Titel: Kuhlmann, über die Verwitterung der Gesteine und über die bei der Krystallbildung stattfindende Volumzunahme.
Autor: Kuhlmann, Friedrich
Fundstelle: 1873, Band 208, Nr. XXXVII. (S. 127–132)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj208/ar208037

XXXVII. Bemerkungen über die Verwitterung der Gesteine und über die bei der Krystallbildung stattfindende Volumzunahme; von Friedrich Kuhlmann.

Aus den Annales de Chimie et de Physique, 4. série, t. XXVIII p. 500; April 1873.

Um die zur Zerstörung unserer steinernen Denkmäler beitragenden Ursachen zu entdecken, beschäftigte ich mich i. J. 1839 mit eingehenden Untersuchungen über die an Steinmauern sich bildenden Salzausblühungen und Auswitterungen, welche allgemein der Salpeterbildung zugeschrieben wurden. Ich wies nach, daß die an Ziegelsteinmauern so häufig beobachteten Efflorescenzen aus kohlensaurem und schwefelsaurem Natron, nicht aber aus Salpetersäuresalzen bestehen, deren allerdings gewöhnliche Bildung nur eine nachfolgende und theilweise ist; ferner daß diese Natronsalze von dem natürlichen Natrongehalte der den verschiedenen Gebirgsformationen angehörenden Kalksteine herstammen.22)

Dieses Studium veranlaßte mich nähere Untersuchungen anzustellen über den Einfluß des Natrons und Kalis auf die Natur der verschiedenen Kalksteine, namentlich auf ihren mehr oder weniger hydraulischen Charakter, durch die Bildung von Silicaten.23) Betrachtungen derselben Art veranlaßten meine Untersuchungen über die löslichen Alkalisilicate und deren Anwendung zur Festigung von Steinbauten,24) und schon beim Beginne meiner Arbeiten über diese Punkte setzte ich die Gründe |128| auseinander, welche für die gedachten praktischen Verwendungen die Benutzung von kieselsaurem Kali (Kali-Wasserglas) anstatt des kieselsauren Natrons (Natron-Wasserglases) vorschreiben, indem letzteres Efflorescenzen bildet.

Es zeigte sich bald, daß ich Recht hatte den nachtheiligen Einfluß der Natronsalze zu fürchten; denn bei Ziegelsteinbauten machte ich stets die Beobachtung daß diese Salze, selbst wenn sie in nur sehr geringen Mengen vorhanden sind, unabhängig vom Froste, einen sehr nachtheiligen Einfluß ausüben und daß sie überall, wo die Feuchtigkeit durch die Spalten des nicht durch Metallbleche oder durch wasserdichte Steine geschützten Mauerwerkes in dasselbe eindringen kann, binnen wenigen Jahren die Zerstörung solchen Mauerwerkes auf eine Tiefe von 60 bis 80 Centimetern (je nach der größeren oder geringeren Durchdringbarkeit des Gemäuers) herbeiführen. Höchst auffallend ist bei diesen Erscheinungen, daß bloße Spuren von kohlensaurem Natron, welche von dem zu den Bauwerken verwendeten Kalksteine herrühren, mit der Länge der Zeit eine beträchtliche Verwitterung (Aufhebung ihres Zusammenhanges) hervorbringen können, deren weiteres Umsichgreifen sich sehr schwierig hemmen läßt. Nunmehr gestatten mir meine Studien über die Krystallisationskraft die auf einander folgenden Reactionen zu erklären, welche die erwähnten Erscheinungen veranlassen.

Ich habe nachgewiesen, daß wenn feste Körper in krystallisationsfähigen Salzlösungen, in denen sie selbst unlöslich, suspendirt sind, dieselben im Augenblicke der Krystallbildung in Bewegung gesetzt werden und eine solche Anordnung erhalten, daß sie verschiedenartige, der Natur des gelöst gewesenen Salzes entsprechende Figuren bilden, so daß, wenn der feste Körper ein schmelzbares Email ist und die Krystallisation der Salzlösung auf einer Glasplatte erfolgt, das Emailpulver sich auf derselben in Form von verschiedenartigen, blumenähnlichen Gebilden absetzt, welche man auf der Oberfläche der Platte durch Einbrennen in einer Muffel fixiren kann.

Ohne Zweifel haben wir hier die Aeußerung einer gewissen Physikalischen Kraft vor uns; eine ganz andere ist aber die Kraft welche das Mauerwerk unserer Monumente zerstört.

Die Ursache dieser Zerstörung wird hauptsächlich der Volumzunahme zugeschrieben, die das Wasser bei seinem Gefrieren erleidet; nachdem das Wasser durch Infiltration in poröse Mauern eingedrungen ist, muß es im Winter zum Zerfallen derselben beitragen und sicherlich liegt in diesem Vorgange eine Hauptursache der in Rede stehenden Zerstörung.

Jedermann weiß, wie kräftig der Frost zur Zertheilung der Gesteine |129| sowohl, wie auch des Ackerbodens beiträgt; zu dieser Ursache des Zerfallens kommt aber noch eine andere, nicht weniger mächtige, nämlich das Vorhandenseyn von salinischen Substanzen, welche durch die im Augenblicke ihres Krystallisirens aus wässeriger Lösung erfolgende Vergrößerung ihres Volums zur Wirkung gelangen. Vauquelin wies schon i. J. 1792 nach, daß schwefelsaures Natron beim Krystallisiren eine Volumzunahme erleidet und i. J. 1823 verwerthete der Bergingenieur Brard diese Thatsache zur Ermittelung des größeren oder geringeren Widerstandes, welchen die verschiedenen Gesteine den Einwirkungen des Frostes darbieten.

Ich wollte mich versichern, ob es sich hier um eine dem schwefelsauren Natron eigenthümliche Erscheinung handelt und prüfte daher eine große Anzahl von Salzen, ob sie im Momente ihres Krystallisirens eine Volumänderung erleiden. Aus diesen Versuchen ergab sich, daß alle Salze welche mit Wasser krystallisiren, an Volum zunehmen.

In einer im Jahre 1855 veröffentlichten Arbeit hob ich den Einfluß hervor, den niedrige Temperaturgrade auf die Anordnung der Krystallgebilde meiner oben erwähnten Krystallplatten äußern, und wies nach, daß die Salze welche bei gewöhnlicher Temperatur in wasserfreiem Zustande krystallisiren, bei niedriger Temperatur Krystallwasser zurückhalten und Krystalle von abweichender Form geben können.

Als Belege dieser Fixirung von Wasser bei dem Krystallisiren der Salze bei niedriger Temperatur, will ich ferner die folgenden analytischen Resultate anführen:

Schwefelsaures Zinkoxyd hielt bei der Temperatur von 15° C. unter Null 75,50 Proc. Krystallwasser zurück anstatt 44,70 Proc., welche dieses Salz gewöhnlich zurückhält.

Schwefelsaures Eisenoxydul, welches bei gewöhnlicher Temperatur 45,60 Proc. Krystallwasser enthält, bindet, wenn es bei niedriger Temperatur krystallisirt, 77,10 Proc. Schwefelsaures Kupferoxyd krystallisirt in der Kälte mit 90,40 Proc. Wasser, bei gewöhnlicher Temperatur aber mit 24,30 Proc.; ebenso schwefelsaures Natron mit 81,20 anstatt mit 56 Proc.

In dem gewöhnlich wasserfrei krystallisirenden salpetersauren Bleioxyd, salpetersauren Kali und salpetersauren Natron, gelang es mir bei – 15° C. 70,40, 87,50 und 90,90 Proc. Wasser zu fixiren. Hierbei steht die Volumzunahme durch den Krystallisationsproceß stets mit der Menge des fixirten Krystallwassers in Beziehung. Eines der schlagendsten Beispiele der Volumzunahme der Salze im Moment ihres Krystallisirens |130| liefert der Gyps. Schon Lavoisier äußerte den Gedanken, daß der Gyps, indem er beim Hydratisiren anschwillt, einer wahrhaften Krystallisation unterliegt. Diese Ansicht kann nicht in Zweifel gezogen werden, wenn die Hydratisirung langsam erfolgt, was ich durch einige von mir gemachte Beobachtungen über die Hydratisirung des wasserfreien schwefelsauren Kalkes (Anhydrits) unter dem allmählichen Einfluß der Feuchtigkeit unterstützen kann.

Ich beobachtete nämlich in den Steinsalzgruben von Villafranca, daß die dem Steinsalze eingelagerten Anhydritschichten in Folge der steten Berührung mit der feuchten Luft der Stollen und Strecken sich allmählich in Gyps von krystallisch-faseriger Textur verwandeln und dabei so anschwellen, daß die Wandungen der in der Gebirgsmasse ausgehauenen Oerter und Stöße an der Oberfläche zerbröckeln.

Dieselben Beobachtungen lassen sich unter gleichen Verhältnissen bei wasserfreiem schwefelsaurem Natron machen.

Ein anderes Beispiel der Volumzunahme des schwefelsauren Kalkes bei seiner Hydratisirung durch Krystallisation ist folgendes.

Vor einigen Jahren wurde ich bei einem Besuche der Saline Schöningen (Braunschweig) von dem Director der dortigen Fabrik chemischer Producte, Hrn. Adolph Rose, auf einen dort vorgekommenen Vorfall aufmerksam gemacht. Seit langer Zeit war in der Fabrik eine Pumpe zum Heben gesättigter Soole im Gange, in deren Saugrohr sich stets nur ganz dünne Häutchen von Anhydrit abgesetzt hatten. Man bemerkte bald, daß die Pumpe weniger Soole lieferte und daß diese schwächer wurde; endlich hörte die Pumpe zu functioniren auf, und als die Saugröhren aus dem Bohrloche (Soolschachte) herausgezogen wurden, überzeugte man sich, daß in Folge eines durch irgend einen zufälligen Umstand entstandenen Risses Süßwasser in die Röhren gedrungen war und sich mit der Soole vermischt hatte; an Stelle einer schwachen Anhydritkruste fand sich nun eine Schicht krystallisirten Gypses von solcher Stärke vor, daß sie das Aufsteigen der Soole verhinderte.

Rührt man ein Gemenge von gleichen Theilen Portlandcement und gebranntem Gyps mit Wasser an, so findet nur eine unvollständige Hydratisirung des Gypses statt, dieselbe vervollständigt sich aber mit der Zeit durch die Feuchtigkeit der Luft, das Gemisch bläht sich auf, verzieht sich, und fällt auseinander. Ohne Zweifel findet hier ein ähnlicher Vorgang statt, wie beim Berappen und Verputzen von Wänden, wenn dazu Mörtel verwendet wird, welcher Stückchen von nicht gelöschtem Kalk enthält.

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Die Volumzunahme durch die Hydratisirung des schwefelsauren Kalkes ist auch bei der Darstellung des zu landwirthschaftlichen Zwecken bestimmten Kalksuperphosphates wahrzunehmen, wobei der natürliche phosphorsaure Kalk mit Schwefelsäure imprägnirt wird.

Auch erklärt diese Volumzunahme bei der Bildung der Krystalle das Zerfallen der Eisenkiese, wenn dieselben der Einwirkung feuchter Luft ausgesetzt sind, wobei das Zweifach-Schwefeleisen sich zu wasserhaltigem schwefelsauren Eisenoxydul umwandelt. Wir sehen hier, daß eine mineralische Masse von großer Dichtigkeit und solcher Härte daß sie am Stahle Funken gibt, gänzlich zerfällt und zu staubähnlichem Pulver wird. Allerdings wird in den letzteren Fällen das Aufblähen und Anschwellen nicht bloß durch das sich fixirende Wasser, sondern auch durch den Sauerstoff der Luft verursacht, welcher sich mit dem Schwefel und dem Eisen verbindet.

Dem Vorstehenden zufolge dürfen wir der bei dem Krystallisiren der Salze stattfindenden Volumzunahme einen Theil der Ursachen zuschreiben, welche die Zerstörung der Steinmonumente und die Verwitterung der Gesteine herbeiführen. Wie würde sich ohne den Einfluß jener Erscheinung die Verwitterung der Felsarten in den Tropengegenden erklären lassen?

Eine einigermaßen analoge Erscheinung ist die, daß irdene Gefäße, nachdem sie mit gesättigter Glaubersalzlösung gefüllt und dann an ihrer Mündung fest verschlossen worden sind, in dem Augenblicke zerbersten wo die Krystallisation erfolgt. Ich habe gefunden, daß Lösungen von unterschwefligsaurem Natron und von essigsaurem Bleioxyd dieselbe Wirkung hervorbringen.

Im nördlichen Frankreich versetzt man mit Erfolg Mörtel und Beton mit Steinkohlenasche. Als in meinen Fabriken die Asche aus den Oefen zum Calciniren des Glaubersalzes, welche noch etwas Glaubersalz enthält, zu demselben Zwecke verwendet wurde, blähte sich der so zubereitete Mörtel (Beton) auf und zerfiel zu Staub. Beton, welcher mit Eisenoxyd, das vom Brennen der Kiese herrührte und noch einen geringen Antheil Schwefeleisen enthielt, verunreinigt war, schwoll auf und hob dadurch Mauern von bedeutender Stärke. Bei diesem Vorgange findet Bildung von wasserhaltigem schwefelsaurem Kalk (Gyps) und Eisenoxyd statt.

Hingegen kann man in graduirten Röhren die Volumverminderung bei Gemischen von Wasser und krystallisirten wasserhaltigen Salzen constatiren; dieselbe zeigt sich in dem Maaße als die |132| Auflösung der Salze erfolgt. Ich experimentirte mit schwefelsaurem und unterschwefligsaurem Natron, mit schwefelsaurem Zinkoxyd, schwefelsaurem Kupferoxyd, schwefelsaurem Eisenoxydul und schwefelsaurer Magnesia.

Um das in Tropengegenden stattfindende Zerfallen der Feldspathgesteine, welche (wie Granit, Syenit etc.) Alkalien enthalten, erklären zu können, brauchen wir nur zu berücksichtigen, daß die Differenz zwischen der Tages- und Nachttemperatur im Verlaufe von vierundzwanzig Stunden eine oder mehrere Krystallisationen bei derselben Menge krystallisirbarer Substanzen herbeiführen kann, so daß die zerstörende Wirkung eine continuirliche ist und daher mit der Zeit sehr bedeutende Resultate hervorzubringen vermag.

Ich bin überzeugt, daß in manchen Fällen zur Zertrennung von Gebirgsgesteinen, namentlich der Feldspathgesteine und der zur Düngerfabrication bestimmten natürlichen Kalkphosphate, die Wirkung der Maschinen durch den Einfluß concentrirter Lösungen der krystallisirbaren Salze ersetzt werden könnte.

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Polytechn. Journal, 1841, Bd. LXXX S. 222.

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Polytechn. Journal, 1847, Bd. CVI S. 425.

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Polytechn. Journal, 1855, Bd. CXXXVII S. 288, 358 und 436.

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