Das Phänomen Eis
Bei der Reaktion von Gestein auf die Einwirkung von Eis gibt es ein Phänomen, für das es bis heute keine zufriedenstellende wissenschaftliche Erklärung gibt
Das Ergebnis der Wirkung ist jedoch offensichtlich und bedeutet eine mehr oder weniger starke Zersetzung des Materials. Das ist die Folge von Spannungen in den Poren, weil Wasser zu Eis wird und dadurch um ungefähr 9 % an Volumen zunimmt.
Diese Erklärung ist möglicherweise aber zu einfach und erfordert eine genauere Analyse um das gesamte Phänomen kennen zu lernen. Bei dieser Analyse muss folgendes berücksichtigt werden:
- In Gestein gibt es Poren, die mit der Außenwelt verbunden sind und deshalb dazu neigen, mit Wasser und anderen Elementen, die Luft enthalten, gefüllt zu werden.
- Je größer das Volumen der unzugänglichen Poren im Vergleich zu den zugänglichen ist, desto geringer ist logischerweise die Wirkung von Eis. Dieses Verhältnis nennt man Sättigungskoeffizient.
- Sättigungskoeffizienten von mehr als 95 % stellen einen Risikofaktor dar.
- Durch Eis verursachte Schäden hängen zum großen Teil von der porösen Struktur des Gesteins ab. Es ist normalerweise so, dass die Wirkung des Eises umso stärker wird, je kleiner die Poren sind.
- Einige Wissenschaftler arbeiten an der Theorie des Wachstums von Eiskristallen innerhalb der Pore unter gewissen Druckverhältnissen, die durch das Phänomen von Kapillaransaugung begünstigt werden können, was über einen längeren Zeitraum hinweg zu einer entsprechenden Verschlechterung führen kann.
- Die Wirkung von Eis sorgt mit der Zeit für eine Zersetzung des Materials, was den Verlust von Masse, Kohäsion und mechanischer Haltbarkeit bis hin zu Brüchen bedeutet.
- Die Absorption von Wasser, die heutzutage häufig als technisches Kriterium betrachtet wird, ob ein Stein eisempfindlich ist oder nicht, gilt nicht ausschließlich, so wie es in einigen Normen betrachtet wird.
- Die Untersuchung des Poreninneren unter der Verwendung von Porösitätsmesstechniken mit Quicksilber ist eine sehr nützliche Methode bei Restaurations- oder Forschungsarbeiten.
Es ist also so, dass die Veränderung von Gestein aufgrund der Einwirkung von Eis komplexer ist als die einfache Annahme, das Gestein eisempfindlich ist oder nicht, aufgrund einer einfachen Einschätzung mittels eines Absorptionstests, wie in einigen verwendeten Normen angegeben wird.
Methodik
Üblicherweise wird das Verhalten von Gesteinen gegenüber Eis mit Eisempfindlichkeitstests bewertet, die darin bestehen, das Material einer Reihe von Eiszyklen bei einer Lufttemperatur von -15°C auszusetzen und dann das Eis in 20°C warmem Wasser wieder zu entfernen.
Genau genommen heißt das, im Labor mit derselben Intensität wie in der Natur zu arbeiten.
Auf Grundlage der Daten der offiziellen meteorologischen Messstationen kann man eine Graphik der täglichen Temperaturschwankungen über einen Zeitraum von 30 Jahren erhalten, so dass man einen statistisch repräsentativen Jahresmittelwert der Temperaturen unter -5°C bekommt, was man den Eisindex nennt.
Der so definierte Eisindex stellt die Eisschäden (Dh) an einem bestimmten Ort während eines Jahres dar.
Wenn ein Stein eine Haltbarkeit vor Ort von n Jahren haben soll, wäre der Eisschaden während dieses Zeitraums:
Dh = Ig.n
Andererseits hätte der durch den Temperaturzyklus von -15°C verursachte Schaden den Wert:
DI = 15
Das heißt, dass folgendes gelten muss, um den entsprechenden Schaden wie den vor Ort zu erzeugen:
N .DI = I.gn
(N ist die Anzahl der Testzykien)
Das sind dann die Daten, die wir unserem Labor weitergeben sollten, so dass man damit das Testergebnis einschätzen kann.
Der europäische Standard für Eistests legt nicht die Anzahl der Zyklen fest, die ausgeführt werden müssen und überlässt die Entscheidung darüber dem Verantwortlichen für das Material.
Das kann eine gute Vorgehensweise sein, die unserer Meinung nach sehr wirklichkeitsgetreu und darüber hinaus ausreichend differenziert ist.
Der aktuelle UNE-Standard für Eisempfindlichkeit entwickelt 25 Zyklen für die angegebenen Eigenschaften und wertet dann das Ergebnis aus, indem die Masse des Gesteins oder der Verlust an Druckwiderstand der Proben bestimmt wird.
Unabhängig von den Auswertungskriterien des beschriebenen Tests taucht gleich die erste Frage auf: Warum 25 Zyklen und keine andere Anzahl?
Und hier kommt die Idee ins Spiel ein neues Konzept zu entwickeln, und zwar auf Grund von durch Eis verursachten Schäden (Dh).
Der durch Eis verursachte Schaden kann definiert werden als die Summe der Temperaturen von unter -5°C(t) während einer bestimmten Zeit (T), oder, was auf dasselbe hinausläuft, das Integral in Bezug auf die Zeit der Temperaturen unter Null.
Da man die Funktion t=f(T) nicht kennt, wird sie Tag für Tag durch Addition bestimmt.
Wenn der Wert von Dh bekannt ist, ist man in der Lage den gleichen durch Eis verursachten Schaden im Labor zu reproduzieren, und zwar ausgehend von den Eigenschaften des Versuchszyklus Einfrieren-Enteisen, um so die eingesetzte Unbekannte zu lösen.
Bewertung
Sobald wir die N Zyklen, die unser Einsatzort und die Anzahl von Jahren erfordern, durchgeführt haben, muss das Versuchsergebnis ausgewertet werden.
Dabei kann man auf verschiedene Arten vorgehen:
- Ein Volumensverlust der Probe größer 1 % gilt als Fehlschlag.
- Ein Verlust des Biegewiderstands größer 30 % gilt als Fehlschlag.
- Ein Verlust der Resonanzfrequenz oder der Norm der dynamischen Elastizität zu einem bestimmten Prozentsatz aufgrund von einem Anfangswert bedeutet auch einen Fehlschlag.
Diese letzte Vorgehensweise wird nicht empfohlen, wenn das Gestein Fissuren oder relevante Anisotropien hat.
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