Historischer Kalkmörtel - Grundlagen und Instandsetzung

Warum so kompliziert?

Bei der Instandsetzung von Mauerwerk mit historischem Kalkmörtel muss man zunächst die alten Materialien chemisch analysieren, um auf dieser Basis Rezepturen für bestandsverträgliche Reparaturmörtel zu entwickeln. Was gilt es sonst noch zu beachten?

Text und Fotos: Christian Kayser

Bis in das frühe 20. Jahrhundert war die Arbeit mit Kalkmörtel jedem Maurer geläufig, erst nach und nach verdrängten »moderne«, zementbasierte Mörtel das bewährte Material. Tatsächlich unterscheiden sich beide Mörteltypen sowohl in der Verarbeitung als auch in den Eigenschaften erheblich. Bei dem heute industriell in großen Volumina erzeugten Zementmörtel handelt es sich um einen hydraulischen Mörtel (»Wassermörtel«). Dies bedeutet, dass das Material auch ohne unmittelbaren Luftkontakt, selbst unter Wasser, rasch aushärtet. Der früher gebräuchliche Kalkmörtel ist dagegen nichthydraulisch; das Material kann nur in Kontakt mit Luft aushärten (»Luftmörtel«). Diese Eigenschaft beruht auf den komplexen bauchemischen Prozessen, die der Herstellung und Verarbeitung zu Grunde liegen:

Als Ausgangsmaterial wird möglichst reiner Kalkstein (CaCO3), am besten in der metamorphen Form des Marmors benötigt. Dieser wird zunächst in einem arbeitstechnisch gefährlichen Prozess in einem Kalkofen gebrannt (Abb. 2). Es entsteht der hochreaktive Branntkalk (CaO), eine chemisch instabile Verbindung. Ebenso wird CO2 erzeugt, das gewissermaßen aus dem Kalkstein »herausgebrannt« wird. Im Folgenden wird der Branntkalk mit Wasser versetzt (Abb. 3). Das Ergebnis dieses exothermen, also Energie in Form von Hitze freisetzenden Vorganges (»Löschen«) ist Löschkalk (CaO+H2O= Ca(OH)2).

Bereits bei diesem Bearbeitungsschritt kann Einfluss auf die Eigenschaften des Mörtels genommen werden: Wird der Kalk langsam gewässert und vollständig abgelöscht, entsteht eine homogene, breiige Masse, die sich auch für die Herstellung von Oberflächenputzen eignet. Dieser »Sumpfkalk« ist basisch und nur noch schwach reaktiv. Je nach Einsatzzweck werden unterschiedliche Anteile an Sanden und Kies als Zuschlag eingerührt, bevor der Handwerker den Mörtel am Bauwerk verwendet.

Auf die Mischung kommt es an

 

Querschnitt durch eine historische Wehrmauer. Mörtelreiches, sehr stabiles Gefüge mit breit streuender Sieblinie, Ziegelbruchstücken und Kalkspatzen. Verbleibt Branntkalk im Mörtel, entsteht durch die Reaktion mit CO2 nach und nach eine höhere Festigkeit des Mauergefüges.

Foto: Barthel & Maus, Beratende Ingenieure

Wird dagegen der Branntkalk unmittelbar mit feuchtem Sand gemischt, erfolgt keine vollständige »Löschung«, vielmehr bleiben Branntkalkanteile (»Kalkspatzen«) im Gemenge (Abb. 4). Diese reagieren erst nach und nach im bereits verbauten Zustand, wodurch sich eine höhere Festigkeit des Mauergefüges erzielen lässt. Im letzten Schritt verbindet sich der nichthydraulische Löschkalk mit dem CO2 aus der Luft und erhärtet damit wieder zum Ausgangsprodukt – es entsteht künstlicher Kalkstein; der bauchemische »Kalkkreislauf« ist geschlossen. Die einzelnen Arbeitsschritte waren bis vor rund 100 Jahren körperlich anstrengend und gefährlich, zumeist wurden sie von wenig qualifizierten Hilfsarbeitern (»Mörtelknechten«) ausgeführt.

Besondere Rezepturen für Kalkmörtel

Im letzten Schritt der Mörtelherstellung kann wesentlicher Einfluss auf die Eigenschaften des Materials genommen werden. Neben den Kiesen und Sanden kann man weitere, manchmal recht alchemistisch-geheimnisvoll anmutende Zutaten zugeben, etwa Schweinehaare, Quark oder Ziegelstückchen. Wie die bauchemische Forschung zeigt, handelt es sich dabei keineswegs um abergläubische Handlungen. Die Haare können als »Bewehrung« des Putzes helfen, Rissbildungen zu vermeiden, das Kasein im Quark führt zu höherer Festigkeit und Feuchtebeständigkeit; Ziegelmehl gibt dem Mörtel gewisse hydraulische Eigenschaften und bedingt damit eine höhere Festigkeit. Die zunächst skurril anmutenden Zusätze bilden den wahren Kern hinter so mancher lokaler Sage von Buttermilch- oder Quarktürmen!

Kalkmörtel benötigt nach dem Versatz noch eine Zeitlang liebevolle Pflege. Die Material- und Umgebungstemperaturen dürfen nicht zu niedrig fallen, die Zeit für Mauerarbeiten war damit auf die wärmeren Monate zwischen April und Oktober beschränkt. Ebenso war wichtig, dass man die Mörteloberfläche feucht hielt. Hierfür wurden die Gefüge in der ersten Zeit noch beispielsweise mit angefeuchteten Jutesäcken abgedeckt (Abb. 5). Schließlich war auch in der Bauablaufplanung eine gewisse Großzügigkeit nötig, denn der Abbindeprozess verlief langsam. Wollte man Verformungen sicher vermeiden, konnten größere Mauervolumina nur nach Pausen für die Mörtelerhärtung ausgeführt werden. Das Kernmauerwerk starker historischer Mauern, etwa an Burgtürmen oder Brückenpfeilern, ist teilweise heute noch nicht vollständig ausgehärtet.

Als Lohn all der Mühen erhält man ein echtes Qualitätsprodukt: Kalkmörtel sind verhältnismäßig diffusionsoffen und wirken damit als raumklimatisch günstige Feuchtepuffer, sie verfügen meist über einen niedrigen E-Modul und können über reaktive Kalkanteile sogar kleinere Risse wieder verschließen. Auch die CO2-Bilanz ist, durch die erneute Einlagerung beim Abbindeprozess, günstig. Mit diesen Charakteristika unterscheiden sich Kalkmörtel wesentlich von modernen hydraulischen Mörteln auf Zementbasis. Diese sind deutlich einfacher zu verarbeiten, üblicherweise sehr fest, weitgehend diffusionsdicht, und setzen in der Herstellung große Mengen an CO2 frei.

Schadensbilder

Wind und Wetter führen zwar zu einer oberflächigen Erosion von Kalkmörteln, doch ihr wichtigster natürlicher Feind ist heute der neuzeitliche, hydraulische Zementmörtel. Mit einfacher Handhabung und günstigen Preisen infolge industrieller Herstellung verdrängte er im Verlauf des 20. Jahrhunderts sukzessive die Kalkmörtel. Gerade beim Umgang mit historischen Bauten erwies sich dieser Prozess als problematisch: Mit Kalkmörtel gemauerte Gefüge müssen regelmäßig nachverfugt werden, um die Erosion des weichen Materials auszugleichen. Hierfür kam spätestens ab den 1960er Jahren allerdings Zementmörtel zum Einsatz – man hoffte, nun ein dauerhaftes Material gefunden zu haben, mit dem man die regelmäßigen Nacharbeiten vermeiden konnte. Für die ersten Jahre schien sich die Annahme zu bewahrheiten, doch schon bald traten deutliche Schäden in bisher ungekanntem Ausmaß am Mauergefüge auf. Die Steinoberflächen waren durchfeuchtet und sandeten ab, an den Oberflächen blühten Salze aus. Der neue Deckmörtel löste sich in Schollen, das Fugsystem war durchnässt, bindemittelarm und von Pflanzen durchwurzelt (Abb. 6, 7). Die Zerrüttung des Gefüges konnte so weit gehen, dass es auch zu statischen Problemen kam, sich etwa Schalen aus dem Verband lösten und ausbrachen (Abb. 8).

Stauende Nässe

 

Dichter Zementmörtel, wie er in den 1960er Jahren zur Reparatur verwendet wurde, verhinderte ein Abtrocknen der Mauer, sie durchnässte über die Jahre, Frost ließ die Fugen ausbrechen und bot Moosen und Gräsern Platz für Wachstum und weitere Schädigung.

 

Foto: Barthel & Maus, Beratende Ingenieure

Die Ursache für die starken Schäden an Stein und Mörtel liegt in der unsachgemäßen Kombination von Materialien mit höchst unterschiedlichen Eigenschaften: Der bauzeitliche Kalkmörtel ist verhältnismäßig diffusionsoffen; in den Mauerquerschnitt eingetragene Witterungsfeuchte konnte damit über das Fugsystem wieder abtransportiert werden. Der Verschluss der Fugen mit einem diffusionsdichten Zementmörtel verändert zwangsweise den Feuchtehaushalt des Mauerwerks. Wasser findet allerdings immer einen Weg – durch Spalten in der Abdeckung oder über erdberührende Bauteile eingetragene Feuchte kann nach der Überfugung nicht mehr ablüften, sondern wird im Mauerquerschnitt gespeichert und reichert sich sukzessive an. Schließlich gehen im Mörtel gebundene Salze in Lösung, das Bindemittel wird ausgeschwemmt. Mit Erreichen der Sättigungsfeuchte tritt die Feuchtigkeit schließlich über die Mauersteine aus. Die stark durchfeuchteten Steine können im Winter auffrieren, es kommt zu ersten Oberflächenschäden. Auch die gelösten Salze verursachen Folgeschäden: Bei der zeitweiligen Abtrocknung der Feuchte an der Oberfläche kristallisieren die Salze erneut aus. Durch die damit verbundene Volumenvergrößerung kommt es zu weiteren Absprengungen und zur Rückwitterung der Steinquader. Die historischen Oberflächen werden langsam zerstört – und mit ihnen ggf. die bauhistorisch wertvollen Bearbeitungsspuren.

Schließlich ist die Maueroberfläche so stark zerrüttet, dass der neue Mörtel in Schollen abfällt. Die bauzeitlichen Fugen dahinter sind ausgespült und sandig. In dem offenen Gefüge können sich Pflanzen ansiedeln, deren Wurzelwerk weitere Folgeschäden verursacht. Kurz gesagt: Mit dem gutgemeinten Einsatz eines unpassenden modernen Reparaturmaterials hatte man innerhalb weniger Jahre einen Schadensfall geschaffen, dessen Reparatur deutlich aufwendiger ist, als es die regelmäßige Baupflege am historischen Bestand je gewesen wäre.

Zur Instandsetzung

Wesentliche Grundlage für das Neuverfugen von Mauerwerk mit historischem Kalkmörtel ist die bauchemische Analyse des Materials. Hierfür müssen ausgebildete SpezialistInnen hinzugezogen werden. In den Bundesländern Rheinland-Pfalz, Hessen, Saarland und Thüringen steht dafür etwa das gemeinschaftlich finanzierte Institut für Steinkonservierung als fachkundiger Dienstleister für den Erhalt von Baudenkmalen zur Verfügung; bundesweit gibt es zudem eine Reihe privatwissenschaftlicher Fachlabore oder universitärer Einrichtungen. Die Mörtelanalyse setzt sich üblicherweise aus mehreren Einzelschritten zusammen: Neben der physikalischen Auswertung der Korngrößenverteilung können etwa Wasseraufnahmefähigkeit, Druckfestigkeit, E-Modul und chemische Zusammensetzung bewertet werden. Auf Basis der Ergebnisse sollten Empfehlungen für einen an den Bestand angepassten neuen Reparaturmörtel ausgesprochen werden.

Bei der eigentlichen Instandsetzung muss zunächst vorsichtig die nicht-originale Überfugung abgenommen werden. In den ausgewaschenen Fugen dahinter findet sich meist aufgefrorener Mörtel und organisches Material, das entfernt wird.

Für die Instandsetzung der Fugen stehen technisch verschiedene Optionen bereit. Der Mörtel kann entweder maschinell im Trockenspritzverfahren in die Fugen eingebracht werden, oder aber händisch bzw. im Nassspritzverfahren. Beim Trockenspritzverfahren (Abb. 9) werden die trockenen Bestandteile des Mörtels mit Druckluft bis zur Spritzdüse geleitet, an der erst das Wasser hinzugegeben wird und so die Mischung erfolgt. Der Mörtel wird dann mit hohem Druck in die Fugen eingebracht, die so kraftschlüssig von hinten her aufgefüllt und verdichtet werden. Verfahrenstechnisch bedingt, stellt es eine gewisse Herausforderung für die ausführenden Handwerker dar, den Mörtel lediglich im Fugbereich einzubringen. Bei der händischen Methode wird der Mörtel ohne Verdichtung restauratorisch eingebracht. Hierdurch ist eine sehr viel präzisere Modellierung des Fugennetzes möglich, allerdings erfolgt bei dem Verfahren keine Verdichtung, und bei schmaleren Fugen gelingt es oft nicht, tiefer liegende Bereiche vollständig zu verfüllen. Beim Nassspritzverfahren wird der feuchte, angemischte Mörtel mit einer Pumpe über eine kurze Strecke bis zur Düse befördert, und kann an der Düse mit geringem Druck kontrolliert ohne Verdichtung in die Fugen ausgebracht werden. Prinzipiell ähnelt die Verarbeitung damit der händischen Verfugung, der wesentliche Unterschied besteht darin, dass der Mörtel sich einfacher und gut dosiert einbringen lässt.

Es wird dringend empfohlen, im Zuge der Planung Musterflächen zur Neuverfugung anzulegen. Hierbei können die für das Mauergefüge passenden Techniken wie auch mögliche Oberflächen und Farbtönungen des Mörtels erprobt werden (Abb. 10).


Christian Kayser

1999-2004 Architekturstudium an der TU München und der University of Bath (GB), Schwerpunkt Bauforschung und historische Baukonstruktionen. Seit 2004 Mitarbeit im Ingenieurbüro Barthel & Maus, seit 2012 als Geschäftsführer, seit 2019 als Kayser + Böttges, Barthel + Maus. 2008-11 Akademischer Rat an der TU München, dabei Dissertation. Lehraufträge an TU und LMU München.


 


Mehr Fachartikel zum Thema Mauerwerk: