Untersuchung der Salzverwitterung an Steinbauwerken unter Einsatz moderner Funk-Sensorik am Beispiel der Felsmonumente von Petra/Jordanien
Final Report Abstract
Die Salzverwitterung an Steinbauten ist ein weltweit höchst bedeutsamer, bisher aber erst wenig verstandener Prozess der Natursteinverwitterung. Das Kenntnisdefizit begründet sich mit der Heterogenität der Systeme „Gestein“, „Salz“ und „Umwelteinflüsse“ und der Komplexität ihrer dynamischen Wechselwirkungen. Das übergeordnete, wissenschaftliche Ziel des beantragten Projektes war es, einen Beitrag zum besseren Verständnis von Salzverwitterungsvorgängen an Steinmonumenten und zur fundierten Bewertung des Schädigungspotentials von Salzen zu leisten. Das Projekt adressierte Salzverwitterungsvorgänge im natürlichen, offenen System, also unter zeitlich wie räumlich realmaßstäblichen Bedingungen. Um methodische Vorgehensweisen und Erkenntnisse hoher Übertragbarkeit zu gewährleisten, wurden mit den Felsmonumenten der Nabatäerstadt Petra im Südwesten Jordaniens kulturhistorisch sehr bedeutsame Untersuchungsobjekte ausgewählt, deren Spektrum von Ausgangssituationen und Einflussbedingungen als repräsentativ für eine Vielzahl von Steinbauwerken weltweit angesehen werden können. Das Arbeitsprogramm umfasste eine Kombination aus systematischen Untersuchungen von Bauwerksexpositionsverhältnissen (Dimensionierung / Orientierung von Bauwerksflächen, aktuelle und ursprüngliche Bauwerksgeometrie, Gesteinsinventar, Besonnungs- / Beschattungsverhältnisse, Aufheiz- und Abkühlungsverhalten, Beregnungs- und Wasserablaufverhältnisse, Verwitterungsphänomene, Schadensausmaß), detaillierter Salzanalytik an repräsentativen Verwitterungsprofilen (Salzart und Salzkonzentration, Salzverteilung im Gestein, Porenfüllungsgrade) und zeitlich wie räumlich hochauflösendem Klimamonitoring an den Bauwerken mittels modernster Funksensorund Netzwerktechnologie (Außenklima und Gesteinsklima unter Berücksichtigung tages- und jahreszeitlicher Varianz). Mit dem Einsatz der Funk-Sensorik in Form eines speziell für die Anwendung in Petra entwickelten Messsystems erfolgte vom Ansatz her eine neuartige Strategie zur Aufhellung von Salzverwitterungsvorgängen in dem Sinne, dass die ermittelten Daten Bemessungsgrundlagen in einem bisher nicht möglichen Umfang hinsichtlich klimaabhängiger Schädigungspotentiale von Salzregimen bereit gestellt und hierdurch die Möglichkeit der Interpretation von Salzverwitterungsvorgängen entscheidend verbessert haben. So konnten erstmals für Fallbeispiele verschiedenster Bauwerksexpositionsverhältnisse, Mikroklimaregime und Salzbelastungsszenarien präzise, gesteinstiefengestaffelte numerische Bilanzierungen der Salzlösungs- / Salzkristallisationsvorgänge nach Art und Intensität sowie unter zusätzlicher Berücksichtigung der Variabilität im Jahresgang erzielt werden, einschließlich der Lokalisierung der Gesteinstiefen maßgeblich gefügebelastender Kristallisations- /Lösungsprozesse und der Identifikation der schadenswirksamen Salzphasen. Die systematische Zusammenführung der aus den verschiedenen Arbeitsschritten erzielten Daten und Erkenntnisse hat im Gesamtergebnis Modellvorstellungen ermöglicht, die die charakteristischen dynamischen Wechselbeziehungen zwischen Gesteinseigenschaften, Einflüssen auf das Gestein (Klima, Salzbelastung) und der Auswirkung der Salzverwitterung (Entwicklung von Verwitterungsschäden; Verwitterungsfortschritt) aussagekräftig wie zuverlässig abbilden und die die Aggressivität und die Schadenswirksamkeit von Salzregimen im Gestein als von der Bauwerkssituation abhängige und sich im Zuge der Schadensentwicklung verändernde Größen plausibel interpretieren. Das Projekt hat somit zu einem besseren Verständnis von Salzverwitterungsprozessen an Steinbauten und zur fundierten Bewertung von Aggressivität und Schädigungspotential von Salzregimen unter Berücksichtigung ihrer Variabilität beigetragen.
Publications
- (2011): 3D terrestrial laser scanning of rock-cut monuments in Petra/Jordan.- Mitteilungen zur Ingenieurgeologie und Hydrogeologie, Lehrstuhl für Ingenieurgeologie und Hydrogeologie, RWTH Aachen, Heft 104, 27–37
Heinrichs, K. & Nguyen, H. T.
- (2012): Investigation of salt weathering on stone monuments by use of a modern wireless sensor network exemplified for the rock-cut monuments in Petra / Jordan - a research project.- International Journal of Heritage in the Digital Era, Issue 2, p. 191- 216, Multi Science Publishing,Essex, UK
Heinrichs, K. & Azzam, R.
- (2013): Investigation of salt weathering on stone monuments – the “petraSalt” research project.- Proceedings of the 19th Conference on Engineering Geology and of the Forum for young Engineering Geologists, Munich, 13th to 15th March 2013, p. 347-352
Heinrichs, K. & Azzam, R.
- (2013): Steinalt, aber nicht steinhart – Verwitterungsforschung in der Nabatäerstadt Petra in Jordanien.- In Siegesmund, S. & Snethlage, R (Hrsg.): Naturstein in der Kulturlandschaft, S. 260-270, Mitteldeutscher Verlag, Halle
Heinrichs, K.
- (2015): Quantitative analysis of salt crystallization – dissolution processes on rock-cut monuments in Petra / Jordan.- In Lollino, G. et al. (eds.): Engineering Geology for Society and Territory, Vol. 8, Part IX, p. 507-510, Springer International Publishing, Switzerland
Heinrichs, K. & Azzam, R.
