Untersuchung der Verwitterung von Fassaden
aus Naturstein
- Vergleich an den Gebäuden der Museumsinsel in Berlin -
genemigte von
Jinyoung Do
aus Seoul
Dem Fachbereich 5 – Chemie –
der Technischen Universität Berlin
Zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften
Dr. rer. nat.
genemigte Dissertation
Promotionsausschuß
Vorsitzender : Prof. Dr. rer. nat. Rück-Braun
Berichter : Prof. Dr. rer. nat. Jörn Müller
Berichter : Prof. Dr. rer. nat. Josef Riederer
Tag der mündlichen Prüfung : 30. 11. 2000
Berlin, 2000
D 83
Zusammenfassung
Die aus verschiedenen Steinsorten erbauten fünf Gebäude der Berliner Museumsinsel wiesen in-
nerhalb relativ kurzer Zeit starke Schädigungen auf. Dabei sind die Herausbildung einer schwar-
zen Kruste sowie einer dünnen schwarzen Schicht besonders augenfällig. In der vorliegenden Ar-
beit wird diskutiert, wie die einzelnen Verwitterungsarten auf das Gesteinsgefüge wirken und
welche Gesteinseingenschaften die beobachtete, unterschiedliche Anfälligkeit der verschiedenen
Gesteinsarten bedingen. Besondere Berücksichtigung fanden dabei die Ursachen und Mechanis-
men der Schwarzfärbungen auf den Oberflächen der Bauwerke in Bezug auf den Einfluß der
Luftverschmutzung (Umweltschadstoffe), den Beitrag organischer sowie eisenhaltiger Substan-
zen.
Aufgrund der komplexen Verwitterungsproblematik wurden für die vorliegende Untersuchung
unterschiedliche Analysemethoden eingesetzt.
Zur Untersuchung der chemischen Zusammensetzungen wurde die Röntgenfluoreszenzanalyse
(RFA), für die Salzbildung wurden Atomabsorptions-, Atomemissionsspektrometrie (AAS, AES)
sowie Ionenchromatograpie (IC) angewandt. Die Untersuchung der Schwarzfärbung bzgl. Koh-
lenstoff, organischer Bestandteile und Eisenverbindungen wurden mit Hilfe des thermographi-
schen Kohlenstoffanalysators, FT-IR, Py-GC, GC-MS und Mössbauerspektroskopie durchge-
führt. Durch XRD, FT-IR wurden Mineralbestandteile analysiert, Polarisationsmikroskop und Ra-
sterelektronenmikroskop (REM) wurden für die Analyse der Gefüge und Mineralbestandteile be-
nutzt.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, daß die Veränderungen und Schäden an den untersuchten
Gebäuden das Produkt einer komplexen Kombination aus den verschiedenen Verwitterungsarten
und Bausteinsorten darstellen.
Die Ergebnisse dieser Arbeit können als Basis für anstehende Renovierungsarbeiten dienen. Dies
gilt zum einen für die festgestellte Notwendigkeit einer schonenden Reinigung der Bausteine.
Schließlich können Hinweise für die Identifizierung und Entwicklung geeigneter Steinschutz- und
Konservierungsmittel abgeleitet werden.
Inhaltverzeichnis
1. EINFÜHRUNG..........................................................................................................................1
2. PROBENMATERIAL
2.1 BAU- UND RESTAURIERUNGSGESCHICHTE DER GEBÄUDE AUF DER MUSEUMSINSEL..........................5
2.1.1 Altes Museum......................................................................................................................5
2.1.2 Neues Museum.....................................................................................................................6
2.1.3 Nationalgalerie....................................................................................................................6
2.1.4 Säulenhallen an der Nationalgalerie....................................................................................7
2.1.5 Bode-Museum......................................................................................................................7
2.1.6 Pergamon-Museum..............................................................................................................7
2.2 DIE IN DER LITERATUR AUFGEFÜHRTEN WICHTIEN EIGENSCHAFTEN DER VERWENDETEN GESTEINE..8
2.2.1 Sächsische Sandsteine.........................................................................................................8
2.2.2 Schlesische Sandsteine.......................................................................................................11
2.2.3 Fränkischer Muschelkalkstein............................................................................................11
2.3 FÜR DIEVERWITTERUNG RELEVANTE UMWELTBEDINGUNGEN UM DIE MUSEUMSINSEL...................13
2.3.1 Meteorologische Parameter...............................................................................................13
2.3.2 Immissionssituation in der Nähe der Museumsinsel...........................................................14
2.4 PROBENAHME............................................................................................................................19
3. UNTERSUCHUNGSMETHODE
3.1 PHYSIKALISCHE UNTERSUCHUNGEN............................................................................................23
3.1.1 Farbbestimmungen............................................................................................................23
3.1.2 Dichte- und Porositätbestimmungen..................................................................................23
3.1.3 Hygrische Eigenschaften...................................................................................................24
3.2 ANALYSE DER CHEMISCHEN ZUSAMMENSETZUNG .......................................................................25
3.2.1 Vollanalyse mit Röntgenfluoreszenzspektrometrie (RFA) .................................................25
3.2.2 Die Bestimmung der wasserlöslichen Salze.......................................................................26
3.3 ANALYSE DER VERFÄRBUNGEN..................................................................................................26
3.3.1 Bestimmung des Kohlenstoffgehaltes................................................................................26
3.3.2 Bestimmung der organischen Bestandteile........................................................................27
3.3.3 Mössbauer-Spektroskopie.................................................................................................29
3.4 PETROGRAPHISCHE UND MINERALOGISCHE UNTERSUCHUNGEN....................................................29
3.4.1 Röntgendiffraktometrie (XRD) .........................................................................................29
3.4.2 FT-IR Spektroskopie.........................................................................................................29
3.4.3 Mikroskopische Verfahren................................................................................................29
4. DIE WICHTIGEN PHYSIKALISCHEN EIGENSCHAFTEN
4.1 FARBBESTIMMUNGEN.................................................................................................................31
4.2 DIE KENNZEICHNUNG DES PORENRAUMES (DICHTE UND POROSITÄT) ..........................................32
4.3 HYGRISCHE EIGENSCHAFTEN......................................................................................................32
4.3.1 Maximale Wasseraufnahme bei Atmosphärendruck und unter Vakuum..............................33
4.3.2 Kapillare Wasseraufnahme................................................................................................36
5. CHEMISCHE ZUSAMMENSETZUNG
5.1 VOLLANALYSE DER BAUGESTEINE (HAUPTELEMENTE UND SPURENELEMENTE) .............................39
5.1.1 Ergebnis der Analyse.........................................................................................................39
5.1.2 Datenanalyse durch statistische Methoden........................................................................45
5.1.3 Anreicherungsfaktor und Herkunft der Oberflächenbestandteile........................................52
5.2. WASSERLÖSLICHE SALZE...........................................................................................................57
5.2.1 Ergebnisse........................................................................................................................59
5.2.2 Statistische Datenanalyse..................................................................................................60
5.2.3 Herkunft der Salze.............................................................................................................66
6. SCHWARZFÄRBUNG DER VERWITTERTEN OBERFLÄCHE
6.1 KOHLENSTOFF IN DER VERWITTERTEN ZONE................................................................................69
6.2 ORGANISCHE ANTEILE................................................................................................................72
6.2.1 Die Analyse mittels FT-IR Spektroskopie...........................................................................73
6.2.2 Pyrolyse-Gaschromatographie (Py-GC) ...........................................................................74
6.2.3 GC/MS..............................................................................................................................75
6.3. EISENMINERALIEN UND -VERBINDUNGEN....................................................................................83
6.3.1 Mössbauerspektroskopische Untersuchungen...................................................................83
6.3.2 Ergebnisse und Interpretation..........................................................................................84
7. PETROGRAPHISCHE UND MINERALOGISCHE EIGENSCHAFTEN
7.1 MINERALBESTAND.....................................................................................................................93
7.1.1 Bestimmung durch Röntgendiffraktometrie (XRD) ............................................................93
7.1.2 Analyse mittels FT-IR spektroskopischem Verfahren.........................................................97
7.2 UNTERSUCHUNG DER GEFÜGEMERKMALE UND DES MINERALBESTANDS
DURCH MIKROSKOPISCHEVERFAHREN.......................................................................................102
7.2.1 Lichtmikroskopisches Verfahren......................................................................................104
7.2.2 Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen...........................................................112
8. SCHLUßFOLGERUNGEN...............................................................................................120
ANHANG......................................................................................................................................125
LITERATURVERZEICHNIS................................................................................................145
Einführung 1
1. Einführung
Aufgrund ihrer hohen Beständigkeit waren mineralische Baustoffe bis in die jüngere Vergangen-
heit für Bauwerke allgemein anerkannt.[77]
Diese Meinung mußte jedoch im Lauf der Zeit revidiert werden: Gebäude, welche aus Stein er-
baut waren, sind über sehr lange Zeiträume natürlichen und anthropogenen Emissionen ausgesetzt
gewesen. Dies bedeutet, daß durch das komplexe Zusammenwirken der verschiedenen Verwitte-
rungsmechanismen die Gebäude auf den Oberflächen und in den oberflächennahen Zonen ihrer
Gesteine den für Luftverschmutzung charakteristischen Verwitterungseinwirkungen (z.B. Ver-
schmutzung und Schädigung) in hohem Maß ausgesetzt und letztlich vom Zerfall bedroht sind.
Die genauen Wirkungsmechanismen zu erkennen, ist bei der Vielfalt der Schädigungen sehr
schwierig, zumeist greifen mehrere Schadensursachen ineinander. Die Ursachen sind unterschied-
lich, wie z.B. konstruktionsbedingte Schäden, Materialschäden, Bearbeitungsschäden, Korrosi-
onsschäden, Erosionsschäden, Schäden durch physikalische, chemische und biologische Einwir-
kungen sowie Schäden durch falsche Restaurierungsmaßnahmen.[77]
Die inneren Ursachen der Verwitterung hängen nur von der Gesteinsart ab und entsprechen den
charakteristischen Eigenschaften des Gesteins. Unter den äußeren Faktoren werden die gesamten
Umwelt- und Nutzungseinflüsse verstanden.
Diese Untersuchung beschäftigt sich mit den Bausteinen, die bei den Gebäuden der Museums-
insel in Berlin verwendet worden sind. Die Gebäude der Museumsinsel bestehen aus dem Alten
Museum, dem Neuen Museum, der Nationalgalerie, dem Bode-Museum und dem Pergamon-
Museum (siehe Kapitel 2.1). Ihre Entstehungszeit liegt in den Jahren 1832-1930, verschiedene
Steinsorten (unterschiedliche Sandsteinvarietäten und Kalkstein) wurden an ihnen verbaut (siehe
Kapitel 2.2). Im Jahre 1944 mußten die Gebäude der Museumsinsel, wie viele Bauten, schwere
Kriegsschäden hinnehmen. Nach dem Krieg wurden umfangreiche Bau- und Restaurierungsmaß-
nahmen zur Wiederherstellung der einzelnen Gebäudeteile der Museumsinsel Berlin eingeleitet.
Den Literaturuntersuchungen der lithologischen Kartierung zufolge handelt es sich bei dem ver-
wendeten Werkstein für Fassaden um verschiedene Sandsteinvarietäten (Altes Museum, Neues
Museum, Nationalgalerie, Säulenhallen an der Nationalgalerie und Bode-Museum), die aus Sach-
sen und Schlesien stammen sowie um fränkischen Muschelkalkstein (Pergamon-Museum). Die
strukturellen und texturellen Unterschiede sind auf Unterschiede in der Gesteinsfarbe und der
Korngröße zurückzuführen. Trotz der relativ jungen Entstehungsgeschichte der Gebäude weisen
schon die meisten der verwendeten Baugesteine mehrere Verwitterungsformen auf, die haupt-
sächlich nur in Kombination anzutreffen sind. Unter den verschiedenen Verwitterungsformen fal-
Einführung 2
len Schwarzfärbungen auf den Oberflächen der Bausteine dieser Gebäude deutlich auf. Im Allge-
meinen kommen diese schwarzen Schichten auf Teilen von Gebäuden vor, die vor direktem Regen
geschützt sind und gleichzeitig mehr dem konzentrierten Verschmutzungsangriff in Form trocke-
ner Ablagerungen ausgesetzt sind. Diese schwarzen Schichten auf den Oberflächen beeinträchti-
gen nicht nur den ästhetischen Aspekt; noch gravierender sind ihre nicht sichtbaren bauschädigen-
den Wirkungen an den Gebäuden, die sie aufgrund ihrer Zusammensetzung haben.[158]
Aufgrund der angedeuteten Verwitterungsproblematik an den Gebäuden der Museumsinsel wur-
den für die vorliegende Untersuchung folgende Arbeitsziele festgelegt:
1. Ein Vergleich von Verwitterungsformen und -zuständen der verschiedenen an den Gebäuden
der Museumsinsel verwendeten Steinsorten.
2. Die Untersuchung der Ursachen und Mechanismen der Schwarzfärbungen auf den Oberflä-
chen der Bauwerke in Bezug auf den Einfluß der Luftverschmutzung (Umweltschadstoffe),
den Beitrag organischer sowie schließlich eisenhaltiger Substanzen.
3. Die Ermittlung der Möglichkeiten und Grenzen der Identifikation von Verwitterungsmerkma-
len des Baugesteins anhand der Anwendung verschiedener bekannter Methoden einerseits und
der Kombinationen mehrerer Ergebnisse andererseits.
4. Und schließlich die Entwicklung und Anwendung einer Methode, die die rasche und zuverläs-
sige Unterscheidung und Charakterisierung der Verwitterung erlaubt.
Die vorliegenden Untersuchungen sind auf die Vorbereitung von Restaurierungs- und Reini-
gungsmaßnahmen an der Fassade hin konzipiert. Mit dieser Arbeit verbindet sich somit die Hoff-
nung, einen Beitrag dafür zu leisten, der weiteren Zerstörung historischer Substanz Vorschub zu
leisten.
Einige Analyseverfahren sind angewandt worden, um die Bestandteile der verwitterten Schichten
zu identifizieren und verschiedene Arten der Verwitterungsform zu charakterisieren.
Sowohl Bauwerke aus Naturstein als auch die schwarzen verwitterten Oberflächen der Bauwerke
bilden chemisch sehr komplexe Systeme.[132] Untersuchungen über die chemische Zusammen-
setzungen der beiden Zonen sollten mehr Kenntnis über die Prozesse liefern, die während der
Verwitterung auftreten. Hierfür wurde die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) angewandt.
In chemischer Hinsicht ist die Verwitterung durch die im Vergleich zur Diagenese hohe Beweg-
lichkeit des Wassers und durch die Beteiligung von Ionen gekennzeichnet. Die dadurch entstan-
dene Salzbildung hat verschiedene negative Auswirkungen wie z.B. ein Ansteigen der hygrosko-
pischen Wasseraufnahme, die Verzögerung der Austrocknung, die Steigerung der Dehnungen
Einführung 3
unter Feuchtewechseln bis um das zehnfache usw.[274] Diese Salze wurden mit Hilfe der Ionen-
chromatograpie und Atomabsorptions-, sowie Atomemissionsspektrometrie analysiert. Damit
können die Quellen der Bestandteile der Oberflächenzone (z.B. Stein selber und/oder Luftschad-
stoffe wie Schwefeldioxid, Chlorid, Nitrat und Staub) abgeschätzt werden, die Identifikation der
Salze stellt eine Hilfe für die Entsalzung der Baugesteine dar.
Die Schwarzfärbungen der Oberflächenzone können im Allgemeinen durch die verschiedenen
Luftverschmutzungsarten, organisches Wachstum sowie durch die Ablagerung und/ oder Mobili-
sation von färbenden Mineralen (z.B. Eisen- und Manganmineralen) entstehen. Betreffs der Luft-
verschmutzung sind verschiedene Einflüsse zu nennen, die seit längerem zu ihrer Verstärkung
beitragen, wie z.B. die stetig zunehmende Anwendung fossiler Brennstoffe wie Kohle und Öl seit
Beginn der Industrialisierung. Durch die Bestimmung des Kohlenstoffgehalts kann der Ursprung
der Schadenschichten identifiziert werden. Der elementare Kohlenstoff ist dabei überwiegend ein
Produkt von Verbrennungsprozessen. Der organische Kohlenstoff der sich auf den Gesteinober-
flächen abgelagert hat, kann seinen Ursprung in der unvollständigen Verbrennung von Fossiltreib-
stoff, der photochemischen Oxidation von Olefinen sowie in biologischer Verwitterung ha-
ben.[167] Die Bestimmung des Kohlenstoffs erfolgte mit Hilfe des thermographischen Kohlen-
stoffanalysators.
Die organischen Anteile sind auf Ruß, Kohlenwasserstoffe - vornehmlich n-Alkane, Phenolderi-
vate, alkylierte Aliphaten, Benzolverbindungen - sowie biogene organische Verbindungen zurück-
zuführen.[41, 205] Die organischen Komponenten sind als eine Art Bindemittel der Schmutzab-
lagerungen zu verstehen und verursachen deren zähe, teils lederartige Beschaffenheit. Zur bio-
chemischen Verwitterungen tragen insbesonders Pflanzenwurzeln und niedere Vertreter der Bo-
denflora wie Bakterien, Algen und Pilze bei. Die wasserlöslichen organischen Verbindungen ent-
stammen direkten Pflanzensekreten oder den Abbauprodukten pflanzlicher oder tierische Reste.
Für die Untersuchung des gesteinsschädigenden Einflusses der organischen Komponenten (vor
allem in Bezug auf Schwarzfärbung) wurden die Oberflächenproben mittels FT-IR, Py-GC sowie
GC-MS analysiert.
Farbhaltige Minerale oder Verbindungen wie Eisenverbindungen, die meistens in den schwarzen
Oberflächenzonen in höheren Konzentrationen als in den Innenzonen nachgewiesen wurden, müs-
sen ebenfalls als eine Ursache der Schwarzfärbung berücksichtigt werden. Mit Hilfe der Röntgen-
diffraktometrie und der Mössbauerspektrometrie wurde die Identifizierung und Strukturbestim-
mung der Eisenverbindungen durchgeführt. Dadurch können sowohl die Herkunft des Eisens
Einführung 4
(durch Ablagerung von Fremdsubstanz und/oder Mobilisation in der unbeschädigten Innenzone)
als auch dessen Umwandlungsprozesse geklärt werden.
Durch die physikalische Verwitterung werden Gesteine und Mineralien gelockert und in kleinere
Teilchen zerlegt; zu nennen sind hierbei Druckentlastung, Temperaturwechsel, Frostsprengung,
Salzsprengung, Wurzeldruck, Quellung sowie gegenseitige mechanische Beanspruchung der Ge-
steine.[146] Für die physikalischen schädigenden Prozesse spielt Wasser im Porenraum dabei eine
entscheidende Rolle. In dieser Arbeit wurden die diesbezüglichen physikalischen Eigenschaften
wie Dichte, Porosität, maximale Wasseraufnahme und kapillare Wasseraufnahme untersucht. Da-
mit können Aussagen über Veränderungen der eingebauten Baugesteine gegenüber unbeschädig-
tem Material je nach verwendeter Sorte gemacht und verglichen werden.
Durch die kombinierte makroskopische und mikroskopische Betrachtung ergeben sich in einigen
Fällen präzisere Definitionen sowie eine weiterreichende Einteilung der Verwitterungsformen.
Darauf aufbauende mikroskopische Untersuchungen werden mit dem Ziel durchgeführt, die Ver-
witterungsformen anhand ihres Mikrogefüges und einiger markanter Bestandteile zu charakterisie-
ren und gegebenenfalls weiter zu differenzieren. Darüber hinaus ist die mikroskopische Betrach-
tung des Korngefüges der Gesteine dazu geeignet, eine Schädigung des Mikrogefüges nachzuwei-
sen und quantitativ zu beschreiben. Dabei stehen vor allem oberflächenanalytische Methoden wie
die FT-IR und die Elektronenspektroskopie für die chemische Analyse im Vordergrund. Die qua-
litative und quantitative Bestimmung des Mineralgehaltes wurden mittels Röntgendiffraktometrie,
FT-IR Spektroskopie sowie Mikroskopie durchgeführt.
Probematerial 5
2. Probenmaterial
2.1 Bau- und Restaurierungsgeschichte der Gebäude auf der Museumsinsel
Die Museumsinsel, die aus fünf großen Bauwerken besteht, ist von den Flußsystemen von Spree
und Kupfergraben umschlossen (Abbildung 2.1.1). Feuchtigkeits-, Trockenheits-, Frost- und Tau-
phasen erfolgen dort häufig und in raschem Wechsel. Das feuchte Mikroklima wird zusätzlich ver-
stärkt durch Feuchtigkeitseinwanderungen in den Sockel aus dem dahinterliegenden Erdreich.
Wind und Regen können ungehindert auf die tragenden Fassaden treffen. Abbildung 2.1.2 zeigt
die Gebäude auf der Museumsinsel.
2.1.1 Altes Museum
Das Alte Museum wurde von 1823 bis 1843 von Karl Friedrich Schinkel erbaut.
Die Fassade wurde wesentlich als Putzbau ausgeführt, dessen Backstein aus Königs-Wuster-
hausen, Rathenow und Stolpe stammt.[39] Als Putzfarbe hatte Schinkel eine Imitation von Sand-
stein angeordnet.[209] Sandstein wurde nur für Teile am Außenbau, wie die 22 Säulen der Vor-
halle, für die seitlichen Antenpfeiler, für die Brüstungsbänder der Rück- und Nebenseiten sowie
für das ringsherum geführte Gebälk verwendet. Treppenwangen und Gebäudesockel wurden mit
Sandstein verblendet.
Abb.2.1.1 Überblick über die Museumsinsel und Probeentnahmestellen
1. Altes Museum, 2. Neues Museum, 3. Nationalgalerie, 4. Bode-Museum
5. Pergamon-Museum, 6. Säulenhallen an der Nationalgalerie
Probematerial 6
Hierbei handelt es sich um sächsischen Elbsandstein aus Postelwitz, Cotta oder Posta.
Während des Krieges wurde dieses Gebäude schwer beschädigt und brannte aus, von 1953 bis
1966 erfolgte die Wiederherstellung, wobei im Innern nur die Rotunde im originalen Sinn restau-
riert wurde. Zwischen 1979 und 1982 folgten weitere Restaurierungsarbeiten.
2.1.2 Neues Museum
Das Neue Museum wurde von 1843 bis 1846 von Friedrich August Stüler als Teil einer großartig
geplanten Museumserweiterung an der Spree erbaut.
Das Neue Museum zeigt von Putzquaderung (rechteckiger Putzbau) überzogene Fassaden. Die
Außenhaut des Gebäudes war anfangs hell und sehr glatt, die Putzquaderung in regelmäßigen Ab-
ständen bräunlich und gelblich getönt.[64] Stüler ließ Versuche zur Verarbeitung und Nutzung
der Infusorienerde vornehmen. Sie wurde zu Steinen - von Infusorienerde oder Kieselgur zu Zie-
gelstein - gebrannt, wobei brauchbare Resultate erzielt wurden.
Für alle Fensterumrahmungen, Gesimse, Säulen und Sockel wurde Sandstein verwendet. Untersu-
chungen zufolge handelt es sich hierbei um sächsischen Elbsandstein (vermutlich Postaer Sand-
stein).
Nach dem Krieg wurde das Gebäude unter Verwendung von sächsischem Sandstein repariert.
2.1.3 Nationalgalerie
Die Nationalgalerie wurde von 1866 bis 1876 nach einem Entwurf von August Stüler durch Hein-
rich Strack erbaut.[192]
Die Außenwände sind als Ziegelmauerwerk hergestellt und mit stark gegliederten Bauteilen aus
rötlichem Sandstein vollständig verkleidet, auf diese Weise kontrastieren sie mit den sparsamen
Putzfronten des Alten und des Neuen Museums. Die sichtbaren Fassadenteile aus Sandstein
stammen aus dem Nebraer Steinbruch. Anfangs wies das Material ein zartes, rötlich schimmerndes
Grau auf. Im Jahr 1896 wurden jedoch erste Verwitterungsprobleme an den versetzten Brü-
stungsplatten der Nationalgalerie bemerkt.[151] Die aus einer gelblichen, getüpfelten Varietät der
Nebraer Steins gearbeiteten Stücke zeigten um 1895 nach erst 25 Jahren Standzeit Schädigungen,
die zu der Einschätzung führten, daß sich das Material schlecht bewährt habe.
Beim Wiederaufbau der Nationalgalerie in den 50er und 60er Jahren wurden sie für Ergänzungen
der Kriegsschäden eingesetzt. Daraufhin wurden weiße Sandsteine verwendet, welche als Cottaer
und Postaer Elbsandstein identifiziert worden sind.
Probematerial 7
2.1.4 Säulenhallen an der Nationalgalerie
Von 1873 bis 1876 wurden die Säulenhallen erbaut, welche die Nationalgalerie vollständig um-
geben. Zunächst hatte Stüler vor dem Neuen Museum die Säulenhallen angelegt, die dann Strack
um die Nationalgalerie herum weiterführte.[195] Bei der Errichtung des Pergamon-Museums
wurden die Säulenhallen teilweise abgetragen. Der zahlreichen Literatur zufolge handelt es sich
bei den verwendeten Sandsteinen um folgende:
- schlesische Sandsteine : Oberer Quader von Alt-Warthau und Rackwitz.
- sächsischer Elbsandstein : Postelwitz oder Cotta oder Posta.
Mit dem letztgenannten sächsischen Elbsandstein wurde auch der Wiederaufbau nach dem Krieg
durchgeführt.
2.1.5 Bode-Museum
Das Bode-Museum, das sich zwischen Fluß und Stadtbahn befindet, wurde 1897-1904 von Ernst
Eberhard von Ihne erbaut.[248]
Das Bode-Museum erhielt mit Sandstein verkleidete Fronten (die Hoffronten wurden verputzt)
sowie Dekor und Skulpturen aus schlesischem Sandstein - im Einzelnen :
- Alt-Warthauer Sandstein : Kranzgesims und Architraph des gesamten Gebäudes.
- Rackwitzer Sandstein : Sockel der wasserseitigen Fassaden und weitere.
- Mittlerer Quader von Wünschelburg : größtenteils an der Spreeseite und vereinzelt an der
Kupfergrabenseite und weitere.
- Friedersdorfer Sandstein : an allen Halbsäulen der Risalite.
Die schweren Schäden des 2. Weltkrieges wurden bis 1978 beseitigt. Dabei wurden Postaer und
Cottaer Sandstein als Ersatzgestein für die Reparaturen der Nachkriegszeit wie folgt verwendet :
- Postaer Sandstein : Balustrade auf der S-Bahnseite, an den Balustradenpfeilern der
Wasserseiten.
- Cottaer Sandstein : alle ersetzten Baluster auf der S-Bahnseite und an den Wasserseiten.
2.1.6 Pergamon-Museum
Das Pergamon-Museum, der letzte Neubau auf der Museumsinsel, wurde von 1907 bis 1930 von
Messel und Hoffmann errichtet.[246]
Das aus Ziegelmauerwerk erbaute Gebäude wurde anders als die vier Gebäude auf der Museum-
sinsel mit Platten aus hartem fränkischen Muschelkalkstein verblendet, welcher vermutlich aus der
Probematerial 8
Region um Kirchheim stammt. Der Raum zwischen Ziegelmauerwerk und Kalksteinplatten wurde
mit Zementmörtel vergossen.
Der größtenteils vollzogenen Beseitigung der Beschädigungen des 2.Weltkrieges folgte eine mo-
derne Neugestaltung des Eingangs.
Tab.2.1.1 Bau- und Restaurierungsgeschichte der Gebäude auf der Museumsinsel
Gebäude Verwendete
Baugesteine
eingesetzt an fol-
genden Gebäude-
teilen
Reparaturen
[11]
Ersatzsteine der Repa-
raturen der Nach-
kriegszeit
Neues Museum
(NM) Sächsische Sandsteine
Postelwitz, Posta, Cotta
Fenster-
umrahmungen,
Gesimse, Säulen,
Gebäudesockel,
Skulpturen
Wiederaufbau :
seit 1982 Schlesische Sandsteine :
Rackwitz
Säulenhallen
an der
Nationalgalerie
(SH)
Sächsische Sandsteine :
Postelwitz, Posta, Cotta
Schlesische Sandsteine:
Alt-Warthau und
Rackwitz
Säulen, Gebälk,
kassettierte Dek-
kenfelder Wiederaufbau :
1945-1959 Sächsische Sandsteine :
Posta, Cotta
Bode-Museum
(BM)
Schlesische Sandsteine:
Alt-Warthau und
Rackwitz, Friedersdorf,
Wünschelburg
Verkleidung der
Außenwände,
Dekor, Skulpturen
Wiederaufbau :
1945-1959 Sächsische Sandsteine :
Posta, Cotta
Nationalgalerie
(NG)
Nebraer roter Sandstein Verkleidung der
ganzen Außen-
wände
Wiederaufbau :
1945-1966
Restaurierung :
seit 1998
Sächsische Sandsteine :
Posta, Cotta
Schlesische Sandsteine :
Rackwitz
Pergamon-
Museum (PM) Fränkische Muschel-
kalksteine :
evl. Kirchheim
Verkleidung der
Gebäude Wiederaufbau :
1945-1959
2.2 Die in der Literatur aufgeführten wichtigen Eigenschaften der verwendeten
Gesteine
Im folgenden Kapitel werden zunächst die Eigenschaften beschrieben, welche die Gesteine anhand
der Literaturangaben im Originalzustand aufweisen. In Tabelle 2.2.1 befindet sich sodann eine Zu-
sammenfassung ihrer technischen Eigenschaften.
2.2.1 Sächsische Sandsteine
2.2.1.1 Postaer Sandstein
Postaer Sandstein ist ein Quadersandstein, dessen Mittelquader ein Quarzsandstein ist, selten sind
Eisenadern enthalten. Die Farbe ist weißgrau und gelblich. Beim Postaer Sandstein handelt es sich
um überwiegend gröbere Sandsteine mit kieseligem Bindemittel. Der SiO2-Gehalt liegt in der Re-
gel bei über 98 %.
Probematerial 9
(a) (b)
(c)
(d)
(e)
Abb.2.1.2 Die Gebäude auf der Museumsinsel
(a) Neues Museum (b) Nationalgalerie (c) Bode-Museum
(d) Säulenhallen an der Nationalgalerie (e) Pergamon-Museum
Probematerial 10
Die große Härte führt zu schwerer Bearbeitbarkeit und der Unmöglichkeit, feinere Formen bild-
hauerisch herauszuarbeiten. Die höchsten Festigkeiten eignen sich besonders für Sockelbereiche
im Hochbau sowie bei der Verwendung für Bodenplatten und Treppen.
Postaer Sandsteine besitzen eine hohe Verwitterungsbeständigkeit sowie eine gute kapillare
Saugfähigkeit, die durch Porenradien im überwiegend kapillaren Bereich hervorgerufen wird, wel-
che andererseits auch eine relativ schnelle Wiederaustrocknung zulassen. Die porösen, weniger
festen, kieselig gebundenen Sandsteine neigen bei ständig hohem Feuchtigkeitsgehalt zum Absan-
den infolge der Auflösung der Kornbindungen.
2.2.1.2 Cottaer Sandstein
Cottaer Sandstein ist ebenfalls ein Quarzsandstein, der sich durch eine weißgraue bis gelbliche
Färbung mit hohen Feinkornanteilen auszeichnet, die für dekorative und bildhauerische Zwecke
gut geeignet sind. Seine gesteinstechnischen Werte lassen sich mit einer Rohdichte von 2,3 g/cm3
und einer Druckfestigkeit von 350 bis 400 kp/cm2 angeben. Die Festigkeiten des Cottaer Sand-
steins sind relativ gering. Die Verwitterungsbeständigkeit des Cottaer Sandsteins muß im Ver-
gleich mit dem Postaer Sandstein als eher ungünstig beurteilt werden. Das tonmineralhaltige Ge-
füge und die relativ hohen Anteile kleiner Poren (unterhalb des Kapillarbereiches) wirken sich un-
günstig auf die Resistenz gegen Salze aus, so daß insbesondere an stark durchfeuchteten Bautei-
len Schäden in Form von Schuppenbildungen, Bröckelzerfall und Absanden der Oberfläche auf-
treten können. Die chemischen Analysen weisen als Mittelwert für SiO2 94,5 % und Al2O3 3,12 %
auf.[121]
2.2.1.3 Nebraer Sandstein
Der Nebraer Sandstein gehört dem Mittleren Buntsandstein an. Er ist besonders im letzten Drittel
des 19. Jahrhunderts an verschiedenen Gebäuden Berlins verwendet worden. Später tritt er nur
noch selten auf.
Die Farbe ist recht verschieden : dunkelrot, blaßrot, gelb und weiß, weißgrau und grau. Im All-
gemeinen herrschen in den tieferen Schichten der Lagerstätten die roten Sandsteine vor, während
in den höheren die hellen überwiegen. Nicht selten kommen auch rotgrau gestreifte Partien vor.
Das Korn ist fein bis mittel, untergeordnet auch grob. Das Bindemittel ist tonig und enthält wech-
selnde Mengen von Feldspatkörnern und Glimmerblättchen. Daneben kommt auch Pyrit in kleinen
Kriställchen vor. Die Festigkeit der einzelnen Lagen ist recht verschieden. Die Wetterbeständig-
keit weist gleichfalls erhebliche Unterschiede auf.
Probematerial 11
2.2.2 Schlesische Sandsteine
2.2.2.1 Alt-Warthau, Rackwitz
Die Alt-Warthauer Brüche befinden sich im Quadersandstein, Obere Kreideformation.
Sie liefern ein schönes, feinkörniges und festes Material. Die Farbe wechselt von weißgrau und
gelb bis dunkelgelb sowie gelb geadert. Wegen des Feinkorns ist er für die feinsten Bildhauerar-
beiten geeignet. Das tonige Bindemittel ist spärlich. Häufig tritt Kaolin in den Poren auf. Ziemlich
unregelmäßig verteilt treten Sandlöcher auf. Die bei Rackwitz gewonnenen Gesteine sind denen
von Alt-Warthau sehr ähnlich. In ihnen kommen Lagen mit gelblichen, flammigen Adern vor. Er
ist ein ziemlich festes Gestein, das den bautechnischen Anforderungen durchaus gerecht wird.
Wie viele helle Sandsteine verliert der weiße Obere Quader in der rauchigen Luft der Großstädte
ziemlich schnell seine weiße Farbe und wird grau.
2.2.2.2 Wünschelburger Sandstein
Die Wünschelburger Sandsteine sind ein Quadersandstein, Obere Kreideformation.
Die Farbe ist auf Schwankungen im Eisenoxidgehalt zurückzuführen, weiß, gelb und grau.
Die Korngröße ist verschieden. So tritt in den Brüchen an der Wünschelburger Lehne zuunterst
feiner gelber Sandstein auf, der für Bildhauerarbeiten geeignet ist, auf den weiteren 30 m folgt et-
was gröberer Sandstein, welcher mehr als Werkstein Verwendung findet. Im Großen und Ganzen
ist das Gestein als mittel- bis kleinkörnig zu bezeichnen. Das Bindemittel ist im Allgemeinen spär-
lich, so daß zwischen den einzelnen Sandkörnern vielfach deutlich Poren zu erkennen sind. Die
teils eckigen, teils runden Quarzkörner sind meist durch ein schwaches kieseliges Kontaktzement
miteinander verwachsen. Daneben kommen auch Lagen mit tonigem Bindemittel vor, die natürlich
eine geringere Festigkeit haben als jene mit kieseligem Bindemittel. Im Bindemittel treten reichlich
Feldspatkörner auf, die zum Teil noch frisch sind, zum Teil aber auch zu toniger oder glimmeriger
Substanz zersetzt sind. Die Wetterbeständigkeit ist recht gut.
2.2.3 Fränkischer Muschelkalkstein
Das als fränkischer Muschelkalkstein bezeichnete Gestein ist der Trigonodus-Kalk des Oberen
oder Hauptmuschelkalks aus der Gegend südlich von Würzburg. Die dichten Kalke werden von
den Steinhauern als “Muschelkalk“ bezeichnet, im Gegensatz zu den “Schaumkalk“ genannten
Schalentrümmerbänken. Die dichten Kalke sind vielfach polierbar und als Dekorationsgestein zu
verwenden.
Probematerial 12
Die Farbe des Trigonodus-Kalkes ist grau bis bräunlichgrau. Es folgen die Eigenschaften anhand
der in Betracht kommenden Fundorte.
Tab.2.2.1 Wichtige technische Eigenschaften der verwendeten Originalgesteine
nach Literaturangaben
Fundort Druck-
festigkeit
(kg/cm
3
)
Rohdichte /
Reindichte Wa /
Wa(v)
Sättigungs-
koeffizient /
Porosität(%)
Farbe Korn Ref. Nr
Alt-Warthau,
Rackwitz 500-600,
648 1,966 0,58 weiß und gelb mit
gelblichen, flammi-
gen Adern
sehr fein,
fein 45, 248, 135
Alt-Warthau 215;660 1,955
2,293 6,99-8,44
12,10 0,50-0,72
23,0-26,3 weiß fein 76, 131
Warthau 8,1-8,44
12,13 0,72
24,33 weiß fein 131
Wünschel-
burg 650- 800 2,11-2,16
2,400 4,8-5,3
-0,467-0,56
18,8-20,3 weiß bis gelb, grau mittel- bis-
feinkörnig 45, 135, 76
Cotta 300
264-364 2,02-2,07
2,37-2,50 6,4-7,4
-0,612 – 0,655 weißlich, grauweiß
und gelblichgrau fein bis mittel 45, 246, 135, 76,
187, 161
Postelwitz 221-289,
600 1,98-2,0
2,250 7,6-8,2
11,86 0,68
23,88 gelblichgrau und hell
gelblichbrau, mit
bräunlichen Streifen
und unregelmäßigen
Flecken
grob bis fein 45, 246, 135, 76,
131
Posta 600-800 2,071-2,109
2,20-2,25 6,40-8,30 0,673-0,811
19,3-22,2
weißgrau und gelb-
lich, selten Eisen
adern
grob 246, 135, 161
Nebra 200 –300
652 2,400 8,24-9,41
13,73 0,657-0,685
24,84-26,42 grau, weißgrau,
gelb, grünlich rot
und blaßviolett
fein bis mittel
und grob 45, 246, 135, 76,
131
Fränkische
Muschelkalk 410-1200 1,99-2,31,
2,30-2,72(S) 0,44
-weißgrau bis bräun-
lichgrau 45, 135, 76
Marktbreit 350-450 2,500 graublau,
etwas Eisenadern muschelig
grobkornig 135
Kirchheim
Kernstein 2,64
2,72 0,6-0,8
1,11 0,68
2,5-3,5 hellbräunlichgrau,
khaki, mit hellerern
Partikeln
dicht 115, 187
Kirchheim
Blaubank
Goldbank
2,70/2,72
2,67/2,72 0,27/0,33
0,51/0,70 0,89/1,85
0,73/ - grau, gräulichbraun dicht 115
Abkürzungen : Wa : Wasseraufnahme unter Atmosphärendruck, Wa(v) : Wasseraufnahme unter Vakuum
2.2.3.1 Kirchheimer Muschelkalk (Kernstein)
Die Gesamtfarbe ist hellbräunlichgrau. Die Matrix ist ebenfalls hellbräunlichgrau und die Kompo-
nenten sind grau. Die Korngröße beträgt 0,l - 0,2 mm. Als calcitisches Bindemittel liegt homoge-
Probematerial 13
ner mikrosparitischer Zement vor, der durch Eisenverbindungen bräunlich gefärbt ist. Ein sicht-
barer Porenraum ist nicht vorhanden.
Eigenschaften: gut verwitterungsresistent; Politurverlust beim Außenverbau, Rückwitterung in
Bereichen des Bindemittels und an den Stylolithen und Ausbleichung nach bestimmter Expositi-
onszeit sowie oberflächliche Anlösung durch Aggressorien; dennoch beim Außenverbau meist
gute Erhaltung.
2.2.3.2 Kirchheimer Muschelkalk (Blaubank und Goldbank)
Eigenschaften:
- Gesamtfarbe : Blaubank : grau, Goldbank : gräulichbraun
blaugrauer bzw. beigebrauner, dichter Muschelkalk mit Muschel- und Brachiopoden-
schalen, durch Eisenverbindungen unterschiedlich gefärbt.
- Matrix : teils Bereiche mit starker Verdichtung an Fossilresten; Drusen, mit Calcit verfüllt;
rostbraune Eisenoxidverbindungen als Schmitzen partienweise angereichert.
- Struktur : dicht erscheinend, Komponenten mit arenitischer bis ruditischer Korngröße gut im
Gestein erkennbar.
- gut bis mäßig verwitterungsresistent; Ausbleichung, Anlösung durch Aggressorien und Rück-
witterung des kalkigen Bindemittels nach relativ kurzer Expositionszeit im Außenverbau; den-
noch beim Außenverbau meist gute Erhaltung.
2.3 Für die Verwitterung relevante Umweltbedingungen um die Museumsinsel
Die verwitterten Oberflächenschichten besitzen komplexe Merkmale, wobei die Gründe für deren
Auftreten je nach Standort äußerst unterschiedlich und komplex sein können. Eine wichtige Vor-
aussetzung besteht daher vor jeder Analyse in der Beschäftigung mit ihren natürlichen und an-
thropogenen Umweltbedingungen.
2.3.1 Meteorologische Parameter
In Tabelle 2.3.1 werden langjährige Mittelwerte der meteorologischen Daten für Gesamt-Berlin
sowie für das Gebiet Berlin-Mitte um die Museumsinsel dargestellt, da die klimatischen Verhält-
nisse den Feuchtezustand und die thermischen und hygrischen Verformungen an einem Bauwerk
maßgeblich beeinflussen. Folgende Elemente (fast immer sind sie aus mehreren Einzelkomponen-
ten zusammengesetzt) werden hierzu herangezogen :
Probematerial 14
Lufttemperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Regen und Wind
Tab.2.3.1 Langjährige Mittelwerte der meteorologischen Daten [174]
Temperatur (°C) RH (%) Luftdruck
(hPa) Niederschlag
(mm/Mon.)
Wind-
Richtung
Grad
Wind -
Geschwindig-
keit (m/s)
G-BLNaMittebG-BLN G-BLN G-BLN Innenstadt Innenstadt
Mittelwert 8,8 10,2 78 9,5 49,5 247 2,9
Max/
Min
32,9 /
-15,5
88 /
67
15 /
5,3
73,4 /
32,2
3,5
a : Mittelwert bis 1992 in Gesamt-Berlin
b : Mittelwert von 1950-1980 in Berlin-Mitte
Tab.2.3.2 Jahreswerte der Schadstoffkonzentrationen des Berlin-Mitte [1]
SO2NO2NO NOxStaub
JM P98 JM P98 JM P98 JM P98 JM P98
1978 194
1981 149 533 32 81 17 70 60 196 84 290
1984 152 540 39 78 14 66 61 187 93 253
1987 107 620 46 97 16 78 71 226 78 247
1988 74 328 45 100 13 58 64 196 58 256
1989 104 573 42 95 14 79 64 125 82 295
1990 66 277 42 100 13 61 64 201 73 220
1991 52 258 34 75 25 119 72 239 78 220
1992 34 154 37 78 24 107 73 225 69 173
Konzentrationsangaben in µg/m3
JM = Jahresmittelwert, P 98=98 %-Wert
2.3.2 Immissionssituation in der Nähe der Museumsinsel
Auf die Oberfläche aller Baustoffe wirken laufend natürliche und anthropogene Immissionen ein.
Deswegen stellt die Kenntnis von der Luftqualität um das Monument herum eine erste Stufe beim
Bestimmen des Umweltrisikos für das Gebäude dar.
Die Immissionen werden normalerweise aufgegliedert in flüssige (Mineralsäuren), gasförmige an-
organische, organische und partikelförmige Immissionsstoffe (Stäube).[50] Die Wirkung der
Luftverschmutzung auf die Steinverwitterung ist ein langfristiger Prozeß, wodurch im Allgemei-
nen viele Schadensphänomene entstehen, die von der Neigung der Flächen, Rauhigkeit der Flä-
chen, Exposition des Bauteils usw. abhängen.
Um den Einfluß der Luftverschmutzung auf die Schäden der Steine zu schätzen und einen allge-
meinen Überblick zu geben, werden nachfolgend einige wichtige Immissionsparameter dargestellt
: Schwefeldioxid (SO2), Stickstoffoxide (NO, NO2, NOx) und Schwebstaub.
Probematerial 15
Der langjährige Verlauf der Schadstoffkonzentration in Berlin-Mitte um die Museumsinsel herum
ist aus den Tabelle 2.3.2 ersichtlich.
2.3.2.1 Schwefeldioxid (SO2)
SO2 reagiert mit dem O2 der Luft und Wasser zu aggressiver Schwefelsäure (H2SO4). Diese rea-
giert am Stein mit Kalk, indem sie Calziumcarbonat (CaCO3) unter Volumenvergrößerung in das
leicht lösliche Calziumsulfatverbindungen (z.B. Gips: CaSO4·2H2O) verwandelt, das wiederum
mit Wasser an die Oberfläche transportiert wird. Trotz des Vorhandenseins mehrerer Schwe-
feloxide sind nur die gasförmigen Schadstoffe SO3 und SO2 von Wichtigkeit. Schwefeltrioxid
schließt sich rasch mit der atmosphärischen Feuchtigkeit zusammen, um schwefelsaures Aerosol
zu bilden, während SO2 langsam homogen in der Gegenwart von Sauerstoff und Feuchtigkeit oxi-
diert, um Schwefelsäure zu formen.
- Der lösende Angriff von SO2 :
Voraussetzung für den lösenden Angriff ist die Reaktion des SO2 mit Wasser zu
schwefliger Säure, bzw. bei gleichzeitiger Oxidation zu H2SO4.
- Der treibende Angriff :
Ein treibender Angriff tritt vor allem bei porösen Natursteinen auf. Er beruht auf einer
verstärkten Salzbildung. Es wird ein relativ hoher Elektrolytgehalt der Porenlösung bei
einer Beregnung durch die in die Porenwasserfilme eingebrachten, bzw. dort freigesetzten
Kationen erzeugt.
Aus Tabelle 2.3.2 ist die höhere Belastung des Gebiets Berlin-Mitte in den früheren Jahren deut-
lich zu ersehen (194 µg/m3 als Jahresmittelwert 1978 in Berlin-Mitte). Dabei setzt sich der Trend
der vergangenen Jahre hinsichtlich eines Belastungsrückganges fort. Die Belastungsursache liegt
vornehmlich im Brennstoffeinsatz für Heizzwecke (z.B. bei der Verbrennung von Kohle, Heizöl
und Treibstoffen).[279]
2.3.2.2 Stickstoffoxide (NO, NO2, NOx)
Von den Oxiden des Stickstoffs sind Stickstoffmonooxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) wich-
tige Luftschadstoffe. Normalerweise werden NO und NO2 zusammen analysiert und als NOx dar-
gestellt. Weder NO noch NO2 verursachen direkten Schaden am Stein, so formt sich NO2 erst mit
der Feuchtigkeit in der Atmosphäre zu Salpetersäure um. Die Jahreswerte von NO2, NO und der
NOx weisen eine Belastungszunahme auf. In die Atmosphäre wird das NO2 überwiegend als NO
Probematerial 16
emittiert, wobei im Großstadtmilieu diese Verunreinigung zu etwa 70 % durch die Kraftfahrzeuge
und zu etwa 30 % durch die stationären Heizanlagen verursacht wird. [90]
2.3.2.3 Kohlendioxid (CO2)
CO2 entsteht bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe wie Steinkohle, Braunkohle,
Heizöl, Diesel und Benzin sowie bei der Verbrennung der Nahrung im menschlichen und tieri-
schen Körper. Durch die Reaktion mit Wasser entsteht Kohlensäure. Die Kohlensäure in der Luft
bewirkt eine leichtere Löslichkeit des Kalkanteils, der mit verdunstendem Wasser an die Steino-
berfläche transportiert und dort abgelagert wird.
2.3.2.4 Schwebstaub
Die Schwebstaubmeßdaten aus Berlin-Mitte ermöglichen die Darstellung der langfristigen Bela-
stungsentwicklung. Neben der Heiztätigkeit sind jahreszeitunabhängige Verursacher wie Kraft-
verkehr, Industrie- und Gewerbebetriebe, Güterumschlag, Bautätigkeit und Staubverwirbelung zu
nennen. Der überwiegende Anteil der in der Luft enthaltenen Schwermetalle liegt an Staubteilchen
adsorbiert und hier in größerem Umfang an Feinstaub gebunden vor. Die folgende Tabelle 2.3.3
gibt eine Übersicht über die mittleren Gehalte der relevanten Komponenten in der Atmosphäre
sowie der resultierenden Konzentration in Lösung an.
In Tabelle 2.3.4 werden die anorganischen Bestandteile im Schwebstaub dargestellt.
Tab.2.3.3 Die Gehalte der Komponenten in der Atmosphäre und Konzentration in Lösung für
Berlin [137]
Al Ca Fe KMg Na Si Pb
Atmosphärische
Konzentration (ng/m3)4500 4000 2500 1000 2000 800 7400 204
Konzentration
in Lösung (µg/m3)*5400 4800 3000 1200 2400 960 8900 -
* Annahme von 12 h Sammelzeit und 10 ml Extraktions bzw. Aufschlußlösung
Tab.2.3.4 Anorganische Bestandteile des Schwebstaubs in Berlin im Jahr 1989 [281]
Na+K+Mg2+ Ca2+ Cl-NO3-SO42-
Jahresmittel
(ng/m3)800 368 217 2319 1439 5525 11730
Probematerial 17
Black Smoke und Ruß im Schwebstaub
Als Hauptursache der hohen Black Smoke-Belastungen werden Dieselruß und zusätzlich Hei-
zungsemissionen aufgeführt. Bereits im letzten Jahrhundert wurde die Beteiligung von Kohle- und
Rußteilchen an der Krustenbildung erwähnt.[202]
Nach Untersuchungen lassen sich aus den Black-Smoke-Daten (BS) die Rußkonzentrationen als
elementarer Kohlenstoff (EC) nach der Formel der Maßeinheit µg/m3 berechnen.[82]
EC = 0,21 BS + 4,5
In Tabelle 2.3.5 sind die Jahrespegel der Rußmengen, berechnet nach der vorstehenden Formel,
dargestellt. Der bei der Black-Smoke-Messung ermittelte Schwärzungsgrad wird vorrangig durch
den Rußanteil des Schwebstaubes bestimmt, der vor allem in den Abgasen von Dieselmotoren und
Kohleheizungen enthalten ist.
In Tabelle 2.3.6 werden die Mittelwerte der Staubkonzentration in der Nähe des Flughafens Ber-
lin-Tegel gezeigt. Erwartungsgemäß wurden hohe Konzentrationen gefunden.
Tab.2.3.5 Jahreswerte Ruß in µg /m3 berechnet aus den Black-Smoke [1]
Bezirk 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993
Neukölln 19,1 12,6 12,8 8,6 11,8 10,7 10,7
Charlottenburg 8,6 6,7 8,0 6,1 6,3 5,7 5,5
Mitte n.m n.m n.m 7,1 7,6 7,1 7,1
Probeentnahmestellen in Neukölln (Innenstadt, Wohnbezirk): mittlere Belastung durch Verkehr und hohe Bela-
stung durch Hausbrand, Charlottenburg (Innenstadt, Wohnbezirk): hohe Belastung durch Verkehr und mittlere
Belastung durch Hausbrand und Mitte (Innenstadt, Geschäftsbezirk): mittlere Belastung durch Verkehr und mittle-
re Belastung durch Hausbrand.
Tab.2.3.6 Die Mittelwerte der Staubkonzentrationen in der Nähe des Flughafens Berlin-Tegel
[137]
Ca Fe Organischer
Kohlenstoff Elementarer
Kohlenstoff
DC (Gew.%) 3,9 ± 1,4 7,9 ± 1,5 16,0 ± 8,0 19,0 ± 11,0
PM-10 (µg/m3)1,3 ± 0,4 3,4 ± 1,3 23,0 ± 6,0 39,0 ± 7,0
DC : dichotomous Coarse Mode
PM –10 : dichotomous PM 10 Mode
Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAHs) im Schwebstaub
Tabelle 2.3.7 zeigt eine Übersicht über die Jahresmittelwerte der PAHs (polycyclischen aromati-
schen Kohlenwasserstoffe) -Konzentrationen und ihrer Gehalte im Schwebstaub an Einzelmeßsta-
tionen in Berlin im Meßzeitraum 1993/1994. Die PAHs sind in der Luft vorwiegend an Rußparti-
Probematerial 18
keln kleiner als 10 µm adsorbiert. Diese Schadstoffe entstehen bei unvollständigen Verbrennungs-
und Pyrolyseprozessen. Die Höhe der Immissionskonzentrationen mit PAHs wird in Berlin vor
allem durch den Hausbrand mit Kohleeinzelöfen verursacht.
Tab.2.3.7 Jahresmittelwerte der PAHs-Gehalte im Schwebstaub 1993/1994 [280]
Flu- Pyr- BaA BeP BbF BkF BaP BgP Ind- Cor-Untersuchugs-
gebiete Immionskonzentrationen in ng/m3
Neukölln 7,1 6,6 7,1 13,6 6,7 2,8 5,8 4,7 71,6
Mitte 4,6 3,5 3,3 7,9 3,6 1,7 3,2 3,1 4,7 1,2
Charlottenburg 4,8 4,5 3,8 8,3 4,1 1,8 3,5 4,1 4,6 1,8
Mittel der Berlin 5,2 4,6 4,1 9,2 4,2 1,9 3,7 3,5 4,9 1,5
im Schwebstaub im ppm
Neukölln 84 78 102 208 101 41 83 71 102 23
Mitte 53 40 39 104 48 22 39 40 60 15
Charlottenburg 41 37 34 77 39 17 32 42 44 19
Mittel der Berlin 57 50 50 118 55 24 45 45 62 18
Fluoranthen (FIu), Pyren (Pyr), Benzo(a)Anthrazen (BaA), Benzo(e)Pyren (BeP),
Benzo(b)Fluoranthen (BbF), Benzo(k)Fluoranthen (BkF), Benzo(a)Pyren (BaP)
Benzo(g,h,i)Perylen (BgP), lndeno(1,2,3-cd)Pyren (Ind), Coronen (Cor)
Untersuchungen zufolge beläuft sich das Verhältnis der PAHs von Gas-, Öl-, und Kohleöfen auf
annähernd 0,001 : 1 : 100. [129] Großfeuerungs- und Müllverbrennungsanlagen emittieren PAHs
ihrer besseren Ausbrandbedingungen wegen nur in untergeordnetem Maße. Ein gewisser Anteil
der PAHs liegt auch gasförmig vor. Die Stoffgruppe der PAHs umfaßt einige hundert verschie-
dene Verbindungen. In der Umwelt kommen meist unsubstituierte Verbindungen vor, die aus
mehreren aromatischen Ringen bestehen. Das PAHs-Profil wird u.a. auch durch die Schadstoff-
quellen bestimmt. Die Benzo(a)pyren-Emission wird vornehmlich den kleinen Feuerstätten zuge-
schrieben, wogegen Benzo(g,h,i)perylen vorrangig von Kraftfahrzeugen emittiert wird.[159] In-
teressant ist auch das Verhältnis von Benzo(a)pyren (BaP) zu Benzo(e)pyren (BeP). Beide PAHs
werden von Kohle-Heizungen etwa zu gleichen Teilen emittiert, während Ölheizungen doppelt
soviel BeP wie BaP emittieren. Bei Otto-Motoren ist die BaP-Emission um ein Drittel höher als
die des BeP, bei Dieselmotoren ist das Verhältnis umgekehrt. Die vorrangig vom Verkehr verur-
sachten B(ghi)P-Emissionen sind außerdem bei Otto- und Dieselmotoren unterschiedlich und das
BaP/B(ghi)P-Verhältnis ist im flüssigen Verkehr anders als im Stau.
Probematerial 19
2.4 Probenahme
Um ein genaues Schadensbild für die Diagnose zu erhalten, wurden zur Kartierung sowohl Zeich-
nungen, Fotografien als auch textliche Beschreibung benötigt. Die verschiedenen Schadensformen
wurden in folgenden Kategorien definiert.[251]
- Absanden: eine Zerfallsform, die nur aus dem Abfallen einzelner Körner oder sehr kleiner
Kornverbände entsteht.
- Verfärbungen: Farbwechsel innerhalb eines Steines.
- Schuppenbildung: eine kleinformatige Schalenbildung (zur Oberfläche parallele Schalen).
- Rißbildung: linearer Verlauf in jede mögliche Richtung.
- dünne schwarze Oberfläche (TBL): sehr dünn und stark anhaftend.
- schwarze Krustenbildung: dicker als die dünne schwarze Oberfläche, glatte Oberfläche.
Abbildung 2.4.1 zeigt einige der untersuchten Proben. Im Allgemeinen wurde die schwarze Ober-
flächenschicht auf den Teilen der Gebäude gebildet, die vor direktem Regen geschützt sind. An
Bereichen, die partiell oder indirekt Regen ausgesetzt sind, besteht konzentrierter Verschmut-
zungsangriff in Form trockener Absetzung, während schließlich die Proben, die im direkten Regen
exponiert waren, meist die Orginalfarbe oder diese in gebleichtem Zustand enthalten. Die Proben
wurden, soweit die Gebäudeteile zugänglich waren, nach ihrer Verteilung am Gebäude über-
blicksmäßig erfaßt. An den Proben sind die für die verschiedenen Verwitterungszustände typi-
schen Erscheinungen für das bloße Auge sichtbar. Für alle Proben gelten also die gleichen mikro-
klimatischen Bedingungen. Rein äußerlich wurden keine deutlichen biologischen Merkmale beob-
achtet. Wegen der Wichtigkeit des Denkmals konnten nur einige kleine Proben entnommen wer-
den.
Es wurden insgesamt sechs Proben an verschiedenen Gebäudeteilen des Neuen Museums ent-
nommen, nach Untersuchungen wurden sie als vermutlich Postaer Sandstein identifiziert. Als
Verwitterungszustand wurden die dünne schwarze Oberfläche (TBL), Verfärbung, Absanden so-
wie schwarze Krusten charakterisiert.
Aus den Säulenhallen wurden 4 Proben entnommen, dabei wurden unabhängig von der Steinsorte
die TBL, schwarz Krusten und Absanden beobachtet. Die Proben unterscheiden sich deutlich
durch Vorhandensein/ Nichtvorhandensein von Feldspat als zwei verschiedene Sandsteinsorten.
Die Herkunft des Original-Natursteins konnte mittels gängiger Analysemethoden nicht eindeutig
geklärt werden, da in den Säulenhallen Sandsteine aus schlesischen und sächsischen Gebieten,
welche in ihren Merkmalen ähnlich sind, verwendet wurden. Auch lieferte die Literaturrecherche
diesbezüglich keine Hinweise.
Probematerial 20
Im Bode-Museum wurden schwarze Krusten, dünne schwarze Oberfläche (TBL) und Absanden
häufig gefunden. Die getesteten Proben wurden als Wünschelburger Sandstein charakterisiert.
Um den für die Verwitterung bedeutenden Steinsorten-Faktor zu untersuchen, wurden in der Na-
tionalgalerie sowohl Proben vom original verwendeten Nebraer Sandstein als auch vom ersatz-
weise eingesetzten weissen Sandstein und Mörtel entnommen. Dabei wurde der Richtungsfaktor
berücksichtigt, die Proben stammen jeweils von der Nordwest- und Südostseite des Gebäudes.
- Am Nebraer Sandstein sind meistens dünne schwarze Oberfläche, schwarze Krusten,
und sogar Schuppenbildung gut erkennbar.
- Einige Proben der „Regenseiten“ des Gebäudes wurden auf der Nordwestseite entnommen:
Sie enthalten keine schwarze Oberfläche, die Schadensformen wurden als Rißbildung und Ab-
sanden kartiert.
- Die weissen Sandsteine der Nationalgalerie sind in relativ gutem Verwitterungszustand.
Vermutlich handelt es sich bei den Proben um sächsische Sandsteine (v.a. Postaer).
- In der Nationalgalerie wurden verschiedene ergänzende künstliche Gesteine (Mörtel) gefun-
den, ihre Oberflächen enthalten meistens eine unterschiedlich schwarze Schicht.
Im Pergamon-Museum wurden drei Hauptschadensformen beobachtet:
- In Südostrichtung konnten viele Schuppen leicht mit der Hand von der Fassade entnommen
werden. An ihrer äußeren Oberfläche befand sich eine schwarze Kruste, die verwitterte Innen-
seite der Schuppen war dagegen hellgefärbt.
- An Teilen der Nordfassade befanden sich schwarze Krusten und dünne schwarze Schichten,
außerdem konnte Absanden in geringem Ausmaß beobachtet werden.
- An den Stellen der Nordfassade, die dem Regen offen ausgesetzt sind, konnten helle Verfär-
bungen festgestellt werden.
Die Oberfläche und Unteroberfläche der entnommenden Probe wurde abgekratzt und danach ge-
mörsert. Die Probeentnahmestellen, Schadensformen und Entnahmemethoden werden in Tabelle
2.4.1 beschrieben.
Die schwarzen Oberflächenschichten der Sandsteine, besonders wo sie dünn sind, können eine
beträchtliche mechanische Stärke haben, die Stichprobenerhebung oft schwierig macht. Daher be-
steht die Möglichkeit, daß die Proben der schwarzen dünnen Oberfläche in geringer Menge Be-
standteile der Innenzone enthalten. Im Kalkstein hingegen konnten die Proben der schwarzen
Schicht relativ leicht abgekratzt werden.
Probematerial 21
< Abkürzungen >
OF : Oberflächenzone
UOF : untere Bereiche der Oberflächenzone (ca. 1-2 mm)
IN : unbeschädigte Innenzone
Probe
(a) SH (OF) (b) SH (IN) (c) NM (Kruste)
(a) NG (OF) (b) NG (IN) (c) NG (Kruste)
(a) PM (OF) (b) PM (IN-unbeschädigt) (c) PM (IN-beschädigt)
Abb.2.4.1 Photos einiger Proben für verschiedene Analysen
OF
IN
UOF
Probematerial 22
Tab.2.4.1 Die Schadensmerkmale der Proben und Entnahmemethoden
Gebäude Zeich-
nung Entnahme-
stelle Vermutete
Gesteine Probe Schadensformen Entnahme-
Methode
OF Schwarz Krusten,
TBL Abkratzen
UOF Verfärbungen Abkratzen
NM-S Säule
(West) Postaer
Sandstein
IN Brechen
OF Absanden Abkratzen
Neues
Museum
(NM)
(n=6) NM-F Fenster-
umrahmung
(West)
Postaer
Sandstein IN Brechen
OF Schwarz Krusten,
TBL Abkratzen
SH-L Geländer zu
Spree evl. Cottaer
Sandstein IN l. Absanden Brechen
OF TBL Abkratzen
Säulenhallen
an der
Nationalgalerie
(SH)(n=4) SH-S Säule
(Ost u.Süd )
evl. Alt Wart-
hauer u. Rack
witzer S IN l. Absanden Brechen
OF Schwarz Krusten,
Absanden AbkratzenBode-Museum
(BM)(n=3)
BM Fassaden
(Westsüd) Wünschelburger
Sandstein IN Absanden Brechen
OF Schuppen, Absanden
Schwarz Krusten,
TBL
Abkratzen
UOF Verfärbungen Abkratzen
NG-NW
(n=10)
Fassaden
(Nordwest) Nebraer
roter Sandstein
IN Brechen
OF Schwarz Krusten,
TBL, Riß Abkratzen
UOF Verfärbungen Abkratzen
NG-SE
(n=11)
Fassaden
(Südost) Nebraer
roter Sandstein
IN Brechen
OF l. schwarze
Verfärbung Abkratzen
UOF l. Verfärbung Abkratzen
NG-ES
(n=10) Ergänzte
weisse
Sandstein
Postaer
Sandstein
IN Brechen
OF TBL, Verfärbung Abkratzen
National-
galerie
(NG)
NG-EK
(n=13) Ergänzter
Künststein Mörtel IN Brechen
OF Schuppen Abkratzen
PM-SE
(n=5) Fassaden
(Südost) Fränkischer
Muschelkalk-
stein
IN Verfärbungen (weiß) Abkratzen
OF Schwarze Kruste,
TBL,
Absanden
Abkratzen
UOF Verfärbungen
(dunkel rot) Abkratzen
PM-N
(n=5) Fassaden
(Nord)
Fränkischer
Muschelkalk-
stein
IN Brechen
OF Verfärbungen (weiß) Abkratzen
Pergamon-
Museum
(PM)
PM-N
(n=3) Fassaden
(Nord) Fränkischer
Muschelkalk-
stein
IN Brechen
Abkürzungen :
OF: Oberflächenzone, IN: Innenzone, UOF: untere Bereiche der OF, TBL: dünne schwarze Oberfläche,
l. leicht
Untersuchungsmethode 23
3. Untersuchungsmethode
Eine Anzahl unterschiedlicher Methoden ist verwendet worden, um die Bestandteile der Proben
zu identifizieren und verschiedene Arten der Verwitterung zu charakterisieren.
Zur Untersuchung der Proben wurden folgende analytische Verfahren herangezogen.
3.1 Physikalische Untersuchungen
3.1.1 Farbbestimmungen
Die Farbe der Proben von der Oberfläche, der unteren Bereiche der Oberflächenzone und dem
Innenbereich wurden nach der Munsell Farbtafel klassifiziert.[189]
3.1.2 Dichte- und Porositätbestimmungen
Da es bei verwitterten Steinoberflächen, deren Dicke nur wenige Mikrometer bis Millimeter be-
tragen kann, schwierig ist, genügend große Proben zu bekommen, wurden die Untersuchungen
einmal mit und einmal ohne Oberflächenschicht durchgeführt (Die Oberflächenschicht allein
konnte nicht untersucht werden).
1) Rohdichte : Die Rohdichte ermittelt sich aus der Masse und dem Volumen einer
Gesteinsprobe.
ρR = mtr / vR
vR : Volumen der Gesteinsprobe einschließlich Porenraum
(nach dem Auftriebsverfahren : vR = m1-m2)
mtr : Trockenmasse der Prüfkörpers (bei 110 oC bis zur Gewichtskonstanz getrocknet)
m1 : Masse des wassergesättigten Prüfkörpers unter Vakuum
m2 : Masse in hydrostatischer Waage (Wasserauftriebsmethode)
2) Reindichte : Die Reindichte eines Gesteins ergibt sich aus der Dichte der beteiligten
Mineralarten und läßt die Beträge durch den Porenraum unberücksichtigt.
ρo = mtr / vo
vo : Volumen der Gesteinsprobe ausschließlich Porenräumen
vo = vroh-vporenvolumen (vo = mtr - m2 ; wenn Dichte des Prüfwasser 1 ist.)
3) Porosität
P = (1 - ρR/ρo) * 100
Untersuchungsmethode 24
3.1.3 Hygrische Eigenschaften
3.1.3.1 Wasseraufnahme ohne und mit Druck
1) Wasseraufnahme : nach DIN 52103
Die Proben werden gewogen und danach mit destilliertem Wasser imprägniert, dies unter
normalem Atmosphärendruck sowie unter Vakuumbedingungen. Nachdem Gewichtkonstanz
erreicht ist, kann die Massenzunahme bestimmt werden.
Wa = mm,a - mtr (g)
mm,a : Masse der unter Atmosphärendruck im Wasser gelagerten Probe
Wv = mm,v - mtr (g)
mm,v : Masse der unter Vakuum im Wasser gelagerten Probe
Wasseraufnahmegrad oder Wasseraufnahmefähigkeit
Wg,a = (Wa / mtr )*100, (in Gew.%)
Wg,v = (Wv / mtr )*100, (in Gew.%)
Wv,a = Wg,a * Droh, (in Vol.%)
2) Sättigungswert (S)
S = Wg,a / Wg,v
3.1.3.2 Messung der kapillaren Wasseraufnahme
1) w : Wasseraufnahmekoeffizient in kg/(m2s1/2)
Proben bekannten Gewichts werden mit destilliertem Wasser imprägniert, der Gewichtsgewinn
wird nach bestimmten Zeitintervallen gemessen. Dazu werden die Proben auf einem nassen
Schwamm gelagert. Außer am Anfang ist die Kurve der Wasseraufnahme gegen t1/2 normalerwei-
se linear. Der Wasseraufnahmekoeffizient w wird durch die Neigung der Geraden berechnet. Die
Messung dauert eine Stunde, kann aber auch schon beendet werden, wenn nasse Flecken auf der
Oberfläche der Probe erscheinen.
w = ∆W/∆ t1/2, W = w·t1/2
w : Wasseraufnahmekoeffizient in kg/( m2s1/2)
W : flächenbezogene Wasseraufnahme in kg/m2
t : Zeit in Sekunden
Untersuchungsmethode 25
2) B : Wassereindringkoeffizient
Der Wassereindringkoeffizient B, der die Beziehung zwischen Störungstiefe und Zeit be-
schreibt, kann geschätzt werden.
B = ∆h/∆t1/2
h : Steighöhe in cm
t : Zeit in Sekunden
3) WAk: Wasserkapazität : Den maximalen kapillar aufgenommenen Wassergehalt bezeichnet
man als Wasserkapazität.
WAk = w *100/(B*ρH2O)
3.2 Analyse der chemischen Zusammensetzung
3.2.1 Vollanalyse mit Röntgenfluoreszenzspektrometrie (RFA)
Energiedispersive oder wellenlängendispersive Röntgenfluoreszenzanalyse (ED-, WD-RFA) bie-
ten die Möglichkeit, mit relativ geringem Aufwand an Probenvorbereitung eine recht große An-
zahl von Elementen simultan quantitativ zu bestimmen.
Die Analyse ist für Elemente niedriger Atomnummer (unterhalb von Na) unzuverlässig. Sowohl
H2O als auch CO2 können ebenfalls nicht analysiert werden. Das Verhältnis Fe2O3/FeO kann nicht
bestimmt werden, da die Oxidationszahl keinen signifikanten Einfluß auf die charakteristische
Fluoreszenzstrahlung hat.
Die pulverisierten Proben wurden für eine Stunde bei 1000°C geglüht, der Glühverlust wurde in
Gew.% ermittelt. Die Standardmessungen wurden anhand gleicher Verfahren durchgeführt.
Für WD-RFA1 wurde die pulverisierte Probe in Form von Schmelztabletten vorbereitet. Das Pul-
ver, in welchem ein Teil des Pulvers der Probe mit 5 Teilen von getrocknetem Lithiumborat
Flußmittel gemischt wurde, wurde sodann in einem Muffel-Ofen aufgeschmolzen.
Für die ED-RFA werden etwa 50 mg von der pulverisierten Probe verwendet und als Preßtablette
mit Hilfe eines Bindemittel gepresst. Ein Oxford ED 2000 Instrument wurde für die ED-RFA
verwendet. Das Instrument war mit einer Nieder-Leistungs-Röntgenröhre mit einer Silberanode,
wahlweise vorschaltbaren Filtern und einem flüssig-N2 gekühlten Si(Li)-Detektor ausgerüstet. Die
Spektren wurden mittels Oxford XpertEase Software analysiert. Die analytischen Bedingungen
Untersuchungsmethode 26
und die für die Bestimmung jedes Elements verwendeten Countszeiten sind detailliert im Anhang
Tabelle AT-4 aufgeführt.
Die Ergebnisse der ED-RFA Analysen wurde sowohl mit Standardproben als auch mit Daten der
WD-RFA überprüft.
3.2.2 Die Bestimmung der wasserlöslichen Salze
Die wasserlöslichen Salze in den Gesteinsproben werden aus dem gemörserten Pulver der Probe
mit bidestillierten Wasser gelöst. Etwa 10 mg von Kalkstein und 50 mg von Sandsteinproben
wurden jeweils gewogen und sodann für 2 Stunden in 25 ml bidestilliertem Wasser gerührt. Das
feste Material und die Suspendierung wurden mittels einer Zentrifuge und Millipore-Filter ge-
trennt, das Filtrat wurde sodann auf den Ioneninhalt hin analysiert.
Der Ionenchromatograph (DX-100 Dionex) war für die Cl--, NO3-- und SO42--Bestimmungen mit
einer Cl.AS4A Trennsäule ausgerüstet. Als Eluenten wurden 1,7 mM NaHCO3 und 1,8 mM
Na2CO3 in 12,5 mmol H2SO4-Lösungen verwendet.2
Ca2+ und Mg2+ wurden mittels Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) bestimmt, während Na+ und
K+ durch Atomemissionsspektroskopie (AES) gemessen wurden. Beide Verfahren wurden mittels
eines Perkin Elmer 3030 Spektrometers durchgeführt.
3.3 Analyse der Verfärbungen
3.3.1 Bestimmung des Kohlenstoffgehaltes
Die Kohlenstoffuntersuchungen der Probe wurden mit einem Verbrennungsanalysator (thermo-
graphischer Kohlenstoffanalysator) durchgeführt.3
Im ersten Teil der Analyse wurde die Probe in einen vorab geglühten Quarzfaserträger gelegt, so-
dann wurden die Kohlenwasserstoffe in einer inerten Atmosphäre (He) verdampft bzw. pyroly-
siert. Dazu wurde die Temperatur des IR-Ofens von 80 oC auf 620 oC gesteigert. Die unter diesen
Bedingungen erfaßten Kohlenwasserstoffe werden in der Fraktion “organischer Kohlenstoff
(OC)“ zusammengefaßt. In diesem Bereich kann weiterhin zwischen OC-I und OC-II unterschie-
den werden. Der OC-I (leicht flüchtige organische Bestandteile) verdampft bzw. pyrolysiert zwi-
schen 80 oC und 350 oC bis 400 oC, der OC-II (schwerflüchtige organische Bestandteile) zwischen
350 oC bzw. 400 oC bis 620 oC.
1 Im geochemischen Gemeinschaftslabor der TUB durchgeführt
2 Im Wasserreinhaltungslabor der Fakultät Umwelttechnik an der TUB durchgeführt
3 Im Luftreinhaltungslabor der Fakultät Umwelttechnik an der TUB durchgeführt
Untersuchungsmethode 27
Im zweiten Teil der Analyse wurde dem Inertgasstrom etwa 10-20 % Sauerstoff zugemischt. Der
noch auf dem Filter befindliche elementare Kohlenstoff (EC) wurde dadurch kontrolliert ver-
brannt. Die Temperatur wurde in diesem Teil der Analyse von 400 oC auf 600 oC gesteigert.
Ein Oxidationskatalysator zwischen dem temperaturprogrammierten Pyrolyseofen und dem CO2-
Detektor gewährleistete, daß alle in die Gasphase gelangten Kohlenstoffverbindungen der Probe
zu CO2 umgewandelt wurden. Die CO2-Konzentration im Meßgas wurde kontinuierlich mit einem
nicht dispersiven Infrarotdetektor quantitativ nachgewiesen.
3.3.2 Bestimmung der organischen Bestandteile
3.3.2.1 FT-IR Spektroskopie
Einige pulverisierte schwarze Oberflächenproben wurden mit organischen Lösungsmitteln von
wachsender Polarität (Dichlormethan und Aceton) extrahiert, die Lösung wurde daraufhin ge-
trocknet. Die dadurch verbliebenen Feststoffe wurden mit Hilfe eines FT-IR Spektroskops (Perkin
Elmer Model 1000), das mit einem optischen Mikroskop ausgerüstet ist, identifiziert.
3.3.2.2 Pyrolyse Gaschromatographie (Py-GC)
Pyrolyse Gaschromatographie wurde angewandt, um die organischen Bestandteile in der Probe zu
charakterisieren. Die pulverisierte Probe wird auf einen ferromagnetischen Draht durch Drücken
aufgebracht. Der Draht wurde innerhalb von 0,1 s zu seiner Curietemperatur (610 oC) aufgeheizt
und bei dieser Temperatur für 5 s gehalten. Die Trennung der Pyrolyse- Produkte wurde auf einer
Silikatkapillare-Säule (Cross linked 5% Phenyl Silicone Gum Phase, 50 m × 0,32 mm × 1,05 µm)
durchgeführt, wobei Helium als Trägergas verwendet wurde. Die Temperatur wurde auf einen
Anstieg (3 oC/Min) von Raumtemperatur auf 300 oC (eingehalten 20 Min) programmiert. Der Py-
rolysereaktor war direkt auf den Spritzblock eines HP 5890 Gaschromatograph montiert. Ein
Flammen-Ionisations-Detektor wurde benutzt.
3.3.2.3 Gaschromatographie mit massenspektrometrischer Detektion (GC-MS)
Die Analysen von organischen Substanzen aus kleinen Fragmenten der schwarzen Oberflächen-
proben wurden entsprechend der folgenden Methoden ausgeführt.
Die Extraktion der Probe wurde mit zwei Lösungsmitteln durchgeführt. Für die nicht-polaren or-
ganischen Komponenten wurden ca. 10 g Proben zunächst mit Aceton (um die Polarität zu stei-
gern), danach mit Toluen für zwei Stunden durch Soxhlet extrahiert. Nach der Filterung wurde
die Lösung unter einem Stickstoffstrom konzentriert. Für die polaren organischen Komponenten
Untersuchungsmethode 28
wurden ebenfalls ca. 10 g der Probe mit destilliertem Wasser für zwei Stunden durch Schütteln
extrahiert.
Nach der Filterung wurde die Lösung unter Vakuum in einem Rotationsverdampfer konzentriert
und in das GC-MS System gebracht.
Die zwei GC-MS-Systeme waren ein HP6890 GC und MSD 5973 MS für Bestimmungen der all-
gemeinen organischen Substanz und ein VARIAN SATURN 3 für Bestimmungen der PAHs. Die
in Tabelle 3.1 beschriebenen Bedingungen wurden bei allen Messungen eingestellt.
Tab.3.1 Parameter der Messbedingungen der GC-MS
Zur Bestimmung der allge-
meinen organischen Substan-
zen4
Zur Bestimmung der PAHs5
HP6890 GC VARIAN SATURN 3
Säule HP 19091J-433, HP-5 5% Phe-
nyl Methyl Siloxane (30 m × 0,25
mm × 0,25 µm)
DB-5 MS, crosslinked 5% phenyl-
methyl Silicone (60 m × 0,32 mm ID
× 0,25 µm)
Trägergas Helium, 1,0 ml/min Helium, 1,0 ml/min
Injektion-Volume 1 µl 2 µl, Grobtype
Injektor-Temperatur 250 oC280 oC
GC
Injektion Modus Splitless Splitless
Anfang-Temperatur 50 oC50 oC
Programm : 5 oC/min bis 325 oC und halten 10
min.
5 oC/min bis 300 oC und halten 5
min.
Temp-
eratur
Pro-
gramm Ende-Temperatur 325 oC300 oC
MSD 5973 VARIAN SATURN 3
Ionisierungs- Modus TIC (Total Ion Current) SI (Selected Ion Mode)
Massen Bereich 50-550,
Data acquisition mode : SCAN
35-500, full range data acquisition
(SCAN) mode
Transfer Linie
Temperatur
280 oC300 oC
Ionen-Source und
Temperatur
EI
250 oC
EI
250 oC
MS
Elektronen Energie 1400 EM voltage 70 volts (nominal)
4 Im umweltchemischen Labor der Fakultät Umwelttechnik an der TUB durchgeführt
5 Im National Environmental Researchment Center in Korea durchgeführt
Untersuchungsmethode 29
3.3.3 Mössbauer-Spektroskopie
Die Fe57- Transmittance Mössbauerspektroskopie wurde bei Raumtemperatur mit Hilfe eines von
Naucpribor Leningrad gelieferten Geräts durchgeführt. Die Aktivität der Quelle war ungefähr 1,5
GBq. Die Proben (etwa 100 mg Pulver) wurden auf einer kreisförmigen Fläche von 1.6 cm2 auf
Mylar Folien aufgebracht. Das Signal wurde in einem konstanten Beschleunigungsmodus auf ei-
nem Mehrkanalanalysator mit 512 Kanälen aufgenommen. Die Isomerieverschiebung wurde in
Bezug auf α-Fe berechnet.
Die gemessenen Spektren waren als Multiplets in Lorentzian Form durch Routine Leastsquares
angepaßt.6
3.4 Petrographische und mineralogische Untersuchungen
3.4.1 Röntgendiffraktometrie (XRD)
Zur qualitativen und halbquantitativen Analyse von Mineralen wurde die Röntgendiffraktometrie
(XRD) angewandt. Die Proben wurden in einem Achatmörser zu einem feinen Pulver gemahlen,
in den Probehalter gelegt und dann durch ein Philips PW 1729 Diffraktometer gemessen. Die Be-
triebsbedingungen waren: Generator: CuKα Strahlung (1,5418 Å) mit goniometrisch angeordne-
tem Detektor mit Ni-Filter, 30 kV, 30 mA Strom und einem Graphit-Monochromator. Die Aus-
wertung erfolgte durch die ADM Computer-Software.
3.4.2 FT-IR Spektroskopie
1-3 mg Probe wurden mit 200 mg KBr homogenisiert und unter höherem Druck (ca. 8 t) zu einer
klaren Tablette gepreßt. Die geformten Tabletten wurden in einem FT-IR Spektrometer (Perkin
Elmer Model 1000) mit Hilfe von Grams Analyst Software geprüft. Alle Spektren wurden in ei-
nem Absorptionsbereich zwischen 4000 und 400 cm-1 durch 16 Scans mit 4 cm-1 Auflösung er-
halten.
3.4.3 Mikroskopische Verfahren
3.4.3.1 Lichtmikroskopie
Die durchlichtmikroskopische Analyse des Steins gibt Hinweise auf die mineralische Identifikati-
on, die Bestimmung der modalen Komposition und die Charakterisierung der Steinstruktur. Die
6 In der Fakultät für Geowissenschaften der TUB durchgeführt
Untersuchungsmethode 30
Charakterisierung von Steinstruktur und Textur umfaßt z.B. Informationen sowohl über Korn-
größe, Kornmorphologie, Verteilung und Orientierung von mineralischen Bestandteilen als auch
über Porosität.
Zur Durchlichtmikroskopie wurden Dünnschliffe nach Imprägnierung mit Polyesterharz herge-
stellt. Zur Analyse wurde ein Durchlichtmikroskop (Zeiss Lichtmikroskop) mit wahlweise paral-
lelen oder gekreuzten Polarisationsfiltern benutzt.
3.4.3.2 Rasterelektronenmikroskopie (REM)
Zur Untersuchung der Struktur, Porenräume, Porenraumeinlagerungen sowie zur qualitativen Mi-
neralbestimmung wurde die Rasterelektronenmikroskopie (Hitachis, Modells S-530) aufgrund ih-
rer hohen Vergrößerung (bis zu ca. 105-fach) für die Oberflächenzonen, die unteren Oberflächen-
zonen sowie die Innenzonen der Proben angewandt.
Zur qualitativen und halbquantitativen Elementanalyse wurden die Proben in Harz eingebettet.
Nach Polierung wurden die Proben durch Kombination von Rasterelektronenmikroskop (REM)
und energiedispersivem Röntgenspektrometer (EDX, Kevex) analysiert. Durch Aufnehmen von
EDX von aufeinanderfolgenden kleinen Bereichen wurden die Tiefenprofile erstellt.
Hierbei wurde Kohlenstoff- oder Goldbedampfung der Probe zur besseren Leitfähigkeit durchge-
führt. Die Proben wurden sodann mit einem Elektronenstrahl von 1 nA und von 15 keV angeregt.
Die wichtigen physikalischen Eigenschaften 31
4. Die wichtigen physikalischen Eigenschaften
Einige physikalische Eigenschaften von Baugesteinen sind sehr wichtig für die Empfänglichkeit
von Gesteinen für natürliche Verwitterung oder für Schäden, die durch Verschmutzung verur-
sacht sind. Bei der Untersuchung der Schädigungsprozesse müssen die chemischen Eigenschaften
von Baugesteinen in Verbindung mit ihren physikalischen Eigenschaften betrachtet werden.
4.1 Farbbestimmungen
Die Farben der Proben zeigen die Ausbreitung der Verwitterung an. Die Gesteine bestehen zu ei-
nem hohen Anteil aus Mineralen mit intensiven Eigenfarben, die pigmentierend wirken können.
Pigmente werden während der Verwitterung abgebaut oder zerstört, hierdurch findet ein Farb-
wechsel statt.
Tab. 4.1.1 Farbbestimmungen nach Munshell Farbtafel [189]
OF IN UOF
NM Bk (2,5Y2/0-10YR2/1)
l.Gy - d. Gy (10YR6/1-
2,5Y3/0)
Wh (10YR8/1-8/2)
p.Ye (2,5Y8/4-8/6)
SH v. d. Gy (7,5YR3/0 - 2,5Y3/0) Wh (10YR8/1)
p.Ye (2,5Y8/4-8/6), p.Bn (10YR7/4)
BM v. d. Gy (10YR3/0) v. p. Bn (10YR7/3)
NG-
NW
v. d. Gy-Gy (10YR3/1-6/1,
5YR7/2)
Bk (2,5Y2/0)
Pk bis pi. Wh (5YR7/2-8/2)
Red. Ye (5YR7/6) bis l. Bn
(7,5YR6/4)
Pk bis pi.Wh (5YR7/4-8/2)
gy. Bn (10YR5/2) bis
red. Gy (5YR5/2)
NG-SE v. d. bis d. Gy (2,5Y3/0-
7,5YR4/0)
P. Bn bis Bn (10YR6/3-
7,5YR5/2)
pi. Gy (7,5YR6/2)
pi. Wh bis Pk (5YR8/2-7/3,7,5YR8/4)
l. Bn (7,5YR6/4) d. Bn bis Bn (10YR3/3-
7,5 YR5/2,5/3)
pi. Gy (7,5YR6/2)
NG-ES l. Gy bis Gy (7,5YR7/0-5/0) l. Gy bis Wh (10YR7/2-8/2)
v. p. Bn bis Ye gebändert
(10YR7/3,7/4-7/6)
vp. Bn (10YR 8/4)
NG-EK l. Gy bis Bk (10YR7/1-
2,5YR2/0
Bn (7,5YR5/2)
pi. Gy bis d. Gy (5YR7/2-7,5YR4/0)
red. Bn (2,5YR5/4)
Wh (10YR8/1)
PM Gy bis d. Gy (2,5YR6/0-3/0)
v. d. gy. Bn (2,5Y3/2)
Wh (10YR8/1)
Gy (2,5Y6/0)
l. Gy (10YR6/1) Bn Teil (2,5Y4/2)
Wh (2,5Y8/1-8/2)
Abkürzungen :
l.: light, d.: dark, vd.: very dark, p.: pale, vp.: very pale,
Bk: Black, Gy: Gray, Bn: Brown, Wh: White, Ye: Yellow, Pk: Pink,
ye: yellowish, gy: grayish, rd: redish, pk: pinkish
Die wichtigen physikalischen Eigenschaften 32
Diese Farbgebungen sind allerdings nicht besonders deutlich, da sie durch physikalische Effekte
wie Störstellenbildung in Kristallen, Brechung an dünnen Plättchen (Opale), Färbungen durch
Dotierungen mit minimalen Metallspuren auf Gitterplätzen gebildet werden.[218] Auch hier gilt:
Wenn das Mineral, das als Farbträger fungiert, zerstört oder umgebaut wird, entfärbt oder ver-
färbt sich das Gestein. Eine Verfärbung wurde in der Oberfläche und nahe der Oberfläche der
verwitterten Proben beobachtet.
Tabelle 4.1.1 zeigt die Klassifizierung der Farben der Proben, nach der Munsell Farbtafel, von den
Bereichen der Oberfläche, unteren Bereichen der Oberfläche und im Innenbereich. Die Farben
sind je nach Probe unterschiedlich. Die Farben der Oberflächen sind überwiegend leicht grau bis
dunkelschwarz. Die Bleichungen, die heller als die Originalfarbe sind, wurden in den Oberflächen
der eingesickerten Proben gefunden. Im unteren Oberflächenbereich kann man ebenfalls Verfär-
bungen finden.
4.2 Die Kennzeichnung des Porenraumes (Dichte und Porosität)
Die physikalischen Eigenschaften eines Gesteins sind meistens durch den Porenraum bestimmt.
Das Porenvolumen seinerseits läßt sich aus Reindichte und Rohdichte errechnen. Die Poren kön-
nen entweder isoliert oder untereinander verbunden (offen) vorliegen. Für die Verwitterungsbe-
ständigkeit der Gesteine ist der offene Porenraum eine wesentliche Größe, denn in diesem Raum
erfolgen Eintrag, Reaktion und Austrag von Wasser und Schadstoffen. Dieser Porenraum ist
maßgeblich für die Porosität.
In der folgenden Tabelle 4.1.1 sind die Meßwerte der untersuchten Innenproben den Daten der
verwitterten Proben gegenübergestellt. Im Folgenden werden Dichte und Porosität in Verbindung
mit anderen physikalischen Eigenschaft diskutiert.
4.3 Hygrische Eigenschaften
Die Kenntnisse des Wasser- und Luftfeuchtigkeitstransports im Baugesteins sind ebenfalls wich-
tig, um den Zerfallsfaktor zu verstehen. Auf viele Weisen beeinflussen Regenwasser und Luft-
feuchtigkeit das Baugestein, sie spielen eine wichtige Rolle in der Absorption von Schadstoffen.
Abhängig von der Temperatur besitzt das Wasser in den Poren, je nach deren Größe, unterschied-
liche Eigenschaften, die sein physikalisches Verhalten beeinflussen. Der Feuchtigkeitsgehalt eines
porösen Gesteins ist bei konstanter Temperatur eine Funktion der relativen Luftfeuchte. Flüssiges
Wasser wird in Poren, die größer als ca.1mm sind, durch Sickerströmung transportiert. In kleine-
ren Poren beherrschen die Kapillarkräfte den Wassertransport. Eine Untergrenze für den kapilla-
Die wichtigen physikalischen Eigenschaften 33
ren Wassertransport bilden wahrscheinlich Poren mit einem Querschnitt von 1,5 µm2. Kapillar-
kondensation tritt in den Poren, die kleiner als 0,1 µm sind, auf. Poren, die kleiner als 0,001 µm
sind, sind im humiden Klima immer mit flüssigem Wasser gefüllt.[273]
4.3.1 Maximale Wasseraufnahme bei Atmosphärendruck und unter Vakuum
In folgender Analyse wird untersucht, wie groß der Anteil des Porenraums eines Steins ist, der
unter Atmosphärendruck und unter Vakuum durch Wasser gefüllt werden kann. Aus dem Quoti-
enten beider Meßergebnisse (Wasseraufnahme unter Atmosphärendruck und unter Vakuum) re-
sultiert der Sättigungsgrad S. Je höher der Sättigungsgrad ist, um so frostgefährdeter ist das Ge-
stein. Liegt der Sättigungsgrad nahe bei 1, so bedeutet das, daß schon unter Atmosphärendruck
fast der ganze Porenraum mit Wasser gefüllt wird. Wird S kleiner als 0,9, so kann man davon
ausgehen, daß ein Gestein kaum mehr frostempfindlich ist.[131]
Tab.4.1.2 Physikalische Eigenschaften der untersuchten Proben
(Dichte und Wasseraufnahmegrad/Wasseraufnahmefähigkeit)
Dichte(g/cm3)
Roh Rein Porosität
(Vol.%) Sattigungs-
grad Wg,a
(Gew.%) Wv,a
(Vol.%) Wg,v
(Gew.%)
mit OF 2,00-2,02 2,60-2,62 23,10-23,12 0,64-0,76 7,45-8,75 14,89-17,67 11,44-11,57
NM ohne OF 2,01-2,04 2,62-2,63 22,35-23,24 0,63-0,74 7,34-8,07 14,73-16,47 10,95-11,58
mit OF 2,05-2,10 2,59-2,60 18,93-21,40 0,61-0,65 5,50-6,80 11,53-13,93 9,03-10,45
NG-ES ohne OF 2,08-2,13 2,62 18,70-20,64 0,60-0,65 5,23-6,50 11,15-13,49 8,78-9,94
mit OF 2,11-2,13 2,60-2,61 18,37-19,05 0,60-0,66 5,22-5,85 11,13-12,34 8,63-9,03
NG-SE ohne OF 2,12-2,13 2,61 18,26-18,60 0,56 4,75-4,86 10,15-10,35 8,56-8,77
mit OF 1,91-1,96 2,59-2,61 24,64-26,79 0,65-0,72 8,39-9,41 16,44-18,26 12,63-14,03
NG-NW ohne OF 1,96-1,98 2,60-2,61 24,38-24,66 0,65-0,69 7,99-8,63 15,78-16,94 12,34-12,56
mit OF 1,69 2,54 33,62 0,49 9,80 16,52 19,94
NG-EK1 ohne OF 1,69 2,55 33,88 0,46 9,29 15,66 20,10
mit OF 1,74 2,40 27,60 0,38 5,96 10,36 15,89
NG-EK2 ohne OF 1,75 2,46 28,82 0,33 5,50 9,65 16,43
mit OF 2,58 2,67 3,23 0,82 1,02 2,64 1,25
PM ohne OF 2,60 2,64 2,60 0,81 0,80 2,12 0,98
Wg, a :Wasseraufnahmegrad unter Atmosphärendruck
Wg, v : Wasseraufnahmegrad unter Vakuumbedingungen
Wv, a = Wg,a * Droh
Weisse Sandsteine vom Neuen Museum und von der Nationalgalerie
Die Ergebnisse zeigen, daß Dichte, Porosität und Wasseraufnahmegrad der weissen Quarzsand-
steine im Neuen Museum und in der Nationalgalerie unterschiedlich sind. Die Rohdichten sind je
nach Gebäude mit Werten von 2,01 g/cm3 und 2,13 g/cm3 unterschiedlich, während die Reindich-
Die wichtigen physikalischen Eigenschaften 34
ten zwischen 2,62 g/cm3 und 2,63 g/cm3 weniger schwanken. Wegen der niedrigeren Rohdichte
im Neuen Museum ist hier eine höhere Porosität als in der Nationalgalerie erkennbar. Die relativ
hohe Porosität bedingt ein hohes Wasseraufnahmevermögen (Abbildung 4.1.1). Die Wasserauf-
nahme bei Atmosphärendruck streut ebenso wie die unter Vakuum. Dies gilt auch für den Sätti-
gungsgrad. Für die stark quarzierten Postaer Sandstein-Proben kann ein Wasseraufnahmegrad von
etwa 7-8 Gew.% angegeben werden. Die Werte der aus der verwitterten Zone erhaltenen Proben
sind gegenüber den Werten des unverwitterten Steins erhöht.
Dahingegen zeigten sich bei den weissen Sandsteinen der Nationalgalerie sowohl für die unver-
witterten Innenproben als auch für die verwitterten Oberflächenproben niedrige Werte von etwa
5-6 Gew.%. Damit sind innerhalb dieser Proben keine verwitterungsbedingten Veränderungen im
Porengefüge zu erkennen.
Roter Nebraer Sandstein der Nationalgalerie
Bei den roten Nebraer Buntsandsteinen in der Nationalgalerie wurden große Unterschiede in der
Rohdichte je nach Gebäudeseite der Entnahme festgestellt. Während die Rohdichten der Proben
der Nordwestseite (1,96-1,98 g/cm3) und der Proben der Südostseite (etwa 2,1 g/cm3) unter-
schiedlich sind, sind die Reindichten von etwa 2,6 g/cm3 für beide Seiten fast gleich. Daraus er-
rechnen sich Porositäten von etwa 18 Vol.% und 24 Vol.% je nach Gebäudeseite. Für den Was-
seraufnahmegrad ist die gleiche Tendenz zu beobachten. Proben, die aus den Fassaden der Nord-
westseite stammen, haben eine höhere Wassseraufnahmefähigkeit als diejenigen, die von der Süd-
ostseite stammen. Für beide Gebäudeseiten wurden in der verwitterten Oberfläche breite Wasser-
aufnahmegradwerte bestimmt.
Als auffällig erwies sich dabei das Verhältnis der Werte der verwitterten Oberflächen zu den In-
nenzonenproben: Für die jeweilige Gebäudeseite gilt, daß die Oberfläche höhere Werte als ihre
Innenzone aufweist. Die Innenzonenproben der Nordwestseite zeigten jedoch einen höheren Was-
seraufnahmegrad als die Oberflächenproben der Südostseite. Diese Werte können sowohl auf den
Verwitterungszustand als auch auf die Verschiedenheit der Nebraer Sandsteine zurückgeführt
werden.
Die Putzmörtel aus der Nationalgalerie
Die künstlichen Gesteine aus der Nationalgalerie zeigen eine relativ niedrige Rohdichte. Trotz der
im Vergleich zum Naturstein hohen Porositäten weisen sie einen kleinen Wasseraufnahmegrad-
wert und Sättigungsgrad auf. Dies läßt den Schluß zu, daß die meisten Poren in geschlossener
Die wichtigen physikalischen Eigenschaften 35
(isolierter) Form vorhanden sind. Die Tendenz eines im Vergleich zum Innenteil höheren Wertes
der Oberflächenbereiche ist auch hier deutlich.
Muschelkalksteine vom Pergamon-Museum
Bezüglich der Muschelkalksteine, die aus dem Pergamon-Museum stammen, sind die Reindichten
(2,64 g/cm3) kaum von den Rohdichten (2,60 g/cm3) zu unterschieden, deshalb sind die Porositä-
ten sehr gering (2,60 Vol.%). Die Werte für den Wasseraufnahmegrad bei Atmosphärendruck und
unter Vakuum waren wegen des geringen Porenraumes ebenfalls gering (meist etwa 0,8 Gew.%),
während der Sättigungsgrad infolge der sehr kleinen Porengröße hoch ist (meist etwa 0,8). Zwar
erweist sich ihre Wasseraufnahmefähigkeit mit oder ohne Oberflächenzone als sehr klein, jedoch
ist sie bei verwitterter Oberfläche enthaltenden Proben größer als bei unbeschädigten Proben.
Abbildung 4.1.2 zeigt den Wasseraufnahmegrad der getesteten Proben. Im Allgemeinen wurde die
Wasseraufnahme der untersuchten Innenproben im Vergleich zu den bekannten Werten aus den
Literaturangaben als leicht höher oder gleich eingestuft.
Der Wasseraufnahmegrad, der von 4,75 bis zu 8,63 Gew.% für unbeschädigte Sandsteinproben
und von 5,22 bis zu 9,41 Gew.% für verwitterte Proben zunimmt, ist in seinen Unterschieden von
Steinsorte und Verwitterungszustand abhängig. In den Kalksteinproben wurden gleiche Tendenz
nachgewiesen. Der höhere Sättigungsgrad in der verwitterten Oberflächen zone läßt sich durch
die aufgeweiteten Porenräume gut erklären; durch die vergrößerten Porenkanäle kann bei norma-
ler Beregnung im Verhältnis mehr Wasser in den Porenraum eindringen, als dies bei einem fri-
schen Gestein möglich ist.
Abb.4.1.1 Wasseraufnahmefähigkeit der Abb.4.1.2 Wasseraufnahmefähigkeit gegen
getestende Proben Porosität
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00
Porosität Vol.%
Wasseraufnahme (Gew.%)
NM-a
PM-a
NG-NW-a
NG-ES-a
NG-SE-a
NM-i
NG-NW-i
NG-ES-i
NG-SE-i
NG-EK-a
NG-EK-i
PM-i
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
NM-a
NM-I
NG-ES-a
NG-ES-I
NG-SE-a
NG-SE-I
NG-NW-a
NG-NW-I
NG-EK1-a
NG-EK1-I
NG-EK2-a
NG-EK2-I
PM-a
PM-I
Wasseraufnahme in Gew.%
Die wichtigen physikalischen Eigenschaften 36
4.3.2 Kapillare Wasseraufnahme
Die Wertung der kapillaren Wasseraufnahme ist für die Beurteilung der Verwitterungsresistenz
von Gesteinen und damit für die Charakterisierung eines Baustoffs bei Feuchtekontakt von großer
Wichtigkeit.
Die kapillar aufgenommenen Wassermengen und die Steighöhen wurden über die Quadratwurzel
der Zeit im Diagramm dargestellt (Abbildung 4.1.3). Die Probengruppen liegen sowohl in der
Größe des Wasseraufnahmekoeffizienten w als auch im Maß für den Wassereindringkoeffizienten
B eng beieinander.
In Tabelle 4.1.3 wurden beide Werte zusammengestellt. Bei den Innenproben des Postaer Sand-
steins vom Neuen Museum ist die kapillare Wasseraufnahme relativ niedrig (0,12 kg/m2s1/2). In
der Verwitterungsschicht erhöht sich die kapillare Wasseraufnahme bei Werten bis zu 0,132
kg/m2s1/2 in geringem Maße. Allerdings sind bezüglich der Gesamt-Wasseraufnahmefähigkeit die
Unterschiede zwischen beiden Probengruppen groß (5,23, 6,50 Gew.%).
Dadurch kann vermutet werden, daß sich oberflächenparallele Risse gebildet haben. In diesen
Rissen steigt die Kapillarwasserfront schneller auf und durchfeuchtet von hier aus das angrenzen-
de Gestein.
(a) (b)
Abb.4.1.3 Kurven der kapillaren Wasseraufnahme der getesteten Proben
(a) Zeitlicher Verlauf der kapillaren Wasseraufnahme (w-Werte)
(b) Zeitlicher Verlauf der kapillaren Wasser-Steighöhe (B-Werte)
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
9,00
10,00
5,00 15,00 25,00 35,00 45,00 55,00
Wurzel aus Zeit [S^0,5]
kapillare Wasseraufnahme [kg/m2]
NM-a
NM-i
NG-ES-a
NG-ES-i
NG-NW-a
NG-NW-i
NG-SE-a
NG-SE-i
NG-EK-a
NG-EK-i
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
5,00 15,00 25,00 35,00 45,00 55,00
Wurzel aus Zeit [S^0,5]
Steighöhe [cm]
NM-a
NM-i
NG-ES-a
NG-ES-i
NG-NW-a
NG-NW-i
NG-SE-a
NG-SE-i
NG-EK-a
NG-EK-i
Die wichtigen physikalischen Eigenschaften 37
Tab.4.1.3 Kapillare Wasseraufnahme der getesteten Proben
Probe w-Wert (kg/m2s1/2)B-Wert (cm/s1/2)WAk
OF 0,132 0,132 0,1002
NM IN 0,121 0,111 0,1092
OF 0,121-0,294 0,135-0,368 0,080-0,089
NG-ES IN 0,117-0,280 0,090-0,248 0,113-0,119
OF 0,043-0,047 0,044-0,055 0,085-0,098
NG-SE IN 0,036-0,037 0,043-0,049 0,074-0,083
OF 0,157-0,318 0,139-0,141 0,120-0,225
NG-NW IN 0,154-0,296 0,125-0,129 0,119-0,236
OF 0,0017 0,0049 0,0353
NG-EK IN 0,0014 0,0039 0,0355
PM OF 0,0251 0,0623 0,0403
w : Wasseraufnahmekoeffizient in kg/(m2s1/2)
B : Wassereindringkoeffizient in (cm/s1/2)
WAk : Wasserkapazität
Abb.4.1.4 w-Werte der getesteten Proben
In den weissen Sandsteinen der Nationalgalerie wurden deutlich unterschiedliche w-Werte zwi-
schen den Oberflächenproben bestimmt (0,12 bis 0,28 kg/m2s1/2), dennoch sind die Unterschiede
in der Gesamt-Wasseraufnahmefähigkeit gering (5,50-6,80 Gew.%).
Kapillare Wasseraufnahme
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
NM-a
NM-I
NG-ES-a
NG-ES-I
NG-SE-a
NG-SE-I
NG-NW-a
NG-NW-I
NG-EK1-a
NG-EK1-I
PM-a
w-Wert in kg/m(2) S(1/2)
Die wichtigen physikalischen Eigenschaften 38
Für die Oberflächenproben der Nebraer Sandsteine, die aus der Südostseite der Nationalgalerie
stammen (NG-SE), gelten w-Werte von etwa 0,04 kg/m2s1/2, während bei den Proben der Nord-
westseite (NG-NW) Werte von 0,15 bis 0,32 kg/m2s1/2 ermittelt wurden. Es kann festgestellt wer-
den, daß die Proben der Nordwestseite Wasser sehr rasch aufnehmen, wohingegen die Wasser-
aufnahme der Proben der Südostseite nur sehr langsam geschieht.
Das künstliche Gestein der Nationalgalerie zeigt sowohl für die Innen- als auch die verwitterte
Zone nur kleine w-Werte von etwa 0,0014-0,0017 kg/m2s1/2.
Die Oberflächen der dichten Kalksteine heben sich mit ihrer geringen kapillaren Saugfähigkeit
(0,0251 kg/m2s1/2) deutlich von den Sandsteinen (0,043-0,318 kg/m2s1/2) ab.
Der folgende Abschnitt beschäftigt sich mit der kapillaren Wasseraufnahme durch die dünne
schwarze Schicht.
Wie in Abbildung 4.1.3 gezeigt, wurde in der dünnen schwarzen Schicht der Proben des Nebraer
Sandsteins (Nationalgalerie) eine zu Beginn der Bestimmung niedrige kapillare Wasseraufnahme
beobachtet. Der Wassereindringkoeffizient B zeigte in den Proben zuerst eine reduzierte Absorp-
tion, die nach Durchdringung der schwarzen Schicht jedoch beträchtlich zunahm. Offensichtlich
führt die schwarze Schicht der Oberfläche zu einer Änderung der Porenradiusverteilung in Rich-
tung kleinerer Poren, wo unter höheren Luftfeuchtigkeitsbedingungen kapillare Kondensation
möglich ist. Der hohe Wasseraufnahmekoeffizient w von der Sandsteinoberfläche weist darauf
hin, daß Niederschlagsfeuchte mit den darin angereicherten Schadstoffen in beträchtlichem Um-
fang in kurzer Zeit aufgenommen werden kann.
Chemische Zusammensetzung 39
5. Chemische Zusammensetzung
5.1 Vollanalyse der Baugesteine (Hauptelemente und Spurenelemente)
Es ist schwierig, natürliche Verwitterung von der Verwitterung mit der Ursache anthropogener
Verschmutzung zu unterscheiden, zumal die Steine chemisch äußerst heterogen sind.[50]
Die chemische Verwitterung der Baugesteine ergibt sich aus Konzentrationsänderungen der Aus-
gangszusammensetzung durch Einsickern von Regenwasser und Anreicherung von Luftstäuben.
Die chemische Zusammensetzung der Proben von verschiedenen Sandsteinen, Kalkstein und
künstlichem Gestein (Putzmörtel), die in den Gebäuden der Museumsinsel verwendet wurden, ist
wie folgt bestimmt worden: Es wurden von jeder Probe drei Analysen durchgeführt, eine Oberflä-
chenanalyse, ein Analyse der Schicht unmittelbar unter der Oberfläche (1-2 mm) sowie ein Analy-
se der unverwitterten Innenzone.
Um die chemischen Merkmale zu interpretieren, wurden alle Analysedaten mit Hilfe einer statisti-
schen Methode bewertet.
5.1.1 Ergebnis der Analyse
Um die Eigenschaften dieser Elemente während der Änderungsprozesse zu bestimmen, wurden
Hauptelemente und einige Spurenelemente mit ED-XRF analysiert. Die Mittelwerte der Ergebnis-
se dieser Analysen werden in Tabelle 5.1.1 dargestellt.
Die Ergebnisse der Vollanalysen und die Messbedingungen befindet sich im Anhang Tabelle AT-
2, 3 und AT-4.
5.1.1.1 Die weissen Sandsteine aus Neuem Museum, Säulenhallen, Bode-Museum und
Nationalgalerie
Unverwitterte Innenzone
Die Daten in Tabelle 5.1.1 zeigen eindeutig, daß es sich bei den untersuchten unbeschädigten In-
nenproben des Neuen Museums um hoch quarzhaltige Sandsteine (SiO2-Gehalt > 97 Gew.%)
handelt.
Durch die Ergebnisse der chemischen Vollanalyse können die Innenproben (unbeschädigte Zone)
von den Säulenhallen als zwei Sorten klassifiziert werden: Die Unterschiede wurden in ihren
Al2O3-, K2O- und SiO2-Gehalten nachgewiesen. Es scheint somit nicht unwahrscheinlich, daß die
untersuchten Proben unterschiedlichen Steinsorten angehören. Eine Sorte ist als hoch quarzhalti-
ger, die andere als aluminium- und kaliumhaltiger Sandstein einzustufen. Aufgrund der starken
Chemische Zusammensetzung 40
Verwitterung konnten die elementbezogenen Veränderungen bis zur Innenzone der Proben von
den Säulenhallen ermittelt werden (hoher SO3-Gehalt).
Die Innenproben des Bode-Museums ergeben einen leicht höheren Al2O3- und K2O-Gehalt als die
anderen getesteten weissen Sandsteine. Bedeutsame Mengen an Barium sind in dieser Probe als
Spurenelement charakterisiert (Tabelle 5.1.2).
In ihren Gehalten an Hauptelementen sind die weissen Sandsteine der Nationalgalerie - trotz ihres
leicht geringeren Gehalts von Al2O3 - dem sächsischen Sandstein (vermutlich Postaer Sandstein)
aus dem Neuen Museum ziemlich ähnlich.
Oberflächenzone
Im Vergleich zur unbeschädigten Innenzone wurden Veränderung der chemischen Zusammenset-
zung in den schwarzen Oberflächenzonen der getesteten weissen Sandsteine mit auffallender Ten-
denz betrachtet.
Die Ergebnisse der chemischen Vollanalyse zeigen eindeutig, daß die Konzentrationen an CaO
und SO3 im Allgemeinen in der schwarzen Oberfläche der weissen Sandsteine höher als in deren
unbeschädigten Innenzonen sind. Auch die Fe2O3-, MgO- und Al2O3-Konzentrationen sind an der
Oberfläche ein wenig höher. Bezüglich der Spurenelemente wurde hier im Allgemeinen ein leicht
erhöhter Ba-Gehalt bestimmt. Vor allem wurden die Konzentrationen von Zn und Pb bei den
schwarzen Oberflächenproben des Neuen Museums eindeutig höher bewertet als in deren unbe-
schädigter Innenzone sowie in der schwarzen Oberflächenzone der anderen weissen Sandsteine.
Für die Oberflächenzonen der weissen Sandsteine der Nationalgalerie (außer eines leicht erhöhten
Eisengehalts) und der eingesickerten Proben des Neuen Museums wurden im Vergleich zu ihrer
jeweiligen Innenzone keine bedeutsamen Gehalte-Unterschiede bezüglich der Hauptelemente ge-
funden. Anders als bei den Hauptelementen sind die Konzentrationen von Spurenelementen in den
Innen- und Oberflächenproben mit denen des aus der Nationalgalerie stammenden weissen Sand-
steins vergleichbar. Im Oberflächenbereich wurde eine höhere Konzentration an Zink und Barium
als in der Innenzone gefunden.
5.1.1.2 Roter Nebraer Sandstein aus der Nationalgalerie (NG)
Innenzone
Der in der Nationalgalerie verbaute rote Nebraer Sandstein ist hoch aluminium- (3,30 - 6,92 %)
und kaliumhaltiger (3,29 - 4,72 %) Sandstein. In den aus der Südostseite stammenden Proben
wurden meist leicht niedrigere Al2O3- , K2O- und Fe2O3-Gehalte als in den aus der Nordwestseite
Chemische Zusammensetzung 41
stammenden Proben nachgewiesen. Nach der chemischen Zusammensetzung ist zu vermuten, daß
verschiedene Varietäten des roten Nebraer Sandsteins beteiligt sind.
Eisenoxide sind meist, trotz ihrer Augenfälligkeit aufgrund der verschiedenen Rotfarben, in solch
untergeordnetem Maße (0,14-0,35 %) vertreten, daß sie wohl zurecht außer Betracht gelassen
werden können.
Als Spurenelement wurde ein hoher Barium-Gehalt in diesem roten Sandstein festgestellt.
Oberflächenzone
In den schwarzen Oberflächenzonen wurden im Allgemeinen dramatische Abnahmen von SiO2-,
K2O- und Al2O3-Gehalten und bedeutsame Zunahmen von Pb, Zn und Sr im Vergleich zu den un-
beschädigten Innenzonen des roten Nebraer Sandstein der Nationalgalerie analysiert.
Bedeutsame Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung sind zwischen den schwarzen
Krusten und den schwarzen dünnen Schichten sichtbar. Die Konzentrationen der Hauptelemente
in den schwarzen Krusten sind - mit Ausnahme von SiO2, Al2O3 und K2O - im Vergleich zu den
schwarzen dünnen Schichten und den Innenzonen mehr oder weniger erhöht, außerdem wurde ein
extrem hoher SO3-, CaO- und Fe2O3-Gehalt nachgewiesen. In den schwarzen dünnen Schichten
wurde auch eine auffällige geringfügige Zunahme des SO3-, CaO- und Fe2O3-Gehalts im Ver-
gleich zu den unbeschädigten Innenzonen festgestellt.
Die unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen in den schwarzen Schichten wurden auch
je nach den Richtungen der Fassaden nachgewiesen. Vor allem in den aus der Südostseite stam-
menden Oberflächenproben (NG-SE) ist der Pb- und Zn-Gehalt überdurchschnittlich hoch, in den
aus der Nordwestseite (NG-NW) stammenden Oberflächenproben wurde eine hohe Konzentration
von Sr gemessen.
Im Gegensatz zu den schwarzen Oberflächenproben scheinen sich die Oberflächenbereiche der
eingesickerten Proben bezüglich anderer Elemente von ihren Innenzone, außer ihres geringfügig
höheren CaO- und SO3-Gehalts, kaum zu unterscheiden.
Untere Bereiche der Oberflächenzone
Es wurden kleine Veränderungen der chemischen Zusammensetzung in den unteren Bereichen (1-
2 mm) der Oberflächenzone gegenüber den Innenzonen festgestellt, was auf eine nur leichte Ver-
witterung der untersuchten Proben schließen läßt.
Chemische Zusammensetzung 42
Tab.5.1.1 Mittelwert der Hauptelemente (Gew.%)
Proben Na2OMgO Al2O3SiO2P2O5SO3CaO K2OTiO2MnO Fe2O3
OF (Kruste)
0,10
0,60
1,78
80,18
u.n
6,18
2,93
0,26
0,09
0,03
0,37
OF (TBL) 0,09 0,07 1,45 95,72 0,06 0,28 0,22 0,27 0,09 0,01 0,27
OF (OL) u.n 0,02 1,39 96,87 0,04 0,04 0,09 0,18 0,05 0,01 0,26
NM
IN u.n 0,02 1,07 97,46 0,02 0,03 0,10 0,03 0,03 0,01 0,12
OF-1 (TBL) u.n 0,11 2,11 86,03 0,08 3,72 1,87 0,18 0,06 0,01 0,41
OF-2 (Kruste) u.n 0,08 5,04 81,51 0,03 5,02 2,88 0,96 0,11 0,01 0,43
IN-1 u.n 0,09 1,15 96,55 0,02 0,58 0,23 0,03 0,05 u.n 0,07
SH
IN-2 u.n 0,06 2,06 93,34 0,02 0,66 0,31 0,93 0,11 0,01 0,14
OF (Kruste) u.n 0,13 4,03 86,30 0,05 3,04 1,78 1,91 0,05 0,01 0,42BM
IN 0,02 0,07 2,27 93,39 0,03 0,51 0,26 2,05 0,04 0,01 0,26
OF
0,27
0,03
0,44
96,83
0,04
0,07
0,09
0,03
0,04
u.n
0,23
UOF
0,16
0,05
0,40
97,40
0,03
0,06
0,08
0,01
0,03
u.n
0,14
NG-ES
IN
0,07
0,03
0,40
97,61
0,03
0,06
0,06
0,01
0,02
u.n
0,13
OF (Kruste) 0,36 0,34 3,05 45,28 0,07 22,35 14,67 1,80 0,13 0,04 1,77
OF (TBL)
0,13
0,15
4,40
85,60
0,08
1,53
0,70
3,24
0,12
0,01
0,37
UOF
0,06
0,09
4,55
88,88
0,05
0,32
0,23
3,80
0,11
u.n
0,23
NG-SE
IN
0,04
0,09
5,37
88,65
0,06
0,16
0,11
4,14
0,11
u.n
0,16
OF (Kruste) u.n 0,21 2,42 51,35 0,26 21,76 15,02 1,41 0,13 0,06 2,63
OF (TBL) u.n 0,11 4,98 86,64 0,11 0,94 0,61 3,70 0,08 0,01 0,45
OF (OL) u.n 0,11 4,82 90,00 0,09 0,25 0,20 3,58 0,11 0,01 0,23
UOF u.n 0,14 5,15 88,37 0,09 0,45 0,26 3,77 0,09 u.n 0,28
NG-NW
IN u.n 0,12 5,76 87,77 0,10 0,20 0,20 4,18 0,11 0,01 0,28
OF u.n -
1,15
0,12-
1,00
2,12-
3,74
33,74-
86,03
u.n -
0,35 0,49-
27,44 2,95-
27,04 0,52-
1,67 0,05-
0,25 0,01-
0,14 0,24-
2,15
NG-EK*
IN u.n -
0,51 0,10-
0,70 1,90-
3,13 32,54-
74,15 u.n -
0,06 0,54-
30,75 0,77-
30,06 0,28-
1,57 0,04-
0,12 u.n -
0,04 0,17-
2,49
OF (Kruste)
0,15
0,42
0,88
6,57
0,09
11,36
41,44
0,26
0,17
0,04
0,92
OF (TBL) 0,33 0,63 0,67 3,47 0,08 6,90 46,75 0,15 0,12 0,04 0,80
OF (OL) 0,45 0,50 0,28 1,72 0,08 1,18 52,50 0,07 0,06 0,04 0,24
UOF der Kruste 0,15 0,37 0,48 2,31 0,07 3,11 50,58 0,12 0,07 0,03 0,23
PM
IN 0,11 0,54 0,23 1,25 0,06 1,02 53,61 0,04 0,06 0,03 0,23
Abkürzungen :
Siehe auch Kapitel 2.4 für die Anzahl der Proben und Abkürzungen
OF: Oberflächenzone, TBL: dünne schwarze Schichten, OL: durch Regenwasser eingesickerte Schichten,
UOF: untere Bereiche der Oberflächenzone (ca. 1-2 mm), IN: unbeschädigte Innenzone
u.n : unterhalb der Nachweisgrenzen
* Wertspannbreite (Min – Max)
5.1.1.3 Putzmörtel aus der Nationalgalerie (NG-EK)
Innenzone
Der chemischen Zusammensetzung nach scheint eindeutig zu sein, daß Putzmörtel mit unter-
schiedlichen Elemente-Konzentrationen während der Renovierung der Nationalgalerie (Renovie-
rungsdatum: siehe Tabelle 2.4.1) verwendet worden sind.
Mit der für alle getesteten Putzmörtel-Proben höchsten Oxid-Konzentration wurde SiO2 nachge-
wiesen, obwohl die Konzentration je nach Probe unterschiedlich ausfiel (32,5-74,2 %). Durch-
Chemische Zusammensetzung 43
schnittlich wurden hohe Konzentrationen an CaO (0,77-30,0 %), MgO-, SO3- und Fe2O3 (0,10-
0,70, 0,54-30,75 und 0,17-2,49 % jeweilig) aufgefunden.
Bei einer breiten Verteilung der Konzentrationen der Oxide in den übrigen Proben wurden im
Vergleich dazu in der rotfarbenen Probe stark abweichende Konzentrationen an SO3 (30,75 %),
CaO (0,77 %) und SiO2 (32,54 %) festgestellt.
Oberflächenzone
Im Vergleich zu ihrer Innenzone treten in den verwitterten Oberflächenzonen auffällige Verände-
rungen der Konzentration von CaO und SO3 auf : je nach Probe wurde die Zunahme oder die Ab-
nahme dieser Oxide mehr oder weniger nachgewiesen. Ebenfalls konnte eine bedeutsame Verän-
derungen der Fe2O3 -, Al2O3- und SiO2-Gehalte in den Oberflächenzonen festgestellt werden.
Bezüglich der Spurenelemente wurde eine hohe Konzentration an Zn in den Oberflächenzonen
festgestellt, die Konzentrationen anderer Spurenelemente verändern sich nicht bedeutend.
Tab.5.1.2 Mittelwerte der Spurenelemente (ppm)
Proben Zn Rb Cr Sr Zr Ba Pb
OF (Kruste)
1616
20
37
120
31
981
12074
OF (TBL) 50 9 154 73 50 322 563
OF (OL) u.n 21 329 27 41 203 40
NM IN 5 33 337 25 29 186 58
OF-1 (TBL) 7u.n 133 40 20 595 107
OF-2 (Kruste) u.n 36 252 127 37 136 34
IN-1 u.n 16 167 11 23 193 83
SH
IN-2 142 49 305 49 52 u.n 69
OF (Kruste) 66 80 176 87 18 313 92
BM IN 44 56 236 59 16 992 20
OF
9
14
150
11
21
80
19
UOF
7
7
174
9
21
66
9
NG-ES
IN
9
12
158
5
20
254
u.n
OF (Kruste) 766 55 120 857 25 542 179
OF (TBL)
377
106
149
222
46
977
6288
UOF
157
122
136
109
83
825
162
NG-SE
IN
39
143
109
97
77
744
66
OF (Kruste) 662 39 46 545 90 614 103
OF (TBL) 58 116 88 84 69 785 89
OF (OL) 23 116 129 89 61 735 66
UOF 195 121 127 87 57 753 32
NG-NW
IN 17 118 141 104 72 900 30
OF 12-824 24-68 99-264 72-632 24-51 192-1802 12-128
NG-EK*
IN
13-308
25-76
119-270
32-768
20-48
u.n-521
u.n-95
OF (Kruste)
235
32
141
926
11
1561
106
OF (TBL) 237 35 142 967 7 292 120
OF (OL) 237 32 142 1061 13 219 34
UOF der Kruste 242 49 141 921 5 234 110
PM
IN 244 20 142 975 7 210 34
Abkürzungen : Siehe Tab. 5.1.1
Chemische Zusammensetzung 44
5.1.1.4 Kalkstein im Pergamon-Museum
Innenzone
Calcium ist natürlich das häufigste Element in unbeschädigten Kalksteinproben ( > 53 %). Die
getesteten Kalksteine enthielten relativ hohe Konzentrationen an MgO (ca. 0,5 %) und SiO2 (ca.
1,4 %). An Spurenelementen wurden auffällige Gehalte an Zn, Sr und Ba in den Innenzonen so-
wie Oberflächenproben nachgewiesen.
Oberflächenzone
In ihrer chemischen Zusammensetzungen weisen die drei Typen der Oberflächenproben (Kruste,
dünne schwarze Schicht und eingesickerte Schicht) der Kalksteinproben deutliche Unterschiede
auf.
Zwar wurden unterschiedliche Konzentrationen der chemischen Zusammensetzungen in den Kru-
sten und in den schwarzen dünnen Schichten nachgewiesen, doch in ihrer Änderungstendenz in
Richtung Innenzone sind sie bezüglich der Oxide fast gleich. In den schwarzen Oberflächenzonen
(Kruste und dünne schwarze Schicht) der Kalksteine wurden im Allgemeinen hohe Konzentratio-
nen an CaO nachgewiesen (34,43-49,93 %), trotzdem blieben diese Konzentrationen leicht gerin-
ger als in den Innenzonen. Gleichzeitig sind sie höher als die höchsten Konzentrationen der ver-
witterten Oberflächenproben der Sandsteine (15,91 %). Damit kann vermutet werden, daß das
CaO der Kalkstein-Innenzonen auch den Ursprung des CaO in den schwarzen Oberflächenzonen
darstellt. In den schwarzen Oberflächenzonen wurden stark erhöhte Konzentrationen von SO3
festgestellt (3,02-19,98 %). Der Pb-Gehalt ist leicht höher als in den Innenproben, bezüglich an-
derer Spurenelemente gibt es in den schwarzen Oberflächenproben keine bedeutsamen Verände-
rungen. Die schwarzen Krusten enthalten eindeutig höhere Konzentrationen von SiO2, Fe2O3, SO3
und Ba sowie einen leicht höheren Al2O3- und K2O-Gehalt als die schwarzen dünnen Schichten.
Auch konnte eine leicht erhöhte Konzentration von TiO2 festgestellt werden.
In den eingesickerten Oberflächenzonen waren die Konzentrationen der Elemente fast identisch
mit denen der Innenzonen, außer leicht erhöhter Gehalte von Na2O, SiO2 und SO3.
Untere Bereiche der Oberflächenzone
Anders als die unteren Bereiche der Krusten der Sandsteine weisen beim Kalkstein die Änderun-
gen der chemischen Zusammensetzungen im unteren Bereich der Krusten (1-2 mm) in Richtung
Innenzone - außer bei Eisen, Titan und Blei (ihre Konzentrationen sind gleich wie in den Innenzo-
nen) - die gleiche Tendenz wie ihre Oberflächenbereiche auf, auch wenn die absoluten Konzentra-
Chemische Zusammensetzung 45
tionen deutlich niedriger als in den Krusten sind. Dies läßt auf eine starke Verwitterung der unter-
suchten Proben schließen.
In den unteren Zonen der schwarzen dünnen Schicht und der eingesickerten Oberflächenzonen
wurden keine bedeutsamen Veränderungen nachgewiesen.
5.1.2 Datenanalyse durch statistische Methoden
Die analysierten Hauptelemente und Spurenelemente wurden mit Hilfe verschiedener statistischer
Methoden untersucht.
5.1.2.1 Korrelationsanalyse
Die Korrelationsmatrix ist eine symmetrische viereckige Matrix, deren hauptdiagonale Eingänge
alle eine Einheit bilden. Jeder Eingang stellt einen Korrelationskoeffizienten dar, der verwendet
werden kann, um die Beziehung zwischen zwei Elementen zu unterscheiden.
Um die Korrelation zwischen den chemischen Parametern zu identifizieren, wurden die Ergebnisse
der Hauptelemente und Spurenelemente der untersuchten Proben einer linearen Korrelationsana-
lyse unterzogen. Die Korrelationsmatrices für die verwendeten Daten wurden mit Hilfe des Com-
puterprogramms SPSS erstellt.
Die Daten ergaben eine Korrelation nach der Beziehung: Y = A·X + B
Y und X stellen die Konzentrationen der korrelierten Bestandteile dar, A und B sind Konstanten,
wobei A die Steigung der Geraden und B der Achsenabschnitt ist.
Die Beziehungen der verschiedenen Bestandteile können wie folgt zusammengefaßt werden.
Parameter mit Korrelationskoeffizienten (r) von
> 0,9 : hohe bedeutsame lineare Beziehung.
0,8 - 0,9 : bedeutsame lineare Beziehung.
0,7 - 0,8 : gute Beziehung.
0,6 - 0,7 : akzeptable Beziehung.
< 0,6 : schwache Beziehung.
Die Ergebnisse der Korrelationsanalyse werden bis einschließlich “akzeptable Beziehung“ in An-
hang Tabelle AT-5 aufgelistet, einige Beziehungen sind in Abbildung 5.1.1 dargestellt.
Chemische Zusammensetzung 46
(a) Plot von CaO gegen SO3
(b) Plot von CaO gegen Fe2O3
Abb.5.1.1 Die Beziehungen der chemischen Parameter der Sandsteine der Museumsinsel
Die Krusten am Sandstein
Die hohe bedeutsame lineare Korrelation zwischen den CaO und SO3-Werten in den Sandstein-
krusten, wie in Abbildung 5.1.1 gezeigt, zeigt an, daß diese Oxide gemeinsam als eine Calcium-
sulfat vorliegen. Die Korrelation ist perfekt (r = 0,99) und die eingestellte gerade Linie (SO3 =
1,496·CaO + 0,09) ist zur Steigung der berechneten reinen Calciumsulfate (SO3 = 1,428·CaO) fast
parallel. Das SO3 in den Krusten ist hauptsächlich mit CaO zusammengeschlossen, aber außer
Calciumsulfate können noch andere Sulfate vorhanden sein. Zwischen Fe2O3 und SO3 sowie
Fe2O3 und CaO wurden bedeutsame lineare Beziehungen berechnet (jeweilig, r = 0,84 und 0,82).
0,00
1,50
3,00
4,50
6,00
7,50
9,00
0,00 1,00 2,00 3,00 4,00
CaO
SO3
k
k(13,42, 20,91)
(14,33, 20,96)
(15,71, 22,55)
(15,91, 23,79)
(a)
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00
Fe2O3
NM-Krusten NM-TBL
NM-OL NM-IN
SH-TBL SH-IN
BM-TBL BM-IN
NG-SE-Krusten NG-SE-TBL
NG-SE-UOF NG-SE-IN
NG-NW-Krusten NG-NW-TBL
NG-NW-OL NG-NW-UOF
NG-NW-IN NG-ES-TBL
NG-ES-UOF NG-ES-IN
(b)
Chemische Zusammensetzung 47
In den Krusten des roten Nebraer Sandsteins wurde eine hohe lineare Beziehung zwischen Al2O3
und K2O ermittelt (r = 0,89). Diese Beziehung ist auch in den unbeschädigten Innenzonen des ro-
ten Nebraer Sandsteins nachgewiesen (r = 0,75).
Die dünne schwarze Schicht am Sandstein
Die CaO- und SO3-Werte korrelieren mit der Gleichung SO3 = 1,75·CaO - 0,02 ( r = 0,81) in den
dünnen schwarzen Schichten. Die eingestellte Gleichung zeigt, daß in den dünnen schwarzen
Schichten auch Calciumsulfate gebildet wurden. Aber hier ist das Verhältnis zwischen SO3 und
CaO eindeutig höher als für reine Calciumsulfate (SO3/CaO = 1,428). Der Überschuß an SO3 re-
lativ zu CaO könnte mit anderen Kationen verbunden sein, aber eine signifikante Korrelation von
SO3 mit anderen Kationen wurde in den untersuchten dünnen schwarzen Schichten nicht gefun-
den. Es scheint, daß zwischen TiO2 und Sr (r = 0,74), sowie Zn und Sr (r = 0,88) und Zn und Pb
( r = 0,70) eine enge Beziehung besteht .
Die Krusten und die schwarze Schichten am Kalkstein
Wie in Abbildung 5.1.2 gezeigt (z.B. Plot von CaO gegen SO3), standen in den verwitterten Zo-
nen fast alle Elemente in negativen Steigungen mit CaO. Aufgrund dieser Beziehung ist zu ver-
muten, daß das Calciumoxid in den verwitterten Zonen auch aus den Innenzonen des Kalksteins
selber stammt. So ist es schwierig, mit der berechneten Korrelationsgleichung (SO3 = -0,92·CaO
+ 49,60) die Calciumsulfate in den Oberflächenzonen des Kalksteins abzuschätzen, obwohl Calci-
umsulfate gebildet wurden (Gips wurde durch röntgendiffraktometrische Untersuchung identifi-
ziert.).
In den beiden verwitterten Zonen (schwarze Kruste und dünne schwarze Schicht) des Kalksteins
ergibt sich eine starke lineare Korrelation zwischen SO3 und Fe2O3 (jeweilig, r = 0,99 und 0,94),
anders als in den verwitterten Zonen der Sandsteine, die nur in den Krusten bedeutsame Bezie-
hung zwischen diesen Elementen aufweisen. Auch zwischen Al2O3, SiO2, SO3, K2O und Fe2O3
wurde eine enge Korrelation festgestellt. Die Beziehungen zwischen Al2O3 und K2O sind sowohl
in beiden verwitterten Zonen als auch in den unbeschädigten Innenzonen eng. Das Ergebnis zeigt,
daß beide Elemente in den verwitterten Zonen vermutlich auch aus dem Kalkstein selber stam-
men.
Im Vergleich zwischen Kruste und schwarzer dünner Schicht sind die Korrelationen unterschied-
lich. Die Beziehungen zwischen Zr, Al2O3, K2O und SiO2 sind in den Krusten auffällig. In den
dünnen schwarzen Schichten wurden starke lineare Korrelationen zwischen Pb und Al2O3, MgO,
Fe2O3, SO3 und SiO2 gefunden.
Chemische Zusammensetzung 48
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Abb.5.1.2 Die Beziehungen der chemischen Zusammensetzung der Kalksteine
vom Pergamon-Museum
(a) Plot von CaO gegen SO3, (b) Fe2O3 gegen SO3, (c) Fe2O3 gegen SiO2
(d) Al2O3 gegen K2O, (e) Al2O3 gegen Fe2O3, (f) Al2O3 gegen SiO2
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40
Al2O3
SiO2
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40
Al2O3
K2O
0,00
0,30
0,60
0,90
1,20
1,50
1,80
0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50
Al2O3
Fe2O3
0,00
0,30
0,60
0,90
1,20
1,50
1,80
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00
SiO2
Fe2O3
PM-Krusten PM-TBL PM-UOF PM-IN PM-OL
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0
CaO
SO3
0,00
0,30
0,60
0,90
1,20
1,50
1,80
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00
SO3
Fe2O3
Chemische Zusammensetzung 49
5.1.2.2 Faktorenanalyse
Die Faktoranalyse wurde angewandt, um die große Anzahl von Variablen im Datensatz zu einer
beschränkten Anzahl unabhängiger Faktoren zu reduzieren und rasch und systematisch zu verar-
beiten.
Sie wurde für alle Daten aus den verwitterten Oberflächenproben auf der Basis des Computer -
Programms SPSS ausgeführt (Extraktionsmethode: Hauptkomponentenanalyse). Die Daten wur-
den der Varimax Faktorrotation unterzogen. Die Faktoren sind durch eine Seriennummer ausge-
zeichnet 1,2,3,...,n, wobei die einzelnen Faktoren unterschiedlich mit den Originalvariablen in Be-
ziehung stehen. Die Kommunalität, wie in Tabelle 5.1.3 gezeigt, ist der Anteil an der Gesamt-
varianz einer Variablen, zu dem die allgemeinen Faktoren einer Faktorenanalyse beitragen. Ein
großer Absolutwert der Faktoren in Tabelle 5.1.3. bedeutet, daß deren Elemente während der
Faktorenanalyse entscheidend beeinflusst wurden. Die Größe des Eigenwerts stellt den Unter-
schied der Originaldaten dar, die zu jedem Faktor herausgezogen worden sind. Für diese Arbeit
wurden die Faktoren ausgewählt, wenn der Eigenwert bei über 1 lag.
Verwitterte Zone der Sandsteine
Drei Faktoren aus verschiedenen chemischen Elemente wurden durch die Faktorenanalyse in den
verwitterten Zonen der Sandsteine extrahiert (Eigenwert > 1). Die Ergebnisse aus der Varimax
Rotation sind in Tabelle 5.1.3 aufgeführt. Die Analysen der Proben haben einen Prozentsatz der
erklärten Varianz von 74,85, d.h. 74,85 % aller Variablen, die an analysierten chemischen Para-
metern bestehen, werden dargestellt. Durch die berechneten Kommunalitäten ist zu vermuten, daß
SiO2, SO3, CaO, K2O und Fe2O3 die Faktorenanalyse entscheidend beeinflusst hatten.
Im ersten Faktor (F1) werden SO3, CaO und Fe2O3 hoch gegen SiO2 geladen und können daher
als Gipsfaktor mit Eisenverbindungen bezeichnet werden. Auch MnO und Sr beeinflussen F1 be-
deutsam. F1 stellt 33,5 % der totalen Variablen dar. Vom Gipsfaktor distanziert ist die Gruppe
der restlichen Hauptelemente, die sich aus den Komponenten der Tonminerale und dem Rest-SiO2
(Quarzanteil, während der Verwitterung können die Quarzbestandteile aufgelöst werden.[303])
zusammensetzt. Die Calciumsulfatverbindung und Eisenverbindungen sind stark miteinander ver-
bunden.
Der zweite Faktor (F2) zeigt positive Faktorenwerte von Al2O3 und K2O. Er hat eine Prozentvari-
anz von 20,88 %.
Chemische Zusammensetzung 50
(a) (b)
Abb.5.1.3 (a) Faktorenanalyse der verwitterten Oberflächenzonen der Sandsteine und
(b) der verwitterten Oberflächenzonen der Kalksteine
Der dritte Faktor (F3) stellt den Einfluß der Spurenelemente dar (Zn, Ba und Pb). F3 zeigt den
Verschmutzungsfaktor an, der sich auf Verunreinigung der Oberflächenschicht durch Luft-
schadstoffe bezieht (Feuerungsanlagen und Kraftfahrzeuge stellen eine Quelle für sämtliche als
Spurenbestandteile im Brennstoff enthaltenen Elemente dar.).
Die zwei Hauptfaktoren F1 und F2 werden durch die Faktor-Scores für jedes Element auf ein
Scattergram übertragen. Damit können mineralogische Kompositionen und Änderungsprozesse
interpretiert werden. Wie Abbildung 5.1.3(a) zeigt, wurden die Oberflächenproben der Sandsteine
(schwarze Kruste, dünne schwarze Schichten und eingesickerte Oberflächenproben) deutlich klas-
sifiziert. Die Klassifizierung der Oberflächenproben durch Faktorenanalyse fällt im Scatter-Plot -
mit Ausnahme der schwarzen Krusten - zusammen mit den Proben der Original-Sandsteine. Damit
kann vermutet werden, daß die chemischen Zusammensetzungen der dünnen schwarzen Schichten
und der Oberflächenzonen der eingesickerten Proben zu ihren jeweiligen Innenzonen eine enge
Beziehung haben. Die Verteilung der dünnen schwarzen Schichten am roter Nebraer Sandstein ist
relativ breit. Jedoch stehen die dünnen schwarzen Schichten und die eingesickerten Oberflächen-
schichten des Nebraer Sandsteins in der Nähe von Al2O3 und K2O. Diese in beiden Oberflächen-
zonen vorhandenen Elemente könnten auch aus dem Steininneren stammen, da diese Komponen-
ten wichtige Elemente des roten Nebraer Sandsteins sind. Je nach der Gebäuderichtung der Na-
-2
0
2
-1,5
F1
F2
NM-Krusten NM-TBL NM-OL SH-TBL
BM-TBL NG-SE-Krusten NG-SE-TBL NG-NW-Krusten
NG-NW-TBL NG-NW-OL Reihe11
Si
Cr
Pb
Rb,Al,K
Ba Zr P
Mn Fe
Ti
Ca,S
Mg,Zn
Sr
LOI
-1,00
-0,50
0,00
0,50
1,00
-1,50 0,00 1,50
F1
F2
PM-krusten PM-TBL PM-OL Elemente
Zn
Mg
Ca
SrLOI
Mn Ba
Ti
Si
P
Al
K
Fe
SPb
Chemische Zusammensetzung 51
tionalgalerie, von der die Proben entnommen worden sind, zeigten sich Unterschiede. Die aus der
Südostseite stammende dünne schwarze Schicht steht relativ nahe zu Pb und Zn im Diagram. Das
heißt, daß diese Gebäudeseite viel stärker Luftschadstoffen ausgesetzt war. Zwar sind die schwar-
zen Krusten der Sandsteine ebenfalls breit verteilt und als eine Gruppe verbunden, trotzdem ist die
unterschiedliche Klassifizierung zwischen den Krusten des Neues Museums und der Nationalgale-
rie sichtbar. Während die Krusten des Neuen Museums in der Nähe zu CaO, SO3, Fe2O3 und
MnO stehen, liegen die der Nationalgalerie am Ende der F1-Achsen (Richtung gegen SiO2). Die
Krusten der Nationalgalerie stehen im Vergleich zu denen des Neuen Museums unter größerem
Einfluß von CaO, SO3 und Fe2O3.
Tab.5.1.3 Rotierte Komponentenmatrix der verwitterten Zonen
Verwittertenzonen der Sandsteine Verwittertenzonen der Kalksteine
Kompo-
nent Faktor 1 Faktor 2 Faktor 3 Kommun-
alitäten Faktor 1 Faktor 2 Kommun-
alitäten
MgO
Al2O3
SiO2
P2O5
SO3
CaO
K2O
TiO2
MnO
Fe2O3
Zn
Rb
Cr
Sr
Zr
Ba
Pb
L.O.I
-0,93
0,97
0,98
0,76
0,96
0,77
0,88
0,90
0,90
0,63
0,59
0,78
0,69
0,88
0,67
0,55
0,79
0,96
0,66
0,98
0,98
0,83
0,60
0,65
0,91
0,79
0,85
0,61
0,69
0,26
0,81
0,80
0,75
0,98
0,96
0,76
0,89
-0,94
0,94
0,63
0,82
-0,85
0,79
-0,97
0,65
0,83
-0,81
0,83
0,25
0,96
0,96
0,58
0,97
0,25
0,88
0,83
0,70
0,95
0,93
-
-
0,53
-
0,97
0,82
0,95
Eigenwert 6,02 3,76 3,69 8,13 4,34
% der
Varianz 33,46 20,88 20,51 74,85 54,18 28,95 83,13
Verwitterte Zone des Kalksteins
Zwei Faktoren sind durch die Faktorenanalyse aus den Analysedaten der verwitterten Zonen der
Kalksteine extrahiert. Die Faktoren haben eine Prozentvarianz von 83,13 % aller Variablen.
Durch die Kommunalitäten (Tabelle 5.1.3) kann vermutet werden, daß SO3, SiO2, Al2O3, Fe2O3,
Zn, Ba und die Glühverlust-Werte in den verwitterten Kalksteinoberflächen breit variieren.
Chemische Zusammensetzung 52
Der erste Faktor (F1) wird mit Al2O3, SiO2, SO3, Fe2O3, Pb und K2O gegen CaO, Sr, und Glüh-
verlust geladen. Er stellt 54,18 % der totalen Varianz dar. Die hohen CaO-, Sr- und Glühver-
lustanteile sind die typischen Eigenschaften des Kalksteines. F1 zeigt an, daß Calciumsulfate (z.B.
Gips), Kaolinit, die wasserhaltiger als die Originalphasen sind, sich als neue Phasen formieren
können. Dabei waren die Eisenverbindungen stark angebunden.
Der zweite Faktor (F2) stellt den Einfluß von Ti, Mn und Ba auf Zn dar. F2 zeigt den Verschmut-
zungsfaktor an, der sich auf Verunreinigungen der Oberflächenschicht durch Luftschadstoffe be-
zieht.
Die Faktoren F1 und F2 sind durch Faktor-Scores auf ein Scattergram übertragen. Wie in Ab-
bildung 5.1.3(b) gezeigt, wurden Unterschiede zwischen den verwitterten schwarzen Schichten
und den eingesickerten Oberflächenzonen deutlich. Die eingesickerten Oberflächenproben stehen
in der Nähe von CaO. Andererseits wird weiter festgestellt, daß die Krusten und die dünnen
schwarzen Schichten nicht so deutlich klassifiziert wurden, da die Krusten eine breite Streuung
zeigen. Diese breite Streuung zeigt die ziemlich unterschiedlichen Stadien der Verwitterung der
Proben an.
5.1.3 Anreicherungsfaktor und Herkunft der Oberflächenbestandteile
Die Gegenwart des Gipses auf den Sandsteinen ergibt die Frage nach den Quellen von SO3 und
CaO. Für einige der oben genannten im Sandstein tatsächlich nachgewiesenen Elemente ist keine
Erklärung für die Herkunft aus dem Stein selbst denkbar.
Die Elementanreicherungsfaktoren lassen jedoch bezüglich der Herkunft der Oberflächen-
bestandteile Rückschlüsse auf den Beitrag von Luftstäuben und/oder aus dem Stein selber zum
Krustenaufbau zu.
5.1.3.1 Die Krusten und dünnen schwarzen Schichten der Sandsteine
Al2O3 und SiO2 allein betrachtet lassen im Vergleich der verwitterten Zonen mit den unverwitter-
ten Sandsteinen häufig nur eine leichte Anreicherung erkennen. Mit Si als Indikatorenelement
wurde der Anreicherungsfaktor in der Sandsteinkomposition durch folgende Gleichung berechnet.
(X/Si)Kruste
AFSandstein = ---------- (5.1.1)
(X/Si)Sandstein
AF: Anreicherungsfaktor,
X, Si: Die Konzentration des untersuchten Elements und des Indikatorenelements (Si)
Chemische Zusammensetzung 53
Die Anreicherungsfaktoren der Krusten und der dünnen schwarzen Schichten der Sandsteine
scheinen die gleiche Tendenz zu haben, obwohl Unterschiede in der Größe der Anreicherungs-
faktorenwerte sichtbar sind. Die Krusten und die dünnen schwarzen Schichten der Sandsteine ha-
ben auch je ihren eigenen Anreicherungscharakter. Es wurden stärkere Anreicherungen für CaO
und SO3 in den Krusten gefunden. Die Herkunft des CaO ist unbekannt. Die untersuchten Sand-
steine können nicht die Quelle des CaO sein, da der CaO-Gehalt (< 0,3 %) ziemlich niedrig ist. In
der unteren Zone (1-2 mm) der Oberflächenzone nahm der CaO-Gehalt während des Verwitte-
rungsprozesses nicht ab, sondern erhöhte sich sogar leicht. Kalzitische Stäube oder Ca-reiche
Luftpartikel, die Kohlenstoffcenospheres aus der häuslichen und industriellen Verbrennung von Öl
umfassen, sind als mögliche Ca-Quellen anzusehen (siehe Kapitel 2.4, Tabelle 2.3.3).[270]
Abbildung 5.1.4 zeigt, daß die Anreicherung von SO3 stärker ist als die von CaO. Da die Konzen-
tration von SO3 in den untersuchten Sandsteinen im Allgemeinen sehr niedrig ist (< 0,2 %), ist es
wahrscheinlich, daß der Oberflächenschwefel hauptsächlich von Luftverschmutzung stammt. Die
Herkunft des Sulfates in den Krusten erhöht sich durch SO2-Deposition aus der Gasphase oder
durch SO42--Eintrag aus Regenwasser. Aber auch Aerosole können an der Verschmutzung und
Krustenbildung in erheblichem Umfang beteiligt sein. Mörtel können eine geringfügige Quelle von
Calcium und Schwefel sein, da sie in ihrer Komposition Gips enthalten und mit dem durchsickern-
den Wasser reagieren können.
Fe2O3 wird im Vergleich zu CaO und SO3 nur leicht angereichert, obwohl in der chemischen Zu-
sammensetzung relativ hohe Konzentration gefunden wurden. Die Krusten auf den roten Nebraer
Sandsteinen der Nationalgalerie sind imVergleich zu denen des Neuen Museums Fe2O3-reicher,
demhingegen sind in den dünnen schwarzen Schichten der Proben des Neuen Museums die Werte
leicht größer. Die Anreicherung von Eisen in den Oberflächenzonen stammt von atmosphärischer
Verschmutzung wie auch von den Sandsteinen selbst.
Chemische Vollanalysen der sächsischen Sandsteine weisen einen Fe2O3-Gehalt zwischen 0,001
und 0,6 Gew.% aus.[121] Das Eisen liegt in Mineralen wie z.B. Biotit vor, die bei der Verwitte-
rung zersetzt werden.[257] Die frei werdenden Eisenlösungen wandern an die Oberfläche und
scheiden sich dort durch Verdunstung als Krustensubstanz ab. Biotite, welche Fe
liefern können, sind in den untersuchten Sandsteinen nur gering vorhanden (dies konnte mit Hilfe
der mikroskopischen Untersuchung festgestellt werden.). Das meiste Eisen ist durch städtische
und industrielle Luftverschmutzung hervorgebracht.[205] In Kapitel 6.3 wird die Analyse des Ei-
sens in den Oberflächenproben beschrieben.
Chemische Zusammensetzung 54
Abb.5.1.4 Anreicherungsfaktoren ausgewählter Elemente in Sandsteinkrusten des
Neuen Museums und der Nationalgalerie
Durch die Gleichung 5.1.1 konnte die Anreicherung von Silicium nicht erklärt werden. Die Sand-
steine enthalten selbst große Anteile an Si, die am Verwitterungsprozess beteiligt sein können.
Auch ist nicht auszuschließen, daß die Herkunft des Si aus siliciumhaltigem Luftstaub berücksich-
tigt werden muß. Tatsächlich weisen die Ergebnisse von Untersuchungen der Luftqualität in Ber-
lin eine hohe Silicium-Konzentration auf (etwa 7400 ng/m3, siehe Tabelle 2.3.3).
Im Vergleich mit dem SiO2-Gehalt ergibt sich für Al2O3 und K2O eine relativ geringe An-
reicherung in den Krusten und den dünnen schwarzen Schichten der Sandsteine. Der Anteil von
Aluminium und Kalium in den Krusten und den dünnen schwarzen Schichten im roten Nebraer
Sandstein könnte durch den Kaolinit- und Feldspatanteil im Stein hervorgerufen worden sein, da
ein sehr kleiner Wert für den Anreicherungsfaktor berechnet wurde. Jedoch ist nicht auszuschlie-
ßen, daß einige Mengen dieser Elemente in den Krusten aus Luftstaub abgelagert wurden, da die-
se Elemente in den Innenzonen der untersuchten weissen Sandsteine nur gering vorhanden sind
und die Luft hohe Konzentrationen der genannten Elemente - das Al/Si, K/Si Verhältniss liegt bei
durchschnittlich ca. 0,6 und 0,14 - enthält.
Auch bezüglich MgO, MnO, P2O5 und TiO2 sind, verglichen mit der durchschnittlichen Sand-
steinkomposition, leichte Anreicherungen sichtbar.
SO3
CaO
Fe2O3
MgO
K2O
Al2O3
MnO
P2O5
TiO2
Zn
Sr
Ba
Pb
NG-NW
NG-SE
NM
0
50
100
150
200
250
Anreicherungsfaktor
Chemische Zusammensetzung 55
Die Spurenelemente zeigen ihren je eigenen Anreicherungscharakter in den Oberflächenzonen der
Sandsteine.
In den Krusten der Sandsteine des Neuen Museums wurden starke Anreicherungen von Pb und
Zn und geringe solche von Ba charakterisiert, während in deren dünnen schwarzen Schichten nur
für Pb eine Anreicherung nachgewiesen wurde. Eine leichte Anreicherung von Ba wurde in den
dünnen schwarzen Schichten der Säulenhallen nachgewiesen.
Bei den Oberflächenzonen des roten Nebraer Sandsteins der Nationalgalerie wurde je nach Ober-
flächentypen und Gebäuderichtungen ein unterschiedlicher Anreichrungscharakter gefunden. Zwar
wurden leichte Anreicherung von Pb, Sr und starke Anreicherungen von Zn in den Krusten beider
Gebäudeseiten gefunden, in der Südostseite wurde jedoch für Zn eine deutlich stärkere und für Sr
eine leicht stärkere Anreicherung als in der Nordwestseite nachgewiesen. In den dünnen schwar-
zen Schichten in beiden Richtungen wurden stärkere Anreicherungen von Pb gefunden als in de-
ren Krusten. In den dünnen Schichten der Südostseite sowie in deren Krusten zeigten sich starke
Anreicherungen für Zn und leichte für Sr. Anders als in den Krusten, welche keine Anreicherung
dieses Elements aufwiesen, zeigten sich in den dünnen Schichten außerdem geringe Anreicherun-
gen von Ba.
Diese nachgewiesenen Spurenelemente wurden möglicherweise durch Luftverschmutzung verur-
sacht. Der überwiegende Anteil der in der Luft enthaltenen Schwermetalle liegt an Staubteilchen
adsorbiert und in größerem Umfang an Feinstaub gebunden vor. Schwermetalle werden meist
durch Feuerungsanlagen und Verkehr freigesetzt. Feuerungsanlagen stellen für sämtliche als Spu-
renbestandteile der im Brennstoff (z.B. Kohle und Öl) enthaltenen Elemente eine Quelle dar.[137]
Sie werden in den schwarzen Oberflächenzonen angereichert und zeigen Haftung von Luftschad-
stoffen auf der Gipsschicht an. Als weitere Quellen können Anlagen zur direkten Gewinnung die-
ser Elemente eine Rolle spielen, so z.B. die Verhüttung anderer Metalle sowie Emissionen aus der
Eisen- und Stahlproduktion. Eine weitere Quelle stellen Zementwerke dar, in denen schwerme-
tallhaltige Flugaschen ausgestoßen werden. Auch bei der Verarbeitung von Metallen zu bestimm-
ten Produkten treten Emissionen auf.[300] Aufgrund der unterschiedlichen Ergebnisse kann ver-
mutet werden, daß Art und Menge der Spurenelemente von der Lage der Probenahmestelle ab-
hängen (z.B. die Nähe zu Feuerungsanlagen und zu verwendeten Baumaterialen aus Metall, wie
z.B. Zinkblech).
Chemische Zusammensetzung 56
Abb.5.1.5 Anreicherungsfaktoren ausgewählter Elemente in den dünnen schwarzen Schichten der
Sandsteine
Kruste und dünne schwarze Schicht des Kalksteins
Um die Herkunft der Substanzen in der Kalksteinenoberfläche zu beurteilen, wurden die Anrei-
cherungsfaktoren im Verhältnis zur Kalksteinkomposition, die Titan nur in Spuren enthält, mit Ti
als Indikatorenelement durch folgende Gleichung berechnet.
(X/Ti)Kruste
AFKalkstein = ---------- (5.1.2)
(X/Ti)Kalkstein
AF : Anreicherungsfaktor,
X, Ti : Die Konzentration des untersuchten Elements und des Indikatorenelements (Ti)
Aufgrund des sehr niedrigen Anreicherungsfaktorwerts kann vermutet werden, daß das CaO in
den Oberflächenzonen der untersuchten Kalksteine vom zugrundeliegenden Kalkstein stammt.
SO3 ist jedoch in beiden schwarzen Oberflächenzonen, vor allem in den dünnen schwarzen
Schichten, stark angereichert. Sowohl im Original-Kalkstein wie in den Sandsteinen ist dieses
Oxid nicht vertreten. Beide oben genannten Oxide können aus kompaktem Gips bestehen. Oft
wird Gips von einer dünnen Schicht aus Ruß, Schmutz und organischen Zusammensetzungen be-
deckt, die teils die darunterliegende Gipsschicht davor schützt, von Regenwasser aufgelöst zu
werden.
4,48
23,88
130,98
0 10 20 30 40 50 60
NG-NW
NG-SE
NM
SH
BM
Anreicherungsfaktor
SO3
CaO
Fe2O3
MgO
Al2O3
P2O5
K2O
TiO2
MnO
Sr
Ba
Zn
Pb
Chemische Zusammensetzung 57
Abb.5.1.6 Anreicherungsfaktoren ausgewählter Elemente in den Krusten und dünnen schwarzen
Schichten des Kalksteins
Deutliche Anreicherungen von SiO2, K2O, Fe2O3 und Al2O3 wurden in den Oberflächenzonen des
Kalksteins, vor allem in den Krusten nachgewiesen. Bei den Spurenelementen ist die Anreiche-
rung von Pb und Ba auffällig, dabei ist sie für Pb in den dünnen schwarzen Schichten höher.
Die Ablagerung von Flugascheteilchen bringt neben Si, Fe, Ca und Al auch S sowie einen gewis-
sen Eintrag von P und K mit sich. Als übrige Quellen dieser Elemente können dieselben wie bei
den Sandsteinen (s.o.) vermutet werden.
5.2. Wasserlösliche Salze
Salze sind in großen Mengen immer dort anzutreffen, wo Wasser in Mauerwerke einsickert und
wieder austritt, sie sind im chemischen Sinne Neutralisationsprodukte von Säuren und Laugen.
Wasserlösliche Salze haben mehrfach negative Auswirkungen auf Baugesteine aufgrund derer po-
rösen Strukturen. Zahlreiche bauschädliche Salze können Feuchtigkeit aus der Luft in Dampfform
aufnehmen, sie wirken hygroskopisch. Die Folge ist, daß der Feuchtegehalt des Baustoffs zu-
nimmt und damit der kapillare Wassertransport in Bereichen aktiviert wird. Die wichtigste Eigen-
schaft der Salze ist ihre Löslichkeit. Tabelle 5.2.1 gibt einen Überblick über die Löslichkeit einiger
wesentlicher bauschädlicher Salze in Abhängigkeit von der Temperatur. Die verschiedenen Lös-
lichkeitsgrade dieser mineralischen Salze können ihr Zerfallsbenehmen auf Steindenkmälern erklä-
0
1
2
3
4
5
6
7
SO3 Al2O3 SiO2 K2O Fe2O3 Ba Pb CaO
Anreicherungsfaktor
PM-Krusten
PM-TBL
Chemische Zusammensetzung 58
ren. Die hohe Löslichkeit von Salpeter erklärt seine Kristallisation an der Oberfläche der Steine,
daher rührt auch die verbreitete Bildung des Efflorescences. Die Kristallisierung von Gips in den
porösen Medien der Steine ist mit seiner niedrigen Löslichkeit begründet. Salzlösungen können
saure und basische pH-Werte aufweisen und so zu Lösungsvorgängen führen. Die Salze führen zu
Ionenaustauschvorgängen und damit zur Korrosion von Mineralen. Die zerstörende physikalische
Wirkung der leichtlöslichen Salze ist auf Drucke zurückzuführen. Viele Salze gehen in Abhän-
gigkeit von Temperatur und Luftfeuchtigkeit von wasserfreiem in wasserhaltigen Zustand über
und umgekehrt, bzw. sie liegen in gelöster oder kristalliner Form vor. Wenn Salze aus Lösungen
kristallisieren, üben sie einen Kristallisationsdruck von bis zu 130 kg/cm2 aus.[102] Die meisten
Salze kommen in verschieden Hydratstufen vor, sie nehmen verschiedene, aber jeweils bestimmte
Mengen an Wasser in das Kristallgitter auf, wobei Hydratationsdrücke bis zu 300 kg/cm2 auftre-
ten.[260]
Bauschädliche Salze sind im wesentlichen Sulfate, Nitrate, Chloride und Carbonate. Die Kationen
der Salze werden fast ausschließlich von Na+, K+, Ca2+ und Mg2+ gestellt. Als Quellen für die
leichtlöslichen Salze gibt es viele Möglichkeiten. Die typischen Salzquellen sind Eigensalze der
Baustoffe, die Verwendung ungeeigneter Baustoffe, Umwelteinflüsse und die Verwendung unge-
eigneter bauchemischer Produkte. Während bezüglich der Kationen die Gesteine selbst eine
Quelle der Salze darstellen (durch in deren porösen Medien schon existierende Lösungen sowie
durch die Auflösung von Hauptmineralen), werden die Anionen meist durch äußere Einflüsse ein-
getragen.[15] Verunreinigte Atmosphäre (z.B. saurer Regen) ist eine wichtige Quelle von Anio-
nen [226].
Um den wichtigen bauschädigenden Salzfaktor an den Gebäuden der Museumsinsel zu bestim-
ment und seine Herkunft zu diskutieren, wurden die Proben in Wasser gelöst.
Tab.5.2.1 Löslichkeit der verschiedenen Salze in Wasser [284]
Zusammensetzung Löslichkeit
(g/100ml)
Temp. Zusammensetzung Löslichkeit
(g/100ml)
Temp.
CaCO3
CaCl2
CaCl2⋅⋅2H2O
CaCl2⋅⋅6H2O
Ca(OH)2
NaSO4
0,016
75
98
279
0,2
19,08
25
20
0
0
0
20
Ca(NO3)2
Ca(NO3)2⋅⋅4H2O
CaSO4
CaSO4⋅⋅2H2O
CaSO4⋅⋅0,5H2O
MgSO4
121
266
0,63
0,204
0,71
35,6
18
0
25
20
25
20
Chemische Zusammensetzung 59
5.2.1 Ergebnisse
Eine Auflistung der Ergebnisse der wasserlöslichen Salze befindet sich im Anhang Tabelle AT-5.
Gemäß der Analyse der Wasserauszüge der entnommenen Oberflächenproben sind Ca2+ und SO42-
die am reichlichsten vorhandenen Ionen.
Die unbeschädigten Innenzonen der Proben enthalten allesamt niedrige Maße an SO42-, etwa
< 0,03 Gew.%. Die unteren Oberflächenbereiche in allen Gebäuden enthalten eine geringere oder
die gleiche Menge SO42- wie die Oberflächenbereiche, jedoch mehr als die Innenzonen. Für alle
Gebäude gilt ebenso, daß die Oberflächenproben aus den Gebäudebereichen, die im Regenwasser
exponiert wurden, alle niedrige Maße an SO42- aufweisen. In der schwarzen Oberfläche des Ne-
braersandstein wurde ein breiter Bereich von Sulfatkonzentrationen (von 0,04 % bis 3,37 %) ge-
funden. In den Oberflächeproben aus dem Neuen Museum und der Säulenhalle wurde eine Kon-
zentration von 0,06 % bis 2,05 % analysiert, während im ersatzweise verwendeten weißen Sand-
stein der Nationalgalerie nur geringe Mengen gefunden wurden. Im Wünschelburger Sandstein,
der aus dem Bode-Museum stammt, fielen die Sulfatkonzentrationen im Vergleich zum übrigen
weissen Sandsteinen am höchsten aus.
Im Allgemeinen wurden in allen stark verwitterten Krusten hohe Konzentrationen an SO42- ge-
messen. Die höchste Konzentration von allen Sand- und Kalksteinen wurde dabei in der stark
verwitterten schwarzen Kruste des Nebraer Sandsteins der Nationalgalerie mit 21,54 Gew.% ge-
messen.
Im Kalkstein, der im Pergamon-Museum verwandt wurde, wiesen die meisten Oberflächen eben-
falls einen hohen Gehalt an SO42- auf.
Die Nitratkonzentrationen, NO3-, sind im Allgemeinen niedrig und in der Innenzone sogar oft der
Nachweisgrenze (0,001 %) nahe. Konzentrationen von Cl- bewegen sich ebenfalls im Bereich von
0,001 % bis 0,04 %.
Unter den Kationen wurde Ca2+ am häufigsten festgestellt. In der eingesickerten Sandstein-
oberfläche variiert es zwischen 0,005 % und 0,03 %. In den Schwarzem Oberflächen im Sandstein
wurde ein breiter Bereich von Werten herausgefunden, die höchsten in der schwarzen Kruste mit
8,38 %. Die Calciumkonzentrationen im Sandstein gehen oft mit den Konzentrationen des Sulfa-
tes, dem dominierenden Anion, einher. Im Kalkstein wurden sowohl in der Oberfläche als auch in
der Innenzone hohe Konzentrationen an Ca2+ gemessen.
Magnesium scheint als Element nur geringfügig vorhanden zu sein (meistens < 0,01 %). In den
meisten Proben der Gebäudesteine wurden Konzentrationen von Mg2+ zwischen 0,001 % und
Chemische Zusammensetzung 60
0,01 % gefunden. Calciumhaltige Materialien wie Kalksteine enthalten oft leicht höhere Konzen-
trationen an Mg2+ (etwa >0,01 %) als die anderen Proben.
Der Gehalt an K+ in den Innenzonen der weissen Sandsteine, die keine K-Feldspäte enthielten, be-
lief sich auf unter 0,005 %, während in der Innenzone der Sandsteine, die die K-Feldspäte enthal-
ten, Konzentrationen von 0,02 % bis 0,05 % gefunden wurden. Das K+ der Feldspäte geht relativ
leicht in Lösung. Die schwarzen Oberflächenproben wiesen meistens höhere Konzentrationen an
K+ (bis 0,17 %) als die Innenzonen auf.
Na+ wurde ebenfalls nur in geringen Konzentrationen bestimmt. In den eingesickerten Oberflä-
chenproben wurden etwas höhere Konzentration (0,009 %) als in den Innenproben gefunden, de-
ren Konzentration in der Nähe der Nachweisgrenze (0,001 %) lag. Höhere Beträge (bis zu ca.
0,05 %) werden im Allgemeinen in Ca2+-angereicherten Proben gefunden.
5.2.2 Statistische Datenanalyse
Eine statistische Korrelationsmatrix und Fakorenanalyse wurden für die Daten der wasserlösliche
Salze verwendet, die Ergebnisse wurden in Tabelle 5.2.2 und in Abbildung 5.2.1 dargestellt. In
Tabelle 5.2.3 befinden sich die Gleichungen der Korrelation der Elemente und deren Korrelati-
onskoeffizient für jede Probengruppe.
Die weissen Sandsteine
Die stärkste Korrelation in den Oberflächenzonen der Sandsteine scheint zwischen Ca2+ und SO42-
zu bestehen. Abbildung 5.2.1(a) zeigt, daß in den meisten Oberflächenproben die Konzentrationen
an Ca2+ und SO42- stöichiometrisch miteinander vergleichbar sind. Eine starke lineare Korrelation
(R = 0,99) ist mit der Gleichung SO42- = 2,45·Ca2+- 0,02 zwischen den Konzentrationen von Ca2+
und SO42- in der Kruste der Weißsandsteine berechnet worden. Der theoretischen Gleichung für
Calciumsulfate zufolge (SO42- = 2,40·Ca2+) bedeutet die berechnete Gleichung grundsätzlich, daß
alles Ca2+ sich mit SO42- zusammenschließt und entweder als Gips (CaSO4⋅⋅2H2O) oder Anhydrit
(CaSO4) die wahrscheinlichsten Salze bilden kann, die dann als Salzmineral im Gebäude kristalli-
sieren. Obwohl die Konzentrationen klein sind, ist die wahrscheinlichste Chloridverbindungen in
den Krusten NaCl, während in anderen Gruppen keine bedeutsame Korrelation zwischen Na+ und
einem anderen Anion gefunden wurde. In der dünnen schwarzen Schicht der weissen Sandsteine
kann durch die Gleichung SO42- = 2,65·Ca2+ - 0,03 vermutet werden, daß SO42- mit anderen Ka-
tionen verbunden vorliegt. Zwischen K+ und NO3- wurde eine starke Beziehung berechnet.
Chemische Zusammensetzung 61
Die Faktorenanalyse der Oberflächeproben der weissen Sandsteine ergibt nur geringe Unterschie-
de zwischen Kruste und dünnen schwarzen Schichten. In den Krusten wurden Ca2+, SO42-, Mg2+
und K+ mit dem ersten Faktor verbunden, während in den dünnen schwarzen Schichten der Fak-
tor, der mit Mg2+, K+ und NO3- verbunden wurde, dem aus Ca2+ und SO42- bestehenden Faktor ge-
genüber bevorzugt wurde. Damit ist zu vermuten, daß sich in der Kruste SO42- außer mit Ca2+
auch mit Mg2+ und K+ verbinden könnte. Zwar wurden SO42- in der dünnen schwarzen Schicht
der weissen Sandsteine mit Ca2+ verbunden, doch ist die Korrelation schwach.
Roter Nebraer Sandstein
Ähnliche Phänomene der Korrelation zwischen Ca2+ und SO42- wie in den Oberflächenproben des
Neuen Museums wurden auch in der Nationalgalerie analysiert. Den Gleichungen nach können die
Kombinationen in den Oberflächenproben des Nebraer Sandsteins auch auf Mg(NO3)2 und KNO3
zurückgeführt werden. Vermutlich enthalten die Proben auch einige Mengen an doppelten Salzen,
in denen Sulfate, Nitrate oder Chloride durch ein oder mehrere der erwähnten Kationen miteinan-
der verbunden werden.
In rotem Nebraer Sandstein ergibt sich kein deutlicher Unterschied der Faktoren zwischen den
Krusten und den dünnen schwarzen Schichten. Ein Faktor zeigt deutlich Gips- oder Anhydritbil-
dung mit Ca2+ und SO42- in beiden schwarzen Oberflächenzonen.
Kalkstein vom Pergamon-Museum
In der statistischen Analyse unterschieden sich die Oberflächenproben des Kalksteins vom Perga-
mon-Museum durch ihren Verwitterungszustand.
In den Krusten (die starke Schuppenbildung zeigen) können Calciumsulfate natürlichen Ursprungs
eingebracht werden. Aufgrund der Gleichung (SO42- = 1,29·Ca2+ + 0,47) kann vermutet werden,
daß Ca2+ mit verschiedenen Anionen, z.B. Chlorid und Kationen noch andere Verbindungen (auch
doppelte Salze) bilden kann.
Anders als in den Krusten zeichnete sich in den dünnen schwarzen Schichten (SO42- = 2,38·Ca2+ -
1,54) die Beziehung zwischen Ca2+ und SO42- als Calciumsulfate durch eine gute Korrelation aus.
Die Proben können in sehr kleinen Mengen andere Sulfate (möglicherweise K2SO4) oder Chloride
(möglicherweise KCl, MgCl2) oder Nitrate (Mg(NO3)2) mit einem oder mehreren (z.B. doppelten
Salzen) der erwähnten Kationen enthalten.
Chemische Zusammensetzung 62
Tab.5.2.2 Matrix des linearen Korrelationskoeffizienten für alle Kombinationen von Parametern
und Faktorenanalyse
schwarz Krusten dünne schwarze Schicht
weisse-
Sandsteine Ca2+ Mg2+ K+Na+Cl-NO3-Ca2+ Mg2+ K+Na+Cl-NO3-
Ca2+
Mg2+
K+
Na+
Cl-
NO3-
SO42-
1,00
0,78
0,77
0,53
0,69
0,89
1,00
1,00
0,89
-0,01
0,14
0,50
0,82
1,00
0,15
0,27
0,48
0,80
1,00
0,89
0,62
0,49
1,00
0,75
0,66 1,00
0,85
1,00
0,67
0,55
0,53
0,21
0,44
0,91
1,00
0,88
0,64
0,33
0,86
0,69
1,00
0,73
0,43
0,97
0,52
1,00
0,37
0,65
0,51
1,00
0,39
0,19 1,00
0,41
Faktor 1
Faktor 2
Ca2+, SO42-, Mg2+, K+
Na+, Cl-, NO3-Mg2+, K+, NO3 -
Ca2+, SO42-
NG schwarz Krusten dünne schwarze Schicht
Ca2+
Mg2+
K+
Na+
Cl-
NO3-
SO42-
1,00
0,64
0,60
0,37
0,40
0,61
1,00
1,00
0,98
0,83
0,23
0,98
0,65
1,00
0,84
0,25
0,99
0,61
1,00
0,11
0,83
0,39
1,00
0,24
0,39 1,00
0,62
1,00
0,52
0,46
0,44
0,05
0,44
0,92
1,00
0,95
0,81
0,06
0,96
0,66
1,00
0,81
0,06
0,98
0,62
1,00
-0,02
0,81
0,49
1,00
0,08
0,11 1,00
0,59
Faktor 1
Faktor 2
Mg2+, K+, Na+, NO3-
Ca2+, SO42- Mg2+, K+, Na+, NO3-
Ca2+, SO42-
PM schwarz Krusten dünne schwarze Schicht
Ca2+
Mg2+
K+
Na+
Cl-
NO3-
SO42-
1,00
-0,51
0,77
0,80
0,84
0,22
0,95
1,00
-0,05
-0,78
-0,66
-0,42
-0,56
1,00
0,66
0,61
-0,24
0,62
1,00
0,87
0,16
0,72
1,00
0,54
0,68 1,00
0,13
1,00
0,53
0,94
0,55
0,83
0,63
0,96
1,00
0,73
0,85
0,92
0,93
0,67
1,00
0,76
0,94
0,75
0,92
1,00
0,83
0,83
0,59
1,00
0,91
0,90 1,00
0,78
Faktor 1
Faktor 2
Ca2+, SO42-, K+, Na+, Cl-Mg2+, NO3-, Na+, Cl-
Ca2+, SO42-, K+
Die Analysen zeigen, daß diese Salze im Oberflächenbereich kein Bestandteil der primären Para-
genese, sondern als Verwitterungsneubildungen anzusehen sind. Die Analysen bestätigten, daß
sich im Allgemeinen an der Steinoberfläche hohe Konzentrationen von Sulfat sowie von Calcium
befinden, deren Menge jedoch nach innen rasch abnimmt. Im Allgemeinen, und unabhängig von
der Steinsorte, zeigen die eingesickerten Oberflächenproben einen viel niedrigeren Sulfat- und
Calciumgehalt, als die schwarzen Oberflächenproben. Dies muß durch Erosion vom Verwitte-
rungsprodukt aufgrund des Niederschlags an den ungeschützten Standorten verursacht sein.
Chemische Zusammensetzung 63
Tab.5.2.3 Die Theoretischen Gleichungen der chemischen Verbindungen und berechneten
Gleichungen aus den Korrelationen der Ionen
Theoretische Gleichungen Proben Gerechnete Gleichungen
schwarze
Kruste SO42- = 2,45·Ca2+ - 0,02 r2=0,99
(NO3-)2 = 0,57·Ca2+ r2=0,79
Cl-- = 1,32·Na+ r2=0,82
weisse
Sandsteine
dünne
schwarze
Schicht
SO42 -= 2,65·Ca2+ - 0,03 r2=0,89
(NO3-)2 = 2,66·Mg2+ + 0,01 r2=0,73
NO3- = 0,33·K+ r2=0,94
schwarze
Kruste SO42- = 2,55·Ca2+ - 0,03 r2=0,99
(NO3-)2 = 4,75·Mg2+ + 0,04 r2=0,98
NO3- = 1,50·K+ - 0,03 r2=0,98
roter
Nabraer
Sandstein
dünne
schwarze
Schicht
SO42- = 2,69·Ca2+ + 0,08 r2=0,91
(NO3-)2 = 4,83·Mg2+ + 0,04 r2=0,95
NO3- = 1,47·K+ - 0,03 r2=0,97
Kruste SO42- = 1,29·Ca2+ + 0,47 r2=0,90
CaSO4 : SO42 -= 2,40·Ca2+
MgSO4 : SO42- = 3,95·Mg2+
K2SO4 : SO42- = 1,23· (K+)2
Na2SO4 : SO42- = 2,09· (Na+)2
Ca(NO3)2: (NO3-)2 = 3,09·Ca2+
Mg(NO3)2: (NO3-)2 = 5,10·Mg2+
KNO3 : NO3- = 1,59·K+
NaNO3 : NO3- = 2,70·Na+
CaCl2 : (Cl-)2 = 1,77·Ca2+
MgCl2 : (Cl-)2 = 2,92·Mg2+
KCl : Cl- = 0,91·K+
NaCl : Cl- = 1,54·Na+
Kalkstein
vom
Pergamon
-Museum
dünne
schwarze
Schicht
SO42- = 2,38·Ca2+ - 1,54 r2=0,93
(NO3-)2 = 10,6·Mg2+ - 0,12 r2=0,87
(Cl-)2 = 0,51·Mg2+ + 0,01 r2=0,84
SO42- = 98,49· (K+)2 – 0,85 r2=0,85
Cl-- -= 0,09·K+ + 0,01 r2=0,88
Es wird angenommen, daß Sulfate die aktivsten korrosiven Verwitterungsagenten beim Angriff
auf Baugesteine sind. Als Folge muß Gips und/oder Anhydrit als der Hauptfaktor für die Ver-
witterung identifiziert werden. Nach Butterworth wird angenommen, daß Lösungen, die mehr als
0,1 % Sulfat enthalten, ein Risiko für poröse Strukturen darstellen.[47]
Im Vergleich zum Anteil von SO42- war in allen Fällen der Anteil von NO3- und Cl- enthaltenden
Salzen an der Gesamt-Komposition der Verwitterungskruste sehr klein. Dies dürfte daran liegen,
daß NO3- und Cl- enthaltende Verwitterungsprodukte viel löslicher und somit leicht durch Regen-
wasser entfernbar sind (siehe Tabelle 5.2.1). Daher wird eine tragende Rolle des Schwefels, so-
wohl in Gas- wie in Partikelform, für den Verwitterungsprozeß angenommen. Thermodynamische
Überlegungen zeigen einen negativeren Gibbs Freienergiewert für die Reaktion von CaCO3 mit
SO2 als mit NO2 (-69 kcal/mol, -29 kcal/mol), was eine schnellere Reaktion mit SO2 bedeu-
tet.[167] Jedoch zeigten kinetische Überlegungen, daß die Reaktion mit SO2 in zwei Schritten
mit der Formung eines stabilen Salzes fortfährt, während dies nicht der Fall für NO2 ist.[4, 295]
Chemische Zusammensetzung 64
Abb.5.2.1 Diagramme der korrelierten Ionen
Sandsteine (a-c) : (a) Ca2+ und SO42-, (b) K+ und NO3-, (c) Mg2+ und NO3-
Kalksteine (d-f) : (d) Ca2+ und SO42-, (e) K+ und SO42-, (f) Mg2+ und NO3-
Kalksteine
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,00 0,01 0,02 0,03
Mg++(Gew.%)
NO3-(Gew.%)
PM-Krust PM-TBL PM-OL PM-IN PM-Krust-IN
(f)
Kalksteine
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06
K+(Gew.%)
SO4--(Gew.%)
(e)
Kalksteine
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00
Ca++(Gew.%)
SO4--(Gew.%)
(d)
Sandsteine
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,00 0,03 0,06 0,09
Mg++(Gew.%)
NO3-(Gew.%)
(c)
Sandsteine
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,00 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0,18
K+(Gew.%)
NO3-(Gew.%)
(b)
Sandsteine
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00
Ca++(Gew.%)
SO4--(Gew.%)
WS-Krust WS-TBL WS-OL WS-IN NG-Krust
NG-TBL NG-UOF NG-OL NG-IN
(a)
Chemische Zusammensetzung 65
CaCO3 + SO2 + H2O → CaSO3⋅H2O + CO2 (1)
CaSO3⋅H2O + H2O + ½O2 → CaSO4⋅2H2O (2)
CaCO3 + 2NO3- + 2H+ → Ca(NO3)2 + CO2 + H2O
In einer Studie fand Cheng et al.[55], daß der Marmorverlust in schwefelsaurem Medium von zu
13 bis 17 mal höher war, als in salpetersaurem.
Im Kalkstein des Pergamon-Museums zeigt die Gleichung von Ca2+ und SO42-, daß neben Gips
noch viele andere Möglichkeiten der Salzbildung existieren. Die hohe Konzentration an Ca2+ in
der Innenzone zeigt, daß die Ca2+ auf der Kalksteinoberfläche nicht nur auf äußeren Anlagerung
beruhen, sondern auch großenteils aus Reaktionen vom Calcit der Innenzone mit Wasser stam-
men.
Abbildung 5.2.2 stellt die Sättigungslinie von Calcit dar. Liegt eine Lösung bezüglich ihrer pH
und Pco2-Werte unterhalb dieser Kurve, so ist sie in Bezug auf Calcit ungesättigt und löst es da-
her auf. Liegen umgekehrt die Werte einer Lösung über der Sättigungslinie, so ist sie übersättigt
und es fällt Calcit aus. Das Diagramm zeigt auch an, daß wenn das Kohlenstoffdioxid unter einem
Druck von weniger als 10-13 bar liegt, Calcit im Vergleich zu Calciumhydroxid unstabil ist und da-
zu tendiert, zu letzterem umgewandelt zu werden.
Abb.5.2.2 Calcitsättigung als eine Funktion von pH und Pco2 [171]7
7 Aus: in Stone Cleaning and the nature, soling and decay mechanism of stone. p 170, Lindsley, W.L., 1979,
In: Chemical Equilibria in soils
Chemische Zusammensetzung 66
Die Auflösung von Calciumkarbonat beginnt mit der Reaktion (Hier spielt im Wasser gelöste
Kohlensäure entsceidende Rolle) [171] :
H2O + CO2 ô H2CO3 (1)
CaCO3 + H2CO3 ô 2HCO3- + Ca2+ (2)
5.2.3 Herkunft der Salze
Der Nebraer Sandstein kann selbst Quelle von K+ sein. Die stark ausgeprägten Verwitterungser-
scheinungen von silikatisch gebundenen Sandsteinen lassen es angebracht erscheinen, die Löslich-
keit von Feldspat und SiO2-Modifikationen zu betrachten. Die Feldspatlöslichkeit steigt mit fal-
lendem pH-Wert.[273] Sie liegt in der Größenordnung von 0,01-0,1 mmol/l, abhängig vom pH-
Wert (pH 7-1).
Nitrat stammt wahrscheinlich aus NOx Verschmutzung der Umgebungsatmosphäre und aus in das
Gebäude eingedrungenen Abfällen wie Jauche, Urin und Fäkalstoffe, in denen oxidierende Nitrat-
bakterien den durch faulende Eiweißstoffe freiwerdendem Ammoniak zu Nitrat umsetzen.
Unerwartetes Vorkommen von Gips auf Sandstein
Sogar auf Quarzsandsteinen treten häufig in Abhängigkeit von der Exposition Schwarzfärbungen
und schwarze Gipskrusten auf.[197]
Die untersuchten Sandsteine können nicht als Quelle des Calciums betrachtet werden. Kalkstein-
haltiger Staub, der aus der Luft stammt, kann als Ursprung von Ca2+ gelten. In Tabelle 2.3.3 be-
finden sich die Ergebnisse einer Analyse der anorganischen Bestandteile des Schwebstaubs in Lö-
sung, sie zeigen, daß die Luft selbst hohe Maße Ca2+ enthält. Luftpartikel selber können die Salze
bilden und damit die Substrate binden. Eine weitere Quelle von Salzen ist von saurem Regen auf-
gelöster Mörtel. Wahrscheinlich liefert Mörtel, der aus CaCO3 und Ca(OH)2 besteht und hinter
und zwischen den Sandsteinen eingesetzt wurde, ebenfalls Ca2+. Dies ist besonders wichtig für
Sandsteine, da sie poröser als Kalksteine sind und die Lösung besser absorbieren können.
Verschiedene externe chemische Quellen des Schadens sind denkbar, wie z.B. gasförmiges
Schwefeldioxid, die schwache Säure von reinem Regenwasser (pH 5,6) und der saure Regen.
Nach Tabelle 2.3.2 scheinen SO2-Immissionen eine große Rolle zu spielen. Jedoch erscheinen die
Immissionen von SO2 in den stark verwitterten Krusten des Sandsteins nicht als die Hauptursache
Chemische Zusammensetzung 67
des Sulfats. Die extrem hohen Sulfatkonzentrationen beruhen vermutlich auf zurückliegenden Re-
staurierungen.
Offensichtlich kann CaSO4⋅⋅2H2O während der Verwitterung von Kalkstein, in Folge der Reaktion
von CaCO3 mit Sulfat, das aus dem Niederschlag (saurer Deposition) oder der Oxidation von at-
mosphärischem SO2 stammt, produziert werden.
+ H2O +1/2 O2
SO2 → H2SO3 → H2SO4
+ CaCO3 ↓ ↓ + CaCO3
+1/2 O2
CaSO3 + H2O +CO2 → CaSO4 + H2O + CO2
Schwarzfärbungen der verwitterten Oberfläche 68
6. Schwarzfärbungen der verwitterten Oberfläche
Die Ursache und Herkunft der Schwarzfärbungen in den verwitterten Oberflächenschichten wird
lebhaft und z.T. kontrovers diskutiert. Die oben beschriebene chemische Analyse der Oberflächen-
schichten liefert nicht genügend Information über das schwarze (dunkle) Färbemittel in der
Schicht. Im Allgemeinen können schwarze Oberflächenschichten folgende Grundbestandteile ent-
halten [319]; anorganische Luftpartikel (Schmutzpartikel, Flugasche), organische Luftpartikel
(z.B. Pflanzenüberreste, Pollen), produzierte anorganische Niederschläge (z.B.Gips) und organi-
sches Wachstum in oder auf der Kruste (z.B.Bakterien, Fungae). Vermutlich leisten die anorgani-
schen Niederschläge den Hauptbeitrag für die schwarze Färbung, durch ihre mögliche Eigenschaft
als Bindemittel ist die Wirkung weiterer Elemente aber dabei nicht zu vernachlässigen.
Sowohl die ursprüngliche Farbe eines Steins als auch seine weitere Verfärbung beruhen auf unter-
schiedlichen Ursachen. So kann z.B. eine Verfärbung in Zusammenhang mit den jeweiligen Ursa-
chen der ursprünglichen Farbe gesehen werden. Folgende Bestandteile, die unter dem Einfluß von
Verwitterungsprozessen und Abbaureaktionen stehen, können dabei Anteil an den Mechanismen
der Verfärbung haben.[112]
1. Im Gestein liegen oft farbgebende Minerale oder Pigmente vor (hierbei reichen Konzentratio-
nen von weit unter 1 % aus):
- Fe-Hydroxide: grau, braun od. rot, bituminöse Anteile : schwarz
2. Die Gesteine bestehen zu einem hohen Anteil aus Mineralen mit Eigenfarbe.
3. Färbende dünne Überzüge wie Fe-Hydroxide oder Manganhydroxide, die teilweise in das Ge-
stein in Form von Lösungen eingedrungen sind. Die dünnen Überzüge werden in diesem Fall
weggelöst oder reduziert. Häufig werden derartige dünne Farbüberzüge an Baudenkmälern
gebildet, wie z.B. die oft anzutreffenden gelben bis braunen Verfärbungen durch Rost (hier
werden aus einem zerstörten Mineral minimale Fe3+ Anteile mobilisiert, die dann große Berei-
che einfärben).
4. Einfärbungen entstehen durch biologische Prozesse (dunkelbraune bis schwarze Flecken).
Die verschiedenen dunklen Farbtöne der verwitterten Oberfläche, die im Kapital 4.1 schon be-
schrieben wurden, sind hier durch Kohlenstoff- und Eisenbestimmung bezüglich des Mechanismus
der Verfärbungen ausführlich untersucht worden.
Schwarzfärbungen der verwitterten Oberfläche 69
6.1 Kohlenstoff in den verwitterten Zonen
Neben Schwefel ist Kohlenstoff (in flüssiger, gasförmiger und partikelförmiger Form) das Haup-
telement des atmosphärischen Einflusses auf die Schadenschichten der Gesteine. Tatsächlich ist
Kohlenstoff das bei der Partikel-Verschmutzung am häufigsten beteiligte Element und spielt eine
wichtige Rolle als Katalysator bei der Umwandlung von SO2 zu SO42- in verunreinigten Atmo-
sphären.[207]
Der Kohlenstoff in der verwitterten Oberfläche ist auf verschiedene Ursprünge zurückzuführen.
Die Bestimmung des Kohlenstoffs erfolgte mit Hilfe des thermischen Verfahrens. Zum einen han-
delt es sich dabei um Gesamtkohlenstoffgehalte, zum anderen um eine Differenzierung des Koh-
lenstoffs. Diese Differenzierung ist wichtig, da der Gehalt des Gesamt-Kohlenstoffs in den Scha-
denschichten für das Charakterisieren des Kohlenstoffs atmosphärischen Ursprungs unzulänglich
ist.
Der Gesamtkohlenstoff besteht aus zwei Hauptteilen. Zum einen aus Karbonatkohlenstoff (Ca),
der hauptsächlich vom Stein stammt, zum anderen aus Nichtkarbonatkohlenstoff (Cn), der sich
wiederum aus elementarem (Ce) und organischem Kohlenstoff (Co) zusammensetzt. Der elementa-
re Kohlenstoff ist überwiegend ein Produkt von Verbrennungsprozessen. Der organische Kohlen-
stoff, der sich auf den Gesteinoberflächen abgelagert hat, kann seinen Ursprung in der unvollstän-
digen Verbrennung von Fossiltreibstoff, der photochemischen Oxidation von Olefinen sowie in
biologischer Verwitterung haben.[167] Der organische Kohlenstoff wird im nächsten Kapitel ge-
sondert behandelt.
Da der in den Gebäuden der Museumsinsel verbaute Sandstein untergeordnete oder keine Karbo-
natgehalte aufweist, lassen sich zudem auch Rückschlüsse auf das Verhältnis zwischen organi-
schem und elementarem Kohlenstoffgehalt ziehen. Letzterer wird häufig auch als Rußkohlenstoff
bezeichnet und ist als Mitverursacher der Schwarzfärbung in Betracht zu ziehen.
Tab.6.1.1 Die Mittelwerte der Gehalte der Gesamtekohlenstoffe (TC), organischen Kohlenstoffe
(OC) und elementaren Kohlenstoffe (EC) in der schwarzen Krusten der beiden Sand-
steinproben (in µg/g)
OC EC TC
Säulenhallen (SH) 5469 3846 9315
Nationalgalerie (NG-NW) 6548 12790 19338
Schwarzfärbungen der verwitterten Oberfläche 70
Die Kohlenstoffanalyse wurde an der schwarzen Kruste sowie an der Innenzone der Sandsteine
durchgeführt. Die getesteten Proben enthalten, wie Abbildung 6.1.1 zeigt, geringe Mengen an
Kohlenstoff. Der berechnete Kohlenstoffgehalt wird in Tabelle 6.1.1 dargestellt. In der Innenzone
der Sandsteine lag der Gehalt an Gesamtkohlenstoff unterhalb der Nachweisgrenze. Durch dieses
Ergebnisse kann ausgeschlossen werden, daß der gemessene Kohlenstoff aus dem Innern des
Sandsteins stammt.
Als Gesamtresultat der obigen Ergebnisse ist festzustellen, daß die gemessene Menge an Kohlen-
stoffen allein nicht genügt, um jede der Schwärzungen auf der Steinoberfläche zu erklären. Unter-
suchungen zufolge kann Kohlenstoff erst zur Schwarzfärbung beitragen, wenn der Gehalt bei über
1 Gew.% liegt.[204] Kohlenstoffgehalte unter 1 % können nur gemeinsam mit anderen Kompo-
nenten wie Eisenminerale eine Schwarzfärbung hervorrufen.
Abb.6.1.1 Chromogramme der Kohlenstoffe aus der schwarzen Kruste
( OC-I + OC-II = OC )
(a) Kruste der Säulenhallen, (b) Kruste der Nationalgalerie
Schwarzfärbungen der verwitterten Oberfläche 71
Die beiden Krusten zeigen sich jeweils in unterschiedlichem Schwarz, die der Säulenhallen in
gräulichem und die der Nationalgalerie in bräunlichem Schwarz. Obwohl die Gehalte des Kohlen-
stoffes in beiden Krusten gering sind, werden die unterschiedlichen Ergebnisse deshalb trotzdem
hier dargestellt. Die unterschiedliche Farbe kann nämlich mit den unterschiedlich hohen Anteilen
je einer Kohlenstoffart in beiden Krusten zu tun haben.
In der Kruste der Säulenhallen wurde ein relativ geringerer Gasamtkohlenstoffgehalt festgestellt
als in der Kruste der Nationalgalerie. Dabei (Säulenhalle) überwiegt leicht der organische gegen-
über dem elementaren Kohlenstoff. Durch die Behandlung mit Schwefelsäure entsteht eine unter-
schiedliche Schwärze der Proben, wodurch Vermutungen über die Herkunft des analysierten
Kohlenstoffs angestellt werden können. Die aus den Säulenhallen stammenden Krusten wurden
durch die Reaktion mit H2SO4 stark schwarz verfärbt. Es zeigt sich, daß der Ursprung dieses
Kohlenstoffs hauptsächlich aus biologischen Materialien besteht. In der Literatur werden dunkel-
braune bis schwarze Verfärbungen auf der Steinoberfläche häufig durch biologische Prozesse
(z.B. Pilze, Aktinomyzeten, Algen und Cyanobakterien, biogene Fällung von Eisenoxiden und
Manganoxiden) begründet.[324]
Die schwarze Farbe kann durch organischen und/oder elementaren Kohlenstoff sowohl tierischen
als auch pflanzlichen Ursprungs verursacht sein. Obwohl in diesen Proben biologische Spuren äu-
ßerlich nicht erkannt wurden, besteht doch die Möglichkeit dafür, da diese Krusten in Bodennähe
entnommen worden sind. Wie das Ergebnis der EDX-Analyse zeigt, ist Phosphor in nur sehr klei-
nen Mengen in der schwarzen Schicht vorhanden, was vermuten läßt, daß das schwarze Pigment
elementarer Kohlenstoff von pflanzlichem Ursprung ist.
In der Kruste der Nationalgalerie wurden die Gehalte des elementaren Kohlenstoffs gesondert be-
achtet. Die Gehalte an organischem Kohlenstoff sind ähnlich wie in der Kruste der Säulenhallen,
der höhere Wert des Gehalts an Gesamtkohlenstoff beruht auf der doppelten Menge an dort ent-
haltenem elementarem Kohlenstoff. Bei der Reaktion mit H2SO4 war in dieser Probe keine deutli-
che Farbänderung sichtbar.
Diese Reaktion bedeutet, daß die Herkunft des Kohlenstoffs vermutlich auf Ruß beruht. Kohlen-
stoffpartikel aus Verbrennungsprozessen, halb- oder vollverkokte organische Rußteilchen oder
Holzpartikel, auch Fettruß (Ölruß) oder Fiugruß spielen hierbei eine große Rolle.[205] Es kann
auch nicht ausgeschlossen werden, daß elementarer Kohlenstoff durch den Abbau von Siderit
(FeCO3) entstanden ist, da die Analyse der Eisenverbindungen dieser Probe Hinweise für die Exi-
stenz kleiner Mengen an Siderit gegeben hat.
Schwarzfärbungen der verwitterten Oberfläche 72
6.2 Organische Anteile
Es gibt auch zahlreiche organische Anteile in der verwitterten Oberflächenschicht.
Die organischen Bestandteile stammen hauptsächlich von zwei Quellen und sind je nach Standort
unterschiedlich zusammengemengt. Diese Quellen sind zum einen biogene Überreste, z.B. Pflan-
zen und Mikroorganismen (und deren Stoffwechselprodukte z.B. anorganische Säuren und poly-
mere Schleime) und zum anderen Emissionen anthropogener Natur (Öle, Ruß). Die biogenen
Überreste beruhen sowohl auf atmosphärischer Ablagerung als auch auf dem Vorhandensein or-
ganischer Stoffe im Originalstein selbst, sie tragen jeweils unterschiedlich zu den Verwitterungs-
prozessen bei.[40]
Bezüglich der Schwärzungen auf den Gesteinsoberflächen tragen hier einige der organischen Zu-
sammensetzungen (z.B. Melanin und Chlorophyll) zur dunklen Farbe bei. Dunkelbraune bis
schwarze Flecken können auf folgende Ursachen in Bezug auf biologische Prozesse zurückgeführt
werden [155]:
1. Pilze und deren Farbstoffe, z.B. Melanine bzw. ähnliche Verbindungen
2. Farbstoffe, die durch das Absterben von Cyanobakterien oder Grünalgen entstehen.
3. Biogene Fällung von Eisenoxiden und Manganoxiden durch Bakterien
Wie in Kapitel 6.1 gesehen, deutet der nachgewiesene Gehalt an organischem Kohlenstoff auf das
Vorhandensein organischer Verbindungen in den untersuchten schwarzen Oberflächenzonen hin.
Die Untersuchung der organischen Stoffe in den verwitterten Oberflächen der Baugesteine ist
aufgrund der Vielfalt der organischen Substanzen und der Vielfalt der Methoden für die Probe-
vorbereitung und Analyse oft schwierig. In dieser Arbeit wurde die Untersuchung der organischen
Anteile in den schwarzen Schichten mittels verschiedener Methoden durchgeführt.
Sowohl biogene Überreste als auch einige der anthropogenen Emissionen enthalten organische,
durch Lösungsmittel extrahierbare Materialien (C14-C40), welche in ihrer Zusammensetzung je-
weils charakteristische und damit unterscheidbare Verteilungsmuster aufweisen.[205, 267] Die
Identifizierung der gelösten organischen Komponenten, ihre Auswirkung auf die Gesteinsoberflä-
che sowie ihre Herkunft wurden in Bezug auf ihre molekularen Bestandteile mit Hilfe von FT-IR
Spektroskopie und Gaschromatographie mit massenspektrometrischer Detektion (GC-MS) fest-
gestellt.
Zur Untersuchung der nicht lösbaren und nicht verdampfbaren organischen Feststoffe wurde Py-
rolyse-Gaschromatographie an pulverisierten Oberflächenproben durchgeführt.
Schwarzfärbungen der verwitterten Oberfläche 73
6.2.1 Die Analyse mittels FT-IR Spektroskopie
Die pulverisierten schwarzen Oberflächenproben der Sandsteine und Kalksteine wurden mit orga-
nischen Lösungsmittel (Dichlormethan und Aceton) extrahiert, um durch die FT-IR Spektrosko-
pie die organischen Komponenten zu identifizieren. Abbildung 6.2.1 zeigt die FT-IR Spektren der
Proben, die einige organische Verbindungen aufweisen.
Trotz kleiner Unterschiede sind diese Spektren ähnlich. Sie zeigen C-H-Valenzschwingungen ali-
phatischer CH2-, CH3-Gruppen (bei Abwesenheit von OH-Gruppen) bei 2964, 2924 und 2854
cm-1 sowie einen Carbonyl-Peak bei 1715 cm-1. Die Peaks bei 1450-1370 cm-1 weisen auf δ(CH)-
Schwingungen hin, der Peak bei 1150 cm-1 entspricht der ν(C-O-C)-Streckschwingungen, die
ν(C-O)-Streckschwingungen sowie der Peak bei 950 cm-1 weisen schließlich auf O-CH2 hin.
Tabelle 6.2.1 zeigt alle der nachgewiesenen Banden mit ihren entsprechenden wahrscheinlichen
Zuordnungen. Diese wurden am Computer mit Hilfe von Software mit Bibliotheksfunktionen
identifiziert.
Tab.6.2.1 Nachgewiesene Banden mit ihren vermutlichen Zuordnungen
Sandstein Kalkstein
Banden (cm-1)Zuordnungen Kruste S.Schicht Kruste S.Schicht
3540-3200, 1205-885 Hydroxy or Amino Compound * *
3035-2855, 1485-1415 Alkyl group, hydroxy or possibly
Amino Substituent * * * *
2975-2850, 1755-1720,
1475-1425, 1135-1070 Carboxylic acid, Ester (possibly
Glycol substituted, -CH2-O-CH2- ) * *
2940-2920, 2870-2840,
1470-1450, 730-715 Long Chain Substituent * * *
1690-1680, 1720-1701 Carbonyl Compound * * *
1745-1710, 1300-1000 Carbonyl Compound
(Ester or Ketone) * *
1725-1670, 1660-1635 Carbonyl Compound
(possibly unsaturated, conjugated) * *
1740-1710, 1610-1490,
1470-1410, 1300-1250,
1135-1075, 850-690
Carboxylic acid, Ester
(possibly Aromatic, Benzoate type) * *
Schwarzfärbungen der verwitterten Oberfläche 74
0
55010001450190023502800325037004150
cm-1
SH
NG-NW
(a) Sandstein :
dünne schwarze Schicht der
Säulenhallen (SH) und
Kruste der Nationalgalerie
(NG-NW)
(b) Kalkstein :
Kruste und dünne schwarze
Schicht vom
Pergamon-Museum
Abb.6.2.1 FT-IR Spektren der mit Dichlormethan und Aceton extrahierten Lösungen aus den
schwarzen Oberflächenproben
6.2.2 Pyrolyse-Gaschromatographie (Py-GC)
Neben unzersetzt verdampfbaren Substanzen können durch pyrolyse gaschromatograhpische
Verfahren auch Feststoffe, die sich direkt zersetzen lassen, insbesondere bei biogenen Kompo-
nenten, untersucht werden. Die durch GC erhaltenen Pyrogramme lassen dann Rückschlüsse auf
die Struktur zu. Die Produkte der Pyrolyse sind oft nicht mehr die ursprünglichen Bestandteile des
zerlegten Stoffes, sie sind meist gegenüber diesem strukturell (z.B. durch Cyclisierungen oder
Umlagerungen) verändert; auch können sie mit den Komponenten der Atmosphäre, in der die Py-
rolyse vorgenommen wurde, reagiert haben (z.B. mit Sauerstoff). Auch wenn die Pyrolyse nicht
zu den Ausgangsstoffen zurückführt, kann doch das Verteilungsmuster der Zersetzungs-Produkte
für die jeweiligen Verbindungen charakteristisch sein. Abbildung 6.2.2 zeigt das Py-GC-
Chromatogramm der schwarze Kruste von den Säulenhallen.
15
55010001450190023502800325037004150
cm-1
S-Schicht
Kruste
Schwarzfärbungen der verwitterten Oberfläche 75
Abb.6.2.2 Py-GC Chromatogramm der schwarzen Kruste aus den Säulenhallen
Die nachgewiesenen Peaks einiger organischen Komponenten können neben anthropogenem Be-
lag auch auf mikrobiologische Besiedlung zurückgeführt werden, der Anteil beider dürfte aber ge-
ring sein. Obwohl das Chromatogramm sehr wenige und kleine Peaks zeigt, kann nicht ausge-
schlossen werden, daß die organischen (v.a. biologischen) Komponenten in der getesteten
schwarze Kruste eine Rolle im Aufbau der Schwarzfärbung spielen.
6.2.3 GC-MS
Die Lösungen der Extraktion mit Toluen wurden durch GC-MS im TIC (Total Ionic Current)-
Modus für allgemeine organische Verbindungen und im SI (Selected Ionic)-Modus mit Dichlor-
methan für PAHs (polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe) analysiert.
Je eine von den Säulenhallen und der Nationalgalerie entnommene Krustenprobe wurde für die
Analyse mit GC-MS ausgewählt. Die gemessenen Daten wurden durch den Vergleich mit kom-
merziellen Normen- und Referenzmassenspektren identifiziert. Der Vergleich der Höchstintensi-
täten der Probe mit denen der Testmischungen ergibt für jede in den verwitterten Oberflächen
identifizierte organische Verbindungen einen geschätzten Gehalt im ppm Bereich. Die Auflistung
befindet sich im Anhang Tabelle AT-6.
Zur Feststellung der ursprünglichen Quellen der organischen Anteile wurden molekulare Markie-
rer herangezogen. Sie sind Indikatorenzusammensetzungen, anhand derer Werte diese Quellen
aufgeführt werden können. Die molekularen Markierer werden in Tabelle 6.2.2 zusammengefaßt.
-4800
-2800
-800
1200
3200
5200
7200
9200
0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00
min
counts
22,255
95,517 102,703
4,270
4,445
5,811
Schwarzfärbungen der verwitterten Oberfläche 76
Die Verteilungsmuster sind für Komponenten biogenen Ursprungs charakteristisch, wobei wahr-
scheinlich die Homologen < n-C20 und zum Teil < n-C24 auf mikrobiellen Quellen und die Homo-
logen > n-C22 auf vaskulärem Pflanzenwachs beruht. [268]
Abbildung 6.2.3 stellt die TIC-Chromatogramme der auf dem Sandstein geformten schwarzen
Kruste dar. Die Peaks werden von Homologen-Serien von aliphatischen und einigen PAHs (poly-
cyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen) dominiert und können auf Basis ihrer großen An-
zahl in die folgenden Kategorien gruppiert werden:
Aliphatische Kohlenwasserstoffe, PAHs, aromatische Kohlenwasserstoffe und Derivate,
N-, P- und S-haltige Verbindungen und sonstige Verbindungen.
Tab.6.2.2 Beispiele für molekulare Markierer und CPI-Wert in Aerosolen [267]
Molekular Markierer Bereich (Cn-Cm)Cmax Quelle
Pflanzen Waches (auch microbiota)
n-Alkane
Alkane (n,iso,anteiso)
n-fetty acid
n-fetty acid
iso, anteiso-fetty acid
alkenoic acids
w-Hydroxy fatty acids
a,w-dicarboxylic acids
n-Alcohol
Wachs Esters
n-C23 ∼ n-C35
n-C17 ∼ n-C20
n-C24 ∼ n-C32
n-C10 ∼ n-C20
C15 - C19
n-C14 ∼ n-C18
C10 - C24
C10 - C24
n-C24 ∼ n-C32
C32 - C40
n-C
29
(n-C
27
)
n-C17
n-C26
n-C16
C15
n-C18
C24
C16
n-C28
C40
biogene, CPI > 2
mikrobielle
biogene
mikrobielle
Bakterien
mikrobielle
Pflanzen
verschiedene
biogene
Pflanzen (mikrobielle)
Erdölrückstände
n-Alkanes
n- fetty acid
isoprenoid hydrocarbons
(pristane, phytane..)
Alkylcyclohexane,
Ketone, Aldehyde
C10 - C35
C10 - C18
C10 - C20
C16 - C29
C19
C23
CPI < 2
CPI < 1.5
Fossiltreibstoff, nicht in Benzin
Fossiltreibstoff, CPI < 1,5
Pyrogene Emissions
PAHs
Ketone, Aldehyde
n-fetty acid
Alkylbenzoic acid
Alkylnaphthoic acid
Alkylbenzendioic acid
Oxy-PAHs
C10 - C24
C10 - C32
C10 - C20
C7 - C9
C11 - C13
C8 - C10
C10 - C16
C16
C18
C16
C7
C11
C8
hoch Temperatur
nied. Temperatur
Fahrzeug Emission
Fahrzeug Emission
Fahrzeug Emission
Fahrzeug Emission
Fahrzeug Emission
Schwarzfärbungen der verwitterten Oberfläche 77
Abb.6.2.3 TIC-Chromatogramm der aus der Lösung extrahierten schwarzen Oberflächenproben
und SI-Chromatogramm einiger PAHs
(a) Kruste der Säulenhallen (SH), (b) Kruste der Nationalgalerie (NG-NW)
1. Phenanthren, 2. Anthracen, 3. Benzo(b)fluroanthen, 4. Benzo(k)fluroanthen)
Aliphatische Kohlenwasserstoffe
Die identifizierte Homologen-Serie wurde im Weiteren durch das CPI (Carbon Preference Index)
und das Kohlenstoff-Anzahl-Maximum (Cmax) analysiert, welche zusätzliche Beweise für die
Quellen der biogenen sowie anthropogenen organischen Bestandteile liefern.
Das CPI ist die Summe der ungeraden Kohlenstoff-Zahl-Homologen eines bestimmten Bereichs
geteilt durch die Summe der geraden Kohlenstoff-Zahl-Homologen aus demselben Bereich. Dies
dient als diagnostisches Verfahren für das Schätzen der relativen Wichtigkeit von biogenen und
anthropogenen Quellen organischer Schadstoffe.[241,268]
Schwarzfärbungen der verwitterten Oberfläche 78
Es wird z.B. im Falle der Identifizierung von C23 - C31-Homologen angewandt.
2Σ ungerade C21 bis C31
CPIH = ------------------------------------------------ (für Kohlenwasserstoffe)
Σ gerade C20 bis C30 + Σ gerade C22 bis C32
2Σ gerade C20 bis C32
CPIFA = ------------------------------------------------------- (für Fettsäure)
Σ ungerade C19 bis C31 + Σ ungerade C21 bis C33
Wenn CPI > 2 für n-Alkane berechnet wird, zeigt es organische Bestandteile biogenen Ursprun-
gen.[269] Die Fossilerdölanteile zeigen einen CPI-Wert nahe 1 und ein Cmax im Bereich C22 bis
C25.[269]
Im Fall der hier untersuchten Proben wurde eine Serie gesättigter und ungesättigter aliphatischer
Kohlenwasserstoffe, die sich von C8 bis C36 erstreckten, gefunden. Die in den Proben identifizier-
ten aliphatischen Kohlenwasserstoffe können mit ziemlicher Sicherheit auf einen doppelten Ur-
sprung, nämlich sowohl auf anthropogene Quellen als auch auf Mikroorganismen und Pflanzen-
wachse zurückgeführt werden. Warscheid et al. demonstrierten, daß C13-C26-Kohlenwasserstoffe
metabolisch durch Bakterien hervorgerufen werden können, die von verwitterten Sandsteinober-
flächen in Deutschland isoliert wurden.[316]
Alkane, die sich von Tridecan (C13) bis Hexatriacontan (C36) erstrecken, wurden in den unter-
suchten Krusten festgestellt. Die höchsten einzelnen n-Alkan-Konzentrationen (Cmax) wurden in
der gelösten schwarzen Kruste der Nationalgalerie für Docosan (C22) und Tetracosan (C24) und in
der gleichartigen Probe der Säulenhalle für Octacosan (C18) und Tetratriacontan (C34) gefunden.
Die relative Verteilung der unterschiedlichen n-Alkanes in beiden Proben liefert einen Einblick in
den Einfluß der jeweiligen ursprünglichen Umgebung der Proben auf die Zusammensetzung der
organischen Komponenten und somit in den Zusammenhang von Umgebung und Quellen.
n-Alkane von höherem molekularem Gewicht stammen von aus biosynthetischen Prozessen ent-
standenen Homologen, die sich von C12 bis C40 erstrecken und eine starke Vorherrschaft ungera-
der Kohlenstoffzahlen zeigen. Anthropogene Komponenten wie z.B. Erdölrückstände enthalten
n-Alkane, C10-C35, mit im Grunde genommen keiner Kohlenstoffzahl-Prädominanz (CPI ≅
1).[269]
Die in beiden Proben gefundene n-Alkan-Verteilung zeigt C13 und C36 mit einem berechneten CPI-
Wert = 0,94, was in den meisten Fällen auf in Erdölrückständen gefundene Paraffine hinweist.
Schwarzfärbungen der verwitterten Oberfläche 79
Die vollständige Serie von Alkenen, die sich von C14 bis C18 erstreckte, wurde ähnlich mit einem
CPI = 1,44 und einem Cmax im Bereich C14-C17 identifiziert. Diese Alkene beruhen wahrscheinlich
auf Pyrolysedecarboxylierung von Fettsäuren.[241]
Die im TIC-Chromatogramm nachgewiesenen Fettsäuren (Carbonsäuren) liegen in Bereich C8-
C22. Die höchste Konzentration von einzelnen n-Alkansäuren (welche nur in den Proben der Säu-
lenhallen identifiziert wurden) wurden für die C18-Säure mit einem CPI-Wert = 2,32 gefunden,
was auf eine mikrobielle Quelle aus Pflanzenwachs hindeutet. In der Atmosphäre werden wahr-
scheinlich ungesättigte Fettsäuren durch freie Radikale, Ozon und anderem Oxidant angegriffen,
was zur Produktion von Aldehyden, Carbonsäuren und Dicarbonsäuren führt.[144] Die identifi-
zierten ungesättigten n-Fettsäuren sind aus der Atmosphäre aus mikrobiellen Quellen sowie aus
der Verarbeitung, der Verwesung und Verbrennung von Pflanzen- und Tierbestandteilen emit-
tiert.[43, 233]
Die Ester (Myristat und Palmitat) wurden in beiden Krusten identifiziert. Diese Komponenten sind
typische Bestandteile der Luftpartikel.[143]
Einige Siloxane wurden angezeigt, welche in erster Linie auf vaskulärem Pflanzenwachs beru-
hen.[267]
Die identifizierten Aldehyde, Nonanal und Decanal, sind häufige organische Anteile aus der At-
mosphäre.
Das identifizierte Keton ist 6,10,14-Trimethylpentadecan-2-on. Diese Verbindung ist vor allem in
Aerosolen und in Fahrzeug-Emissionen identifiziert worden.[61]
Alkanole wurden mit C12-C16 in den Proben identifiziert. Dies weist auf die mikrobiellen Quellen
dieser Verbindungen hin.[269]
Aromatische Kohlenwasserstoffe und Derivate.
Im Allgemeinen sind Aromatische Kohlenwasserstoffe gemeinsame Pyrolyse-Produkte der Bio-
polymeren. Als eine ihrer Quellen kann die direkte Verschmutzung des Baugesteins durch Um-
welteinflüsse nicht ausgeschlossen werden, da die meisten dieser Zusammensetzungen normaler-
weise in Kohlenstoffluftpartikeln und Aerosolen vorhanden sind. Leichte Alkylaromaten können
sich von der Verdampfung von bituminöser Kohle oder von der Pyrolyse von synthetischen oder
natürlichen polymeren Materialien ableiten. Sie sind auch typische Nebenprodukte der industriel-
len Raffinierung von Petroleum.
Mehrere aromatische Säuren, die von der Fossiltreibstoffverbrennung stammen, sind ebenfalls in
Luftpartikeln identifiziert worden.[269] Aromatische Säuren können auch auf der Degradierung
Schwarzfärbungen der verwitterten Oberfläche 80
von Lignin beruhen. Die Degradierung einer solchen Pyrolyse oder Oxydation bringt Alkanole,
Ketone, Aldehyde und Säuren manchmal mit den Originalsubstituenten auf Ringstruktur.[243]
Lignin kann auch von Mikroorganismen, hauptsächlich von Pilzen und Actinomycetes, unter
aeroben Bedingungen in aromatische Aldehyde und Säuren wie Hydroxybenzoe- und Benzoesäu-
ren zerlegt werden.[133]
Aromatische Ester (als Phthalate) sind in vielfältiger Form in der Umwelt wegen ihrer hohen indu-
striellen Produktion und mannigfaltigen Verwendungen vorhanden.[175] Einige Erdpilze und
Bakterien sind in der Lage, Phthalate zu zerlegen.[255] Die Gegenwart isoprenoidaler Markierer
(Pristane und Phytane), verbunden mit Naphthalinkohlenwasserstoffen, weist auf Erdölrückstände
als Ursprung hin, da obige bei den Prozessen der Ölraffinierung nicht getrennt werden.[267]
PAHs (Polycyclische Aromatische Kohlenwasserstoffe)
Zu den PAHs zählen aromatische Verbindungen mit kondensierten Ringsystemen. Die Stoffgrup-
pe der PAHs umfaßt einige hundert verschiedene Verbindungen. Sowohl in der städtischen Luft
Berlins, wie in Tabelle 2.4.6 gezeigt, als auch in den untersuchten Bausteinoberflächen wurden
PAHs wie Naphthalin, Fluoren, Phenanthren und Pyren usw. gefunden und in Tabelle 6.2.3 auf-
gelistet.
Auf die Oberflächen der Baugesteine können PAHs durch Deposition aus der Luft gelangen. In
den Bausteinen zeigen PAHs aufgrund geringer Wasserlöslichkeit, niedrigem Dampfdruck und
starker Adsorption an organischem und anorganischem Material eine geringe Mobilität und ver-
bleiben weitgehend in den Oberflächenschichten, in die sie bei der Deposition gelangt sind.
Die Interpretationsmöglichkeit der Zuordnung zu bestimmten Quellen ist aber nur bedingt mög-
lich, da das Vorkommen von PAHs auch durch verschiedene quellenunabhängige Kriterien stark
beeinflußt wird. Bezüglich anthropogener Quellen wird angenommen, daß die PAH-Zusammen-
setzungen die Pyrolyse-Produkte unvollständiger Verbrennung von Benzin- und Dieseltreibstoff in
Fahrzeugen darstellen, gleichzeitig sind sie aber auch in unverbranntem Öl festzustellen. Sie
stammen vor allem aus folgenden Quellen: aus Mineralölen, Bitumen, Pech, Teer, Ruß und daraus
hergestellten Produkten, sowie aus Flugasche, Abgasen und darin enthaltenen feinen Stäuben aus
allen Verbrennungsvorgängen, die folglich auch in der Atmosphäre vorhanden sind.[8] Die Ring-
systeme der PAHs z.B. von Naphthalin, Anthracen und Phenanthren finden sich auch in biogenen
Naturstoffen. Biogene PAHs entstehen in Mikroorganismen, Pilzen, Pflanzen und Tieren, z.B.
über den Isopren-Stoffwechselweg oder aus Aminosäuren durch Ringschluß, Umlagerungen, Al-
kylierung, Oxidation.[96]
Schwarzfärbungen der verwitterten Oberfläche 81
In den untersuchten Proben wurden unsubstituierte Verbindungen, substituierte alkylierte, sowie
oxigenierte PAHs identifiziert. Die beiden Krusten zeigen, wie in Abbildung 6.2.3 zu sehen ist,
unterschiedliche Ergebnisse. In der Kruste der Säulenhallen wurden deutlich höhere Fluoranthen-
Anteile als andere PAH-Anteile festgestellt. Außer Fluoranthen und Pyren weisen alle PAHs hö-
here Konzentrationen in der Kruste der Nationalgalerie als in den Proben der Säulenhallen auf
(Vor allem wurden höhermolekulare Verbindungen, z.B. Benzo(a)pyren, Indeno(1,2,3-cd)pyren,
Benzo(g,h,i)perylen und Dibenzo(a,h)anthracen identifiziert). In beiden Krusten wurden relativ
höhere Gehalte an Benzo(g,h,i)perylen als an Benzo(a)pyren bestimmt.
Unter den PAHs wird die Emission von Benzo(a)pyren vornehmlich den kleinen Feuerstätten zu-
geschrieben, wogegen Benzo(g,h,i)perylen vorrangig von Kraftfahrzeugen emittiert wird. [159]
Nach den Untersuchungen wird die Höhe der Immissions-Konzentrationen der Luft mit PAHs in
Berlin vor allem durch den Hausbrand mit Kohleeinzelöfen verursacht.[129]
Werden PAHs O3, NO2, N2O5 und anderen Oxidantien ausgesetzt, reagieren diese in der Atmo-
sphäre langsam und bringen oxigenierte PAHs, Nitro-PAHs und möglicherweise aromatische Po-
lycarbonsäuren hervor.[199]
Weiter ist herausgefunden worden, daß die Interaktion von PAHs mit UV-Sonnenstrahlung oder
O3 während Fotooxidationsversuchen polycyclische aromatische Ketone (PAK) und polycyclische
Chinone (PAQ) hervorbringt.[291] PAK sind in den Partikeln-Emissionen identifiziert worden,
die aus Benzin [8], Dieselmotoren und Verbrennen von Biomasse wie Holz, Blättern, Getreide-
stroh usw. stammen.[217]
Die identifizierten Oxy-PAHs sind: 9H-Fluoren-9-on, Xanthon und 2,5-Cyclohexadien-1,4-dion.
Diese Zusammensetzungen sind als Haupt-oxy-PAHs in Umgebungsluft und vor allem in der Nä-
he von Verbrennungsquellen identifiziert worden. [216]
P-, N-, S-haltige Verbindungen
N- und S-haltige Verbindungen können die Gegenwart von Eiweißen anzeigen.[242] Die identifi-
zierten n-Alkylamide (9-Octadecenamid) leiten sich von Alkylaminen statt von Ammoniak ab. Die
Hydroxylamine können durch Alkylierung von anderen Hydroxylaminen, durch Oxidation von
Aminen oder Reduktion von Nitro-Verbindungen sowie durch Addition an Nitroso-Verbindungen
entstehen. Zu den Derivaten des Hydroxylamins sind auch die Hydroxamsäuren und die Oxime zu
zählen.
Schwarzfärbungen der verwitterten Oberfläche 82
Tab.6.2.3 Mit GC-MS nachgewiesene PAHs von den schwarzen Krusten der Säulenhallen und
der Nationalgalerie
Proben
Zusammensetzung Molekulares
Gewicht Molekulare
Formel SH NG-SE
Naphthalin
Naphthalin, 1,2,3,4-tetrahydro-
Naphthalin, methyl-
Naphthalin, 1,2,3,5,8,8a-hexahydr
2,6-Diisopropylnaphthalin
Acenaphthylen
Acenaphthen
Fluoren
Anthracen
Anthracen, 9,10-dihydro-
Phenanthren
Fluoranthen
Pyren
Fluoranthen
Benzo(a)anthracen
Chrysen
Triphenylen
Benzo(b)fluroanthen
Benzo(k)fluroanthen
Benzo(a)pyren
Perylen
Benzo(a)pyren
Benzo(e)pyren
Indeno(1,2,3-cd)pyren
Benzo(g,h,i)perylen
Dibenzo(a,h)anthracen
128
132
142
160
212
152
154
166
178
180
178
202
202
202
228
228
228
252
252
252
252
252
252
276
276
278
C10H8
C10H12
C11H10
C12H16
C16H20
C12H8
C12H10
C13H10
C14H10
C14H12
C14H10
C16H10
C16H10
C16H10
C18H12
C18H12
C18H12
C20H12
C20H12
C20H12
C20H12
C20H12
C20H12
C22H12
C22H12
C22H14
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PAHs mit heterogenen Atomen im Ringsystem
Benzo(b)naphtho(2,3-d)furan 218 C16H10O-*
Oxigenierte PAHs
9H-Fluoren-9-on
Xanthon
2,5-Cyclohexadien-1,4-dion,
180
196
220
C13H8O
C13H8O2
C14H20O2
-
-
-
*
*
*
Wie bereits oben erklärt wurde, zeigen sich in den untersuchten Krusten kleine Unterschiede. Im
Vergleich zur Probe aus den Säulenhallen enthält die Probe der Nationalgalerie mehrere organi-
sche Verbindungen, die vor allem auf anthropogenen Einflüssen beruhen. Aus den Daten kann ge-
schlossen werden, daß die organischen Bestandteile in beiden Proben der schwarzen Kruste
hauptsächlich aus Verbindungen bestehen, die einerseits für anthropogene Verschmutzungsquellen
Schwarzfärbungen der verwitterten Oberfläche 83
wie das Verbrennen von Petroleumderivaten und Kohle charakteristisch sind, und andererseits auf
biogene Komponenten zurückgeführt werden können. Obwohl typisch biogene Moleküle nicht
gefunden wurden, ist zu beobachten, daß wir in der Kruste eine Anzahl von Verbindungen gefun-
den haben, die indirekt biogenen Quellen zugeordnet werden können (wie Kohlenwasserstoff
n-C29 : pflanzliches Wachs z.B. in Moosen und n-C12-C19 : Mikroorganismen und pflanzliches
Wachs).
Biologische Aktivität kann immer noch eine wichtige Rolle im Aufbau der schwarzen Kruste in
verunreinigten städtischen Bereichen spielen.
Die GC-MS Analyse erlaubt, anhand der nachgewiesenen polycyclischen aromatischen Kohlen-
wasserstoffe die schwarzen Oberflächen auf ihren anthropogenen Ursprung hin, wie z.B. die Ne-
benprodukte der Destillation von Öl und Kohle, zu charakterisieren, was aber mögliche biogene
Ursprünge der PAHs nicht völlig ausschließt.
6.3 Eisenmineralien und –verbindungen in den verwitterten schwarzen Zonen
Vieles spricht dafür, daß die Eisenverbindungen wegen ihrer Farbe auch eine größere Rolle für die
Schwarzfärbung der Oberfläche der Bausteine spielen.
Die gemessenen Eisenkonzentrationen in den untersuchten schwarzen Oberflächenschichten fielen
viel höher aus als jene in den unbeschädigten Innenzonen der Bausteine. Das enthaltene Eisen
kann aus sekundären eisenreichen Mineralen im Stein stammen, aber auch aus atmosphärischer
Verschmutzung.[177]
Durch röntgendiffraktometrische und IR-spektrometrische Verfahren gelang es nicht, die in den
untersuchten Proben enthaltenen Eisenverbindungen eindeutig zu spezifizieren. Dies läßt die
Vermutung zu, daß die meisten Eisenverbindungen in den schwarzen Schichten der Gebäude in
amorphen Form vorhanden sind, bzw. schlecht kristallisiert wurden.
Als alternative Messmethode wurde daher die in diesem Kapitel beschriebene Identifizierung der
Eisenverbindungen, die in den schwarzen Oberflächen vorhanden sind, sowie die Untersuchung
derer Eigenschaften, u.a. mit Hilfe der Mössbauer-Spektroskopie vorgenommen.
6.3.1 Mössbauer-spektroskopische Untersuchungen
Mössbauer-Spektrometrie ist eine Kernresonanzmethode, die Gammaphotonen von einer entspre-
chenden Frequenz aus einer radioaktiven Quelle verwendet, um tiefgelegene Kernenergieniveaus
in der Probe zu untersuchen. Energiedifferenzen zwischen Quelle- und Absorberstrahlung werden
Schwarzfärbungen der verwitterten Oberfläche 84
durch Addition einer Dopplergeschwindigkeit ausgeglichen (in mm/s). Folgende Informationen
sind aus den Mössbauer-Parametern Isomerieverschiebung (IS oder δ), Quadrupolaufspaltung
(QS oder ∆Eq), Halbwertsbreite (HB oder Γ) und Magnetische Hyperfeinaufspaltung (H)) zu zie-
hen:
- der Oxidationszustand von eisenhaltigen Mineralien (z.B. Fe2+, Fe3+).
- die Spezifizierung mit Eisen besetzter Gitterplätze (Tetraeder, Oktaeder) und der damit oft
verbundenen temperaturabhängigen Verteilungsmöglichkeiten über nichtgleichwertige Gitter-
plätze.
- die magnetischen Eigenschaften von Mineralien und Gesteinen.
- die Korngröße (nur bei magnetischen geordneten Strukturen).
Die Identifizierung der schlecht kristallisierten oder amorphen Eisenverbindungen ist ein großer
Vorteil des mössbauerspektroskopischen Verfahrens. Aber es sollte hervorgehoben werden, daß
die durch Mössbauerspektroskopie erhaltenen Informationen mit Daten von anderen Methoden
wie XRD, IR in Beziehung gesetzt werden. Die so erhaltenen Korrelationen sind für die Untersu-
chungen der chemischen Struktur und Bindung besonders aufschlußreich, da die Parameter der
Mössbauer-Spektren hauptsächlich nur indirekte Informationen über Struktur und Bindungen
bringen.[126]
6.3.2 Ergebnisse und Interpretation
Vor der Untersuchung der Proben mit Hilfe der Mössbauerspektroskopie wurden diese einer Pro-
benvorbehandlung unterzogen, da bei dieser Messmethode die Probe einen Eisengehalt von min-
destens 4 Gew.% an reinem Element enthalten muß. Die getesteten schwarzen Ober-
flächenproben weisen aber einen Eisengehalt in Form von Oxiden von nur unter 2 Gew.% auf.
Deshalb wurden für die Analyse ein nennenswerter Anteil an Gips durch wiederholte Behandlung
mit Wasser herausgezogen sowie gröbere Sandkörner durch Sieben entfernt. Das Verfahren
konnte dabei nur auf die schwarze Kruste angewandt werden, da aus der dünnen schwarzen
Schicht trotz aller Behandlungen der notwendige Eisengehalt nicht gewonnen werden konnte. Die
gemessenen Mössbauer-Spektren wurden sodann mit Hilfe eines Computerprogramms angepaßt,
um die o.g. Parameter in klarerer visualisierter Form zu erhalten.
Die durch die Kurvenanpassung gefundenen Parameter sind in Tabelle 6.3.1 zusammengefaßt. Die
Zuordnung der verfeinerten Linien zu irgendeinem Mineral oder Verwitterungsprodukt ist hierbei
nicht in voller Zufriedenheit zu leisten. Obwohl für die Identifizierung der Produkte ein einfacher
Schwarzfärbungen der verwitterten Oberfläche 85
Vergleich der Parameter mit den Parametern von bekannten Eisenverbindungen unzulänglich ist,
können dennoch einige glaubwürdige Hinweise aus den gemessenen Spektren geschlossen wer-
den.
Die Kruste der Säulenhallen (SH)
Die Mössbauer-Spektren der Kruste der Säulenhallen sind in Abbildung 6.3.1 wiedergegeben.
Im Spektrum zeigt sich ein kleines Dublett mit einer Quadrupolaufspaltung von ca. 2,34 mm/s und
einer Isomerieverschiebung von ca.1,34 mm/s, die high spin Fe2+-Verbindungen entspricht. Im Be-
reich des Fe2+-Teilspektrums wurde ca. 3,27 % des Gesamt-Eisenanteils der Probe integriert. Die
Fähigkeit des Eisens(II) zur Oxidation ist hinlänglich bekannt. Die mit stabilen glasklaren Konfi-
gurationen wie Silikaten verbundenen Eisenzusammensetzungen können jedoch sehr stabil sein;
sie sind meist natürliche Bestandteile von Steinen und Mineralen. Als die Hauptquellen von Fe(II)
in der Oberfläche des Gebäudesteins kann die umgebende Erde oder ein Tonmineral aus den Ori-
ginalgesteinen vermutet werden. Drei Arten der charakterisierten Bestandteile wurden durch drei
typische Spektren systematisch festgestellt.
Die Kurvenanpassung ergibt noch zwei sich überlagernde Dubletts: Das eine hat eine Quadrupo-
laufspaltung ca. 0,52 mm/s und eine Isomerieverschiebung ca. 0,35 mm/s, das andere hat eine
Quadrupolaufspaltung von ca. 0,77 mm/s und eine Isomerieverschiebung von ca. 0,32 mm/s. Bei-
de entsprechen somit der paramagnetischen oder superparamagnetischen Eisen(III)-Art.
Die erhöhten Werte der Quadrupolaufspaltung weisen auf eine nur schwach ausgeprägte Kristall-
struktur hin.[190] Den aus diesen Spektren berechneten Parametern entsprechen die Parameter
folgender Fe(III)-Verbindungen: amorphe Eisenoxide, Eisenoxyhydroxide (FeOOH), Ferrihydrit
und Eisen-Hydrolyse-Polymere, die in Erde und in Silikatgerüst gefunden werden (Tab.6.3.1). Die
Eisenoxide und Eisenoxyhydroxide sind im Allgemeinen Verwitterungsprodukte der eisenhaltigen
Materialien und können in miteinander gemischter Form vorhanden sein.[190]
Ferrihydrit (Fe5HO8·4H2O, oder Fe2O3·1,8H2O) ist ein schlecht geordnetes wasserhaltiges Eisen-
oxid, das im Allgemeinen durch die rasche Hydrolyse von Fe3+-Lösung gebildet wird und sich im
weiteren direkt zu Hämatit umwandeln kann.
Schwarzfärbungen der verwitterten Oberfläche 86
(a) Rohspektrum (b) Rohspektrum mit Linie
(c) gefittetes
Spektrum
Abb.6.3.1 Mössbauer-Spektren der schwarze Kruste der Säulenhallen (SH)
Im Verwitterungsprozeß werden Eisen gelöst und aquatische Fe2+- und/oder Fe3+-Ionen in Lösung
geformt. Unter passenden pH- und Redox-Bedingungen werden Fe2+- leicht zu Fe3+-Ionen als
[Fe(H2O)6]3+ oxidiert. Diese Ionen können unter Abgabe der Protonen die Hydrolysekomplexe
von [Fe(H2O)5OH]2+ und [Fe(H2O)4(OH)2]+ bilden, welche dann das Dimer
[(H2O)4Fe(OH)2Fe(H2O)4]4+ (abgekürzt [Fe2(OH)2]4+) bilden können. Steigert sich die Hydrolyse,
so bilden sich Polymere mit Goethit ähnlichen Eigenschaften. Wenn die Hydrolyse bei normaler
Umgebungstemperatur langsam erfolgt und das Ferrihydrit-Löslichkeitsprodukt nicht überstiegen
wird, ist die Bildung von Hydrolyse-Komplexen energetisch bevorzugt.
Schwarzfärbungen der verwitterten Oberfläche 87
Tab.6.3.1 Die Parameter der Mössbauer-Spektren der Eisen-Hydrolyse-Polymere [142]
Singlets/doublets (R.T.) Sextets (78 K)
MW fraction Species δ/Fe ∆Eq δ/Fe ∆Eq Bhf(T)
1k-10k
50k-100k
100k-300k
Ferrihydrite
Microcrystalli-
ne goethite
Polymer
Polymer,
Goethite
Polymer,
Goethite
0,37
0,36
0,37
0,36
0,37
0,34
0,36
0,35
0,37
0,51
0,84
0,51
0,88
0,52
0,91
0,50
0,83
0,68
0,49
0,48
0,48
0,44
-0,24
-0,24
-0,10
-0,24
48,6
48,6
45,1
49,5
Tab.6.3.1 Werte der gemessenen Mössbauer-Spektren, resultierend aus Kurvenanpassung
Parameter der Spektren
Probe Teilspektren IS (δ/Fe) QS (∆Eq) WHM (Γ)Fläche(%)
D-I (Fe3+)0,346 0,519 0,323 29,63
D-II (Fe3+)0,328 0,773 0,717 67,09
SH, (Kruste),
3D
-6 ∼ 6 mm/s D-III (Fe2+)1,343 2,344 0,400 3,27
D-I (Fe2+)1,064 2,617 0,394 21,61
D-II (Fe2+)1,054 1,963 0,401 7,73
D-III (Fe3+)0,307 0,700 0,640 60,64
NG-SE, (UOF bis
Innenzone), 3D,1S
-10 ∼10mm/s
Sextett 0,231 -0,040 0,647 10,00 (H: 485,7)
D-I (Fe2+)1,064 2,637 0,357 18,009
D-II (Fe2+)1,068 2,034 0,421 11,971
D-III (Fe3+)0,297 0,719 0,653 59,061
NG-SE, (Kruste),
3D,1S
-10 ∼10mm/s
Sextett 0,276 -0,052 0,937 10,96 (H: 489,9)
D-I (Fe2+)1,061 2,633 0,387 15,794
D-II (Fe2+)1,070 2,005 0,480 13,830
D-III (Fe3+)0,309 0,746 0,684 59,703
NG-NW (Kruste),
3D,1S
-10 ∼10mm/s
Sextett 0,266 -0,078 0,608 10,67 (H: 484,2)
IS: Isomerieverschiebung, QS: Quadrupolaufspaltung,
WHM: Halbwertsbreite der Lorentzlinie,
H: magnetische Hyperfeinaufspaltung
Magnetische Anteile konnten im Spektrum nicht eindeutig gefunden werden. Die Darstellung des
Roh-Spektrums zum einen, mit Linien zum andern (in Abbildung 6.3.1(a) und (b)) wurde gewählt,
Schwarzfärbungen der verwitterten Oberfläche 88
um zu zeigen, daß kein Anlaß zum Anfitten eines magnetischen Spektrums (Sextett) besteht. An-
flüge von einem superparamagnetischen Beitrag sollten allenfalls mit einer Linie von großer
Halbwertsbreite abgedeckt werden.
Für die bessere Klärung des Zusammenhangs von Standort und Art der enthaltenen Eisenverbin-
dungen wurden im Folgenden zwei „äußere“ Vergleichsergebnisse herangezogen.
Die schwarzen Krusten, die aus den in Gebäuden in Dresden verwendeten Elbsandsteinen stam-
men, wurden durch Steger untersucht.[278] Nach seiner Meinung besteht die Haupteisenphase in
der schwarzen Oberfläche der Elbsandsteine aus Eisen-Hydrolyse-Polymer, das sich durch Dehy-
dration zu α-FeO(OH) bilden kann. Paramagnetisches Magnetit, das meist für die Schwarzfär-
bung der Gebäudesteine verantwortlich ist, wurde ebenfalls in allen schwarzen Oberflächen iden-
tifiziert – überwiegend wurde es meist durch Immigration der Eisenminerale aus der unbeschä-
digten Innenzone gebildet.
Die Muster des gemessenen Mössbauer-Spektrums sind ähnlich (aber nicht identisch) denjenigen
von Schwebstaub in städtischen Bereichen (Antwerpen, Belgien), die ein Fe2+-Dublett (IS: 1,12
mm/s, QS: 2,09 mm/s), ein paramagnetisches Fe3+ (IS: 0,18 mm/s, QS: 0,63 mm/s) und ein Sex-
tett (IS: 0,12, H: 502 HOe) enthalten.[177] Mit einer großen Halbwertsbreite des Sextetts er-
weist sich dieser Staub als eine komplizierte Mischung, vor allem aus Fe2O3 und Fe3O4. Als Her-
kunftsquellen der Eisenverbindungen werden die umgebende Erde sowie anthropogene Emissio-
nen vermutet.
Die Kruste der roten Nebraer Sandsteine der Nationalgalerie
Die bei Raumtemperatur gemessenen Mössbauer-Spektren der Krusten aus beiden Fassaderich-
tungen (Südost- und Nordwestseite) der Nationalgalerie zeigen fast die gleichen Muster, dies gilt
auch für die Proben der Südostseite, die dem unteren Bereich der Krusten (UOF) wie auch der
Innenzone entnommen wurden. Sie weisen alle zwei Fe2+-Dubletts, ein Fe3+-Dublett und ein Sex-
tett von einer magnetischen Eisenzusammensetzung auf.
Unter beiden high-spin Fe2+-Bestandteilen hat das intensivere Fe2+-Dublett die Isomerie-
verschiebung im Bereich von ca.1,06 mm/s, die Quadrupolaufspaltung im Bereich von 2,62 - 2,64
mm/s und die Halbwertsbreite im Bereich von 0,36 - 0,39 mm/s. Dieses Dublett reflektiert die
high-spin Fe2+ in Oktaeder-Koordination. Diese Parameter stimmen mit jenen der sowohl in Chlo-
rit als auch in chloritreichen Sedimenten enthaltenen Fe2+-Ionen deutlich überein.
Das zweite Fe2+-Dublett mit δ = 1,05 - 1,07 mm/s, ∆Eq = 1,96 - 2,03 mm/s und Γ = 0,40 - 0,48
mm/s ergibt sich wahrscheinlich aus Siderit (FeCO3). Das Siderit konnte durch die chemische
Schwarzfärbungen der verwitterten Oberfläche 89
Analyse der Proben bestätigt werden, mittels Röntgendiffraktometrie gelang die Identifizierung
nicht. Siderit ist in der Originalfarbe meist erbsengelb bis gelblichbraun, auch grau, durch Verwit-
terung wird es jedoch schließlich braun bis braunschwarz. Siderit zeigt sich während seiner Inter-
aktion mit einem oxidierenden Mittel in sedimentären Steinen als ein instabiles oder metastabiles
Mineral. Unter natürlichen Bedingungen kann es sich unter Einfluß von Wasser zu Goethit um-
wandeln.
Das Fe3+-Dublett zeigt bei Raumtemperatur die Werte von δ, ∆Eq und Γ, die von 0,30 bis 0,31
mm/s, 0,70 bis 0,75 mm/s und 0,64 bis 0,68 mm/s. Diese Parameter sind typisch für high-spin Fe3+
in Oktaeder-Koordination, die in Tonmineralien, Chloriten und anderen Silikatmineralen vorhan-
den sind. Daneben können die oben genannten amorphen Eisenoxide, -hydroxide oder Gele (z.B.
Fe(OH)3) bei diesem Dublett eine Rolle spielen.
Abb.6.3.2 Mössbauer-Spektrum der schwarze Kruste der Nationalgalerie (NG-SE)
Ein kleines Sextett konnte in beinahe allen bei Raumtemperatur erhaltenen Spektren bemerkt
werden. Wegen seines sehr geringen hierbei festgestellten Anteils ist eine Trennung in verschiede-
ne Phasen nicht möglich. Dieses Sextett mit einem Hyperfein-Feld 484 - 490 KOe, δ = 0,23 - 0,28
mm/s, ∆Eq = -0,04 - (-0,08) mm/s und Γ = 0,61 - 0,94 mm/s zeigt einen nur mittleren Wert, der
nahe beim Parameter der beiden Sextette von Fe3O4 liegt. Dieser Magnetit
([Fe(II)][4][Fe(III)]2[6]O4 bzw. FeO·Fe2O3, vereinfacht Fe3O4) hat eine inverse Spinellstuktur; die
Struktur kann Fehlordnungen aufweisen oder es können alle Gitterplätze gemäß der Formel be-
setzt sein.[2] Sein Vorhandensein ist in fast allen magmatischen Gesteinen mit für die dunkle Far-
Schwarzfärbungen der verwitterten Oberfläche 90
be verantwortlich. In metamorphen Gesteinen, z.B. Chlorit, entsteht er aus Hämatit. Bei der Ver-
witterung wandelt sich Magnetit nur sehr langsam in Limonit oder Hämatit um.
Diese Bestandteile der magnetischen Hyperfein-Aufspaltung können auch mit Emissionsquellen
wie der Verbrennung von Kohle und Öl, Stahlindustrien, Kraftfahrzeugen usw. in Verbindung ge-
bracht werden.[136]
Die Produktion von Magnetit durch Bakterien liefert einen wichtigen Beitrag zum natürlichen re-
manenten Magnetismus von Tiefsee- u.a. Sedimenten. Diese Produktion ist nach neuen Erkennt-
nissen nicht nur auf aerobe magnetotakt. Bakterien beschränkt; auch unter anaeroben Bedingun-
gen lebende Bakterien können Magnetit produzieren.[193]
Gendler et al. hat versucht, einen der möglichen biologischen Einflüsse zu modellieren; dabei han-
delt es sich um die Wirkung der von Mikroorganismen im Prozeß ihrer unerläßlichen Aktivität
generierten organischen Produkte auf die Transformation der amorphen Eisenoxide und -
hydroxide auf der Oberfläche von Silikaten.[101] Diese Eisenverbindungen sind als Magnetit in
einem superparamagnetischen Zustand mit der Partikelgröße 40-50 Å bestimmt.
Wenn die Partikelgröße in magnetisch geordneten pulverisierten Materialien im Bereich von 50Å
verkleinet wird, verschwindet der Magnetismus durch eine Entspannung von magnetischen Mo-
menten, die Spektren zeigen nur paramagnetische Strukturen. Diese Eigenschaft ist als Superpa-
ramagnetismus bekannt.[277] Die gemessenen Spektren weisen auf diese superparamagnetischen
Phänomene hin, wodurch vermutet werden kann, daß die Partikelgröße der Eisenverbindungen in
den untersuchten schwarzen Krusten sehr klein ist.
Zusammenfassend sei erwähnt, daß sich die Kruste der Postaer Sandsteine von den Säulenhallen
qualitativ von den Proben der Nationalgalerie unterscheidet. Sie enthält fast nur dreiwertiges Ei-
sen (Fe3+) und keine oder allenfalls Spuren von superparamagnetischen Phasen, während diese bei
den anderen Proben ebenfalls deutlich vorhanden sind. Das Anfitten der superparamagnetischen
Phasen ist aufgrund derer Breite und geringen Intensität äußerst problematisch. Die Breite kann
sowohl auf der Fluktuation der magnetischen Felder (Korngrößeneffekt) als auch auf der Zusam-
mensetzung beruhen.[277] Aufgrund verschiedener Zusammensetzungen können unterschiedliche
IS- und QS-Parameter eingehen und aufgrund kleiner Partikel können Oberflächen-Effekte einge-
hen. Durch die paramagnetischen Dubletts ist nicht gesichert, daß es sich hier um paramagnetische
Spesies handelt, sondern die Partikel könnten auch so klein sein, daß es nicht zur magnetischen
Aufspaltung kommt.
Schwarzfärbungen der verwitterten Oberfläche 91
Die vermuteten Eisenverbindungen wie Ferrihydrit und Eisen-Hydrolyse-Polymere sind rotbraun
bis dunkelbraun. Aber bereits wenige Prozent an Fe2+ bewirken die Dunkelfärbung dieser Mine-
rale. Sind einige der Gitterplätze in Maghemit mit zweiwertigem Eisen belegt, so färbt sich das
braune Mineral schwarz.[191]
In der Kruste und im unterem Bereich der Kruste bis zur Innenzone der roten Nebraer Sandsteine
der Nationalgalerie wurde Fe2+ als Hauptphase sowie als eindeutiges magnetisches Sextett gefun-
den. Dieses magnetische Sextett stellt vermutlich den Mittelwert der beiden Sextette von Fe3O4
dar. Magnetit ist als stark schwarzfärbendes Pigment bekannt.
Wir schließen, daß Eisenverbindungen mit Ruß und anderem Schmutz für die schwarze Farbe
verantwortlich sind. Die identifizierten Eisenverbindungen in den verwitterten Zonen sind unter-
schiedlich je nach Steinsorte. Als die möglichen Ursprünge der Eisenverbindungen in den verwit-
terten schwarzen Zonen sind die Originalsteine selbst und anthropogene Emissionen anzusehen.
Auch können Quellen biogenen Ursprungs nicht ausgeschlossen werden. Im Fall der Kruste der
Nebraer Sandsteine wurden die im Gestein enthaltenen eigenen Eisenminerale als Hauptquelle
vermutet, da die Kruste selbst sowie der untere Bereich der Kruste bis hin zur Innenzone die glei-
chen diesbezüglichen Resultate aufwiesen.
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 92
7. Petrographische und mineralogische Eigenschaften
Prozesse wie Diagenesis haben die mineralische Komposition, die mineralische Struktur sowie die
Gefügestruktur, die das Steinmaterial im Anfangszustand der Sedimentierung charakterisiert hat-
ten, modifiziert. Während der Verwitterungsprozesse können sich die petrographischen Eigen-
schaften wieder verändern.
Die Gefüge der Gesteine sind für die Festigkeit und Verwitterbarkeit von Naturwerksteinen von
besonderer Bedeutung. Das Korngefüge, die Bindemittel- und die Porenstruktur sowie die Aus-
bildung der Kontaktflächen zwischen den Körnern bestimmen darüber hinaus maßgeblich die Ge-
steinsfestigkeit mit. Bei den Gesteinen mit mittelbarer Kornbindung sind sämtliche technischen
Eigenschaften und damit auch die Wetterbeständigkeit vom Bindemittel, das die einzelnen Sand-
körner verbindet, abhängig. Das Bindemittel wird herausgelöst und ein Kornzerfall kann eintre-
ten. Auf die Beziehungen zwischen der Kornbindungsfestigkeit und der Verwitterungs-
beständigkeit wurde hingewiesen. Ist die Kornbindung schwach, so bricht das Gestein bei mecha-
nischem oder chemischem Verwitterungsangriff rasch an den Kornkontakten auf.[131]
Die Produkte der Verwitterung sind verschieden. Das Ausgangsmaterial besteht aus Verwitte-
rungsresten, Verwitterungsneubildungen und Ionen oder Ionenkomplexen, die sich in Lösung be-
finden. Zu den Verwitterungsresten zählt in erster Linie der Quarz, weil Quarz mechanisch und
chemisch schwer angreifbar ist. Aus den zersetzten Mineralen der verwitterten Gesteine können
noch während des Verwitterungsvorgangs als Verwitterungsneubildungen neue Minerale entste-
hen. Wichtig ist dabei besonders die Entstehung der als Tonminerale bezeichneten Minerale wie
Kaolinit, Halloysit oder Montmorillonit, die entweder unmittelbar aus Verwitterungslösungen kri-
stallisieren oder durch Umbildung aus Glimmern des Ausgangsgesteines entstehen.
Die mineralogischen und petrologischen Untersuchungen wurden mit Hilfe verschiedener Verfah-
ren durchgeführt. Insbesonders sollten Fragen zu Art und Herkunft der verwendeten Werksteine
geklärt werden.
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 93
7.1 Mineralbestand
7.1.1 Bestimmung durch Röntgendiffraktometrie (XRD)
Zur Bestimmung des Mineralbestands wurde Röntgenpulverdiffraktometrie angewandt. Gegen-
wärtig sind mit dieser Methode Mineralgehalte bis zu unter 1 % feststellbar und können nach Ka-
librierung auch halbquantitativ bestimmt werden.
Die Ergebnisse der XRD-Analyse werden in Tabelle 7.1.1 aufgelistet.
Weisse Sandsteine von Neuem Museum, Säulenhallen, Bode-Museum und Nationalgalerie
Die Röntgendiffraktometer-Peak-Muster der Proben des Neuen Museums werden in Abbildung
7.1.1 gezeigt.
In den Innenproben wurden Quarz als Hauptbestandteil und kleine Mengen an Tonmineralen als
Kaolinit analysiert. Die XRD-Analysen der schwarzen Krusten ergeben, daß diese hauptsächlich
aus Quarz, Gips und sehr kleinen Anteilen von Kaolinit bestehen. Außer Gips wurde dabei kein
anderes Mineral als Salz gefunden.
Das orientierte XRD (mit getrockneter Luft und Glycol behandelte erhitzte Proben) zeigt bei der
Feststellung von Tonmineralien hauptsächlich Kaolinit.
Die Identifizierung der Eisenoxide und -oxihydroxide sowie der armophen Eisenminerale stößt bei
der Verwendung der Röntgenstrahlbeugung auf Schwierigkeiten, dies aufgrund der Teilüberlap-
pung der Beugungszeilen.
In den XRD-Analysen der Proben der Säulenhallen ergeben sich zwei Peak-Muster. In einem Mu-
ster wurden dominierend Quarz-Peaks, sehr kleine Peaks von Kaolinit und einige Orthoklas-Peaks
identifiziert. Das Kaolinit und Orthoklas wurden nicht nur in den verwitterten Zonen, sondern
auch in den Innenzonen gefunden.
Im anderen Muster ergibt sich eine ähnliche Struktur, bis auf die Abwesenheit von Feldspat.
Außer den oben genannten Mineralen wurde in allen dünnen schwarzen Oberflächenzonen Gips
identifiziert.
Der Wünschelburger Sandstein vom Bode-Museum zeigte die Gegenwart von Quarz als Hauptbe-
standteil und Tonmineralen als Nebenbestandteil in den Innenzonen. In den Tonmineralen wurde
Montmorillonit ((Al,Mg)2[(OH)2/Si4O10](Na, Ca)x·nH2O) hauptsächlich identifiziert. Kleine Men-
gen an Orthoklas wurden ebenfalls nachgewiesen.
Die XRD-Analysen der schwarzen Krusten ergeben, daß diese hauptsächlich aus Quarz, Gips und
sehr kleinen Anteilen von Montmorillonit und von Orthoklas bestehen.
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 94
Für die untersuchten weissen Sandsteine der Nationalgalerie zeigt die XRD-Analyse einen feld-
spatfreien, reinen Quarzsandstein. Außer Quarz wurden kleine Mengen an Kaolinit nicht nur in
den Oberflächenzonen, sondern auch in den Innenzonen gefunden.
In den Oberflächenzonen wurden gleiche Peak-Muster wie in den Innenzonen beobachtet.
(a) Innenzone der Proben
vom Neuen Museum
(b) dünne schwarze Schicht
der Säulenhallen (Typ 2)
(c) dünne schwarze Schicht
der Säulenhallen (Typ1)
(d) dünne schwarze Schicht
des Bode-Museums
Abb.7.1.1 Röntgendiagramme der weissen Sandsteine von Neuem Museum (NM), Säulenhallen
(SH), Bode-Museum (BM) und Nationalgalerie (NG-ES)
(Q : Quarz, G : Gips, K : Kaolinit, O : Orthoklas)
Roter Nebraer Sandstein
Wie in Abbildung 7.1.1 wiedergegeben, zeigt der rote Nerbraer Sandstein Quarz- und Orthoklas-
Peaks als Hauptbestandteile, sowie untergeordnet Kaolinit-Peaks. In einigen Proben wurden auch
Glimmer-Peaks (Biotit) identifiziert.
Die röntgendiffraktometrischen Ergebnisse ergaben, daß die schwarzen Krusten in erster Linie aus
Gips bestehen. Gips ist als atmosphärische Ablagerung oder als Umwandlungsprodukt aus alkali-
schen Baustoffen an vielen Bereichen des Gebäudes vorhanden. In einigen Oberflächenproben, die
aus der Südostseite stammen, zeigt sich im Vergleich zu den aus der Nordwestseite stammenden
Proben eine größere Anzahl von Phasen. Neben Quarz, Orthoklas und Eisenoxiden liegen noch
Blei-Minerale, z.B. Anglesit (PbSO4) vor.
0
500
1000
1500
2000
3,00 13,00 23,00 33,00 43,00 53,00 63,00
2-Theta
(a)
(b)
(c)
(d)
G
KG
G
Q Q
O
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 95
(a) Innenzone der
Südostseite
(b) dünne schwarze
Schicht der
Südostseite
(c) schwarze Kruste
der Nordwestseite
(d) schwarze Kruste
der Südostseite
Abb.7.1.2 Röntgendiagramme des Roten Nebraer Sandstein der Nationalgalerie
(Q : Quarz, G : Gips, K : Kaolinit, O : Orthoklas)
(a) Innenzone
von (c)
(b) dünne schwarze
Schicht -3
(c) dünne schwarze
Schicht -2
(d) dünne schwarze
Schicht -1
Abb.7.1.3 Röntgendiagramme des Putzmörtels der Nationalgalerie
(Q : Quarz, G : Gips, O : Orthoklas, S : Schwefel)
0
500
1000
1500
2000
3,00 13,00 23,00 33,00 43,00 53,00 63,00
2-Theta
(a)
(b)
(c)
(d)
G
K
G,O
G
Q Q
O
O
O
0
500
1000
1500
2000
3,00 13,00 23,00 33,00 43,00 53,00 63,00
2-Theta
(a)
(b)
(c)
(d)
GS
O
C
QQ
O
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 96
Putzmörtel der Nationalgalerie
Obwohl verschiedene Putzmörtelsorten in der Nationalgalerie verwendet wurden, besteht das
Hauptmineral aller unbeschädigten Mörtel aus Quarz. Ebenfalls wurde in einigen Proben Calcit als
Hauptmineral identifiziert. Dies gilt auch für Schwefel (S), Orthoklas und kleine Mengen an Kao-
linit.
In allen Oberflächenproben wurden unterschiedliche Mengen Gips gefunden. Im Vergleich zu den
anderen Oberflächenproben war dabei der Anteil an Gips in den Oberflächenproben, die Schwefel
in der Innenzone enthalten, viel größer.
Kalkstein vom Pergamon-Museum
Die XRD-Analyse zeigt, daß die unverwitterten Kalksteine fast ausschließlich aus Calcit und aus
Spuren von Quarz bestehen.
In den am meisten verwitterten schwarzen Krusten wurden große Mengen an Gips und Spuren
von Quarz und Orthoklas gefunden.
In den dünnen schwarzen Schichten wurden Calcit und Gips als Hauptbestandteil, sowie geringe
Mengen an Quarz und Orthoklas gefunden. Letztere beide können auf Staub zurückgeführt wer-
den.
(a) Innenzone
(b) dünne schwarze
Schicht
(c) Kruste
Abb.7.1.4 Röntgendiagramme des Kalksteins vom Pergamon-Museum
(C : Calcit, G : Gips)
0
500
1000
1500
3,00 13,00 23,00 33,00 43,00 53,00 63,00
2-Theta
GG
C
G
(a)
(b)
(c)
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 97
Tab.7.1.1 Mineralbestandteile durch röntgendiffraktometrische Verfahren
Ma ( > 10 %) Mi (1-10 %) S ( < 1 %)
OF (TBL) QG, O, K
Neues Museum IN Q K
OF-1 (TBL) QG, K
OF-2 (TBL) Q G O, K
IN-1 Q K
Säulenhallen an der
Nationalgalerie
IN-2 QO, K
OF (TBL) Q O G, Mo
Bode-Museum IN Q O
OF (TBL) Q K
Nationalgalerie
(NG-ES) IN Q K
OF-1 (TBL) Q, O, G K, B
OF-2 (TBL) Q, O G K
OF-3 (TBL) Q, O K, G, B
OF-4 (OL) Q, O
IN-1 Q, O K
Nationalgalerie
(NG-NW)
roter Nebraer
Sandstein
IN-2 Q, O K, G, B
OF-1(Kruste) Q, O, G Ma, B, C, K
OF-2 (TBL) Q, O G
OF-3 (TBL) Q, O Pb Py, B, K
OF-4 (TBL) Q, O K, B, G, Pb
OF-5 (TBL) Q, G, O K
IN-1 Q, O K
Nationalgalerie
(NG-SE)
roter Nebraer
Sandstein
IN-2 Q, O B, K
OF-1 (TBL) Q, G SO, K
IN-1 QSO, K
OF-2 (TBL) QO, C G
IN-2 QO, C G, K
OF-3 (TBL) Q, C G
Nationalgalerie
(NG-EK)
Putzmörtel
IN-3 Q, C
OF-1 (Kruste) C, G Q O
OF-2 (Kruste) CG, Q
OF-3 (TBL) CG Q
Pergamon-Museum
fränkische
Muschelkalkstein
IN CQ
Abkürzungen :
Ma: Hauptmineralien ( > 10 %), Mi: Nebenmineralien (1- 10 %), S: Spurenmineralien (< 1 %)
OF: Oberflächenzone, TBL: dünne schwarze Schichten, OL: durch Regenwasser eingesickerte Schichten,
IN: unbeschädigte Innenzone
Mineralien: Q: Quarz, O: Orthoklas, K: Kaolinit, G: Gips, Mo: Montmorillonit, B: Biotit, C: Calcit
Ma: Magnetit, Py: Pyrit, Pb: Blei-Minerale (Anglesit, PbSO4), S: Schwefel
7.1.2 Analyse mittels FT-IR spektroskopischem Verfahren
Kovalente Bindungen zwischen Atomen in einem Mineral besitzen die Eigenschaft, infrarote
Strahlung zu absorbieren. Wenn die Wellenlängen jeder absorbierten Strahlung gemessen ist, kann
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 98
das so erhaltene Spektrum rasch als ein Mittel, um mineralische Substanzen zu identifizieren, ver-
wendet werden.[262]
IR-Spektroskopie ist für die Untersuchung einer tonmineralischen Gruppe bei kurzfristiger Auf-
tragserteilung besonders nützlich. Für die Untersuchung amorphen Materials ist sie zudem von
größter Wichtigkeit, da röntgendiffraktokristallographische Daten hierfür zu schwach sind.[296]
Die Untersuchung der Phasenzusammensetzung der Minerale wurde auch mit Hilfe der FT-IR-
Spektroskopie durchgeführt.
Sandsteine
Abbildung 7.1.2(a) zeigt die FT-IR Spektren der Innen- sowie der Oberflächenzone der weissen
Sandsteinproben, die vom Neuen Museum, den Säulenhallen, dem Bode-Museum und der Natio-
nalgalerie entnommen wurden.
Die Spektren der unveränderten Innenproben zeigen starke Banden von Quarz und geringe von
Tonmineralen. In den Proben des Bode-Museums sowie in einer Probe der Säulenhallen wurden
außer den oben genannten Mineralen auch Feldspat identifiziert. Die Gegenwart von verschiede-
nen kieseligen Mineralen werden mit starken Banden bei 1200 cm-1 und 1100 cm-1 durch in dieser
Region verursachte ν(Si-O-Si) Schwingungen deutlich. Die Identifizierung jedes einzelnen Mine-
rals ist jedoch schwierig, da ihre Banden sich überlappen. Um eine Identifikation durchzuführen,
werden Banden mit niedrigerer Intensität benötigt. Durch das charakteristische asymmetrische
Dublett bei 798-779 cm-1 und bei 1082 cm-1 mit der Schulter bei 1168 cm-1 wurde Quarz identifi-
ziert. Als Tonmineral wurde hauptsächlich Kaolinit durch die νOH-Schwingungen im Bereich von
3700-3600 cm-1 und die ν(Si-O-Si)-Schwingungen bei 1032, 1002 und 910 cm-1 identifiziert.
Feldspat zeigt sich durch Banden bei 650-550 cm-1, eine Schulter bei 590 cm-1 und die schwache
Bande bei 671 cm-1.
Die Spektren der unverwitterten roten Nebraer Sandsteinproben der Nationalgalerie weisen außer
charakteristischen Quarz- und Kaolinit-Peaks auch einige Feldspat-Peaks auf (Abb. 7.1.2(b)).
Quarz wurde durch die doppelt asymmetrische Bande bei 798-779 cm-1 und bei 1082 cm-1 mit ei-
ner Schulter bei 1168 cm-1 charakteristisch. Für Tonminerale sind Banden bei 3695, 875 und 712
cm-1 charakterisiert. Die Bereiche, die zwischen 3700 und 3435 cm-1 durch νOH-
Streckschwingungen (inhärent Al-OH, Mg-OH und Fe-OH) und zwischen 1630 und 1612 cm-1
durch OH-Deformationsschwingungen verursacht werden, haben mit Tonmineralen zu tun, die
mit Wasser verbunden sind. Feldspat, welches den Banden bei 649-647 cm-1, der Schulter bei
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 99
590-586 cm-1 und der schwachen Bande bei 727-724 cm-1 entspricht, wurde durch röntgenogra-
phisches Verfahren hauptsächlich als Orthoklas bestimmt.
(a) Kruste des
Neuen Museums
(b) dünne schwarze
Schicht der
Säulenhallen
(c) Innenzone des
Neuen Museums
Abb.7.1.2(a) IR-Spektren von verschiedenen Phasen in den weissen Sandsteinen aus
Neuem Museum, Säulenhallen, Bode-Museum und Nationalgalerie
(a) Kruste der Südostseite
(NG-SE)
(b) dünne schwarze
Schicht der Südostseite
(NG-SE)
(c) Kruste der Nordwest-
seite (NG-NW)
(d) dünne schwarze
Schicht der Nordwest-
seite (NG-NW)
(e) Innenzone der Südost-
seite (NG-SE)
Abb.7.1.2(b) IR-Spektren von verschiedenen Phasen in den roten Nebraer Sandsteinen der
Nationalgalerie (NG)
0
400900140019002400290034003900
cm-1
Transmittance
(a)
(b)
(c)
3542,
3404
3249
2357
1682,
1620
1382
1143
,
1117
668,
602
1002
1082
796,
778
694
506,459
-5
163
400140024003400
cm-1
Transmittance
(a)
(b)
(c)
3542,
3404 3249
2357
1682,
1620 1382
1143,
1117
668,
602
(d)
(e)
796,
778 458
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 100
In den Spektren der Sandsteinoberfläche wurden des weiteren starke Banden einiger Salze außer
den oben genannten Mineralen beobachtet (Abb.7.1.2(a) und (b)).
Die ν(S-O)-Schwingungen von Gips sind bei 1142-1115 cm-1, 670 cm-1 und 602 cm-1 deutlich
sichtbar. Spuren von Nitrat (1384 cm-1) wurden in den Oberflächenproben oft festgestellt. Einige
Banden zeigen organische Zusammensetzungen. Die Banden bei 2964, 2922 und 2854 cm-1 ent-
stehen durch Valenzschwingungen aliphatischer CH2- und CH3-Gruppen, diejenigen von Carbonyl
liegen bei 1729 cm-1.
Putzmörtel der Nationalgalerie (NG-EK)
Die IR-Spektren von Putzmörtel-Proben in der Nationalgalerie zeigen, daß jede Probe verschie-
dene Mineralphasen enthält (Abb. 7.1.2(c)). Sie enthalten im Allgemeinen Quarz (Symmetrischer
Peak bei 1082 cm-1 und Dublett bei 794-778 cm-1 ) und Calcit (bei 1420, 874 und 712 cm-1).
Trotz der verschiedenen Gesteinssorten wurden in den meisten Oberflächenzonen Gips und kleine
Mengen an Nitrat (1384 cm-1) nachgewiesen.
(a) dünne schwarze
Schicht-1
(b) dünne schwarze
Schicht-2
(c) dünne schwarze
Schicht-3
(d) dünne schwarze
Schicht-4
(e) Innenzone von (d)
Abb.7.1.2(c) IR-Spektren von verschiedenen Phasen im Putzmörtel der Nationalgalerie
0
400140024003400
cm-1
Transmittance
(a)
(b)
(c)
3542, 3404
2357
1682,
1620
1382
1143,
1117
693,
668
1799
1425 875
712
460
795,
783
602
(d)
(e)
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 101
Kalkstein vom Pergamon-Museum
Abbildung 7.1.2(d) - die Spektren der Kalksteine vom Pergamon-Museum - zeigt starke infrarote
Absorptionsbanden bei 1434-1410 cm-1 (asymmetrischer Stretch), mittlere Stärke bei 875 und 849
cm-1 (symmetrische Deformationsschwingung) und bei 712 cm-1 (asymmetrischer doppelter
Stretch). Calcit wurde vor allem durch die Bande bei 712 cm-1 qualitativ ermittelt. Auf einen Ge-
halt an Spuren von Quarz weist die Bande bei 798-779 cm-1 durch Anwendung der mikroskopi-
schen Methode hin.
Die IR-Spektren der Oberflächenzonen des Kalksteins zeigen eine Verminderung des Calcits
durch Peaks bei 1432, 872 und 708 cm-1 an. Außerdem sind charakteristische Gips-Banden bei
1685, 1136, 1114, 668 und 598 cm-1 offensichtlich. Bei den stark verwitterten Krusten wurden
geringe Mengen an Quarz und Kaolinit bei 798-779 cm-1, bei 1082 cm-1 und bei 1032 cm-1 nach-
gewiesen. Nitrat (Bande bei 1384 cm-1) wurde häufig in den Oberflächenzonen identifiziert.
Die Banden bei 2964, 2922 und 2854 cm-1 wurden, wie in oben genannten Oberflächenzonen der
Sandsteine, in den Oberflächenzonen beobachtet. Dies weist ebenfalls auf organische Verbindun-
gen hin.
(a) Kruste
(b) dünne schwarze
Schicht
(c) Innenzone
Abb.7.1.2(d) IR Spektren von verschiedenen Phasen in den Kalksteinen vom
Pergamon-Museum
-20
140
400140024003400
cm-1
Transmittance
(a)
(b)
(c)
3542, 3404
3249
2357
1682,
1620
1382
1143,
1117
668,
602
2515 1799 1425
875
712
460
795,
783
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 102
Trotz der geringeren Menge an Tonmineralien wurde in den untersuchten Proben Kaolinit identi-
fiziert. Das Vorhandensein einer amorphen Substanz wurden durch die sehr breiten Banden in ei-
nigen Spektren vermutet. In FT-IR-Spektren konnten Eisenminerale nicht exakt nachgewiesen
werden. Aber in den Spektren erscheinen die Absorptionen der Eisenverbindungen breiter als die
des Quarzes, was auf eine weniger perfekte Kristallisation hindeutet. Eine breite Absorption bei
955 cm-1 läßt auf Ferrihydrit oder ein anderes Eisenoxid/ -oxidhydroxid mit gering ausgebildeter
Struktur schließen. Dieses Ergebnis korrespondiert mit den Ergebnissen der Analyse von Eisen-
verbindungen in Kapitel 6.3.
7.2 Untersuchung der Gefügemerkmale und des Mineralbestands durch
mikroskopisches Verfahren
Die weniger gut löslichen Bestandteile der Verwitterungslösungen wie Si, Al und Fe scheiden sich
bei feucht-humidem Klima an Ort und Stelle oder nach einem Wanderweg der Lösung aus. Es
kommt bereits während des Verwitterungsvorganges zu Mineralneubildungen. Die Korngröße der
Neubildung ist sehr klein. Es handelt sich neben Alumogel vorwiegend um Schichtkristalle, wie
die Al- und Fe-Hydroxide. Durch das bei der Kaolinisierung freiwerdende SiO2 kommt es zum
Teil zu einer Einkieselung des Sandsteins und zum Teil zu einer Einkieselung der rippenbildenden
Partien desselben.
Sehr häufig tritt Kaolinit (Al4(OH)8/Si4O10) als das Zersetzungsprodukt der Feldspäte auf, oft als
Zwickelfüllung. Die aus Kaolinit bestehenden lamellaren Aggregate sind in ihrer Gesamtheit etwas
gebogen. Dies führt zur Annahme, daß der Kaolinit sich mindestens zum großen Teil aus den
Feldspäten gebildet hat. In der Hauptsache handelt es sich um Orthoklas. Der ursprünglich vor-
handene Orthoklas ist in den meisten Fällen weitgehend umgewandelt und zersetzt. Orthoklas gibt
sich durch seine niedrige Lichtbrechung und seine nur einfache Verzwillingung zu erkennen. Er
wird unter der Einwirkung des kohlensäurehaltigen Wassers bei der Verwitterung, aber auch bei
auto- und fremdhydrothermalen Einwirkungen zu Serizit oder Kaolinit umgewandelt. Diese Um-
bildung geht meistens von den Spaltrissen aus, auf denen man die Serizitschüppchen im Dünn-
schliff erkennen kann. Die Größe der Serizite geht bis zu einem unauflösbaren Filz herunter.
2 K[AlSi3O8] + 2H+ + 2HCO3- + H2O à Al2[(OH)4/Si2O5] + 4 SiO2 + 2 K++ 2 HCO3-
(K-Feldspat) (Kaolinit)
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 103
Außer den Feldspäten können Tonminerale aus dem Ab- und Umbau von dioktaedrischen (Musko-
vit, KAl2[(OH)2/Si3AlO10]) wie triokaedrischen (Biotit, K(Mg,Fe2+)3[(OH)2/Si3AlO10]) Glimmern
bei der Verwitterung entstehen. Sowohl die Alaun- und Gipsausblühungen als auch das durch den
Sandstein sickernde Wasser haben pH-Werte zwischen 4 und 5 ergeben.
Glimmer ist in Form silberweißer Schuppen vorhanden. Einige Biotite zeigen Umwandlungser-
scheinungen, die mit einer Ausscheidung von Eisenoxiden randlich und auf Spaltrissen verbunden
sind. Äußerlich bleichen die Biotitblättchen aus und werden gold- bis blaßgelb. Dieser Verwitte-
rungsvorgang bei Biotit wird auch als Baueritisierung bezeichnet.
3 K[AlSi3O8] + 2H+ + 2HCO3- + H2O à KH2Al3(SiO4)3 + K2CO3 + 6SiO2
(K-Feldspat) (Serizit)
Sandsteine enthalten stets accessorische Mineralkörner, die wegen ihrer relativ hohen Dichte ge-
genüber den Hauptgemengteilen als Schwerminerale bezeichnet werden. Auch Schwerminerale,
so resistent sie sich gegenüber Verwitterungseinflüssen im allgemeinen verhalten, werden nicht
selten durch die Porenlösung angegriffen.
Fast das gesamte in der Analyse gefundene Eisen steckt bis auf die geringen Spuren, die im Biotit
eingebaut sind, in Eisenerzen (Hämatit, Limonit, Pyrit, Magnetit), welche vorwiegend als Eisen-
oxid vorliegen dürften und je nach der vorhandenen Menge für den roten Farbton der Gesteine
verantwortlich sind.
Was die Kornbindung anbelangt, so ist im großen und ganzen die für die Sedimente typische mit-
telbare Kornbindung zu verzeichnen, bei der die Mineralkörner durch ein Bindemittel (Zement)
zusammengehalten werden. Teilweise liegt jedoch eine unmittelbare Kornbindung vor, wobei die
einzelnen Gefügekörner ohne erkennbare Bindemittel unmittelbar aneinandergrenzen. Oft sind
aber um die Mineralkörner dünne verkittende Säume vorhanden. Bei der Verteilung des Binde-
mittels kann eine Unterscheidung zwischen einem Kontakt- und einem Porenzement getroffen
werden. Der Porenzement wird vorwiegend aus einem Gemenge von feinstem Quarz und glim-
merartigen Mineralien gebildet.
Die Bestimmung des Mineralbestands und der Gefügemerkmale (Korngröße, Kornform, Struktur)
wurden durch Verbindung makroskopischer mit mikroskopischen Verfahren ermittelt.
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 104
7.2.1 Lichtmikroskopisches Verfahren
Proben wurden an verschiedenen Fassadenteilen entnommen, mit Polarisations- und Auflichtmi-
kroskopie wurden ihr Mineralbestand und ihre Gefügemerkmale ermittelt. Die mikroskopischen
Untersuchungen ergaben folgende Ergebnisse.
7.2.1.1 Weisse Sandsteine von Neuem Museum (NM), Säulenhallen (SH), Bode-Museum
(BM) und Nationalgalerie (NG-ES)
Wie in Abbildung 7.2.1 gezeigt, ist Quarz der Hauptbestandteil in den untersuchten Dünnschliffen
der Proben des Neuen Museums (evtl. Postaer Sandstein). Die Körner sind durchschnittlich fein-
körnig dabei überwiegend subangulare Formen. Die groben Körner (Quarzit), die zwischen die
kleinen gemischt zu sehen sind (Abb.7.2.1(a)), sind aus kleinen Körnern zusammengesetzte poly-
kristallisierte Minerale. Feldspäte treten in diesen untersuchten Proben selten als Orthoklas auf, sie
enthalten nur kleine Maße an Hornblende und selten Schwermineralien (z.B. Zirkon; Zr[SiO4]).
Zwischen den Körnern (am Kornrand) treten Tonmineralien in umgewandelter Form auf. Cha-
rakteristisch für alle Tonminerale ist, daß sie extrem schuppig-feinblättrig sind.[182] Deshalb ist
ein gewöhnliches Polarisationsmikroskop ungeeignet, um ihre Kristallmorphologie zu untersu-
chen. Hierzu sind Elektronenmikroskop und die Röntgenanalyse erforderlich.
Die Bindung beruht auf Kornbindung und kieseligem Kontaktzement. Oft werden die Poren zwi-
schen den Körnern nur teils mit Zement aufgefüllt. Dieses Bindemittel enthält geringe Mengen an
Eisenmineralen, die optisch als opak zu erkennen sind. Diese können an die verwitterte Oberflä-
chenzone wandern und stellen möglicherweise eine Ursache für die charakteristische schwarzfar-
bige Kruste dar.
In der Nähe der Oberflächenzone wurde eine Umwandlung der originalen Mineralien beobachtet.
Vertiefungen der Schwarzzone in die Innenzone von bis zu 0,2 mm wurden im Porenraum beob-
achtet. Diese schwarze Kruste enthält im Allgemeinen extrem kleine Mineralkörner (Abb.
7.2.1(b)). Deshalb ist sie mit Dünnschliff mineralogisch nicht genau untersuchtbar.
Für die Proben der Säulenhallen wurde je nach Proben ein unterschiedliches Dünnschliffbild er-
mittelt. In der einen Probe können die Kornformen als feinkörnig und gut gerundet beschrieben
werden. Hauptbestandteil ist Quarz. Feldspäte treten in dieser Probe kaum auf, Hornblende
((K,Na)0-1(Ca,Na)2(Mg,Fe2+, Fe3+, Al)5[(OH,F)2/(Si,Al)2Si6O22]) wurde ebenfalls selten gefunden.
Relativ geringe Mengen an Tonmineralien sind vorhanden. Es ist durchaus möglich, daß aus der
Verwitterung der kaum vorhandenen Feldspäte und spärlich vorhandenen glimmerähnlichen Sili-
kate (Muskovit/ Serizit) ein geringer Tonmineralanteil entstanden ist.
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 105
In der Nähe der Oberflächenzone sind Vertiefung des schwarzen Belags bis zu 0,1 mm zu erken-
nen. Die oben liegende dünne schwarze Schicht besitzt eine Dicke von bis zu 20 µm und befindet
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Abb.7.2.1 Dünnschliffaufnahmen der untersuchten Proben von Neuem Museum ((a),(b)) und von
den Säulenhallen ((c),(d),(e),(f))
(a) Innenzone (+ Pol): normales Gefüge (polykristallisierte Quarzit)
(b) Nähe der Oberflächenzone (// Pol): Vertiefung der schwarzen Schicht
(c), (d) Gefüge der feldspatfreien Probe; (c) Innenzone (+ Pol.), (d) Nähe der Oberflächenzone
(// Pol): Vertiefung der dünnen schwarzen Schicht bis zur Innenzone
(e), (f) Gefüge der feldspatführenden Probe; (e) Innenzone (+ Pol.), (f) Nähe der Oberflächenzo-
ne (// Pol): Vertiefung der dünnen schwarzen Schicht bis zur Innenzone
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 106
sich in diskontinuierlichen Anstrichen auf der Oberflächenzone. Die nach außen gerichteten
Kornoberflächen weisen nur einen dünnen Überzug auf, während in den nach außen offenen Poren
größere Schichtdicken erreicht werden. Die Quarzkörner sind gerissen, Schmutz ist in Poren und
Risse eingewandert (Abb.7.2.1(c, d)).
Bei anderen Proben sind die meisten Feinkörner angular bis angerundet, es überwiegen angerun-
dete Formen (Abb.7.2.1(e)). Ihre Einstufung ist als relativ schlecht mit lockerer Packung sortiert
(inhomogene Gefüge). Quarz ist der vorherrschende mineralische Bestandteil. Untergeordnet wa-
ren Gesteinsfragmente hauptsächlich in Form des polykristallinen Quarzites. Geringe Mengen an
Feldspäten sind in unterschiedlichen gerundeten Formen vorhanden. Sie sind meist als Orthoklas
bestimmt und von derselben Größe wie der Quarz. Auch untergeordnete Mengen an Mikroklin
sind als kleine Partikel vorhanden, die sich trotz einer nicht allzu deutlichen Gitterverzwillingung
bei einer unter der von Quarz liegenden Lichtbrechung Korn als zu erkennen geben. Der Feld-
spatanteil ist beinahe mehr oder weniger verwittert (einige Anteile sind fast vollständig kaolini-
siert). Der als Verwitterungsprodukt neugebildete Glimmer (Biotit oder Muskovit/Serizit) ist des-
halb nach bevorzugten Richtungen angeordnet, was im Dünnschliffbild oft zu gitterähnlichen
Strukturen führt. Bei Bildung von kaolinitischen Verwitterungsprodukten erscheint der Feldspat
wolkig getrübt und von bräunlicher Farbe. Viele veränderte Tonmineralien (Kaolinit) und geringe
Mengen an Hornblende und Eisenoxiden sind vorhanden. Ein rostfarbener Fleck wurde innerhalb
intra-kristalliner Mikrorisse im Feldspat gefunden.
Bei einer Schwarzfärbung, die mikroskopisch als dichte schwarze Schicht ohne erkennbares Ein-
zelkorngefüge einzustufen ist, pausen sich in der Regel noch die Umrisse der äußeren Kornlage
des Naturwerksteins durch. Die Dicke der schwarzen Schicht kann auf der Oberfläche der einzel-
nen Proben in der Größenordnung bis 100 µm variieren (Abb.7.2.1(f)).
Das Gefüge der Proben des Bode-Museums ist inhomogen und ungleichkörnig und sie zeigen
stark verwitterten Charakter (Abb. 7.2.2(a)). Die Körner sind fein bis grob (überwiegend grob).
Der Modalbestand wird hauptsächlich von Quarzen bestimmt. Diese sind schlecht gerundet oder
kantengerundet. Mit ca.10 % treten relativ frische Feldspäte, meistens in Form von Mikroklin,
auf. Orthoklas ist nur sehr untergeordnet. Die Bindung beruht auf Kornbindung und kieseligem
Kontaktzement. Der Porenraum wird teilweise von opaken Fe-Oxiden gefüllt. Diese bilden bei
Wanderung an die verwitterte Oberfläche auch die charakteristische natürliche rotbräunliche
schwarze Schicht.
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 107
(a) (b)
(c) (d)
Abb.7.2.2 Dünnschliffaufnahmen der Proben vom Bode-Museum ((a),(b)) und des weissen Sand-
steins der Nationalgalerie ((c),(d))
(a) Innenzone (+ Pol): K-Feldspat (Mikroklin), (b) Nähe der Oberflächenzone (// Pol): Vertie-
fung der schwarzen Schicht bis zur Innenzone, (c) Innenzone (+ Pol), (d) Nähe der Oberflächen-
zone (// Pol)
In der Nähe der Kruste bildet sich oft eine geschädigte Zone mit einem stark gelockerten Korn-
gefüge. Vertiefungen der schwarzen Zone wurden mit einer Stärke von bis zu 2,5 mm beobachtet
(Abb.7.2.2(b)). Sie besteht in der Regel aus Fremdpartikeln und Verwitterungsmineralen (z.B.
Gips; CaSO4·2H2O), die sich an der Gesteinsoberfläche anlagern, bzw. dort entstehen. Dabei wird
die Gesteinsoberfläche weitgehend geschlossen und ein Feuchtigkeitstransport sowohl in den
Stein als auch aus dem Stein behindert.
Alle Proben, die den weissen Sandsteinen der Nationalgalerie entnommen wurden, zeigen einen
fast reinen Quarzsandstein mit direkter Kornbindung sowie untergeordnet kieseligem Bindemittel
mit nur sehr kleinen Mengen an Tonmineralen. Die Quarzkörner sind fein bis grob im Bereich von
bis zu 0,6 mm und gut gerundet. Ein untergeordnetes Maß an Fe-Oxiden und Tonmineralen er-
scheint an den Korngrenzen. Die Tonmineralien scheinen dabei frisch und nicht umgewandelt zu
sein. Feldspat ist nicht vorhanden, sehr selten sind Hellglimmerleisten (Muskovit), Hornblende
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 108
und opake Mineralien (vereinzelt Schwermineralkörner) zu finden. In der Nähe der Oberflächezo-
ne wurde eine schwache Umwandlung der Originalmineralien und keine schwarze Schicht beob-
achtet (Abb. 7.2.2(c),(d)).
7.2.1.2 Roter Nebraer Sandstein der Nationalgalerie (NG)
Der Roter Nebraer Sandstein der Nationalgalerie ist im Allgemeinen ein feldspatführender, gering
glimmerführender Quarzsandstein mit kieseligem Bindemittel und tonig-serizitischen bis tonig-
limonitischen Porenfüllungen. Sie unterscheiden sich in etwas wechselnden Korngrößen, färben-
den Pigmenten und in einheitlichem oder schichtig aufgebautem Gefüge.
Den Fassaden der Südostseite entnommene Proben (NG-SE)
In den von der Südostseite der Nationalgalerie stammenden Proben treten außer Quarz als Haupt-
bestandteil folgende Mineralien auf: Feldspat, Tonminerale, Gesteinsfragmente (tonmineralische,
quarzitische), Glimmer. Durch Röntgendiffraktometrie wurde der Feldspat als Orthoklas und Mi-
kroklin, die Tonminerale als Kaolinit identifiziert. Die Gefüge sind ziemlich dicht und gut sortiert,
mit durchschnittlich feinkörnigen und überwiegend gut gerundeten Quarzbestandteilen (im
Durchmesser bis zu 0,4 mm). Der Feldspat in den Proben ist meist unveränderter Orthoklas und
seltener rechteckiger Mikroklin. Wenige tonige Substanzen finden sich meist an den Korngrenzen.
Verwitterte Biotite wurden je nach Probe weniger oder häufiger gefunden (Abb.7.2.3(a),(b)).
Erzkörner (Eisenmineralien) wurden an den meisten Korngrenzen ermittelt. Diese Minerale kön-
nen aufgelöst und zur Oberfläche transportiert werden, wo sie dann durchsickern. Die meisten
Minerale der Oberfläche sind so klein, daß außer dem Charakter der Hauptzone und den Interfe-
renzfarben keine weiteren optischen Daten ermittelbar sind.
Die schwarze Zone tritt auf der nach außen weisenden Seite der äußeren Kornlage auf, ihre Ver-
tiefungen reichen bis unter die Mineralien der Innenzone (Abb.7.2.3(d)).
Das Gefüge der stark verwitterten Probe ist homogen, ihre Körner sind rundlich und völlig isoliert
(Abb.7.2.3(c)). Einzelne Quarzkristalle, die Hauptbestandteile, sind stark rissig und besitzen Grö-
ßen mit einem Durchmesser bis zu 0,7 mm. Die vorhandene Porenräume sind oft mit neugebilde-
tem Quarz ausgefüllt. Die meisten der Körner sind von sehr dünnen Rändern, die aus einem tonig-
serizitischen Mineral bestehen, umgeben. Die Änderung des Feldspats ist offensichtlich. Orthoklas
ist demzufolge als primär vorhandener Feldspat in der Überzahl, Mikroklin tritt nur untergeordnet
auf. Daraus resultierend handelt es sich bei den Mineralumwandlungen fast ausschließlich um Se-
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 109
rizitisierungen und nur untergeordnet um Kaolinisierungen. Dies bestätigt die Rolle chemischer
Verwitterung für die Verschlechterung der Struktur des Steins.
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Abb.7.2.3 Dünnschliffaufnahmen der untersuchten Proben des roten Nebraer Sandsteins
(a), (b), (c), (d) von der Südostseite stammende Proben; (a), (b) Innenzone der normalen Probe (+
Pol), (c) Innenzone der stark verwitterten Probe (// Pol), (d) Nähe der Oberflächenzone (// Pol):
Vertiefung der dünnen schwarzen Schicht bis zur Innenzone
(e), (f) Gefüge der von der Nordwestseite stammenden Proben; (e) Innenzone (+ Pol), (f) Nähe
der Oberflächenzone (// Pol): Vertiefung der dünnen schwarzen Schicht bis zur Innenzone
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 110
Diese Verschlechterung ist das Ergebnis der Transformation der konstituierenden Minerale zu an-
deren Mineralen, die für mechanische Belastung und Auflösung anfälliger waren. Einige Glimmer
(Biotit, Muskovit/ Serizit) zeigen an den Rändern (Korngrenzen) deutliche Anzeichen von Ton-
mineralisierung mit anomalen Interferenzfarben. Kleine Biotitpartikel liegen häufig auf der Feld-
spatoberfläche vor. Auch konnte idiomorpher Zirkon als akzessorisches Mineral in geringen Men-
gen festgestellt werden.
In den schwarzen Oberflächen ist in Reinform vorhandener Gips schwer zu identifizieren, da er
meist nur im gemisch vorliegt. Die Quarzkörner sind gerissen und Fremdpartikel sind in Poren
und Risse eingewandert.
Den Fassaden der Nordwestseite entnommene Proben (NG-NW)
Im Vergleich zu den Proben der Südost-Fassaden bilden die Körner der aus der Nordwestseite
stammenden Proben ein locker gepacktes und heterogenes Gefüge, wobei zwischen ihnen viel
freier Porenraum verbleibt. Die Körner sind fast getrennt oder an einzelnen Kontaktstellen durch
geringe Mengen an Quarz- und Feldspatzement miteinander verbunden. Angrenzend an den Po-
renraum gibt es dünne Überzüge aus Tonmineralen, die auch als Neubildung im Porenraum auf-
treten. Die Eisenminerale treten je nach Proben unterschiedlich auf. Die Risse in den Quarz- und
Feldspatkörnern verlaufen in der Mehrzahl in paralleler Ausrichtung zur Gesteinsoberfläche
(Abb.7.2.3(e)).
In der Oberfläche wurden Mineralumwandlung und schwarzer Schmutz von relativ feinkörniger
Substanz sowie Gips gefunden. Der Gips wächst dabei über die Gesteinsoberfläche hinaus
(Abb.7.2.3(f)).
7.2.1.3 Putzmörtel der Nationalgalerie (NG-EK)
Wie auf dem Foto gesehen werden kann (Abb.7.2.4(a)), ist Quarz in allen untersuchten Putzmör-
tel-Proben das Hauptmineral. Die Gesamtheit aller enthaltenen Substanzen ist heterogen: So sind
Quarzkristalle, grobe Fragmente des fossilführenden Kalksteins, braune, gerundete, eisenreiche
Körner und schwarzfarbige Bindemittel zwischen den Körnern festzustellen (Abb.7.2.4(b)).
7.2.1.4 Muschelkalkstein vom Pergamon-Museum (PM)
Die Kristallstruktur des untersuchten Kalksteins ist ziemlich kompakt. In der wechselhaften
Schichtung, die sich je aus Schichten mit großen oder kleinen Körnern zusammensetzt, befinden
sich zwischen diesen Schichten Risse. Überwiegende Bestandteile sind Schalenreste.
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 111
(a) (b)
Abb.7.2.4 Dünnschliffaufnahmen der Putzmörtel der Nationalgalerie
(a) Innenzone der rotfarbigen Probe (+ Pol), (b) (// Pol)
(a) (b)
Abb.7.2.5 Dünnschliffaufnahmen des Kalksteins vom Pergamon-Museum
(a) Nähe der Oberflächenzone (+ Pol), (b) Vergrößerte Ansicht der (a) (+ Pol)
Internstrukturen sind aufgrund von Wachstum sparitischen Zements nicht mehr erkennbar, sie
sind meist von mikritischen Säumen mit Größe im Millimeter-Bereich (stark variierend, meist 4
bis 8mm) umgeben. Bindemittel ist überwiegend sparitischer Zement, z. T. auch Mikrosparit. Die
Porengröße beträgt im Mittel 0,1 mm (kleine Mesoporen), Zwickelporen sind häufig vorhanden,
ebenfalls Partikellösungs- und Hohlformporen mit recht inhomogener Verteilung (Abb.7.2.5(a)).
In den die schwarze Krusten enthaltenden Proben wurden die Umwandlung der Originalminerale
zu Gips in der Grenze zwischen dem Stein und der schwarzen Krusten gefunden.
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 112
In den die dünne schwarze Schichte enthaltenden Proben ist der Kontakt zwischen dem Stein und
der schwarzen Schicht äußerst klar und übergangslos. Die schwarze Schicht (mit einer unregel-
mäßigen, durchschnittlichen Dicke von 200-500 µm) besteht aus Fremdpartikeln wie anthropoge-
nen Substanzen (z.B. sphärischen Kohlenstoffpartikeln) als auch restlichem Kalkspat, Quarz und
Feldspat. Einen großen Anteil zu den Fremdpartikeln, wie z.B. unregelmäßige Quarzkörner, trägt
häufig der Staub bei. Differenziert nach Partikelgruppen handelt es sich dabei um biologische
(Pflanzenreste, Pollen), anorganische amorphe sowie anorganische kristallisierte Partikel (z.B.
Ruß und opake Partikel sowie rostartige Stäube wie Eisenoxid u.a.). Hinzu kommen schwarze
Partikel mit differierender Gestalt und Größe, deren Ursprung sehr unterschiedlich interpretiert
wird (Abb.7.2.5(b)).
7.2.2 Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen
Das rasterelektronenmikroskopische Verfahren (REM) dient vor allem bei rauhen Oberflächen zur
Beschreibung von Gefügeveränderungen und der verschiedenen auftretenden morphologischen
Erscheinungsformen. Oft werden aufgrund ihrer kleinen Größe einige der Bestandteile vom Be-
reich der optischem Mikroskopie an REM übergeben.
Parallel zum lichtmikroskopischen Verfahren für das Gefüge sind die Proben unter dem Rastere-
lektronenmikroskop, das eine höhere Auflösung erreicht, betrachtet worden. Ein Tiefenprofil von
relativen Konzentrationen wird durch EDX über einer senkrecht auf der Steinoberfläche gemach-
ten Probe erhalten.
7.2.2.1 Weisse Sandsteine von Neuem Museum (NM), Säulenhallen (SH), Bode-Museum
(BM) und Nationalgalerie (NG-ES)
Weisser Sandstein des Neuen Museums (NM)
Auf der REM-Aufnahme ist zu erkennen, daß der zugängliche Porenraum ein System von Platten-
spaltporen darstellt. An den Korngrenzen der Quarzkörner in den Innenzonen wurden umgewan-
delte Tonmineralien nachgewiesen. Im weiteren konnten eine Auflösung des Bindemittels, Mine-
ralneubildungen und Änderung der Porenraumverhältnisse an dieser Probe nicht nachgewiesen
werden (Abb. 7.2.6(a)).
Abbildung 7.2.6(b) zeigt die schwarze Schicht des Neuen Museums, ihre Dicke beträgt zwischen
10 und 70 µm. Die EDX-Analyse der Oberflächenzonen zeigte eine hohe Konzentration von Si
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 113
und eine geringe von Ca und Fe - wahrscheinlich als eine Folge der chemischen Änderung und des
Standortwechsels von Kationen sowie der Ablagerung der Luftstäube auf den Oberflächenberei-
chen.
(a) (b)
(c) (d)
Abb. 7.2.6 REM- Aufnahmen; polierter Querschnitt von einer quarz-zementierten Sandsteinpro-
be des Neuen Museums((a),(b)) und der Säulenhallen ((c),(d))
(a) dünne schwarze Schicht, (b) typisches Gefüge der Innenzone, große Porenräume, Mineralum-
wandlung (Tonmineralien) an der Grenze des Quarzkorns, (c) Korngefüge bei weitergehender
Binde-mittelauflösung. (d) Oberflächenbereich; Mikrongröße sphäroider Partikel, diese an Ca, Si,
Al und O reichen Partikel sind durch Verbrennen von Öl entstanden
Die Proben der Säulenhallen (SH)
Auf Abbildung 7.2.6(c) sind große Porenzwickel zwischen den Mineralkörnern in einer feldspat-
führenden Probe der Säulenhallen zu erkennen. Dieser Porenraum tritt mengenmäßig aufgrund
des mikroskopischen Eindruckes hinter den großen Poren zurück.
Im Porenraum wurden fortgeschrittene Bindemittelauflösung sowie Quarz- und Feldspatkristalle
mit kleiner Größe nachgewiesen. Tonminerale sind auf Feldspatkörnem gewachsen, die als Relikte
in unterschiedlichen Auflösungsstadien (serizitisierte Kalifeldspäte) auftreten.
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 114
In der Nähe der Oberflächenzone wurden korrodierte Kornformen der Feldspäte sowie Quarz
gefunden (die Auflösung und Fracturing wurden im Allgemeinen nicht nur auf der Oberfläche von
Feldspat, sondern auch auf dem geochemisch stabilen Quarz nachgewiesen).
Die EDX-Analyse zeigt, daß im Vergleich zur unverwitterten Zone die Krusten höhere Konzen-
trationen an Fe, P, Ca, K, S und Cl in sich bergen. In den Krusten wurden Gipskristalle und sphä-
rische Partikel von mineralischen Fragmenten und von Schadstoffen gebildet. (Abb.7.2.6(d)).
Proben vom Bode-Museum (BM)
In den Proben vom Bode-Museum können Korngefüge bei weitgehender Bindemittelauslösung
gefunden werden. Nur noch feinkristalline Bindemittelreste (freiliegende Sandkörner durch Auflö-
sung von umliegender Matrix) wurden beobachtet (Abb.7.2.7(a)). Die Feldspate zeigen einen
niedrigen Grad der Verwitterung (Abb.7.2.7(b)). Größere Leerstellen in der durch eine einheitli-
che Korngröße ausgezeichneten Struktur sind durch kleine Kristalle
ausgefüllt. Das Porengerüst von Kristallingesteinen kann man somit auf Luftablagerung zurück-
führen
In der Oberflächenzone wurden mineralische Fragmente, die eindeutig auf Steinsubstrat beruhen,
gefunden (Abb.7.2.7(c)). Sind Krusten mitsamt Gesteinsmaterial vom Untergrund gelöst, so ist
das ursprüngliche Interngefüge des Gesteins in der Regel aufgelöst und durch ein neues ersetzt.
Das ursprüngliche korngestützte Gefüge ist in ein aus Gips bestehendes sekundäres grundmasse-
bzw. bindemittelgestütztes Gefüge übergegangen. Zudem hat sich eine sekundäre Porosität her-
ausgebildet.
Die weissen Sandstein-Proben der Nationalgalerie (NG-ES)
Für die Probe des weissen Sandsteins der Nationalgalerie ergab die SEM-Aufnahme, daß sich die
Breiten der intrakristallinen Mikrorisse bis zu 10 µm innerhalb des Quarzes erstreckten. Anson-
sten wurden keine verwitterungsbedingten Veränderungen im Porengefüge erkannt
(Abb.7.2.7(d)). In den Proben wurden außerdem große Porenzwickel zwischen den Quarz-
körnern charakterisiert.
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 115
(a) (b)
(c) (d)
Abb.7.2.8 REM-Aufnahmen der Proben vom Bode-Museum ((a),(b),(c)) und von weissem Sand-
stein der Nationalgalerie (d).
(a) Typisches Gefüge, (b) Porengefüge bei fort geschrittener Bindemittelauflösung: Mit porösen
Flugaschensphären von verschiedenen Größen und kleinem kugelförmigen Festkörper, stark
überwuchertes, von gut kristallisiertem Kaolinit umgebenes Feldspatkorn, (c) Oberflächenzone,
(d) Kornverband des weissen Sandsteins der Nationalgalerie im unverwitterten Zustand
7.2.2.2 Roter Nebraer Sandstein der Nationalgalerie (NG)
Feldspat und Glimmer zeigen einen hohen Grad der Verwitterung. In vielen Fällen wird der Umriß
des Hauptsilikats nach totalem Gipsersatz immer noch erhalten, während sich andere Mineralien
im mittleren Verwitterungsstadium befinden.
Auf der aufgerauhten Oberfläche des roten Nebraer Sandsteins wurden die häufigsten Ansamm-
lungen des Gipses von einem Netz von Gipskristallen mit Flugaschen gebildet. Abbildung 7.2.8(a)
zeigt, daß wesentliche Anteile an Gips und Kaolinit in der Oberflächenzone nachgewiesen wur-
den. Gips ist in verschiedenen Morphologien (Gestalt) vorhanden.; z.B. als eine Schicht von Len-
ticular-Kristallen, welche in den nach außen gerichteten Bereichen erodiert sind (bei der EDX-
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 116
Analyse wurden starke Peaks von Ca, S und Fe bestimmt) (Abb. 7.2.8(b)). Den Abschluß bilden
Gipsrosetten (Rosenformen) oder sehr große, fast idiomorphe
Kristalle(Abb. 7.2.8(c, e)). Durch parallel zu den nach außen weisenden Kristallflächen angeord-
nete Einschlüsse werden Wachstumsunterbrechungen belegt, außerdem sind mehrere tafelige
Formen (Abb.7.2.8(g)) sowie eine fast völlig sulfatierte Oberfläche (Abb.7.2.8(h)) zu erkennen.
Nach außen folgt eine Zone mit überwiegend dunklen Fremdpartikeln (sphärischen Partikeln: Flu-
gaschen mit atmosphärischem Ursprung), die in Gips eingeschlossen sind. Im Gips eingeschlossen
oder in den Interkristallinporen finden sich Fremdpartikel unterschiedlicher Art, Gestalt und Grö-
ße. Die Flugaschen zeigen die zwei für sie typischen Morphologien und Kompositionen. Der eine
Typ mit poröser Oberfläche enthält sphärische Partikel, die an C, S und Si sowie in gleichhohen
oder niedrigeren Maßen an Al, Ca, Fe und K reich sind, den typischen Nebenprodukten von Fos-
siltreibstoffverbrennungsprozessen (Abb.7.2.8(g,k)). Der andere Typ mit glatter Oberfläche ent-
hält sphärische und pseudosphärische Mikrongrößen-Partikel (durchschnittlich 10 µm in Durch-
messer), die an Si und Al (mit einer Aluminosilikat-Struktur) und in gleichhohem oder niedrige-
rem Maß an K, Fe, Ca, Ti reich sind. Dieser Typus ist vermutlich ursprünglich auf Kohleverbren-
nung zurückzuführen (Abb. 7.2.8(i)). Der sowohl im Porenraum als auch auf der Oberfläche ge-
fundene Gips wirkt als ein Beschleuniger des Verwitterungsprozesses. Die Gipskristallisation
führte zu einer Zerstörung des Korngefüges. Obwohl Luftpartikel an einer Oberfläche haften kön-
nen, können sie immer noch Salze bilden, welche diese Partikel zusammen- und zum Substrat zu
binden helfen. Einige Flugaschen enthalten selbst Gips oder anderes nicht-verbranntes Material,
das aufgelöst und wieder deponiert werden kann, um wiederum Gips durch die Wirkung von at-
mosphärischen Schwefeloxiden zu bilden. Fischer et al. weisen auf die Formung von Gipskristal-
len auf Kohleflugasche hin.[91] Del Mont et al. zeigen, daß in der durch Ölverbrennung entstan-
denen Flugasche Magnesium- und Vanadiumsulfat als die Hauptzusammensetzungen der Kristalle
auftreten.[68] Die hochspezifische Oberfläche der Flugaschepartikel sowie deren mögliche kata-
lytische Wirkung bei der Oxidation von SO2 zu SO3 können zu Reaktionen an der Krustensub-
strat-Abschnittstelle beitragen.[55] Eine weitere Quelle von Salzen ist durch sauren Regen auf-
gelöster Mörtel. Dies ist für Sandsteine besonders wichtig, da sie im Allgemeinen poröser als
Kalksteine sind und nahe der Oberfläche die Salze enthaltende Lösung absorbieren können. Die
Wanderung von Wasser von den Vorderseiten durch die Kruste bis in die Nähe des Oberflächen-
substrats kann ebenfalls Salz liefern.
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 117
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h)
(i) (j) (k)
Abb.7.2.8 Aufgerauhte Oberfläche der Nebraer Sandsteine
(a) Mit mikrongroßer eisen-reicher Komponente bedeckte Oberfläche
(b),(c),(d),(e),(f),(g),(h) unterschiedlich gebildete Gipskristalle
(i) Partikel aus Kohleverbrennung -glatte Kugel
(j), (k) Partikel aus Ölverbrennung - poröse Kugel
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 118
7.2.2.3 Putzmörtel der Nationalgalerie (NG-EK)
Eine Anzahl von Brüchen und Mikrorissen, die parallel zur Steinoberfläche bis zu einer Tiefe von
mehreren mm verlaufen, wurden in den Putzmörtel-Proben der Nationalgalerie gefunden. Zwi-
schen dem Bindemittel (Zement) und den Mineralkörnern wurden größere Risse gefunden.
Die EDX-Analyse zeigt für die Bindemittel starke Peaks von S und Si. Die Mineralkörner zeigten
keine Verwitterungserscheinungen.
(a) (b)
Abb.7.2.9 REM-Aufnahmen der Putzmörtel-Proben
(a) die homogenen, feinkörnigen Quarzkörner und Binde-Materialien
(b) Vergrößerte Ansicht von (a) zeigt die Bindemittel
Die Mikroanalyse auf den Kohlenstoffpartikeln zeigt die Gegenwart von großen Mengen an Kal-
zium und Schwefel, was auf die Gegenwart von Gips hinweist.
Der Überschuß an Schwefel in Bezug auf das stöchiometrische Verhältnis zwischen Kalzium und
Schwefel deutet darauf hin, daß während der Verbrennung von Treibstoff eine Adsorption von
Schwefelverbindungen auf der Oberfläche von Kohlenstoffpartikeln stattfinden kann.
Direkt hinter der Oberfläche verändert sich das Gefüge des Kalksteins infolge von Verwitterungs-
einflüssen kaum.
Für die eingesickerten Proben, die wenig oder keine schwarze Schicht enthalten, zeigt die EDX-
Analyse Ca als Hauptbestandteil und S in geringen Maßen an. Zwar konnte Gips in Kristallform
nicht direkt gefunden werden, doch weisen die beiden letztgenannten Elemente auf die Gegenwart
von Gips hin.
Petrographische und mineralogische Eigenschaften 119
(a) (b)
(c) (d)
Abb.7.2.10 REM-Aufnahmen der Proben vom Pergamon-Museum
(a) Schnittstelle zwischen schwarzer Schicht und Innenzone
(b) Vergrößerte Ansicht von (a) zeigt schwarze Schicht
(c),(d) REM-Photo von Partikeln von Schadstoffen
(c) glatte und poröse Oberflächenpartikel
(d) Vergrößerte Ansicht von (c)
Schlußfolgerungen 120
8. Schlußfolgerungen
Der Hauptuntersuchungsgegenstand der vorliegenden Arbeit lag im Zusammenhang zwischen der
Sorte des Baugesteins und ihrem jeweiligen Verwitterungszustand, d.h. der Frage, wie die unter-
schiedlichen Gesteinseigenschaften bezüglich verschiedener Verwitterungsarten jeweils die Anfäl-
ligkeit der Steinsorten bedingen.
Die aus fünf Gebäuden bestehende Museumsinsel weist dafür besonders geeignete Charakteristika
auf: Sie ist mit verschiedenen Steinsorten (v.a. Natursteine) verbaut und dabei hohen Witterungs-
bedingungen ausgesetzt. Dadurch zeigen sich auf den Gebäudeoberflächen nach - gemessen am
relativ jungen Alter der Gebäude - kurzer Zeit unterschiedliche Verwitterungserscheinungen mit
relativ starken Schädigungen. Darunter sind die Herausbildung einer schwarze Kruste sowie einer
dünnen schwarzen Schicht besonders augenfällig. Bezüglich ihrer Lage am Gebäude sind diese
Schwarzfärbungen in dem vor direktem Regen geschützten Bereich anzutreffen, während die Pro-
ben, die aus dem offenem Regen ausgesetzten Bereich stammen, meist die Orginalfarbe oder diese
in gebleichtem Zustand beibehalten. Für alle Gebäude gelten dabei die fast gleichen mikroklimati-
schen Bedingungen.
Die meisten Arten physikalischer Verwitterung und alle Arten der chemischen Verwitterung sind
an das Vorhandensein von Wasser im Gestein gebunden. Physikalische Faktoren wirken haupt-
sächlich auf das Gesteinsgefüge, dessen Zersetzung durch mechanische Einwirkungen verursacht
wird. Im Vergleich zu den Kalksteinen wurden in den untersuchten Sandsteinen eine höhere Poro-
sität und Wasseraufnahmefähigkeit gezeigt. Innerhalb der untersuchten Sandsteine wiesen die vom
Neuen Museum stammenden Postaer Sandsteine sowie die roten Nebraer Sandsteine, die aus der
Nordwestseite der Nationalgalerie stammen, diese Eigenschaften am ausgeprägtesten auf. Wäh-
rend sich die Steinsorten insgesamt bezüglich Porosität und gesamter Wasseraufnahmefähigkeit
voneinander unterschieden, galt gleichzeitig für alle Gesteine, daß beide Eigenschaften in den je-
weiligen Oberflächenbereichen höher als in den unbeschädigten Proben waren. Die hohe Porosität
kann eine geringe Festigkeit aufweisen, da hier nur eine geringe Zahl von Kornkontakten und
Brückenbildungen vorliegt. Bei porösen Sandsteinen dringt entsprechend viel Feuchtigkeit aus der
Luft und aus dem Boden ein. Die dabei mitgeführten Salze werden im Inneren gelöst, zerstören
dort zum Teil das Bindemittel und werden im Verlauf der Austrocknung an die Gesteinsoberflä-
che transportiert. Dort lagern sie sich infolge der Verdunstung des Wassers ab. Der berechnete
erhöhte Sättigungsgrad in der verwitterten Sandsteinoberflächenzone läßt sich durch die „aufge-
weiteten“ Porenräume gut erklären. Durch die vergrößerten Porenkanäle kann bei normaler Be-
Schlußfolgerungen 121
regnung im Verhältnis mehr Wasser in den Porenraum eindringen, als dies bei einem frischen Ge-
stein möglich ist. Im Fall der untersuchten Proben war die kapillare Wasseraufnahmefähigkeit der
Oberflächenbereiche immer höher als die der unbeschädigten Innenzonen, obwohl sie in einigen
Fällen anfangs durch die dünne schwarze Schicht verringert wurde. Der hohe Wasseraufnahme-
koeffizient w des Oberflächenbereichs weist darauf hin, daß Niederschlagsfeuchte mit den darin
angereicherten Schadstoffen in beträchtlichem Umfang in kurzer Zeit aufgenommen werden kann.
Die Trocknung wird durch die Krusten behindert, so daß hinter den äußeren Krusten mit einem
erhöhten Feuchterückhaltevermögen zu rechnen ist.
Aufgrund der geringeren Saugfähigkeit der untersuchten dichten Kalksteine ist bei ihnen der An-
griff auf die Oberfläche vermutlich nur begrenzt. Der Stein behält zwar im Inneren seine originale
Festigkeit, chemisch gelöste Bestandteile der Oberfläche werden entweder sofort wieder abgewa-
schen oder bilden eine lockere Kruste. Allerdings verliert der Stein allmählich an Substanz, er-
kennbar an mehlenden oder ausgewaschenen Oberflächen, bei dichten Kalken an schwarzen Über-
zügen oder Ablagerungen von Gips und Staub. Im Vergleich zu ihrer geringen Wasseraufnahme-
fähigkeit haben die untersuchten Kalksteinproben einen hohen Sättigungswert gezeigt. Obwohl
die Frostempfindlichkeit von Gesteinen normalerweise mit dem Sättigungsgrad steigt, reichen die
hier festgestellten Werte für Kalkstein nicht aus, um ihn als frostgefährdet bezeichnen zu kön-
nen.[131]
Für alle untersuchten Steinsorten kann vermutet werden: Wird der Porenraum durch andere Ver-
witterungseinflüsse vergrößert, so nimmt auch die Reaktionsfläche für chemische Verwitterung
zu. Hierbei führt sodann anthropogen verursachte Schadgas- und Staubimmission zu einer ver-
stärkten chemischen und Salzverwitterung. Zu nennen sind hier die Hydrolyse mineralischer
Komponenten, Oxidations-, Reduktionsreaktionen, Ionenaustausch, Reaktion mit Kohlendioxid,
Schwefeldioxid und Stickstoffoxiden sowie Lösungsprozesse. In den schwarzen Krusten wurden
starke Konzentrationen von CaO und SO3 nachgewiesen. Der Salzuntersuchung zufolge wurden
diese beiden Oxide meistens als leicht wasserlösliche Salze (hoher Gehalt an Ca2+- und SO42--
Ionen) gebildet, die Ergebnisse der Datenanalyse weisen auf die Möglichkeit von Gipsbildung hin;
bezüglich der Kationen korreliert die Ca2+-Konzentration mit der SO42--Konzentration, was Gips
als wichtigstes Salzmineral bestätigt. Da die unbeschädigten Innenzonen im Fall der untersuchten
Sandsteine geringe Konzentrationen an den o.g. Elementen enthalten, kann für diese Steinsorte
vermutet werden, daß die Elemente nicht durch Mineralienumwandlung entstanden sind, sondern
hauptsächlich durch äußere Umwelteinflüsse angereichert wurden. Bezüglich der Oberflächen der
Kalksteine ist der dort identifizierte hohe Ca-Gehalt - neben dem Beitrag des Antrages aus der
Schlußfolgerungen 122
Außenluft - hauptsächlich auf die Reaktion vom CaCO3 im Stein mit Sulfat sowie mit SO2 zurück-
zuführen. Die hier vorgefundenen Schwefelanteile sind generell auf Außeneinflüsse zurückzufüh-
ren.
Der höhere Gehalt an Al2O3 in der Sandsteinoberfläche sowie die mineralogischen Unter-
suchungsergebnisse weisen darauf hin, daß sich ein Teil der Silikatminerale in Tonminerale um-
gewandelt hat und/oder, daß sich Stäube aus der Luft abgelagert haben. Der höhere Gehalt an
SiO2 in der Oberfläche des Kalksteins kann auf quarzhaltige Stäube zurückgeführt werden. Der
höhere Gehalt an Fe2O3, P2O5 und TiO2 ist in den meisten schwarzen Zonen aller Steinsorten auf-
fällig. Diesbezüglich ist festzuhalten, daß Minerale, die Eisen, Mangan oder Schwefel in einer
niedrigen Oxidationsstufe enthalten, durch Einwirkung sauerstoffhaltigen Wassers höhere Oxida-
tionsstufen dieser Elemente entwickeln.
Die aus der Nationalgalerie stammende stark verwitterte Kruste dürfte hauptsächlich auf den um-
fangreichen (Kriegs-) Schäden, Rissbildungen und grösseren Ausbrüchen an den Sandsteinen und
einem dadurch verursachten Feuchtigkeitseintrag beruhen, der als für die auftretenden Salze ur-
sächlich angesehen werden kann. Die stellenweise umfangreichen Mörtelergänzungen können zu-
dem eine Quelle zur Bildung von Salzen darstellen. Die dabei gelösten Ionen werden nach außen
geführt und verdichten die Steinoberfläche. Was hier im weiteren hindurchdringt, wird als Außen-
kruste abgelagert.
All diese chemischen Prozesse erzeugen die chemische Zersetzung der Körner und auch der Bin-
demittel.
Einen weiteren Gegenstand dieser Arbeit stellten die Schwarzfärbungen der Baugesteine dar. An
Gebäuden auftretende Krusten sind in den Städten durch Ruß und Staubeinlagerungen oft grau-
schwarz bis schwarz gefärbt. Darüber hinaus überwiegen in der Mehrzahl der Krusten deutlich
schwarze Fremdpartikel unterschiedlichster Herkunft. Die durchgeführten Untersuchungen bele-
gen, daß elementarer Kohlenstoff, einige organische Anteile und Eisenminerale, die sich während
der Verwitterungsvorgänge auf der Oberfläche anreichern, die entscheidende Ursache der
Schwarzfärbung sind. Die Kohlenstoffgehalte sind dabei eher gering. Mikroorganismen (Moose,
Flechten, Algen, Pilze) siedeln sich bevorzugt auf ständig durchfeuchteten Bauteilen an. Obwohl
typisch biogene Moleküle nicht gefunden wurden, ist zu erwähnen, daß wir in der Kruste eine An-
zahl von Verbindungen gefunden haben, die indirekt biogenen Quellen zugeordnet werden können
(wie Kohlenwasserstoff n-C29 : pflanzliches Wachs z.B. in Moosen und n-C12-C19 : Mikroorga-
nismen und pflanzliches Wachs). Desweiteren ist auch Eisen für die Dunkelfärbung der Krusten
mitverantwortlich. Nach den vorgenommenen mössbauerspektroskopischen Untersuchungen han-
Schlußfolgerungen 123
delt sich es um ein Gemisch aus Eisenoxiden und Eisenoxidhydroxiden, die weitestgehend amorph
sind. Die hohe Anreicherung von Eisen in den Krusten kann nicht durch ihre Mobilisierung aus
dem verbauten Gestein allein erklärt werden, vielmehr stellt sie einen Beleg für den großen Ein-
fluß von Luftschadstoffen auf die Krustenbildung dar. Durch den Zufluß sauerstoffhaltiger Nie-
derschlags- und Grundwässer oxidieren die Kationen mancher in den Natursteinen vorhandener
Minerale. Wesentlich ist die Oxidation von zweiwertigem zu dreiwertigem Eisen, z.B. bei Eisen-
oxiden, Eisensulfiden, Eisencarbonaten. Diese dreiwertigen Eisenverbindungen sind braun gefärbt
und erscheinen im Schadensbild an den Außenflächen der Bauwerke als häßliche Verfärbungen.
Jedoch können Verfärbungen schon durch sehr geringe Konzentrationen hervorgerufen werden.
Die in der Literatur vorhandenen Angaben bezüglich der Herkunft der an der Museumsinsel ver-
wendeten Sandsteine (Schlesien, Sachsen) konnten durch petrographische Analysen bestätigt
werden. Die im Tiefenprofil entnommenen Dünnschliffe wurden hinsichtlich ihres Mineralbestan-
des, ihres Porenanteils und des Zustandes der Feldspäte ausgezählt. In allen unverwitterten Zonen
der weissen Sandsteinproben wurde Quarz als Hauptmineral, sowie in einigen Proben Spuren von
Feldspäten und Tonmineralien gefunden. In der verwitterten Zone wurde Quarz als ursprüngliches
Hauptmineral und Gips in der Eigenschaft als Neubildung ermittelt. Die Postaer Sandsteine wie-
sen im Vergleich zu den anderen untersuchten Sandsteinarten einen geringen Gehalt an Nebenmi-
neralen auf. Der Anteil an löslichen Elementen war in der Regel außerordentlich gering. Als Ursa-
che ist hierzu deren direkte oder indirekte Bindung möglich. Bei der indirekten Bindung werden
die Körner durch eine Matrix verbunden, die als Bindemittel kieselig oder tonig sein kann. Bei der
direkten Bindung sind die Körner miteinander verwachsen. Dazwischen gibt es zahlreiche Misch-
formen. In Proben von der Nationalgalerie wurden runde Körner und verwitterte Glimmer gefun-
den. In der verwitterte Zone der Säulenhallenproben fanden sich viele Tonminerale. Diese Tonmi-
neralien liegen in Form von dioktaedrischen und trioktaedrischen Chloriten und Kaolinit vor. In
der verwitterten Zone aller Proben lag ein erhöhter Grobporenanteil vor. Der Wünschelburger
Sandstein des Bode-Museums besitzt ein inhomogenes Gefüge mit relativ grobem Korn. Im stark
verwitterten Nebraer Sandstein wurden deutliche Unterschiede zwischen Partikeln und Matrix be-
obachtet. Zwischen ihnen sind viele große Poren zu erkennen. Der Rand des Korns ist unregelmä-
ßig, dort wurden Al, Si, S und Ca identifiziert. Die Anzahl der umgewandelten und abgelösten
Feldspäte in den oberflächennahen Zonen weist auf eine intensivere Anlösung und Umwandlung
hin. Eine Abnahme des Feldspatgehaltes im verwitterten, oberflächennahen Bereich im Vergleich
zu wenig verwitterten, tieferen Bereichen kann auf die Weglösung und Umwandlung der Feld-
späte am Bauwerk zurückgeführt werden. Mittels REM konnte ein Anlösungsgefüge von Tonmi-
Schlußfolgerungen 124
neralen aufgezeigt werden. Fränkischer Muschelkalkstein besteht aus geäderten Schichten zwi-
schen großen und kleinen Körnern. In seinem Gefüge wurden Risse gefunden. Die verwitterte
Zone des Muschelkalksteins enthält Gips, der durch Umwandlung von originalem Kalkstein ent-
standen ist. In der inneren Zone der Kalksteinproben wurde Calcit als Hauptmineral und Quarz als
Nebenbestandteil erfaßt. In ihren äußeren Zonen sind Calcit und außerdem Gips als Hauptmine-
rale sowie Quarz als Nebenbestandteil analysiert worden. Ein hoher Calcitanteil wurde dabei in
Gips umgewandelt.
In den verwitterten Zonen aller Steinsorten wurde Mineralumwandlung und eine Vertiefung der
äußeren in die innere Zone beobachtet. Die Krusten weisen eine Stärke von 20 bis 500 µm auf.
Unterhalb der erhaltenen Krusten finden sich gipsgefüllte Poren bis in Tiefen von 400 µm. Die
Krusten bestehen zum größten Teil aus Gips, der durch Ruß und Staub vor allem in den Städten
grau oder auch schwarz gefärbt ist. Meistens handelt es sich bei den organischen Materialien um
Öl und um verwitterte runde Partikel. Die witterungsexponierten Profilrundungen sind hingegen
frei von Gipskrusten. In diesen Partien befinden sich auch keine Schwefelanreicherungen im Ge-
füge.
Die Veränderungen und Schäden an den Bausteinen sind das Ergebnis einer komplexen Kombina-
tion der verschiedenen Verwitterungsarten. Durch ihre nachgewiesenen Eigenschaften kann die
dünne schwarze Schicht der Oberfläche als eine Vorform der schwarzen Krusten angesehen wer-
den.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit können als Basis für anstehende Renovierungsarbeiten an
den Gebäuden der Berliner Museumsinsel dienen. Hierbei ließen sich aus den Resultaten folgende
Anregungen für den Erhalt der historischen Bausubstanz ableiten:
Eine eventuell erforderliche Reinigung sollte möglichst schonend durchgeführt werden. Als Ersatz
für nicht mehr wiederherstellbare Steine sollten geeignete, möglichst verwitterungsbeständige
Bausteine ausgewählt und eingesetzt werden. Darauffolgend müßte ein weiterer Feuchtigkeitszu-
tritt in das Gestein verhindert werden. Die zu verwendenden Mörtel müßten in Porosität und
Durchlässigkeit dem Naturstein gleichen sowie sich gleichmäßig in den Fugen verfüllen lassen.
Diese genannten Anforderungen sollten schließlich bei der Feststellung und Entwicklung geeig-
neter Steinschutz- und Konservierungsmittel Berücksichtigung finden.
Anhang 125
Anhangsübersicht
AT-1. Probenahme-Methode und Stammort
AT-2(a). Hauptelemente in den untersuchten Proben (Gew.%)
AT-2(b). Spurenelemente (ppm) und Glühverlustwerte (Gew.%) in den untersuchten Proben
AT-3(a). Korrelationsmatrix der Hauptelemente und Spurenelemente in den Oberflächenzonen
der Sandsteine
AT-3(b). Korrelationsmatrix der Hauptelemente und Spurenelemente in den Krusten und
dünnen schwarzen Schichten des Kalksteins
AT-4(a). Auflistung der bei einer Messung verwendeten Anregungsbedingungen und ihrer
Eigenschaften
AT-4(b). Kalibrationsbereiche und Meßfehler der mittels RFA erfaßten Komponenten -
bei “St. Line” wurde eine Gerade als Kalibrationsfunktion verwendet, bei
“Intensity” erfolgte eine Korrekturrechnung nach Lucas-Tooth.
AT-5. Die wasserlöslichen Salze in den untersuchten Proben (Gew.%)
AT-6. Die nachgewiesenen organischen Verbindungen in den untersuchten Proben
Anhang 126
AT-1. Probenahme-Methode und Stammort
Probe-Nr Stammort Probenahme Schadensformen Farbe1
OF Abkratzen Schwarzkrusten,
TBL Bk (2,5Y 2/0)
d.Gy, vd.Gy (2,5Y 4/0, 3/0)
UOF Abkratzen Verfärbungen, Absan-
den d. ye Bn (10YR 3/4)
1NM-S
IN Brechen Wh (10YR 8/2)
OF Abkratzen Verfärbung d.gy Bn (10YR 4/2)
2NM-S IN Brechen Wh (10YR 8/2),Ye (10YR 7/6)
3NM-F,
OL OF Brechen Absanden Wh (10YR 8/1),Ye (10YR 7/8)
OF Abkratzen Absanden l.Gy (10YR 6/1)
4NM-F,
OL IN Brechen Wh (10YR 8/1)
OF Abkratzen Absanden Ye (10YR 8/6)
5NM-F,
OL IN Brechen Ye (10YR 8/6)
OF Abkratzen Absanden p.Ye (2,5Y 8/4),vp.Bn (10YR 7/4)
6NM-F, OL IN Brechen p.Ye (2,5Y 8/4),vp.Bn (10YR 7/4)
OF Abkratzen TBL vd.Gy (2,5Y 3/0)
7SH-L IN Brechen l. Absanden Wh (10YR 8/1)
OF Abkratzen TBL, Schwarzkrusten vd.Gy (7,5YR 3/0)
8SH-S IN Brechen l. Absanden Wh (10YR 8/1)
OF Abkratzen TBL vd. Gy (7,5YR 3/0)
9SH-S IN Brechen l. Absanden p.Ye (2,5Y 8/4),vp.Bn (10YR 7/4)
OF Abkratzen Schwarzkrusten, TBL
Absanden vd. Gy (10YR 3/0)
10 BM IN Brechen Absanden vp. Bn (10YR 7/3)
OF Abkratzen Schwarzkrusten vd.Gy (7,5YR 3/0)
11 NG-SE IN Brechen Absanden gy Bn (7,5YR 5/6)
OF Abkratzen Schwarzkrusten,
Schuppen Bk (2,5Y 2/0)
12 NG-SE IN Brechen Absanden gy Bn (7,5YR 5/6)
OF Abkratzen TBL, Schwarzkrusten vd. Gy (2,5Y 3/0)
UOF Abkratzen Verfärbungen d.Bn (10YR 3/3)
13 NG-SE IN Brechen pk Wh (5YR 8/2)
OF Abkratzen TBL, Schwarzkrusten
Rißbildung vd. Gy (7,5YR 3/0)
UOF Abkratzen Verfärbungen pk Gy (7,5YR 6/2)
14 NG-SE
IN Brechen pk Wh (7,5YR 8/2),pk Wh (5YR 8/2)
OF Abkratzen TBL, Schwarzkrusten
Rißbildung vd. Gy (7,5YR 3/0)
UOF Abkratzen Verfärbungen Bn (7,5YR 5/2)
15 NG-SE
IN Brechen Pk (5YR 7/3)
OF Abkratzen TBL, Schwarzkrusten
Rißbildung vd. Gy (7,5YR 3/0)
UOF Abkratzen Verfärbungen Bn (7,5YR 5/2)
16 NG-SE
IN Brechen Pk (5YR 7/4),pk Wh (5YR 8/2)
OF Abkratzen Schwarzkrusten,
Absanden,
Ausblühung
vd. Gy (2,5Y 3/0, )
Pk (7,5YR 8/4)
17 NG-SE
IN Brechen Pk (7,5YR 7/4)
OF Abkratzen TBL, Schwarzkrusten
Rißbildung vd. Gy (7,5YR 3/0)
UOF Abkratzen Verfärbungen Pk (7,5YR 8/4)
18 NG-SE
IN Brechen Pk (7,5YR 8/4)
OF Abkratzen TBL, Schwarzkrusten d. Gy (7,5YR 4/0)
UOF Abkratzen Verfärbungen Bn (7,5YR 5/2,5/3)19 NG-SE IN Brechen Pk (7,5YR 8/2,8/3)
OF Abkratzen TBL,Verfärbung,
Absanden p.Bn (10YR 6/3)
20 NG-SE IN Brechen Pk (7,5YR 8/2)
OF Abkratzen TBL, Absanden Gy (7,5YR 6/0)
21 NG-SE IN Brechen Pk (7,5YR 8/4)
OF Abkratzen Schwarzkrusten,
Absanden Bn (7,5YR 5/2)
22 NG-SE IN Brechen l.Bn (7,5YR 6/4)
OF Abkratzen TBL, Schwarzkrusten
Absanden pk Gy (7,5YR 6/2)
23 NG-SE IN Brechen Pk (7,5YR 7/4)
Anhang 127
Probe-Nr. Stammort Probenahme Schadensformen Farbe1
OF Abkratzen Schuppen,
Schwarzkrusten, TBL vd. Gy (10YR 3/1)
UOF Abkratzen Verfärbungen gy Bn (10YR 5/2)
24 NG-NW
IN Brechen rd Ye (5YR 7/8)
OF Abkratzen Schuppen,
Schwarzkrusten, TBL vd. Gy (10YR 3/1)
UOF Abkratzen Verfärbungen gy Bn (10YR 5/2)
25 NG-NW
IN Brechen rd Ye (5YR 7/6)
OF Abkratzen TBL
Rißbildung vd. Gy (7,5YR 4/0)
UOF Abkratzen Verfärbungen rd Gy (5YR 5/2)
26 NG-NW
IN Brechen rd Ye (5YR 7/8)
OF Abkratzen TBL vd. Gy (7,5YR 4/0)
UOF Abkratzen Verfärbungen rd Gy (5YR 5/2)27 NG-NW IN Brechen l.Bn (7,5YR 6/4)
OF Abkratzen TBL vd. Gy (7,5YR 4/0)
UOF Abkratzen Verfärbungen pk Gy (7,5YR 6/2)28 NG-NW IN Brechen Pk (5YR 7/4)
OF Abkratzen I. Schwarzkrusten, Ab-
sanden, vd. Gy (7,5YR 4/0,3/0)
29 NG-NW IN Brechen Pk (5YR 7/4))
OF Abkratzen l. Absanden Pk (5YR 7/3), rd Ye (7,5YR 8/6)
30 NG-NW, OL IN Brechen Pk (5YR 7/3), rd Ye (7,5YR 8/6)
OF Abkratzen l. Absanden Pk (5YR 7/4), Pk (7,5YR 8/4)
31 NG-NW, OL IN Brechen Pk (5YR 7/4),Pk (7,5YR 8/4)
OF Abkratzen l. Absanden pk Wh (5YR 8/2)
32 NG-NW, OL IN Brechen pk Wh (5YR 8/2)
OF Abkratzen TBL,Schwarzkrusten
Absanden d. Gy (10YR 4/1)
UOF Abkratzen Verfärbungen Gy (10YR 6/1)
33 NG-NW
IN Brechen vp. Bn (10YR 8/3)
OF Abkratzen Schwarzpartikel in Po-
renraum Wh (10YR 8/2)
UOF Abkratzen Verfärbung vp. Bn (10YR 8/4)
34 NG-ES
IN Brechen vp. Bn (10YR 8/3)
OF Abkratzen Schwarzpartikel in Po-
renraum Gy (7,5YR 5/0)
UOF Abkratzen Verfärbung vp. Bn (10YR 8/4)
35 NG-ES
IN Brechen Wh (10YR 8/2)
OF Abkratzen Schwarzpartikel in Po-
renraum Gy (7,5YR 6/0)
UOF Abkratzen Verfärbung vp. Bn (10YR 8/4)
36 NG-ES
IN Brechen Wh (10YR 8/1), vp. Bn (10YR 7/4)
OF Abkratzen Schwarzpartikel in Po-
renraum Gy (7,5YR 5/0)
UOF Abkratzen Verfärbung vp. Bn (10YR 8/4)
37 NG-ES
IN Brechen Wh (10YR 8/1,8/2)
OF Abkratzen L.schwarze Verfärbung l. Gy (7,5YR 7/0)
UOF Abkratzen Verfärbung vp. Bn (10YR 8/4)38 NG-ES IN Brechen l.Gy (10YR 7/2), Ye (10YR 7/6)
OF Abkratzen L.schwarze Verfärbung l. Gy (7,5YR 7/0)
UOF Abkratzen Verfärbung vp. Bn (10YR 8/4)39 NG-ES IN Brechen l.Gy (10YR 7/2), Ye (10YR 7/6)
OF Abkratzen L.schwarze Verfärbung Gy (7,5YR 5/0)
UOF Abkratzen Verfärbung vp. Bn (10YR 8/4)40 NG-ES IN Brechen vp. Bn (10YR 7/3,7/4)
OF Abkratzen L.schwarze Verfärbung Gy (7,5YR 5/0)
UOF Abkratzen Verfärbung vp. Bn (10YR 8/4)41 NG-ES IN Brechen Wh (10YR 8/1,8/2)
OF Abkratzen L.schwarze Verfärbung Gy (7,5YR 6/0
UOF Abkratzen Verfärbung vp. Bn (10YR 8/4)42 NG-ES IN Brechen Wh (10YR, 8/2), Ye (10YR 7/6)
OF Abkratzen Schwarzkrusten, Bk (2,5Y 2/0)
43 NG-EK IN Brechen rd Bn (2,5YR 5/4)
OF Abkratzen Schwarzkrusten, Gy (5YR 6/1)
44 NG-EK IN Brechen pk Gy (5YR 7/2)
Anhang 128
Probe-Nr. Stammort Probenahme Schadensformen Farbe1
OF Abkratzen TBL, Verfärbung d.Gy (7,5YR 5/0)
45 NG-EK IN Brechen d.Gy (7,5YR 4/0)
OF Abkratzen TBL,Verfärbung d.Gy (7,5YR 5/0)
46 NG-EK IN Brechen d.Gy (7,5YR 4/0)
OF Abkratzen TBL Bn (7,5YR 5/2)
47 NG-EK IN Brechen Wh (5YR 8/1)
OF Abkratzen Schwarzkrusten, TBL Gy (10YR 5/1)
48 NG-EK IN Brechen Wh (10YR 8/1)
OF Abkratzen TBL l.Gy (10YR 7/1)
49 NG-EK IN Brechen Wh (10YR 8/1)
OF Abkratzen TBL l.Gy (10YR 7/1)
50 NG-EK IN Brechen Wh (10YR 8/1)
OF Abkratzen Schwarzkrusten, TBL vd.Gy (7,5YR 3/0)
51 NG-EK IN Brechen Wh (7,5YR 8/0)
52 PM-SE OF Abkratzen Schuppen,
Schwarzkrusten vd.Gy (10YR 3/1)
OF Abkratzen Schuppen,
Schwarzkrusten vd. Gy (2,5Y 3/0)
53 PM-SE
IN Brechen Verfärbung Wh (2,5Y 8/2)
OF Abkratzen Schuppen,
Schwarzkrusten vd. Gy (2,5Y 3/0)
54 PM-SE
IN Brechen Verfärbung Wh (2,5Y 8/2),p.Ye (2,5Y 7/4)
OF Abkratzen Schuppen,
Schwarzkrusten d. Gy (5Y 4/1)
55 PM-SE
IN Brechen Verfärbung l. Gy (2,5Y 6/2)
OF Abkratzen Schuppen,
Schwarzkrusten gy Bn (2,5Y 5/2)
56 PM-SE
IN Brechen Verfärbung Wh (10YR 8/1), l. Gy (10YR 7/1)
OF Abkratzen Verfärbung(weiß) Wh (10YR 8/1),d. gy Bn (10YR 4/2)
57 PM-N,
OL IN Brechen Gy (2,5Y 6/0)
OF Abkratzen Schwarzkrusten vd. gy Bn (2,5Y 3/2)
58 PM-N IN Brechen Wh (10YR 8/1)
OF Abkratzen Schwarzkrusten Gy (10YR 5/1)
UOF Abkratzen Verfärbung(dunkel BN) d. gy Bn(2,5Y 4/2)59 PM-N IN Brechen Gy (2,5Y 6/0)
OF Abkratzen Verfärbung(weiß) Wh (10YR 8/1), Gy (10YR 6/1)
60 PM-N, OL IN Brechen Gy (10YR 6/1), Ye (10YR 7/6)
OF Abkratzen Schwarzkrusten d. gy Bn (2,5Y 4/2)
61 PM-N IN Brechen l.Gy (10YR 6/1),Ye (10YR 7/6)
1 Munsell, A.H.; Soil Color Charts, Macbeth Division of Kollmorgen Corporation, Baltimore 1975 [189]
<Abkürzung>
NM: Neues Museum, SH: Säulenhallen an der Nationalgalerie, BM: Bode Museum,
NG: Nationalgalerie, PM: Pergamon Museum
S : Säule, F: Fensterumramungen, L: Gegander
NW : Nordwestseite, SE: Südostseite, N : Nord
ES : Ergänzte Sandsteine, EK: Ergänzte Putzmörte
OF : Oberfläche, IN : Innenzone, UOF : untere Bereiche der OF
TBL : dünne schwarze Oberfläche, OL : eingesickerte Oberfläche l.: leicht
Farbe
l. : light, d.: dark , vd. : very dark, p. : pale, vp. : very pale
Bk: Black, Gy: Gray, Bn:Brown, Wh: White, Ye: Yellow, Pk: Pink
ye : yellowish, gy: grayish, rd: redish, pk: pinkish
Anhang 129
AT-2(a). Hauptelemente in den untersuchten Proben (Gew.%)
Na2OMgO Al2O3SiO2P2O5SO3CaO K2OTiO2MnO Fe2O3
0,11
0,61
1,88
80,47
0,00
6,24
2,82
0,27
0,09
0,02
0,35
S. Kruste 0,08 0,59 1,67 79,89 0,00 6,11 3,04 0,24 0,08 0,03 0,38
0,09 0,08 1,48 95,90 0,06 0,25 0,20 0,25 0,09 0,01 0,28
TBL 0,09 0,05 1,42 95,53 0,06 0,31 0,23 0,29 0,08 0,00 0,25
0,00 0,01 0,87 97,69 0,05 0,03 0,07 0,20 0,08 0,01 0,26
0,00 0,02 0,77 96,97 0,03 0,04 0,18 0,26 0,07 0,01 0,17
0,00 0,03 1,83 96,10 0,04 0,05 0,06 0,12 0,02 0,01 0,29
OL
0,00 0,00 2,10 96,73 0,02 0,03 0,06 0,12 0,01 0,01 0,31
0,00 0,05 1,00 97,57 0,01 0,03 0,12 0,08 0,03 0,00 0,13
0,00 0,02 1,07 97,08 0,02 0,03 0,07 0,01 0,02 0,00 0,12
0,00 0,01 1,13 97,58 0,01 0,03 0,07 0,01 0,02 0,01 0,11
Neues
Museum
(NM)
IN 0,00 0,00 1,08 97,61 0,03 0,02 0,13 0,03 0,04 0,01 0,13
0,00 0,11 2,11 86,03 0,08 3,72 1,87 0,18 0,06 0,01 0,41
TBL,
S.Kruste 0,00 0,08 5,04 81,51 0,03 5,02 2,88 0,96 0,11 0,01 0,43
0,00 0,09 1,15 96,55 0,02 0,58 0,23 0,03 0,05 0,00 0,07
Säulen –
hallen
(SH) IN 0,00 0,06 2,06 93,34 0,02 0,66 0,31 0,93 0,11 0,01 0,14
S.Kruste 0,00 0,13 4,03 86,30 0,05 3,04 1,78 1,91 0,05 0,01 0,42Bode-
Museum IN 0,02 0,07 2,27 93,39 0,03 0,51 0,26 2,05 0,04 0,01 0,26
0,15
0,23
2,65
47,63
0,10
23,79
15,91
1,06
0,11
0,020
1,97
S.Krusten 0,57 0,45 3,45 42,93 0,03 20,91 13,42 2,54 0,15 0,054 1,57
0,00 0,13 3,82 87,39 0,14 2,30 1,59 2,52 0,09 0,014 0,83
0,00 0,15 4,15 75,63 0,00 3,60 0,32 1,84 0,23 0,007 0,54
0,25 0,35 3,93 85,20 0,01 0,47 0,21 3,77 0,14 0,002 0,33
0,32 0,10 5,16 87,13 0,03 0,39 0,18 3,78 0,12 0,004 0,22
0,44 0,12 3,57 87,99 0,04 0,46 0,19 2,99 0,13 0,005 0,20
0,37 0,04 5,76 82,27 0,08 1,18 0,51 3,30 0,16 0,006 0,54
0,00 0,08 5,28 89,66 0,05 0,30 0,18 3,19 0,09 0,005 0,20
0,10 0,11 4,58 87,89 0,05 0,62 0,43 3,65 0,10 0,005 0,29
0,00 0,15 5,43 85,00 0,14 1,84 1,27 4,01 0,09 0,008 0,29
0,00 0,30 3,29 83,80 0,27 4,18 2,12 4,05 0,08 0,010 0,29
TBL
0,00 0,10 3,46 89,62 0,04 1,48 0,75 2,58 0,09 0,011 0,34
0,00 0,08 2,43 91,81 0,06 0,29 0,21 2,72 0,08 0,012 0,61
0,00 0,10 3,90 90,96 0,06 0,21 0,13 3,31 0,08 0,003 0,25
0,05 0,13 4,42 89,26 0,08 0,16 0,13 3,94 0,18 0,003 0,18
0,00 0,02 5,22 88,12 0,05 0,15 0,15 4,10 0,10 0,004 0,15
0,33 0,04 5,67 88,04 0,05 0,19 0,14 3,98 0,13 0,001 0,18
0,19 0,10 4,35 87,69 0,03 0,69 0,48 3,43 0,16 0,006 0,17
0,00 0,09 6,56 85,46 0,08 0,27 0,21 4,54 0,14 0,004 0,20
0,20 0,03 4,53 89,44 0,04 0,18 0,13 3,99 0,16 0,005 0,17
0,00 0,12 3,95 90,04 0,05 0,34 0,26 3,46 0,06 0,005 0,22
0,00 0,13 6,07 86,03 0,09 0,61 0,38 4,70 0,07 0,006 0,26
0,00 0,10 3,98 88,96 0,03 0,52 0,34 4,35 0,08 0,004 0,20
UOF
0,00 0,10 3,50 90,76 0,03 0,26 0,22 3,13 0,06 0,004 0,22
0,00 0,12 4,88 89,56 0,04 0,19 0,10 3,68 0,10 0,003 0,14
0,00 0,11 5,11 89,40 0,09 0,14 0,11 4,03 0,11 0,005 0,15
0,13 0,03 5,47 88,35 0,06 0,14 0,11 4,53 0,11 0,002 0,16
0,12 0,08 5,43 88,06 0,06 0,13 0,12 4,27 0,12 0,001 0,17
0,00 0,09 5,94 87,88 0,06 0,18 0,10 4,18 0,10 0,003 0,18
National-
galerie
roter
Nebraer
Sandstein
In
Südost
Richtung
(NG-SE) IN
0,00 0,11 5,83 88,31 0,05 0,18 0,10 4,37 0,10 0,003 0,15
Anhang 130
Na2OMgO Al2O3SiO2P2O5SO3CaO K2OTiO2MnO Fe2O3
0,00
0,16
2,47
52,19
0,25
20,96
14,33
1,65
0,10
0,021
2,73
S.Krusten 0,00 0,25 2,37 50,51 0,27 22,55 15,71 1,16 0,16 0,091 2,52
0,00 0,16 6,47 85,19 0,15 0,43 0,30 3,72 0,10 0,010 0,42
0,00 0,11 5,66 85,83 0,12 0,86 0,55 3,94 0,11 0,005 0,41
0,00 0,09 4,87 87,15 0,10 0,35 0,23 3,84 0,08 0,006 0,62
0,00 0,06 3,43 91,29 0,07 0,33 0,25 2,97 0,04 0,001 0,29
0,00 0,07 4,12 90,67 0,07 0,44 0,20 3,12 0,06 0,003 0,36
0,00 0,07 4,07 79,80 0,13 3,94 2,58 4,56 0,06 0,004 0,34
TBL
0,00 0,18 6,26 86,55 0,16 0,26 0,18 3,76 0,13 0,007 0,70
0,00 0,08 5,32 89,03 0,09 0,31 0,24 3,76 0,07 0,006 0,22
0,00 0,15 5,57 88,77 0,09 0,28 0,21 3,99 0,11 0,007 0,30
OL 0,00 0,10 3,56 92,19 0,08 0,16 0,16 2,98 0,15 0,004 0,18
0,00 0,31 6,86 83,87 0,13 1,20 0,32 4,59 0,11 0,009 0,30
0,00 0,09 5,66 86,36 0,07 0,62 0,29 3,92 0,08 0,007 0,26
0,00 0,14 4,63 88,52 0,07 0,20 0,24 3,81 0,09 0,005 0,42
0,00 0,08 3,46 92,18 0,05 0,17 0,21 2,92 0,07 0,004 0,24
0,00 0,15 3,55 91,20 0,07 0,11 0,24 3,26 0,06 0,004 0,23
0,00 0,11 6,36 85,95 0,12 0,81 0,38 4,15 0,08 0,004 0,25
0,00 0,08 5,55 89,44 0,06 0,15 0,19 3,85 0,09 0,005 0,25
0,00 0,20 4,96 89,85 0,08 0,18 0,18 3,66 0,13 0,003 0,31
0,00 0,09 3,58 92,00 0,05 0,16 0,17 3,12 0,08 0,001 0,26
UOF
0,00 0,13 6,87 84,34 0,15 0,86 0,38 4,42 0,13 0,006 0,32
0,00 0,22 6,92 84,52 0,08 0,18 0,17 4,72 0,08 0,008 0,25
0,00 0,09 5,92 87,50 0,13 0,17 0,29 3,96 0,09 0,004 0,31
0,00 0,09 5,58 88,47 0,07 0,17 0,18 4,12 0,07 0,006 0,24
0,00 0,12 3,30 92,04 0,05 0,18 0,17 3,29 0,04 0,005 0,30
0,00 0,06 6,25 87,41 0,06 0,15 0,15 4,59 0,06 0,005 0,24
National-
galerie
Roter
Nebraer
Sandstein
In
Nordwest
Richtung
(NG-NW) IN
0,00 0,15 6,61 86,70 0,18 0,16 0,22 4,39 0,32 0,005 0,35
0,49 0,00 0,52 96,36 0,05 0,07 0,09 0,03 0,01 0,003 0,32
0,00 0,00 0,38 97,28 0,02 0,06 0,06 0,00 0,02 0,003 0,21
0,00 0,03 0,38 96,96 0,06 0,07 0,10 0,06 0,00 0,002 0,15
0,52 0,00 0,34 97,00 0,01 0,05 0,05 0,02 0,01 0,001 0,15
0,44 0,00 0,41 96,92 0,05 0,07 0,06 0,04 0,02 0,001 0,13
0,40 0,10 0,65 96,02 0,05 0,09 0,18 0,02 0,15 0,001 0,31
OF
0,07 0,11 0,42 97,24 0,02 0,07 0,09 0,01 0,06 0,002 0,31
0,33 0,01 0,42 97,18 0,05 0,06 0,08 0,03 0,02 0,000 0,09
0,00 0,00 0,36 97,49 0,03 0,08 0,09 0,00 0,03 0,004 0,14
0,00 0,05 0,36 97,29 0,03 0,04 0,06 0,01 0,01 0,001 0,09
0,28 0,02 0,23 97,77 0,01 0,04 0,05 0,01 0,02 0,001 0,13
0,00 0,05 0,35 97,20 0,03 0,06 0,05 0,01 0,02 0,000 0,11
0,51 0,12 0,49 97,60 0,04 0,07 0,09 0,01 0,02 0,000 0,19
UOF
0,00 0,10 0,56 97,24 0,04 0,08 0,12 0,02 0,08 0,000 0,23
0,00 0,04 0,33 97,42 0,04 0,04 0,06 0,00 0,01 0,003 0,05
0,00 0,05 0,31 97,54 0,03 0,05 0,06 0,02 0,01 0,001 0,07
0,00 0,00 0,27 97,84 0,05 0,07 0,06 0,03 0,02 0,000 0,08
0,00 0,00 0,47 97,79 0,02 0,07 0,05 0,01 0,01 0,000 0,10
0,09 0,05 0,38 97,23 0,03 0,07 0,06 0,01 0,02 0,004 0,15
0,38 0,07 0,56 97,92 0,03 0,06 0,06 0,03 0,03 0,000 0,23
National-
galerie
Weisser
Sandstein
(NG-ES) IN
0,00 0,00 0,46 97,53 0,02 0,06 0,05 0,00 0,03 0,003 0,21
Anhang 131
Na2OMgO Al2O3SiO2P2O5SO3CaO K2OTiO2MnO Fe2O3
0,21
0,28
2,16
33,74
0,07
27,44
2,95
0,58
0,06
0,007
0,94
0,38
0,40
3,03
73,93
0,00
1,59
12,16
1,58
0,07
0,013
0,50
0,88
0,38
3,67
68,35
0,05
1,04
11,76
1,67
0,19
0,031
2,15
0,40
0,12
3,49
85,18
0,07
0,49
3,35
1,43
0,11
0,024
1,34
1,15
0,34
3,17
75,74
0,10
1,78
8,70
0,94
0,08
0,135
0,42
0,42
0,22
3,39
86,03
0,07
0,97
2,98
1,04
0,25
0,028
1,35
0,00
0,46
2,40
74,05
0,00
0,88
12,62
0,81
0,05
0,013
0,24
0,49
0,39
2,12
74,62
0,00
0,89
12,25
0,82
0,05
0,011
0,24
OF
1,14
1,00
3,74
50,64
0,35
1,69
27,04
0,52
0,12
0,028
1,87
0,13
0,10
1,90
32,54
0,00
30,75
0,77
0,28
0,04
0,002
0,34
0,45
0,42
2,46
71,41
0,00
1,52
14,04
1,43
0,07
0,007
0,56
0,51
0,46
3,13
66,84
0,03
1,16
14,20
1,57
0,12
0,037
2,49
0,35
0,34
2,61
72,58
0,00
1,17
14,37
1,35
0,12
0,028
1,71
0,00
0,21
2,30
70,27
0,00
0,90
15,98
0,85
0,05
0,009
0,25
0,00
0,28
2,09
73,25
0,00
1,02
13,63
0,82
0,05
0,009
0,17
0,19
0,43
2,83
74,15
0,00
0,54
12,49
0,72
0,08
0,007
0,23
0,35
0,27
2,17
72,38
0,00
0,71
14,02
0,96
0,05
0,009
0,20
National-
galerie
Putzmörtel
(NG-EK) IN
0,21
0,70
2,70
53,41
0,06
0,76
30,06
0,35
0,07
0,015
1,20
0,22
0,55
1,08
7,69
0,080
15,11
38,54
0,29
0,12
0,030
1,25
0,00 0,30 1,08 8,11 0,120 19,98 34,43 0,30 0,14 0,031 1,57
0,00 0,35 0,67 4,04 0,090 9,23 43,54 0,24 0,11 0,032 0,80
0,26 0,33 1,16 10,80 0,110 9,45 40,83 0,37 0,43 0,047 0,68
S.Krusten
0,27 0,55 0,39 2,22 0,040 3,02 49,85 0,12 0,07 0,035 0,32
0,64 0,61 0,54 2,78 0,050 6,31 46,77 0,14 0,21 0,034 0,67
0,34 0,73 0,89 5,25 0,120 9,99 43,54 0,25 0,09 0,036 1,03
TBL 0,00 0,56 0,57 2,37 0,070 4,41 49,93 0,07 0,07 0,044 0,71
0,52 0,57 0,36 2,00 0,070 1,85 51,25 0,12 0,06 0,031 0,22
OL 0,37 0,42 0,19 1,44 0,080 0,50 53,75 0,02 0,06 0,041 0,25
0,37 0,21 0,69 1,36 0,100 4,44 51,38 0,04 0,05 0,028 0,23
0,00 0,26 0,26 1,94 0,060 3,26 50,20 0,06 0,06 0,037 0,21
0,00 0,39 0,35 2,94 0,030 3,22 50,72 0,13 0,09 0,034 0,22
UOF
der
Krusten 0,38 0,60 0,62 2,98 0,080 1,51 50,02 0,23 0,09 0,031 0,27
0,00 0,53 0,28 1,15 0,030 0,84 53,06 0,07 0,05 0,024 0,24
0,00 0,61 0,25 1,25 0,090 0,52 53,18 0,02 0,06 0,045 0,20
0,00 0,57 0,23 1,38 0,060 0,55 54,49 0,03 0,05 0,051 0,22
0,39 0,56 0,29 1,27 0,050 0,57 53,24 0,06 0,06 0,031 0,21
Pergamon
Museum
Fränki-
scher
Muschel-
kalkstein
(PM)
IN
0,42 0,52 0,16 1,22 0,070 0,46 53,98 0,01 0,06 0,038 0,24
Anhang 132
AT-2(b). Spurenelemente (ppm) und Glühverlustwerte (Gew.%) in den untersuchten Proben
Zn Rb Cr Sr Zr Ba Pb Summe
Gew.% L.O.I.
Gew.% ToT
Gew.%
1418
0
57
151
32
878
10046
93,94
5,08
99,02
S.Kruste 1814 40 17 88 30 1084 14101 93,63 5,52 99,15
69 6 182 82 53 320 664 98,76 0,53 99,29
TBL 30 11 126 64 46 323 461 98,36 0,83 99,19
0 33 358 15 49 68 71 99,27 0,14 99,41
0 23 258 58 76 327 33 98,52 0,64 99,16
0 10 329 12 21 182 0 98,55 1,08 99,63
OL
0 19 372 21 19 234 54 99,39 0,71 100,10
10 38 534 24 55 261 128 99,02 0,18 99,20
8 28 175 5 21 303 43 98,44 1,29 99,73
0 23 345 3 18 75 22 98,98 1,03 100,01
Neues
Museum
(NM)
IN 0 44 295 68 24 105 38 99,08 0,59 99,67
7 0 133 40 20 595 107 94,58 4,48 99,06
TBL,
S.Kruste 1 36 252 127 37 136 34 96,07 3,70 99,77
1 16 167 11 23 193 83 98,77 1,22 99,99
Säulen-
hallen
(SH) IN 142 49 305 49 52 25 69 97,64 1,89 99,53
S.Kruste 66 80 176 87 18 313 92 97,72 2,11 99,83Bode-
Museum IN 44 56 236 59 16 992 20 98,91 0,88 99,79
679
49
132
1220
23
626
244
93,62
6,31
99,93
S.Krusten 853 60 107 493 27 457 113 86,07 13,03 99,10
50 73 357 102 27 627 208 98,82 98,82
720 110 66 525 51 1981 28751 89,56 10,00 99,56
288 84 165 151 69 678 5379 95,24 3,39 98,63
471 145 98 181 71 607 250 97,46 2,22 99,68
465 110 137 238 21 739 10665 97,28 97,28
498 111 36 306 105 1920 21011 96,48 3,48 99,96
338 134 124 196 47 930 1420 99,19 0,71 99,90
238 112 101 130 32 998 12 97,83 1,53 99,36
243 119 166 111 37 727 32 98,23 1,52 99,75
493 108 147 389 35 952 1120 98,51 0,91 99,42
TBL
359 65 245 113 15 590 320 98,51 0,38 98,89
1 78 420 77 22 347 74 98,30 0,33 98,63
173 116 118 85 33 796 912 99,10 0,80 99,90
68 157 92 78 197 1132 113 98,53 0,64 99,17
174 127 104 142 36 1155 183 98,08 0,96 99,04
207 145 108 120 203 453 221 98,75 1,05 99,80
568 102 77 114 21 721 34 97,30 1,48 98,78
351 172 90 127 253 1134 226 97,58 1,13 98,71
163 161 91 112 132 857 112 98,88 0,44 99,32
28 96 128 123 20 927 21 98,51 1,12 99,63
20 132 118 109 33 836 21 98,35 1,34 99,69
28 96 139 111 22 1031 10 98,56 0,81 99,37
UOF
98 76 144 107 26 514 12 98,28 0,79 99,07
92 127 127 92 96 883 144 98,81 0,54 99,36
54 178 92 93 61 209 51 99,26 0,42 99,68
10 154 103 118 100 722 52 99,09 0,67 99,76
39 138 98 85 89 1126 52 98,56 0,33 98,89
1 119 125 95 39 782 32 98,71 0,82 99,53
National-
galerie
roter
Nebraer
Sandstein
In
Südost
Richtung
(NG-SE)
IN
6 162 128 119 68 787 42 99,20 0,24 99,44
Anhang 133
Zn Rb Cr Sr Zr Ba Pb Summe
Gew.% L.O.I.
Gew.% ToT
Gew.%
520
42
50
508
151
713
63
94,86
94,86
S.Krusten 803 36 42 581 30 515 143 95,59 4,36 99,95
58 95 4 71 121 1207 72 96,95 96,95
25 152 4 84 192 766 12 97,60 97,60
80 115 73 71 25 811 168 97,34 1,34 98,68
27 89 87 45 39 452 52 98,73 1,11 99,84
30 97 195 88 27 614 65 99,11 0,59 99,70
70 128 103 116 18 976 91 95,55 3,25 98,80
TBL
115 135 151 111 62 670 165 98,19 0,88 99,07
69 123 106 93 36 673 60 99,13 0,84 99,96
0 138 131 105 64 922 60 99,48 0,46 99,94
OL 0 87 151 68 83 611 77 99,56 0,39 99,95
676 168 132 97 225 921 16 97,70 2,01 99,71
541 117 79 114 24 812 72 97,36 1,59 98,95
431 111 81 75 25 488 102 98,13 0,84 98,96
44 82 120 51 38 285 0 99,38 0,42 99,80
13 95 137 59 20 945 0 98,87 0,38 99,25
39 166 140 113 27 880 49 98,21 0,82 99,03
7 109 145 94 24 576 0 99,67 0,45 100,11
0 97 161 63 82 844 0 99,55 0,49 100,04
0 94 133 60 48 871 0 99,51 0,29 99,81
UOF
201 166 140 141 55 912 77 97,61 1,03 98,64
34 128 136 122 24 952 22 97,35 1,42 98,77
39 117 113 106 58 910 67 98,46 1,33 99,79
26 111 105 103 26 717 91 99,00 0,66 99,66
0 56 138 67 23 642 0 99,50 0,50 99,99
0 147 147 104 26 975 0 98,98 0,32 99,30
National-
galerie
Nebraer
Sandstein
In
Nordwest
Richtung
(NG-NW)
IN
0 146 207 119 272 1206 0 99,09 0,85 99,93
26 12 107 0 30 104 87 97,94 1,33 99,27
0 22 158 17 24 24 0 98,03 0,97 99,00
0 15 144 0 15 0 0 97,81 0,81 98,62
0 24 168 8 17 221 0 98,15 0,75 98,90
0 6 140 6 22 166 32 98,14 0,58 98,72
16 0 169 23 25 33 15 97,97 0,61 98,58
OF
22 16 162 23 17 13 0 98,40 0,65 99,05
0 13 181 1 20 255 62 98,27 0,86 99,13
41 0 232 12 30 125 0 98,22 0,92 99,14
0 19 187 18 23 0 0 97,94 0,60 98,54
0 7 202 1 17 85 0 98,56 -98,56
0 9 136 6 19 0 2 97,88 0,64 98,52
0 3 150 7 21 0 0 99,14 0,12 99,26
UOF
5 0 131 16 21 0 0 98,47 0,64 99,11
0 18 114 22 16 182 0 97,99 0,61 98,60
0 18 125 0 26 333 0 98,14 0,91 99,05
0 23 155 0 20 94 0 98,42 0,51 98,93
0 6 155 8 17 340 0 98,52 0,64 99,16
61 0 256 0 17 221 2 98,09 0,50 98,60
0 2 139 5 22 201 0 99,37 0,27 99,64
National-
galerie
Weisser
Sandstein
(NG-ES) IN
0 19 163 0 22 410 0 98,36 0,45 98,81
Anhang 134
Zn Rb Cr Sr Zr Ba Pb Summe
Gew.% L.O.I.
Gew.% ToT
Gew.%
341
33
135
461
38
319
120
68,44
68,44
12
68
264
115
31
510
21
93,65
6,26
99,91
230
54
120
400
32
441
35
90,17
9,43
99,60
322
41
177
105
42
545
12
96,00
2,55
98,55
650
43
250
72
37
628
106
92,56
6,94
99,50
824
42
169
152
51
1802
21
96,75
2,38
99,13
624
31
162
128
30
192
128
91,52
8,26
99,78
249
24
194
84
35
256
21
91,88
8,10
99,98
OF
302
42
99
632
24
223
34
88,14
11,72
99,86
79
25
183
42
42
0
95
66,85
33,08
99,93
13
52
270
119
20
378
22
92,37
7,21
99,58
44
76
171
390
30
474
24
90,55
9,09
99,64
21
64
147
235
29
7
0
94,63
5,16
99,79
73
31
214
88
29
103
21
90,82
7,84
98,66
128
31
161
52
32
507
0
91,32
8,07
99,39
308
32
190
32
26
521
12
91,67
8,23
99,90
79
30
198
89
48
173
7
91,12
8,78
99,90
National-
galerie
Putzmörtel
(NG-EK)
IN
80
52
119
768
23
146
21
89,54
10,56
100,10
238
39
145
784
15
244
130
64,96
34,87
99,83
237 38 144 741 15 505 177 66,06 33,64 99,70
240 17 144 893 8 402 122 59,10 40,42 99,53
220 46 133 788 15 6350 103 64,47 35,15 99,62
S.Krusten
242 18 140 925 0 304 0 56,77 42,78 99,55
239 30 141 828 5 431 103 58,75 40,73 99,48
237 53 145 849 15 133 189 62,27 36,64 98,91
TBL
236 23 141 924 1 312 69 58,80 40,52 99,32
240 31 143 1126 16 128 52 56,94 42,19 99,24
OL 234 33 140 996 9 310 15 56,92 43,02 100,14
245 52 142 1066 3 278 56 58,70 41,07 99,76
236 44 140 868 3 91 37 56,17 42,61 98,78
242 40 140 1005 1 566 6 58,03 41,05 99,08
UOF
der
Krusten 243 61 143 744 14 0 341 56,71 42,82 99,53
246 45 140 984 0 33 31 57,03 42,55 99,87
246 18 142 1017 0 232 35 56,99 42,28 99,27
243 10 142 923 15 216 35 58,03 41,71 99,74
243 0 143 1073 12 333 16 57,73 41,73 99,47
Pergamon-
Museun
Fränkischer
Muschel-
kalkstein
(PM)
IN
244 40 141 962 2 297 26 56,98 43,10 100,08
Anhang 135
AT-3(a). Korrelationsmatrix der Hauptelemente und Spurenelemente in den Oberflächenzonen
der Sandsteine
schwarze Krusten der Sandsteine
Na Mg Al Si P S Ca KTi Mn Fe Zn Rb Cr Sr Zr Ba Pb LOI
Na
Mg
Al
Si
P
S
Ca
K
Ti
Mn
Fe
Zn
Rb
Cr
Sr
Zr
Ba
Pb
LOI
1,00
0,11
0,82
-0,49
-0,40
0,27
0,22
0,83
0,34
-0,08
0,03
-0,29
0,55
0,56
0,07
-0,35
-0,47
-0,36
0,99
1,00
-0,46
0,81
-0,81
-0,92
-0,94
-0,39
-0,64
-0,47
-0,95
0,87
-0,48
-0,51
-0,88
0,66
0,72
0,85
0,06
1,00
-0,89
0,15
0,76
0,73
0,98
0,73
0,26
0,58
-0,77
0,70
0,76
0,51
-0,60
-0,87
-0,82
0,84
1,00
-0,53
-0,97
-0,96
-0,85
-0,83
-0,47
-0,88
0,93
-0,74
-0,71
-0,75
0,70
0,94
0,96
-0,53
1,00
0,67
0,71
0,17
0,71
0,82
0,87
-0,61
0,16
-0,03
0,44
-0,09
-0,58
-0,63
-0,34
1,00
1,00
0,71
0,80
0,49
0,95
-0,96
0,65
0,67
0,84
-0,71
-0,90
-0,97
0,32
1,00
0,68
0,80
0,52
0,97
-0,95
0,64
0,63
0,83
-0,69
-0,89
-0,96
0,27
1,00
0,79
0,40
0,56
-0,68
0,72
0,60
0,36
-0,46
-0,85
-0,77
0,86
1,00
0,84
0,84
-0,77
0,47
0,28
0,35
-0,19
-0,92
-0,85
0,39
1,00
0,68
-0,39
0,24
-0,27
0,01
0,21
-0,57
-0,49
-0,01
1,00
-0,89
0,52
0,43
0,74
-0,51
-0,85
-0,91
0,09
1,00
-0,46
-0,75
-0,84
0,65
0,93
0,99
-0,30
1,00
0,45
0,49
-0,71
-0,49
-0,54
0,63
1,00
0,80
-0,85
-0,62
-0,70
0,54
1,00
-0,89
-0,60
-0,77
0,08
1,00
0,46
0,61
-0,37
1,00
0,97
-0,49
1,00
-0,39 1,00
dünne schwarze Schichten der Sandsteine
Na Mg Al Si P S Ca KTi Mn Fe Zn Rb Cr Sr Zr Ba Pb LOI
Na
Mg
Al
Si
P
S
Ca
K
Ti
Mn
Fe
Zn
Rb
Cr
Sr
Zr
Ba
Pb
LOI
1,00
0,04
0,00
-0,03
-0,41
-0,32
-0,37
0,08
0,68
-0,16
-0,26
0,66
0,14
-0,20
0,49
0,13
0,33
0,76
0,27
1,00
0,07
-0,28
0,35
0,12
0,07
0,34
0,25
0,04
0,02
0,28
0,14
0,11
0,35
0,06
0,03
-0,06
0,09
1,00
-0,57
0,19
-0,13
-0,10
0,68
0,44
0,25
0,31
0,16
0,75
-0,35
0,15
0,48
0,49
0,14
0,19
1,00
-0,32
-0,61
-0,61
-0,49
-0,26
-0,17
-0,27
-0,18
-0,41
0,13
-0,36
-0,13
-0,44
-0,23
-0,68
1,00
0,29
0,30
0,38
-0,14
0,27
0,33
0,00
0,27
-0,10
0,30
0,14
0,31
-0,16
-0,15
1,00
0,99
-0,18
-0,28
0,20
0,12
-0,12
-0,25
0,35
0,18
-0,32
-0,14
-0,14
0,44
1,00
-0,15
-0,31
0,17
0,16
-0,19
-0,22
0,38
0,10
-0,32
-0,17
-0,20
0,42
1,00
0,24
-0,10
0,06
0,40
0,92
-0,37
0,35
0,26
0,56
0,10
-0,05
1,00
0,21
0,13
0,54
0,28
-0,15
0,47
0,47
0,44
0,64
0,26
1,00
0,33
0,10
-0,02
0,08
0,18
0,09
0,20
0,11
0,00
1,00
-0,34
0,03
0,27
-0,18
0,07
0,14
0,04
0,07
1,00
0,41
-0,10
0,85
-0,01
0,49
0,57
-0,06
1,00
-0,41
0,36
0,34
0,50
0,13
-0,09
1,00
-0,06
-0,61
-0,53
-0,24
-0,27
1,00
0,03
0,52
0,58
0,02
1,00
0,37
0,20
0,24
1,00
0,65
0,24
1,00
0,32 1,00
Anhang 136
AT-3(b). Korrelationsmatrix der Hauptelemente und Spurenelemente in den Krusten und dünnen schwar-
zen Schichten des Kalksteins
Krusten und dünne schwarze Schichten des Kalksteins
Na Mg Al Si P S Ca KTi Mn Fe Zn Rb Cr Sr Zr Ba Pb LOI
Na
Mg
Al
Si
P
S
Ca
K
Ti
Mn
Fe
Zn
Rb
Cr
Sr
Zr
Ba
Pb
LOI
1,00
0,56
-0,19
-0,14
-0,36
-0,32
0,26
-0,11
0,29
0,04
-0,34
-0,01
0,27
-0,19
-0,10
-0,05
0,07
-0,08
0,19
1,00
-0,40
-0,53
-0,34
-0,44
0,53
-0,51
-0,44
0,02
-0,24
0,39
0,17
0,32
0,38
-0,25
-0,48
-0,05
0,33
1,00
0,96
0,81
0,80
-0,88
0,91
0,51
0,12
0,71
-0,62
0,77
-0,06
-0,85
0,94
0,50
0,68
-0,98
1,00
0,72
0,69
-0,82
0,94
0,69
0,27
0,53
-0,74
0,69
-0,31
-0,82
0,86
0,69
0,49
-0,90
1,00
0,69
-0,73
0,76
0,28
0,16
0,68
-0,48
0,71
0,10
-0,58
0,85
0,32
0,83
-0,81
1,00
-0,97
0,72
0,09
-0,42
0,95
-0,10
0,50
0,39
-0,86
0,81
0,00
0,76
-0,88
1,00
-0,85
-0,29
0,28
-0,87
0,28
-0,56
-0,21
0,90
-0,88
-0,21
-0,73
0,91
1,00
0,60
0,13
0,54
-0,60
0,66
-0,14
-0,78
0,92
0,58
0,60
-0,84
1,00
0,50
-0,10
-0,89
0,42
-0,80
-0,50
0,40
0,94
0,06
-0,38
1,00
-0,48
-0,72
0,31
-0,77
0,19
-0,01
0,72
-0,30
-0,01
1,00
0,03
0,50
0,56
-0,75
0,74
-0,20
0,83
-0,82
1,00
-0,53
0,78
0,40
-0,45
-0,96
-0,12
0,49
1,00
-0,05
-0,67
0,83
0,37
0,69
-0,79
1,00
0,00
0,12
-0,88
0,47
-0,07
1,00
-0,83
-0,33
-0,65
0,89
1,00
0,34
0,82
-0,93
1,00
-0,06
-0,35
1,00
-0,74 1,00
AT-4(a). Auflistung der bei einer Messung verwendeten Anregungsbedingungen und ihrer Eigenschaften
Anregungs-
bedingungen Very Light Elements Solids (S-V) Steels Very Heavy
Elements
kV 5 12 15 50
µA 700 250 200 500
Filter Keiner dünnes
Aluminium
dickes
Aluminium
dickes
Kupfer
Erfaßte Elemente Na, Mg, Al, Si K, Ca, Ti Cr, Mn, Fe, Zn Rb, Sr, Zr,
Ba,Pb
Analyten Na2O, MgO, Al2O3,
SiO2
K2O, CaO, Ti2OCr, MnO, Fe2O3,
Zn
Rb, Sr, Zr,
Ba,Pb
Anhang 137
AT-4(b). Kalibrationsbereiche und Meßfehler der mittels RFA erfaßten Komponenten - bei “St. Line”
wurde eine Gerade als Kalibrationsfunktion verwendet, bei “Intensity” erfolgte eine Korrektur-
rechnung nach Lucas-Tooth.
Analytanteile in den Standards
in Sandstine Analytanteile in den Standards
in KalksteineAnalyten Einheit Kalibrations-
Funktionen niedrigster
Wert Höchster
Wert Rest-
streuung niedrigster
Wert Höchster
Wert Rest-
streuung
Na2O
MgO
Al2O3
SiO2
SO3
K2O
CaO
TiO2
MnO
Fe2O3
Zn
Rb
Cr
Sr
Zr
Ba
Pb
Gew.%
Gew.%
Gew.%
Gew.%
Gew.%
Gew.%
Gew.%
Gew.%
Gew.%
Gew.%
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
St. Line
St. Line
Intensity
Intensity
St. Line
St. Line
Intensity
St. Line
St. Line
Intensity
St. Line
St. Line
St. Line
St. Line
St. Line
St. Line
St. Line
0,01
0,01
0,77
63,96
0,01
0,01
0,01
0,01
0,002
0,01
5
9
55
23
53
61
13
4,49
1,06
15,38
99,99
28,9
6,06
2,69
0,67
0,352
3,54
2577
466
863
1320
530
1882
10870
0,50
0,08
0,26
0,84
0,02
0,08
0,05
0,01
0,005
0,03
70
19
75
20
25
118
75
0,01
0,01
0,77
44,64
0,01
0,18
0,11
0,05
0,002
0,10
5
9
55
23
61
61
13
4,49
13,28
32,00
72,83
45,8
12,30
13,80
2,85
0,352
17,93
248
466
3636
530
3314
3314
10870
0,50
0,08
0,26
0,84
0,23
0,08
0,05
0,01
0,005
0,03
30
9
37
13
111
111
75
Alle Messungen wurden unter Vakuum ausgeführt. Die Meßzeit betrug jeweils 100 s, wobei die
Totzeit immer < 45 % war. Als Totzeit bezeichnet man die Zeitspanne, die der Detektor nach
Erfassung eines Signals benötigt, um in seinen Ausgangszustand zurückzukehren und wieder zur
Aufnahme eines Signals bereit zu sein. Die Totzeit des Meßsystems kann durch eine entsprechen-
de Verlängerung der Meßzeit ausgeglichen werden.
Die Detektion wurde energiedispersiv ausgeführt, im Gegensatz zu der wellenlängendispersiven
Röntgenfluoreszenzanalyse (WD-RFA) sind die leichten Elemente dabei nicht so gut zu erfassen.
Das ist darauf zurückzuführen, daß die Energie der Röntgenstrahlung über das Mosleysche Ge-
setz quadratisch mit der Ordnungszahl zunimmt und die Wellenlänge der Strahlung sich reziprok
zur Energie verhält. Dadurch werden die leichten Elemente nur mit einer geringen Intensität (ge-
ringe Empfindlichkeit) und einer schlechten spektralen Auflösung erfaßt. Die Gehalte der Ele-
mente Na und Mg sind also bei der ED-RFA nur mit einem vergleichsweise hohen analytischen
Gesamtfehler zu bestimmen.
Anhang 138
AT-5. Die wasserlöslichen Salze in den untersuchten Proben (Gew.%)
Ca2+ Mg2+ K+Na+Cl-NO3-SO42-
S. Kruste 0,9637 0,0786 0,0948 0,0000 0,0060 0,1798 2,4940
0,0881 0,0082 0,0535 0,0093 0,0061 0,0225 0,0961
0,0551 0,0059 0,0477 0,0081 0,0079 0,0177 0,0630
TBL 0,0297 0,0027 0,0432 0,0054 0,0027 0,0162 0,0297
0,0287 0,0017 0,0104 0,0034 0,0017 0,0051 0,0203
0,0276 0,0018 0,0037 0,0018 0,0018 0,0018 0,0165
0,0293 0,0020 0,0152 0,0020 0,0020 0,0039 0,0117
OL
0,0295 0,0020 0,0039 0,0020 0,0039 0,0039 0,0157
0,0230 0,0019 0,0019 0,0038 0,0019 0,0019 0,0135
0,0200 0,0015 0,0029 0,0029 0,0015 0,0070 0,0206
0,0159 0,0016 0,0016 0,0032 0,0000 0,0034 0,0143
0,0357 0,0022 0,0079 0,0059 0,0045 0,0022 0,0223
0,0305 0,0020 0,0066 0,0061 0,0041 0,0020 0,0203
0,0276 0,0017 0,0017 0,0034 0,0000 0,0040 0,0121
Neues
Museum
(NM)
IN
0,0151 0,0000 0,0054 0,0050 0,0017 0,0067 0,0101
0,3703 0,0159 0,0484 0,0095 0,0057 0,0190 1,1051
TBL,
S.Kruste 0,7985 0,0079 0,0337 0,0098 0,0060 0,0109 2,0512
0,0666 0,0101 0,0105 0,0077 0,0031 0,0146 0,0891
Säulen-
hallen
(SH) IN 0,1147 0,0068 0,0462 0,0051 0,0034 0,0034 0,2969
0,3241 0,0095 0,0500 0,0086 0,0034 0,0208 0,8017
0,8530 0,0110 0,0210 0,0290 0,0400 0,3890 1,8777
TBL,
S.Kruste,
S.Kruste 0,4810 0,0060 0,0280 0,0300 0,0390 0,0700 1,2060
Bode-
Museum
(BM) IN 0,0278 0,0037 0,0315 0,0056 0,0037 0,0074 0,0504
8,3798
0,0520
0,1081
0,0353
0,0078
0,1381
21,5473
S. Kruste 8,0798 0,0520 0,1081 0,0353 0,0078 0,1381 20,8473
1,0524 0,0905 0,1725 0,0390 0,0064 0,2287 3,3714
1,2080 0,0080 0,0252 0,0116 0,0059 0,0167 2,8400
0,2036 0,0478 0,1088 0,0382 0,0052 0,1411 0,5948
0,1933 0,0181 0,0593 0,0265 0,0082 0,0704 0,4630
0,2192 0,0361 0,0947 0,0453 0,0053 0,1142 0,4553
0,1280 0,0250 0,0773 0,0233 0,0047 0,0900 0,3307
0,0710 0,0061 0,0456 0,0071 0,0057 0,0413 0,2670
0,0376 0,0054 0,0453 0,0047 0,0071 0,0388 0,0965
0,0580 0,0040 0,0380 0,0040 0,0060 0,0340 0,1160
0,0256 0,0026 0,0385 0,0026 0,0046 0,0179 0,0631
TBL
0,0647 0,0100 0,0380 0,0060 0,0120 0,0410 0,1980
0,1275 0,0350 0,0867 0,0241 0,0031 0,1122 0,3344
0,1255 0,0345 0,0875 0,0170 0,0050 0,1050 0,2800
0,1027 0,0356 0,0820 0,0242 0,0018 0,1038 0,1042
0,0635 0,0020 0,0278 0,0060 0,0020 0,0060 0,1821
0,0354 0,0021 0,0354 0,0042 0,0063 0,0083 0,0208
0,0229 0,0019 0,0267 0,0038 0,0038 0,0171 0,0107
0,0286 0,0029 0,0257 0,0057 0,0029 0,0076 0,0107
0,0295 0,0023 0,0295 0,0045 0,0045 0,0159 0,0068
0,0273 0,0050 0,0212 0,0030 0,0030 0,0152 0,0061
0,0369 0,0028 0,0355 0,0063 0,0043 0,0061 0,0199
0,0420 0,0230 0,0810 0,0220 0,0060 0,0880 0,0540
UOF
0,0297 0,0157 0,0595 0,0108 0,0027 0,0611 0,0343
0,0189 0,0021 0,0211 0,0021 0,0021 0,0052 0,0211
0,0277 0,0031 0,0308 0,0031 0,0031 0,0071 0,0154
0,0377 0,0029 0,0290 0,0058 0,0029 0,0216 0,0058
0,0027 0,0012 0,0200 0,0053 0,0026 0,0053 0,0053
0,0320 0,0027 0,0267 0,0053 0,0053 0,0076 0,0053
National-
galerie
roter
Nebraer
Sandstein
In Südost
Richtung
(NG-SE) IN
0,0024 0,0011 0,0217 0,0048 0,0037 0,0045 0,0048
Anhang 139
Ca
2+
Mg
2+
K
+
Na
+
Cl
-
NO3
-
SO4
2-
7,8229 0,0553 0,1061 0,0065 0,0091 0,1510 19,4968S. Krusten 6,9920 0,0525 0,1225 0,0125 0,0120 0,1500 17,5300
0,5684 0,0083 0,0521 0,0080 0,0093 0,0305 1,9211
0,0523 0,0359 0,0819 0,0066 0,0091 0,1010 0,7112
0,0991 0,0259 0,0788 0,0098 0,0069 0,0984 0,7012
0,3685 0,0376 0,0816 0,0130 0,0107 0,1028 0,6008
0,0295 0,0203 0,0515 0,0059 0,0087 0,0686 0,0661
0,0319 0,0179 0,0664 0,0058 0,0082 0,0721 0,0445
0,0135 0,0092 0,0337 0,0045 0,0082 0,0292 0,0464
TBL
0,0184 0,0195 0,0395 0,0132 0,0125 0,0384 0,0553
0,0057 0,0016 0,0486 0,0086 0,0097 0,0486 0,0171
0,0094 0,0021 0,0419 0,0063 0,0080 0,0280 0,0125
OL 0,0065 0,0022 0,0261 0,0065 0,0083 0,0054 0,0109
0,0820 0,0184 0,0687 0,0130 0,0107 0,0828 0,2008
0,0416 0,0079 0,0337 0,0079 0,0094 0,0343 0,1248
0,0095 0,0024 0,0238 0,0071 0,0088 0,0230 0,0276
0,0234 0,0026 0,0364 0,0078 0,0092 0,0104 0,0675
0,0306 0,0028 0,0389 0,0056 0,0058 0,0306 0,0222
0,0053 0,0127 0,0267 0,0080 0,0087 0,0080 0,0187
0,0156 0,0013 0,0333 0,0044 0,0069 0,0156 0,0111
0,0054 0,0027 0,0266 0,0081 0,0094 0,0165 0,0108
UOF
0,0055 0,0027 0,0219 0,0055 0,0080 0,0027 0,0082
0,0180 0,0035 0,0347 0,0040 0,0098 0,0207 0,0160
0,0471 0,0079 0,0471 0,0059 0,0037 0,0565 0,0412
0,0150 0,0119 0,0454 0,0082 0,0055 0,0403 0,0247
0,0062 0,0031 0,0246 0,0031 0,0033 0,0076 0,0154
0,0212 0,0030 0,0242 0,0020 0,0038 0,0085 0,0152
National-
galerie
roter
Nebraer
Sandstein
In
Nordwest
Richtung
(NG-NW) IN
0,0096 0,0024 0,0193 0,0072 0,0088 0,0063 0,0120
0,0400 0,0020 0,0100 0,0040 0,0040 0,0079 0,0659
0,0277 0,0024 0,0095 0,0029 0,0087 0,0078 0,0287
0,0128 0,0009 0,0023 0,0023 0,0023 0,0043 0,0170
0,0069 0,0017 0,0121 0,0121 0,0052 0,0069 0,0159
0,0070 0,0008 0,0023 0,0023 0,0047 0,0033 0,0093
0,0060 0,0007 0,0030 0,0030 0,0030 0,0030 0,0090
0,0045 0,0018 0,0034 0,0000 0,0023 0,0070 0,0068
0,0116 0,0019 0,0048 0,0058 0,0029 0,0062 0,0087
0,0057 0,0008 0,0029 0,0029 0,0057 0,0029 0,0057
OF
0,0045 0,0012 0,0085 0,0045 0,0023 0,0039 0,0045
0,0056 0,0007 0,0028 0,0028 0,0056 0,0028 0,0085
0,0044 0,0006 0,0044 0,0022 0,0044 0,0022 0,0088
0,0468 0,0016 0,0023 0,0052 0,0026 0,0063 0,0679
0,0149 0,0021 0,0044 0,0043 0,0021 0,0063 0,0285
0,0056 0,0008 0,0045 0,0037 0,0037 0,0022 0,0075
0,0190 0,0024 0,0038 0,0024 0,0024 0,0060 0,0195
0,0160 0,0020 0,0040 0,0060 0,0020 0,0058 0,0107
0,0076 0,0019 0,0066 0,0076 0,0019 0,0053 0,0057
0,0055 0,0018 0,0043 0,0055 0,0030 0,0048 0,0036
0,0026 0,0005 0,0026 0,0026 0,0026 0,0026 0,0026
UOF
0,0100 0,0015 0,0100 0,0080 0,0020 0,0045 0,0100
0,0039 0,0007 0,0039 0,0020 0,0039 0,0029 0,0098
0,0026 0,0007 0,0026 0,0026 0,0026 0,0026 0,0097
0,0090 0,0011 0,0040 0,0090 0,0030 0,0051 0,0090
0,0049 0,0007 0,0029 0,0029 0,0059 0,0020 0,0088
0,0040 0,0018 0,0031 0,0070 0,0020 0,0042 0,0086
0,0027 0,0003 0,0027 0,0027 0,0027 0,0022 0,0081
0,0054 0,0005 0,0041 0,0027 0,0027 0,0028 0,0081
0,0038 0,0007 0,0048 0,0038 0,0038 0,0019 0,0077
National-
galerie
Weisser
Sandstein
(NG-ES)
IN
0,0074 0,0007 0,0033 0,0037 0,0019 0,0039 0,0074
Anhang 140
Ca2+ Mg2+ K+Na+Cl-NO3-SO42-
0,7669 0,1634 0,1234 0,0135 0,0123 0,0208 3,1970
1,8628 0,2335 0,0702 0,0168 0,0201 0,0157 1,4000
1,7000 0,1666 0,1018 0,0152 0,0205 0,0297 1,0688
0,4667 0,0116 0,0523 0,0085 0,0058 0,0084 0,5420
1,4667 0,0121 0,0455 0,0084 0,0103 0,0087 0,9697
0,4966 0,0090 0,0415 0,0092 0,0045 0,0055 0,5618
1,9390 0,0073 0,0386 0,0098 0,0109 0,0113 1,0280
1,5553 0,0289 0,0486 0,0093 0,0108 0,0102 0,9184
OF
2,3175 0,0317 0,0693 0,0093 0,0110 0,0208 1,9746
0,2519 0,0522 0,0588 0,0119 0,0082 0,0066 0,3790
1,4543 0,2258 0,0647 0,0164 0,0195 0,0190 1,6140
1,7710 0,2295 0,1656 0,0140 0,0129 0,0371 0,6613
1,3513 0,0282 0,0443 0,0094 0,0106 0,0058 0,7385
2,9957 0,0043 0,0306 0,0067 0,0022 0,0071 0,5413
1,4617 0,0165 0,0662 0,0101 0,0055 0,0146 0,8752
1,2721 0,0070 0,0391 0,0085 0,0047 0,0146 0,5674
1,4276 0,0207 0,0560 0,0083 0,0046 0,0105 0,8851
National-
galerie
Putzmörtel
(NG-EK) IN
1,6022 0,0215 0,0403 0,0096 0,0086 0,0147 0,9020
15,1070 0,0141 0,0620 0,0141 0,1011 0,1099 20,6254
10,0379 0,0227 0,0549 0,0095 0,0080 0,0606 17,5606
3,7947 0,0187 0,0333 0,0080 0,0080 0,1147 9,1133
S.Krusten
3,9973 0,0164 0,0329 0,0110 0,0055 0,0630 9,4521
2,2074 0,0252 0,0288 0,0097 0,0088 0,0814 5,5806
5,0357 0,0214 0,0447 0,0100 0,0096 0,0614 9,9043
TBL 2,1443 0,0114 0,0129 0,0043 0,0062 0,0071 3,8400
0,9521 0,0160 0,0155 0,0071 0,0065 0,0035 0,0248
OL 0,9421 0,0097 0,0069 0,0069 0,0053 0,0028 0,0070
1,8611 0,0250 0,0417 0,0083 0,0056 0,0806 1,8861
2,4083 0,0222 0,0111 0,0083 0,0056 0,1750 2,6139
1,9644 0,0247 0,0301 0,0110 0,0164 0,0959 0,2479
1,3178 0,0082 0,0137 0,0055 0,0055 0,0219 2,1534
UOF
2,0685 0,0137 0,0137 0,0082 0,0055 0,0466 3,6356
0,8104 0,0149 0,0209 0,0030 0,0056 0,0030 0,2694
0,7567 0,0150 0,0217 0,0133 0,0040 0,0033 0,2833
0,7556 0,0311 0,0053 0,0104 0,0032 0,0015 0,1694
0,7273 0,0140 0,0068 0,0056 0,0063 0,0042 0,0050
Pergamon-
Museun
(PM)
IN
0,7254 0,0159 0,0149 0,0095 0,0058 0,0016 0,0020
Anhang 141
AT-6. Die nachgewiesenen organischen Verbindungen in den untersuchten Proben
Area (%)
Retention
Time Compound Mwt. Formular CAS –Nr. SH NG-SE
Alkane (C13-C36)
11,2 Tridecane 184 C13H28 000629-50-5 0,09
13,68 Tetradecane 198 C14H30 000629-59-4 0,16
16,1 Pentadecane 212 C15H32 000629-62-9 0,14 0,17
35,29 Pentacosane 212 C15H32 000629-99-2 1,22
20,66 Hexadecane 226 C16H34 000544-76-3 0,18 0,23
43,97 Heptadecane 240 C17H36 000629-78-7 0,38 3,73
48,48 Octadecane 254 C18H38 000593-45-3 2,06
41,35 Octacosane 254 C18H38 000630-02-4 0,67
30,37 Nonadecane 268 C19H40 000629-92-5 0,47 0,18
32,08 Eicosane 282 C20H42 000112-95-8 0,12 0,28
41,05 Heneicosane 296 C21H44 000629-94-7 0,47 3,29
43,97 Docosane 310 C22H46 000629-97-0 0,21 3,73
32,09 Tricosane 324 C23H48 000638-67-5 0,14
43,97 Tetracosane 338 C24H50 000646-31-1 0,38 3,73
36,87 Hexacosane 366 C26H54 000630-01-3 2,06
38,73 Heptacosane 380 C27H56 000593-49-7 0,5 2,86
41,35 Tetratriacontane 479 C34H70 014167-59-0 0,67
48,48 Hexatriacontane 507 C36H74 000630-06-8 0,35
41,35 Dodecane, 5,8-diethyl- 226 C16H34 024251-86-3 0,67
22,79 Tridecane, 6-propyl- 226 C16H34 055045-10-8 0,18
28,61 Heptadecane, 8-methyl- 254 C18H38 013287-23-5 0,14
48,48 Nonadecane, 9-methyl- 282 C20H42 013287-24-6 0,47 0,35
22,99 Octadecane, 2,6-dimethyl- 282 C20H42 075163-97-2 0,28
32,09 Pentadecane, 8-hexyl- 296 C21H44 013475-75-7 0,14
32,08 Heptadecane, 9-octyl- 352 C25H52 007225-64-1 0,28
22,97 Docosane, 11-butyl- 366 C26H54 013475-76-8 0,57
38,73 Docosane, 7-hexyl- 394 C28H58 055373-86-9 0,5
Cycloalkane
5,95 Exo-tricyclo[5,2,1,0(2,6)]decane 136 C10H16 1000215-28-7 0,21 1,55
6,58 Endo-tricyclo[5,2,1,0(2,6)]decane 136 C10H16 1000215-28-8 0,76 5,45
15,48 Cyclodecane 140 C10H20 000293-96-9 0,21 0,11
6,87 Tricyclo[5,2,1,0(2,6)]decane, 4-methyl- 150 C11H18 1000150-03-4 0,21
20,14 Cyclopropane, nonyl- 168 C12H24 074663-85-7 0,21 0,1
15,48 Cyclododecane 168 C12H24 000294-62-2 0,27 0,11
24,4 Cyclotetradecane 196 C14H28 000295-17-0 0,17 0,31
28,32 Cyclohexadecane 224 C16H32 000295-65-8 0,22
Alkene (C14-C18)
24,42 1-Tetradecene 196 C14H28 001120-36-1 0,17
24,42 2-Tetradecene 196 C14H28 035953-53-8 0,17
20,16 3-Tetradecene 196 C14H28 041446-68-8 0,27
28,32 1-Heptadecene 238 C17H34 006765-39-5 0,22
28,32 8-Heptadecene 238 C17H34 054290-12-9 0,22
28,29 5-Octadecene 252 C18H36 007206-21-5 0,38
Terpenoid derivative
23,72 2-Pentadecanone, 6,10,14-trimethyl 268 C18H36O000502-69-2 0,1
20,79 Pentadecane, 2,6,10,14-tetramethyl (Pri-
stane) 268 C19H40 001921-70-6 0,16 0,18
38,73 Hexadecane, 2,6,10,14-tetramethyl-
(Phytane) 282 C20H42 000638-36-8 0,35 2,86
Anhang 142
Aliphatic carboxylic Acid (C8-C22)
8,16 Octanoic Acid 144 C8H16O2000124-07-2 0,23
10,54 Nonanoic acid 158 C9H18O2000112-05-0 0,72
17,6 Dodecanoic acid 200 C12H24O2000143-07-7 0,36
13,11 Propanoic acid, 2-methyl-, 2-ethyl 216 C12H24O3074367-31-0 0,12
22 Tetradecanoic acid 228 C14H28O2000544-63-8 0,65
24,03 Pentadecanoic acid 242 C15H30O2001002-84-2 0,27
29,27 9-Hexadecenoic acid 254 C16H30O2002091-29-4 0,23
29,72 Octadecanoic acid 284 C18H36O2000057-11-4 0,83
20,37 Hexanedioic acid, bis(2-methylprop 258 C14H26O4000141-04-8 0,3
33,73 Hexanedioic acid, dioctyl ester 370 C22H42O4000123-79-5 0,28
Aldehyde
6,66 Nonanal 142 C9H18O000124-19-6 0,17
8,93 Decanal 156 C10H20O000112-31-2 0,04
41,83 Docosa-2,6,10,14,18-pentaen-22-al, 1000163-04-7 0,24
Aliphatic Ester
23,33 Isopropyl Myristate 270 C17H34O2000110-27-0 0,29 0,13
27,23 Isopropyl Palmitate 298 C19H38O2000142-91-6 0,25
4,49 Cyclotrisiloxane, hexamethyl- 222 C6H18O3Si3000541-05-9 9,52 4,4
13,09 Cyclopentasiloxane, decamethyl- 370 C10H30O5Si5000541-02-6 4,86 3,72
8,68 Cyclotetrasiloxane, octamethyl- 296 C8H24O4Si4000556-67-2 8,43 6,62
Alkohol (C12-C20)
15,5 1-Dodecanol 186 C12H26O000112-53-8 0,21
24,4 1-Pentadecanol 228 C15H32O000629-76-5 0,31
20,16 Hexadecanol 242 C16H34O029354-98-1 0,27
28,29 1-Octadecanol 270 C18H38O000112-92-5 0,38
28,29 1-Eicosanol 298 C20H42O000629-96-9 0,38
5,36 Benzylalcohol 108 C7H8O000100-51-6 15,82 4,89
6Phenol, 3-methyl- 108 C7H8O000108-39-4 0,21
22,44 Phenol, 2-(1,1-dimethylethyl)-4- 262 C18H30O005806-73-5 0,29
Aromatic carboxylic Acid
13,35 Benzoic Acid 122 C7H6O2000065-85-0 0,29
26,13 1,2-Benzenedicarboxylic acid, 278 C16H22O4000084-69-5 9,3
25,15 1,2-Benzenedicarboxylic acid, buty 304 C18H24O4000085-69-8 0,18
35,95 1,2-Benzenedicarboxylic acid, dihe 334 C20H30O4000084-75-3 0,05
36,09 1,2-Benzenedicarboxylic acid, diis 390 C24H38O4027554-26-3 2,9
Aromatic Ester
22,09 Benzyl Benzoate 212 C14H12O2000120-51-4 0,44
18,37 Diethyl Phthalate 222 C10H10O4000084-66-2 0,85 0,21
15,06 Dimethyl phthalate 194 C10H10O4000131-11-3 1,95 0,42
26,06 Dibutyl phthalate 278 C16H22O4000084-74-2 9,3 1,74
36,06 Bis(2-ethylhexyl) phthalate 390 C24H38O4000117-81-7 2,9 1,38
Aromatic Hydrocarbon and Derivates
5,24 Benzene, 1,2,3-trimethyl- 120 C9H12 000526-73-8 2,25 12,57
5,17 Benzene, 1,3,5-trimethyl- 120 C9H12 000108-67-8 2,25
5,24 Benzene, 1-ethyl-3-methyl- 116 C9H8000673-32-5 12,57
5,61 Benzene, 1-ethynyl-4-methyl- 116 C9H8000766-97-2 0,28
5,61 Benzene, 1-propynyl- 116 C9H8000673-32-5 0,28
6,28 Benzene, (2-methyl-1-propenyl)- 132 C10H12 000768-49-0 0,26
6,38 Benzene, (2-methyl-2-propenyl)- 132 C10H12 003290-53-7 0,11
7,49 Benzene, (1-methyl-1-propenyl)-, 134 C10H14 000768-00-3 0,43
5,99 Benzene, (1-methylpropyl)- 134 C10H14 000135-98-8 1,11
6,98 Benzene, 1,2,3,4-tetramethyl- 134 C10H14 000488-23-3 0,15 0,82
7,07 Benzene, 1,2,3,5-tetramethyl- 134 C10H14 000527-53-7 0,15 0,61
6,98 Benzene, 1,2,4,5-tetramethyl- 134 C10H14 000488-23-3 0,15 0,82
5,89 Benzene, 1,2-diethyl- 134 C10H14 000135-01-3 0,48 0,22
Anhang 143
5,66 Benzene, 1,3-diethyl- 134 C10H14 000141-93-5 0,48 1,77
5,66 Benzene, 1,4-diethyl- 134 C10H14 000105-05-5 1,77
6,18 Benzene, 1-ethyl-2,3-dimethyl- 134 C10H14 000933-98-2 1,11
6,35 Benzene, 1-ethyl-2,4-dimethyl- 134 C10H14 000874-41-9 0,47 1,21
5,82 Benzene, 1-ethyl-3,5-dimethyl- 134 C10H14 000934-74-7 0,06 2,77
5,18 Benzene, 1-methyl-2-(1-methylethyl 134 C10H14 000527-84-4 0,13 2,8
5,99 Benzene, 1-methyl-2-propyl- 134 C10H14 001074-17-5 0,65 1,11
6,22 Benzene, 1-methyl-3-(1-methylethyl 134 C10H14 000535-77-3 0,47 0,78
16,82 Benzene, 1-methyl-3-(phenylmethyl) 134 C10H14 000620-47-3 0,2
5,69 Benzene, 1-methyl-3-propyl- 134 C10H14 001074-43-7 0,65 4,17
5,18 Benzene, 1-methyl-4-(1-methylethyl 134 C10H14 000099-87-6 0,36 2,8
5,99 Benzene, 1-methyl-4-propyl- 134 C10H14 001074-55-1 1,11
6,49 Benzene, 2-ethyl-1,3-dimethyl- 134 C10H14 002870-04-4 0,27 0,14
5,82 Benzene, 2-ethyl-1,4-dimethyl- 134 C10H14 001758-88-9 0,21 2,77
6,35 Benzene, 4-ethyl-1,2-dimethyl- 134 C10H14 000934-80-5 0,47 1,21
8,52 Azulene 128 C10H8000275-51-4 0,24
9,44 Benzene, 1-pentenyl- 146 C11H14 000826-18-6 0,23
9,44 Benzene, cyclopentyl- 146 C11H14 000700-88-9 1,33 0,23
8,26 Benzene, (1,1-dimethylpropyl)- 148 C11H16 002049-95-8 0,16
8,79 Benzene, 1,3-dimethyl-5-(1-methyle 148 C11H16 004706-90-5 0,17
8,79 Benzene, 1,4-dimethyl-2-(1-methyle 148 C11H16 004132-72-3 0,17
7,41 Cis-3-methyl-endo-tricyclo[5,2,1,0 150 C11H18 1000215-29-0 0,18
10,72 Benzene, (3-methylcyclopentyl)- 160 C12H16 005078-75-1 0,09 0,24
11,73 Benzene, cyclohexyl- 160 C12H16 000827-52-1 0,09 0,26
8,79 Benzene, 1-ethyl-4-(1-methylethyl) 162 C12H18 004218-48-8 0,17
8,26 Benzene, 1-methyl-4-(1-methylpropy 162 C12H18 001595-16-0 0,16
13,73 Diphenylmethane 168 C13H12 000101-81-5 0,24
13,73 1,1'-Biphenyl, 2-methyl- 168 C13H12 000643-58-3 0,24
13,73 1,1'-Biphenyl, 4-methyl- 168 C13H12 000644-08-6 0,24
16,04 1,1'-Biphenyl, 2,3'-dimethyl- 182 C14H14 000611-43-8 1,14
16,04 1,1'-Biphenyl, 2,4'-dimethyl- 182 C14H14 000611-61-0 1,14
18,25 1,1'-Biphenyl, 3,4'-dimethyl- 182 C14H14 007383-90-6 0,55
14,32 1,1'-Biphenyl, 2-ethyl- 182 C14H14 000713-36-0 0,34
17,06 2,2'-Dimethylbiphenyl 182 C14H14 000605-39-0 1,14 0,59
18,46 3,3'-Dimethylbiphenyl 182 C14H14 000612-75-9 1,08
18,46 4,4'-Dimethylbiphenyl 182 C14H14 000613-33-2 1,08
16,86 Benzene, 1-methyl-2-(phenylmethyl) 182 C14H14 000713-36-0 0,31 0,49
17,06 Benzene, 1-methyl-4-(phenylmethyl) 182 C14H14 000620-83-7 0,42 0,59
16,61 1,2-diphenylethane 182 C14H14 000713-36-0 6,19 0,9
20,86 1,2-Diphenylethylene 180 C14H12 000588-59-0 0,14
Hydroaromatic Compound
6,4 Indan, 1-methyl- 132 C10H12 000767-58-8 0,11 0,41
5,47 2,3-Dihydroinden 118 C9H10 000103-30-0 8,61
8,51 1H-Indene, 1-methylene- 128 C10H8002471-84-3 1,13
7,49 1H-Indene, 2,3-dihydro-4-methyl- 132 C10H12 000824-22-6 0,43
7,74 1H-Indene, 2,3-dihydro-5-methyl- 132 C10H12 000874-35-1 0,1 0,53
6,58 4,7-Methano-1H-indene, octahydro- 136 C10H16 006004-38-2 0,76 5,45
Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs)
8,02 Naphthalene, 1,2,3,4-tetrahydro- 132 C10H12 000119-64-2 0,17 0,67
8,51 Naphthalene 128 C10H8000091-20-3 0,24 1,13
11,12 Naphthalene, 1-methyl- 142 C11H10 000090-12-0 0,1 0,31
11,12 Naphthalene, 2-methyl- 142 C11H10 000091-57-6 0,1 0,31
5,77 Naphthalene, 1,2,3,5,8,8a-hexahydr 160 C12H16 062690-65-7 0,48 2,77
22,32 Phenanthrene 178 C14H10 000085-01-8 0,6
22,32 Anthracene 178 C14H10 000120-12-7 0,6
20,86 Anthracene, 9,10-dihydro- 180 C14H12 000613-31-0 0,14
Anhang 144
27,83 Pyrene 202 C16H10 000129-00-0 0,32
27,83 Fluoranthene 202 C16H10 000206-44-0 0,32
21,1 2,6-Diisopropylnaphthalene 212 C16H20 024157-81-1 0,11 0,2
21,1 Diisopropylnaphthalene 212 C16H20 038640-62-9 0,11 0,2
34,64 Triphenylene 228 C18H12 000217-59-4 0,12
34,46 Chrysene 228 C18H12 000218-01-9 0,04
34,64 Benz[a]anthracene 228 C18H12 000056-55-3 0,12
39,93 Perylene 252 C20H12 000198-55-0 0,04
39,93 Benzo[a]pyrene 252 C20H12 000050-32-8 0,04
39,93 Benzo[e]pyrene 252 C20H12 000192-97-2 0,04
Oxigenic PAHs
21,43 9H-Fluoren-9-one 180 C13H8O000486-25-9 0,13
25,78 Xanthone 196 C13H8O2000090-47-1 0,08
28,94 Benzo[b]naphtho[2,3-d]furan 218 C16H10O000243-42-5 0,09
15,4 2,5-Cyclohexadiene-1,4-dione, 2,6- 220 C14H20O2000719-22-2 0,21
N, S, P- Compound
33,07 9-Octadecenamide, 281 C18H35NO 000301-02-0 0,34 0,15
7,79 Hydroxylamine, o-(phenylmethyl)- 123 C7H9NO 000622-33-3 8,91 8,91
6,82 Oxime-, methoxy-phenyl- 151 C8H9NO21000222-86-6 70,31 34,81
22,16 4-Nitro-4'-chlorodiphenylsulphoxid 281 C
12
H
8
ClNO
3
S024535-53-3 0,94 0,56
8,68 Ethanethioic acid, S-[8-(diethylphenyl) 129065-11-8 6,62
23,2 Benzene, 1,1'-[thiobis(methylene)] 214 C14H14S000538-74-9 0,37
28,02 Disulfide, bis(phenylmethyl) 246 C14H14S2000150-60-7 7,8
45,54 1,3,5-Trithiane, 2,4,6-triphenyl- 366 C21H18S3000531-05-5 0,5
13,4 Benzyl methyl disulfide 170 C8H10S2000699-10-5 0,25
6,28 Benzenemethanethiol 124 C7H8S000100-53-8 2,08
27,31 Cyclic octaatomic sulfur 256 S8010544-50-0 3,61
35,61 Triphenylphosphine oxide 278 C18H15OP 000791-28-6 0,58
35,61 Formylmethylenetriphenylphosphoran 304 C20H17OP 028900-91-6 0,58
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Name: Jinyoung Do
Geburtsdatum und -ort: 01, 01, 67 in Seoul / Südkorea
Adresse: Triftstr. 67, App.50709, bei Han, 13353, Berlin
Geschlecht : weiblich
Familienstand: verheiratet, 1 Kind
1970 - 1979 Engam Grundschule Seoul
1979 - 1982 Myungji Mittelschule Seoul
1982 - 1985 Hongik Oberschule Seoul
1985 - 1989 Chungang Universität Bacheler Seoul
1991 - 1993 Chungang Universität Master Seoul
1993 - 1996 Chungang Universität Doktor-Kurs Seoul
1996 - 2000 Doktorandin bei Prof. Dr. J. Riderer Berlin
an der TU und Rathgen Forschungslabor
Hiermit bestätige ich, daß ich die oben genannten Angaben richtig und wahrheitsmä-
ßig geschrieben habe.
