der Gipskristalle und Beständigkeit des Mörtels ableiten.

Anhand röntgendiffraktometrischer Untersuchungen lässt sich feststellen, dass sich die Matrix der Mörtel (Proben 3 � 7) kaum unterscheidet. Die abbindefähigen Calciumsulfate haben sich fast vollständig in Gips umgewandelt. Anhydrit ist in geringeren (dabei leicht differierenden) Mengen nachweisbar. Quarz ist durchgängig in sehr geringen Mengen enthalten. Speziell untersuchte, in die Matrix eingebettete Einschlüsse könnten auf Grund ihrer Zusammensetzung Gipszuschlagkörner sein.

Eine Betrachtung der Polfiguren der Mörtel 2, 3 und 6, ermittelt mit Hilfe einer modifizierte Diffraktometeranlage MZ IV an der TU Clausthal ergab eine [010] Fasertextur der Kristalle. Auf Grund der relativ geringen, nicht quantifizierbaren Aussagefähigkeit, wurde auf weitere diesbezügliche Untersuchungen verzichtet.

Eine starke Differenzierung der Mörtel bezüglich Shore-Härte scheint nicht möglich, da fast alle Proben eine nahezu gleiche Härte aufweisen. Lediglich die Probe 6 ist von geringerer Härte.

Porositätsmessungen ergaben, daß die Proben 3 und 7 neben Kapillarporen auch Luftporen (stark erhöhter Mittelwert des Porenradius) enthalten. Der prozentuale Anteil der Porenfraktion weist bei diesen Proben 2 Maxima aus: 0,8 bzw. 1,5 m m sowie 100 m m. Für die übrigen Mörtelproben zeichnen sich geringe Unterschiede ab: das Maximum des prozentualen Anteiles der Porenfraktionen schwankt im Bereich von 0,7 ... 2 m m.

Im Ergebnis der Dünnschliffmikroskopie lässt sich feststellen, dass die Mineralverteilung im Gefüge, Texturen und Mikrorisse in Gipszuschlagkörnern sowie Poren in der Bindemittelmatrix erkennbar sind. Zur Unterscheidung von Mörteln, hergestellt aus aktuellen Bindemitteln, ist diese Methode sicher weniger geeignet, da sich die Gipskristalle wegen der geringen Lichtbrechung kaum unterscheiden (im parallel polarisiertem Licht). Hier sind mit Hilfe der Elektronenmikroskopie bessere Aussagen zu erwarten.

Die Elektronenmikroskopie macht deutlich, dass die Kristallgröße und Kristallform des Gipses in historischen Mörteln sehr unterschiedlich sein können:

    Klein (< 1 m m), vereinzelt, bis nahezu kugelförmig gedrungen,

    Klein und verwachsen,

    Groß (ca. 10 m m), vereinzelt, quaderförmig,

    Groß (> 10 m m), nadelförmig, einzeln oder verwachsen.

Auswirkungen scheint in erster Linie das Verhältnis CaO zu SO₃ zu haben, welches indirekt den Dolomit- bzw. Calciumcarbonatanteil charakterisiert. Ein großes Verhältnis bedeutet einen erhöhten Gehalt an den Dolomit- bzw. Calciumcarbonat und führt meist zu sehr feinen, oft verwachsenen Dihydratkristallen (blumenkohlartiges Aussehen).

Ein über 20 Jahre im Außenbereich funktionierender Maschinenputzgips wurde in diese Untersuchungen einbezogen. Allerdings ergaben sich hierbei keinerlei Besonderheiten.

Weitere Untersuchungen sind nur dann Erfolg versprechend, wenn eine gezielte Probenahme mit Kenntnis der Exposition möglich ist. Dabei kann man sich auf ausgewählte Untersuchungsmethoden beschränken.

/1/ Krämer, G.: Anwendung von hydrophobem Gipsbinder im Bauwesen

BAUZEITUNG 42 (1988) 4. � S. 173 - 176

/2/ Lucas, H. G.: Gips als historischer Außenbaustoff in der Windsheimer Bucht

Aachen, 1992. � RWTH Aachen, Fakultät für Bergbau, Hüttenwesen und Geowissenschaften, Diss.. � 247 S.

/3/ Hundt, J.: Untersuchungen zur Instandsetzung von Gipsstuckfassaden

BAUTENSCHUTZ + BAUSANIERUNG 16 (1993). � S. 122 � 125

/4/ Lucas, H. G.; Ludwig, U.; Oel, H. J.: Die Beständigkeit historischer Gipsmörtel innen und außen

Bauphysik 17 (1995) 1. � S. 17 � 26

/5/ Hernandez, F.; Trivino, F.; Menendez, I.: Verminderung der Porosität von erhärtetem Stuckgips durch Imprägnieren mit Salzlösung

ZKG INTERNATIONAL 49 (1996) 7. � S. 408 � 411

/6/ Henning, O.; Eggert, O.: Zur feuchtigkeitsbedingten Veränderung von Gipsbaustoffen

ZKG INTERNATIONAL 52 (1999) 3. � S. 154 � 159

/7/ Vogel, D.; Follner, H.; Jacobi, H.; Kulke, H.; Brokmeier, H.-G.: Charakterisierung und Nachstellung historischer Gipse und Vergleich mit heute bekannten Präparaten

ZKG INTERNATIONAL 52 (1999) 11. � S. 640 � 648

/8/ W. Binnewies: Der historische Gipsbrennversuch im Rocogipswerk Dorste

In: Sösetalgeschichte(n) und andere (Band 3, S. 157 � 167). � Förste, 2000. � 192 S.

/9/ Arens, P.; Knöfel, D.: Entwicklung wasseresistenter Mauermörtel auf Gipsbasis für den Außenbereich und deren Einsatz an ausgewählten Objekten

In: Tagungsbericht der 14.ibausil (Band 2). � Weimar, 2000. � S. 2-0123 � 2-0132

Die Untersuchungen zu dieser Thematik wurden im Auftrag des Bundesverbandes der Gips- und Gipsbauplattenindustrie e.V. durchgeführt. Die Verfasser bedanken sich für die interessante Aufgabenstellung und die anregenden Diskussionen im Zusammenhang mit der Erarbeitung dieser Publikation. Ein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr. Follner (TU Clausthal) für die durchgeführten Texturuntersuchungen sowie dem Bereich Forschung und Entwicklung der Gebr. Knauf Westdeutsche Gipswerke in Iphofen.