Nanopartikel verfestigen Sandstein

Wissenschaftler an der TU Wien haben eine Methode präsentiert, um verwitternden Sandstein mit speziellen Nanopartikeln aus Silikat zu verfestigen. Vor allem für sanierungsaufwendige Bauten wie den Kölner Dom oder Stephans Dom könnte die Technik genutzt werden, um Kosten einzusparen.

Verfestigung porösen Sandsteins dank wässriger Suspension mit Nanopartikeln

Im Wettlauf mit der Zeit arbeiten Restaurateure weltweit an Techniken um Kulturstätten aus Sandstein für die Nachwelt zu erhalten. Sandstein galt schon vor Hunderten von Jahren als beliebtes Baumaterial. Es war verfügbar und ließ sich relativ leicht bearbeiten.

Leider haben Umwelteinflüsse vor allem im letzten Jahrhundert sichtbare Spuren an vielen geschichtsträchtigen Gebäuden hinterlassen. Saurer Regen verursacht durch Abgase oder Kraftwerke hat dem Gestein zugesetzt.

Die unverkennbare schwarze Verfärbung des Gesteins ist nicht nur ein optischer Makel, sondern bedeutet eine extreme Veränderung der Wasseraufnahmefähigkeit. Die schwarze Schicht wirkt wie eine Versiegelung der Oberfläche und führt dazu, dass das Regenwasser durch die Spalten zwischen den einzelnen Steinen den Weg ins Innere des Bauwerkes findet und hinter der schwarzen Schicht den Stein zersetzt.

Mittels schonender Sandstrahltechnik wird zunächst der helle Sandstein wieder freigelegt und im Anschluss mit den Silikatnanopartikeln verfestigt. Diese gelangen über eine Flüssigkeit in den Stein. Nachdem das Wasser verdunstet ist, orientieren sich die Nanopartikel in einem Kristallisationsprozess zu festen Brücken zwischen den einzelnen Sandkörnern.

Als bemerkenswert beschreiben die Forscher, dass nicht nur die einzelnen Atome sich regelmäßig anordnen sondern auch die ganzen Nanopartikel. Das führt zu einem „kolloidalen Kristall“, der die festen Brücken zwischen den Sandpartikeln aufbaut und zur angestrebten Festigkeit führt.

Zusammen mit Kollegen der Universität Oslo fanden die Wissenschaftler zudem heraus, dass die Größe der Partikel in der Suspension einen Einfluss auf die Festigkeit hat.

„Je kleiner die Nanopartikel, umso mehr verstärken sie den Zusammenhalt zwischen den Sandkörnern“, erklärt Joanna Dziadkowiec, Wissenschaftlerin an der Universität Oslo und der TU Wien sowie Erstautorin der Publikation, in der die Ergebnisse der Forschung erstmals veröffentlicht worden sind.

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