Mörtelsysteme zur Verlegung von Naturwerksteinen, Teil 1

Seit Jahrhunderten werden Naturwerksteine mit Mörtelsystemen in der traditionellen Dickbettmethode verlegt. Veränderte Randbedingungen wie zum Beispiel neue Verlegeuntergründe, kurze Bauzeiten, großformatige, dünne Naturwerksteinplatten und die Grenzen der traditionellen Mörtelsysteme in Bezug auf ihre Anhaftung zum Naturwerkstein machten die Entwicklung innovativer Mörtelsysteme erforderlich, welche im so genannten Dünn- und Mittelbettverfahren verarbeitet werden.

Optische Beeinträchtigung des Naturwerksteins durch die Verwendung unterschiedlicher Klebemörtelsysteme

Trotz vieler Vorzüge dieser Verlegemethode kommt das traditionelle Verarbeitungsverfahren noch immer verbreitet zur Anwendung. Die Entscheidung zu Gunsten dieses Verfahrens wird im Wesentlichen unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten getroffen. Der lediglich aus Bindemittel, Zuschlag und Wasser bestehende Mörtel ist preiswert und kann bei Bedarf maschinell gefördert werden. Darüber hinaus kann der Ausgleich von Dickentoleranzen, zur Herstellung eines planebenen Belags, ohne Mühe vorgenommen werden.

Es ist jedoch festzustellen, dass bei Verwendung von großformatigen und dünnen Naturwerksteinplatten mit dieser Verlegemethode verstärkt Hohllagigkeiten, Rissbildungen und Verfärbungen im Belag auftreten.

Je dünner und größer die Naturwerksteinplatten, desto höher sind die Anforderungen an das Mörtelsystem in Bezug auf Hydratationsgeschwindigkeit, Wasserbindevermögen und ein sich schnell ausbildendes Haftspektrum.

Ein weiterer Aspekt ist die Vielzahl von Natursteinen, die heute zur Verfügung stehen. Wurden traditionell Naturwerksteinmaterialien in einer übersichtlichen Anzahl und häufig aus der heimischen Region verwendet, so dass Erfahrungswerte vorlagen, so stehen heute hunderte wenn nicht sogar tausende unterschiedlicher Naturwerksteinmaterialien aus aller Welt zur Verfügung. Aufgrund verschiedenartiger Genese (Entstehung) können diese erhöhte Gefahrenpotenziale in Bezug auf Haftung, Verfärbungspotential und Verformungen aufweisen.

In diesem Beitrag werden Rohstoffe behandelt, die bei der Herstellung von Mörtel zur Anwendung kommen, Inhalte aktueller Normen und die sich daraus ableitenden Anforderungen an die Eigenschaften der Mörtelsysteme. Wir wollen mit diesem Artikel dazu beitragen, Möglichkeiten und Grenzen der unterschiedlichen Formulierungen und Verfahren kennen zu lernen, damit Risiken, die aus der Verwendung eines ungeeigneten Verlegemörtels entstehen, reduziert beziehungsweise ausgeschlossen werden können.

Grundlagenwissen über die Rohstoffe (Zuschläge)

Zur Einschätzung und Bewertung von Mörtelsystemen ist zunächst Grundlagenwissen in Bezug auf die zur Mörtelformulierung zur Anwendung kommenden Rohstoffe und deren Funktion im System erforderlich.

Zuschläge/Füllstoffe

Diese Rohstoffe bilden das »Gerüst« des Mörtels. Unterschiedliche Korngrößen und deren jeweiliger Anteil am Trockenpulver bestimmen, insbesondere bei traditionellen Verlegemörteln, im Wesentlichen die Bindemittelmenge, den Wasseranspruch und die maximale Auftragsstärke des Mörtelsystems.

Als Füllstoffe kommen bei traditionellen Mörtelsystemen Kieszuschläge in den Korngrößen zwischen 0-4 Millimeter, 0-8 Millimeter und 2-8 Millimeter zur Anwendung. Bei Dünn- und Mittelbettmörteln verwendet man feuergetrocknete Quarzsande, in der Größe abgestimmt auf die maximale Auftragsstärke des jeweiligen Mörtels, Kalksteinmehl und/oder Leichtfüllstoffe aus Glashohlraumkugeln, Gummigranulat oder Blähtone.

Zementäre Bindemittel

Deutlich mehr als 90 Prozent der Naturwerksteinverlegearbeiten werden mit Mörtelsystemen dieser Bindemittelvariante ausgeführt:

Sie dienen als Bindemittel, also zur Verkettung der Zuschlagkörner untereinander, und bestimmen im Wesentlichen die Festigkeit des ausgehärteten Mörtels und, bei traditionellen Verlegemörteln, deren Anhaftung zum Verlegeuntergrund und zum Belagmaterial (Verbund).

Von der Art und Qualität des Bindemittels bzw. Bindemittelsystems ist das Erhärtungs- und Trocknungsverhalten abhängig.

Mischt man Zement und Wasser, entsteht zunächst Zementleim, der die Zuschlagkörner umhüllt. In Abhängigkeit der Zeit entwickelt sich auf Grund sich bildender Kristalle Zementgel und, in der Endphase der Erhärtung, der Zementstein. Je nach Art des Bindemittels, dessen Mahlfeinheit und dem vorhandenen Feuchtigkeitspotenzial, kann der Hydratationsvorgang einige Tage bis hin zu einigen Wochen dauern.

Die Entwicklung der Festigkeit ist von der chemischen Zusammensetzung des Bindemittels, der zugegebenen Anmachwassermenge und den während der Erhärtung herrschenden klimatischen Bedingungen (Temperatur, Luftfeuchte) abhängig.

Zur Formulierung von Mörtelsystemen kommen folgende Zementarten zur Anwendung:

Portlandzement
Dieses Bindemittel ist normal erhärtend. Dies bedeutet, dass die Festigkeitsentwicklung sich über einen relativ langen Zeitraum erstreckt. Der Zement ist in der Lage, 40 Prozent seines Gewichts an Wasser zu binden. Hiervon werden ca. 25 Prozent chemisch als Hydratwasser in das Zementgel eingebunden. Weitere 15 Prozent verbleiben, »physikalisch gehalten« in den Gelporen. Es weist jedoch für die Dauer der relativ langen Abbindephase ein hohes Alkalipotenzial auf, welches bei sensiblen Gesteinssorten Verformungen und Verfärbungen hervorrufen kann. Darüber hinaus verfügen mit Portlandzement formulierte Verlegemörtel über einen langen Zeitraum über einen hohen Anteil an »freiem Calciumhydroxid«, welcher über die Kapillarporen an die Belagsoberfläche transportiert wird, dort mit dem Kohlendioxid der Luft zu Calciumkarbonat reagiert und so genannte Ausblühungen zur Folge hat.

Rasterelektronenmikroskopaufnahme eines Portlandzement basierenden Mörtelsystems (2µm = 0,002 mm)

Hierbei sind zwei Transportwege zu unterscheiden. Bei sehr kapillaraktiven Naturwerksteinen, speziell in Verbindung mit hochwertigen »dichten« zementären Fugenmörteln, erfolgt der Transport durch die Kapillarporen des Naturwerksteins und führt zu flächigen Ausblühungen. Bekannter ist der Transportweg über die Fuge, der in der Regel bei dichten Naturwerksteinen zum Tragen kommt.

Optische Beeinträchtigung der Gesteinsoberfläche durch Transport des Calciumhydroxids über die Kapillarporen des Gesteins

Optische Beeinträchtigung der Gesteinsoberfläche durch Transport des Calciumhydroxids über die Kapillarporen des Fugenmörtels

Portlandpuzzolanzemente (Trasszemente)
Bei dieser Bindemittelvariante wird dem Portlandzement ein Anteil des Puzzolans Trass zugegeben. Man unterscheidet die Qualitätsklassen CEM II/A-P mit einem Trassanteil von 6-20 Prozent, CEM II/B-P mit einem Trassanteil von 21-35 Prozent und Spezialtrasszemente mit einem Trassanteil von circa 50 Prozent.

Diese Bindemittelvariante kommt überwiegend zur Formulierung auf der Baustelle gemischter herkömmlicher Dickbettmörtel (Baustellenmischung) für die Natursteinverlegung zur Anwendung.

Die im Puzzolan Trass enthaltene Kieselsäure reagiert mit dem beim Abbinden des Portlandzements freigesetzten Calciumhydroxid zu Festigkeitsbildenden Calciumsilikathydratphasen und reduziert somit den Anteil an freiem Kalk im erhärteten Mörtel. Dies bedeutet, dass die Menge an überschüssigem (freiem) Calciumhydroxid in der ausgehärteten Zementsteinmatrix geringer ist als bei reinen Portlandzementen. Je höher der Anteil des Trasses im Bindemittel, desto geringer ist das Ausblühungspotenzial. Allerdings erhöht sich in Verbindung mit dieser Bindemittelvariante das Verformungsrisiko bei sensiblen Gesteinsarten erheblich, da durch den Trassanteil die Erhärtungs- und Trocknungsgeschwindigkeit des Mörtels verlangsamt wird.

Auch im Hinblick auf eine Reduzierung der Verfärbungsneigung erfüllen diese Bindemittelsysteme nicht immer die Erwartungen, da eine Reduzierung des Alkalipotenzials, hervorgerufen durch die Reaktion von Calciumhydroxid und Kieselsäure, nicht direkt nach dem Anmischen einsetzt, sondern erst einige Tage später.

Dies hat zur Folge, dass instabile, nicht ausreichend alkalibeständige Minerale (vorzugsweise Eisenverbindungen) sehr wohl eine Veränderung erfahren können, welche dann partielle Verfärbungen im Gestein hervorruft.

Verfärbung, verursacht durch die Reaktion Eisenhaltiger Minerale mit alkalischer Feuchtigkeit

Verfärbung, verursacht durch die Reaktion Eisenhaltiger Minerale (z.B. Pyrit) mit alkalischer Feuchtigkeit aus dem Verlegesystem, in Verbindung mit Sauerstoff

Aluminatzemente
Früher auch als Tonerdeschmelzzemente bezeichnet, kommen zur Formulierung von schnell erhärtenden Mörtelsystem in Verbindung mit Portlandzement und/oder Calciumsulfat zur Anwendung.

Die Bindemittelvariante Portlandzement/Aluminatzement bewirkt eine schnelle Anfangserhärtung der Mörtelmatrix und erlaubt somit eine deutlich schnellere mechanische Belastung des verlegten Belags.

Das Gefahrenpotenzial in Bezug auf das Verfärbungs- und Verformungsrisiko ist jedoch ähnlich groß wie bei Portlandzement-formulierten Bindemittelsystemen.

Spezialzemente auf Trisulfatbasis
Diese Bindemittelvariante besteht aus den Rohstoffen Portlandzement, Aluminatzement und Calciumsulfat sowie weiteren speziellen Additiven (Wirkstoffe, die spezielle Eigenschaften hervorrufen). Sie zeichnet sich durch eine schnelle Erhärtung, schnelle Trocknung und ein sich rasch ausbildendes Haftspektrum in Verbindung mit den üblicherweise in Dünn- und Mittelbettmörteln zur Anwendung kommenden Kunststoffen aus.

Mörtelsysteme auf dieser Bindemittelbasis weisen das höchste Sicherheitspotenzial bei der Verlegung verformungs- und verfärbungssensibler Naturwerksteine auf. Nur einige spezielle, wasserfreie Mörtel auf Reaktionsharzbasis übertreffen dieses Mörtelsystem in Bezug auf diese Parameter.