Injektionskompressen

Entsalzung mit dem Injektionskompressenverfahren

Das Injektionskompressenverfahren [5, 6] wurde ursprünglich entwickelt und an mehreren Objekten erfolgreich angewendet, um Ziegelmauerwerk zu sanieren. Durch Anpassung der einzelnen Elemente und der Wasserzufuhr können die unterschiedlichsten Objekte aus porösen Materialien entsalzen werden. Um eine gerichtete Strömung des Wassers mit den darin gelösten Salzen von innen nach außen zu erreichen, ist es von zentraler Bedeutung, das Wasser hinter dem Anreicherungshorizont der Salze aufzugeben. Um dies zu erreichen, werden kleine Bohrlöcher (Durchmesser 6 mm) in das zu entsalzende Material eingebracht und über spezielle Packer Wasser hinter den salzhaltigen Schichten zugeführt.

Abb.1: Prinzipskizze zur Entsalzung von Säulen mit dem Injektionskompressenverfahren.

Durch geregelte Zugabe von Wasser im Inneren des Objektes und Verdunstung des Wassers an der Kompressenoberfläche wird eine stationäre, kapillare Strömung durch das poröse Material über einige Tage aufrecht erhalten, mit der die Salze in die Kompresse transportiert werden. Bei sehr hohen Salzgehalten kann die Kompresse zwischenzeitlich abgenommen, ausgewaschen und wieder angesetzt werden. Die Kompressen bestehen aus sehr saugfähigen und wiederverwendbaren Viskoseschwämmen und können auf unterschiedliche Weise befestigt werden. Abhängig vom jeweiligen Objekt kann dies über die Packer, separate Dübel oder bei runden Objekten durch Umwickeln mit Kunststoffbändern geschehen.

Die Entsalzung von Sandsteinsäulen vom Belvedere in Potsdam

Das Belvedere auf dem Pfingstberg

Das Belvedere auf dem Potsdamer Pfingstberg ist das Fragment eines von Friedrich Wilhelm IV. geplanten Lustschlosses. Die ersten Entwürfe von Ludwig Persius wurden von F.A. Stüler und L.F. Hesse weiterentwickelt. Der Bau entstand in mehreren Bauphasen im Zeitraum von 1849- 1863. Die gesamte Anlage wurde im 2.Weltkrieg in Mitleidenschaft gezogen und war bis 1990 ungenutzt. In dieser Zeit ist es durch die Witterung und Vandalismus zu starken Zerstörungen und Substanzverlust gekommen. Die Voruntersuchungen, die im Zuge der Restaurierung der gesamten Anlage durchgeführt wurden, ergaben eine starke Belastung der Sandsteinsäulen mit Zinksulfat. Das Salz hat sich durch die Einwirkung des sauren Regens auf die Kapitelle aus Zinkblech gebildet und im Laufe der Zeit in den Säulen angereichert.

Der Zustand vor der Entsalzung

Das Belvedere besitzt zwei Säulengänge mit jeweils 32 Sandsteinsäulen. Diese zeigen teilweise sehr starke Schäden, die durch den Eintrag von Zinksalzen aus Kapitellen in den Sandstein hervorgerufen wurden. Ähnliche Schäden sind bereits an anderen Objekten [8] beobachtet worden, wobei die Schadensmechanismen noch nicht vollständig aufgeklärt werden konnten. Es ist daher auch nicht bekannt, ab welcher Zinkkonzentration mit Schäden zu rechnen ist. Die im Vorfeld durchgeführten Messungen ergaben eine Konzentration von 0,1- 1,0 Masse% Zinksulfat auch im Volumen der Säulen.

Abb.2: Kolonnade mit 32 Säulen aus Sandstein vom Belvedere auf dem Pfingstberg in Potsdam

Um den fortschreitenden Verfall zu stoppen und als Grundlage für die erforderlichen Restaurierungsmaßnahmen wurde beschlossen, die Salze aus den Säulen zu entfernen. Aufgrund der positiven Ergebnisse an anderen Objekten und der teilweise sehr starken Schäden, sollte das modifizierte Injektionskompressenverfahren [3] zum Einsatz kommen.

Ablauf der Entsalzung

Für eine sichere Montage und Wartung der Entsalzungsanlage, aber auch für die nachfolgende Restaurierung, wurden die Säulen demontiert und in einer beheizbaren Halle abgestellt. Die Abb.5 zeigt eine Gesamtansicht dieser Halle und der Entsalzungsanlage. In verschiedenen Höhen wurde je eine Bohrung (5 mm Durchmesser, 5 Bohrungen pro Säule) bis in die Mitte der Säulen eingebracht und Packer für die Wasserzufuhr eingesetzt. Als Kompressenmaterial wurden Streifen aus Viskoseschwamm verwendet, die in die Kanneluren eingelegt und mit Bändern befestigt wurden. Die Schwämme sind genügend weich, um einen engen Kontakt zum Untergrund herzustellen. Außerdem können sie aufgrund des großen Porenvolumens viel Salz speichern. Das in der Mitte der Säulen aufgegebene Wasser durchströmt den Sandstein, löst die darin enthaltenen Salze und transportiert sie mit der kapillaren Strömung in das Kompressenmaterial. Der Entsalzungsvorgang wurde so geregelt, dass sich über einen Zeitraum von 14 Tagen eine nahezu stationäre, kapillare Wasserströmung einstellte, d.h. das Wasser, dass an der Oberfläche der Kompresse verdunstet, wurde aus einem Reservoir über die Packer in die Bohrlöcher nachgeliefert. Abb.6 zeigt die Schwämme mit Salzausblühungen nach ca. 2 Wochen. Nach 14 Tagen wurde die Wasserzufuhr unterbrochen und nach weiteren 4 Wochen waren die Säulen praktisch vollständig abgetrocknet.

Abb. 3: Gesamtansicht der Halle mit den abgenommenen Säulen.

Bei dieser Anordnung ist der Ablauf der Entsalzung weitgehend abhängig von der Geschwindigkeit, mit der das Wasser in der Kompresse verdunstet. Ohne zusätzliche Heizung und Ventilation waren in den Sommermonaten ca. 3 Monate notwendig, wobei die Wasserzugabe nur über einen Zeitraum von ca. 14 Tagen erfolgte. Die übrige Zeit wurde zur Trocknung des Kompressenmateriales und der Säulen benötigt. Dort, wo durch Sonneneinstrahlung eine stärke Verdunstung von Wasser vorlag, zeigten sich bereits nach 3 Wochen Salzkristalle an der Kompressenoberfläche.

Abb.4: Sandsteinsäule, um die Streifen von Viskoseschwamm gewickelt wurden. Die Bewässerung ist zum Zeitpunkt der Aufnahme schon 1 Woche abgeschaltet, so dass das Salz an der Oberfläche ausblühen kann.

Obwohl die Bohrlöcher zur Aufnahme der Packer nur einen geringen Eingriff in die Originalsubstanz darstellen, der bei der vorliegenden Objekten sicher "verschmerzt" werden kann, ist es doch erstrebenswert, ohne solche Eingriffe auszukommen. Deshalb wurden einige Versuche durchgeführt, um eine Möglichkeit zu finden, das zur Entsalzung notwendige Wasser ausschließlich von außen zuzugeben.

Prinzipskizze zur Entsalzung von Sandsteinsäulen mit unterschiedlicher Wasserzugabe

Im Ergebnis dieser Versuche konnte bei den Säulen des östlichen Säulenganges auf das Einsetzen der Packer verzichtet werden. Das Wasser wurde über 4 Viskosestreifen, die durch Folien seitlich von der übrigen Kompresse getrennt waren, aufgegeben. Der Wasserzufluss erfolgte am oberen Ende der in die Kanneluren eingelegten Streifen und wurde so dosiert, dass genügend Wasser für die kapillare Wasseraufnahme durch den Sandstein zur Verfügung stand und zusätzlich ein Überschuss an Wasser unten ablief, der dann wieder nach oben gepumpt wurde. Die Abb. zeigt eine schematische Darstellung der Wasserströmungen in den Säulen beim Injektionskompressenverfahren und dem an der Ostseite praktizierten Eintrag von Wasser über die Oberfläche der Säulen. Mit dieser Anordnung wurden ca. 10 Tage benötigt, um die zur vollständigen Entsalzung notwendige Wassermenge in den Sandstein einzubringen. Die Trocknung nahm dann noch weitere 50 Tage in Anspruch, wobei zur Beschleunigung der Wasserverdunstung Ventilatoren aufgestellt wurden.

An einer Säule wurde eine konventionelle Entsalzung mit Zellulosekompressen durchgeführt. Die Kompressen wurden 3 mal aufgebracht und jeweils bis zur Trocknung an den Säulen belassen. Der zeitliche und finanzielle Aufwand war hier ähnlich hoch, wie beim Injektionskompressenverfahren. Die Kontrollmessung, die von einem unabhängigen Institut durchgeführt wurden, ergaben nur eine Verringerung des Salzgehaltes um ca. 20%. Die restlichen Salze ( 80%) wurden von der Oberfläche in das Innere der Säule verschoben, sie werden im Laufe der Zeit wieder an die Oberfläche wandern und dort erneut zu Schäden führen. Obwohl die Bedingungen für die Entsalzung mit Kompressen sehr günstig waren (große Oberfläche im Verhältnis zum Volumen) konnte mit dem klassischen Verfahren nur eine geringe Salzmenge entfernt werden.