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Wie entstehen Frostschäden?

Frostschäden zählen neben den Feuchteflecken zu den häufigsten Beanstandungen im Außenbereich. Wir haben uns mit dem Thema befasst und die verschiedensten Aspekte beleuchtet.
Achtung: Tausalzschäden werden oft mit echten Frostschäden in einen Topf geworfen, haben aber andere Effekte.

Permafrost oder Frostwechsel - ein Unterschied?
Ja, defnitiv. Frost einmal eingefroren, ein anderes Mal im Wechsel. Beispiel Berge auf der Südseite. Nachts -20°, tagsüber in der prallen Sonne +10° - das belastet das Material und die Unterkonstruktion.
Es reicht aber auch oft ein Wechsel +/- 5° um den Gefrierpunkt aus, um Schäden zu verursachen. Ist es knochentrocken, passiert selten etwas. Kein Wasser, kein Problem.

Woran liegt das?
Wasser ist eine merkwürdige Flüssigkeit. Sie hat ihre maximale Dichte bei 4°C. Schmilzt Eis bei 0 °C zu Wasser, so nimmt dessen Volumen um etwa 8,19 % ab. Beim Gefrieren nimmt es entsprechend um ca. 8,92 % zu. Deswegen schwimmen die Eiswürfel auch oben im Glas. Dieser Volumeneffekt kann dann zu Ermüdungsbrüchen oder Abplatzungen führen.

Wo sind die Schwachstellen zu suchen?
Da gibt es vier Hauptfaktoren: Der Einbauort, das Bettungsmaterial, Poren und der Belag.
Welche Rolle spielt das Belagsmaterial?
Da dies nicht pauschal zu beantworten ist, müssen wir einzelne Gesteinsgruppen betrachten.
a) Kalkstein
Generell ist Kalkstein ein geschichtetes Material. Die Schichtdicke reicht von 1 mm bis zu mehreren Metern. Die Grenzbereiche sind die potentiellen Schwachstellen im Gestein, da z. B. durch geänderte Umweltbedingungen auch andere Zusammensetzungen oder Porenradienverteilungen entstehen können. Das führt zu unterschiedlichen Temperaturausdehnungen und geänderter Wasseraufnahme. Auch natürliche Trennlagen aus „Lehm“ schwächen die Struktur. Diese meist roten Tonmineralien entstehen aus der Verwitterung von Feldspäten in Gesteinen wie Granit. Durch Abtragung und über Flüsse gelangen sie in das Meer. Dabei kann es geschehen, dass sie in die gleichen Ablagerungsbereiche gelangen, in denen auch Kalksteine gebildet werden. Sie werden dann zusammen mit dem frisch gebildeten Kalkschlamm abgelagert oder bilden bisweilen auch dünne Lagen innerhalb einer Kalksteinabfolge. Während der Verfestigung des tonmineralhaltigen Kalkschlamms sowie im Rahmen von Gebirgsbildungs-prozessen kommt es unter Druckeinwirkung in bestimmten Bereichen (meist parallel von Schichtfugen) zu einer chemischen Lösung und
Umlagerung des den Kalkstein aufbauenden Calcits (man spricht von Drucklösung). Tonminerale werden dagegen nicht gelöst und reichern sich im Bereich derartiger Strukturen an. Da dieser Vorgang nicht über größere Flächen gleichmäßig verläuft, erhalten solche Strukturen, die als Lehmadern oder Nähte bezeichnet werden, oft einen Fieberkurven-ähnlichen Verlauf. Wenn größere Mengen an Tonmineralen auftreten, kann es
hier durch Quellungsprozesse zu einem Aufspalten des Gesteins kommen und das auch ohne Frost.
Deshalb sind Kalksteine mit Lehmadern, wie Giallo Atlantide, Trani, Botticino usw. nicht für den Außenbereich geeignet. Die Lehmadern gehen mit der Zeit auf und Wasser mit Sprengkraft bei Frost kann hereinlaufen.
Eine 100%ige Frostbeständigkeit kann man innerhalb eines Vorkommens kaum garantieren. Je nach dem Ort, wo die Proben entnommen werden, kann ein falsches Bild entstehen. Die meisten Steinbruchbetreiber wissen, welche Lagen für Außenbereiche geeignet sind und welche nicht. Sicher ist ein nicht bestandener Frost-Tauwechsel ein Indiz, dass man dieses Gestein nicht für außen nutzen sollte.

Der klassische Travertin (ungespachtelt) ist frei von Lehmadern und trotz seiner „Löcher“ frostbeständig. Das hat auch die Erfahrung gezeigt. In den 70er-80er Jahren wurden Massen aus Travertinterrassen gefertigt, die heute noch ohne Frostschäden sind.

b) Sandstein
Wie Kalksteine sind Sandsteine aus Ablagerungen entstanden. Man unterscheidet nach vier Hauptarten der sogenannten Zementation von Sedimenten, die i. d. R. in Mischformen vorkommen. Die Art der Bindung sagt nicht unbedingt etwas über die Abriebfestigkeit aus, da es bei jeder Variante mehr oder weniger ausgeprägte Bindungen gibt.
Natürliche Bindemittel:

1. Quarzitische (kieselige) Bindung (z. B. Ruhrsandstein, Cottaer und Bebertaler Sandstein):
Wenn die Quarzkörner durch äußere Einflüsse (Druck, Temperatur, chemische Lösungen) zusammengepreßt werden und an ihren Grenzen „zusammenbacken“ - ähnlich eines Sintervorgangs - spricht man von einer quarzitischen Bindung. Diese Art der Zementation ist die chemisch beständigste. Sind keine Übergänge aus Kohle oder anderen Trennlagen enthalten, sind diese Sandsteine meist problemlos bei Frost.
2. Karbonatische Bindung (Ihrlerstein Sandstein, Anröchter): Hier ist Kalk das eigentliche Bindemittel zwischen den Sandkörnern. Das bedeutet, dass der Sand durchaus aus Quarz bestehen kann, der Stein aber durch saure Substanzen stark absandet.
3. Eisenbindung (Wüstenzeller Sandstein, Modak):
Auch Eisenmineralien können als Bindemittel dienen. Die meisten roten Sandsteine besitzen einen hohen Anteil an „ferrittischen“ Bindemitteln.
4. Tonige Bindung: Bei der Verwitterung von Feldspäten entstehen Tonmineralien, die als Bindemittel für die tonigen Sandsteine dienen. Tonmineralien sind i. d. R. quellfähig und nur bedingt witterungsbeständig. Wenn ein trockener Tonsandstein nass wird, riecht er meist „erdig“.

Inhaltsstoffe und Dicke
Neben dem Bindemittel kommen noch weitere Faktoren hinzu: die Dicke und Form. Je nach Zusammensetzung kann es zu einem bestimmten Effekt kommen, der Massivteile reißen läßt, aber 3 cm-Platten nicht.
Sind an- oder verwitterte Feldspatreste vorhanden (Kaolinisierung) quellen diese bei Feuchtigkeit auf und ziehen sich zusammen, wenn es trocken wird. Normalerweise ist das bei Stufen und Belägen selten ein Problem. Das ist übrigens auch der Grund für das „Schüsseln“ von bestimmten Sandsteinen. Jetzt passiert Folgendes: Das Massivteil friert. Das im Stein vorhandene Wasser gefriert in den Poren. Durch die innere Elastizität entsteht aber kein Schaden und der Block wird etwas „größer“. Nun wechselt es zu trockener Kälte. Dabei entsteht der Effekt der Gefriertrocknung. Das Volumen an der Oberfläche wird dadurch wieder kleiner und der darunterliegende Kern drückt. Dann entstehen Risse wie bei einer angetrockneten Zwiebel.

c) Marmor
Die meisten Marmore sind relativ frostfest, wie z. B. Der Rauriser Marmor aus Österreich, Thassos, Salome usw.
Die bei der Fa. Magna angebotenen Marmore für Außenbereiche sind frostfest.

d) Granit
Hier ist die Zerstörungsgefahr durch Frost nur äußerst selten zu finden. Sehr stark verwitterte „gelbe“ Materialien gehören dazu.

e) Gneise, Blockquarzite und andere Metamorphite
Die gesamte Vielfalt dieser Großgruppe ist kaum zu überblicken. Hier ist keine direkte Zuordnung möglich. Verde Lapponia ist frostbeständig, wie auch der Wasa Quarzit. White Piatan eher weniger und sollte, wie Fusion Wow nur im frostfreien Innenbereich verwendet werden. Die altbekannten Sorten Multicolor, Paradiso, Vanga sind frostbeständig.

In unserem Natursteinlexikon auf unserer webseite: www.magnastein.net/naturstein können Sie Informationen zur Verwendung nachlesen.

f) Spaltquarzite
Alta Quarzit ist der Innbegriff der Stabilität bei allen Witterungen. Das gilt nicht für alle spaltbare Quarzite. Manche „schön billig“ eingekaufte Materialien sind nach einem Jahr nur noch Brösel. Das liegt an dem Grad der Umwandlung vom Sandstein zum Spaltquarzit.

g) Schiefer
Schiefer sind nicht alle gleich. Portoschiefer ist bekanntermaßen frostfest, Brasilschiefer nicht. Das liegt an der Entstehungsgeschichte. Portoschiefer und Ocean Black sind Umwandlungsgesteine. Die Spaltrichtung hat nichts mehr mit der alten Ablagerungsschichtung zu tun, sondern ist im rechten Winkel zur Druckrichtung. Brasilschiefer sind Tonsteine und je nach Lagenzusammensetzung nicht frostfest. Hierbei saugen sich die
Tonlagen voll Wasser und bei Frost drückt es die Schichtung auseinander. Allerdings ist auch Portoschiefer nicht ohne Risiken. Bei Stärken von mehr als 4 cm kommt es zu einem Thermoeffekt. Durch Sonneneinstrahlung erwärmt sich der Schiefer. Der Untergrund ist kalt. Dadurch kommt es zu einem Temperatur- und Feuchtegefälle im Stein. Unten ist die Platte dann wesentlich kürzer und trockener. Die Spannungen bauen sich auf und die Lage spaltet sich ab.

Was bringen die Normen zur Frostbeständigkeit?
Ganz klar, wenn ein Material durch die normative Frost-Tauwechselprüfung fällt, ist das Gestein ungeeignet. Allerdings ist eine bestandene Prüfung kein Garant für eine Beständigkeit, da hier nur das Probenmaterial geprüft wird, und auch die Verlegung ist nicht Bestandteil der Normierung. Sie sagt nur aus, dass ein Würfel, den man draußen auf einem „Luftkissen“ lagert nicht zerfriert.

Welche Rolle spielt die Porosität?
Das ist nicht so ganz einfach zu beantworten. Hier spielt die Gesteinsart, die Porenradienverteilung, die Porenform und die Art der Poren eine Rolle. Basaltlava und Basaltina sind porös aber frostbeständig, ebenso wie der ungespachtelte Travertin. Andere, wie manche Sandsteine, haben kleinere Poren, aber können die Volumenänderung nicht auffangen.

Was ist bei der Verlegung zu beachten?
Ganz klar, Batzenverlegungen, bei der sich Hohlräume bilden, sind fast schon ein Garant für Frostschäden durch Eis, das sich hochdrücken kann. Aber auch zu dichter Mörtel kann problematisch werden durch eine erhöhte Frostausdehnung.
Hohlräume sind generell zu vermeiden. Sollte ein Drainmörtel unter der Konstruktion sein, dann muss das Wasser auch fachgerecht abgeleitet werden und gewährleistet sein, dass die Abflüsse nicht verstopfen durch ausgespülte Stoffe aus der Verlegung.
Auch der verwendete Sand, falls man kein Fertigmörtel verwendet, spielt eine Rolle. Hat der einen zu hohen Feinanteil oder womöglich noch Lehm mit drin, kommen die Effekte, wie sie bei den Gesteinen beschrieben sind, ebenfalls zum Tragen. Das Wasser dehnt sich aus und kann dann „sprengen“, weil der Mörtel zu unelastisch wird.

Welche Rolle spielen die Dehnfugen bei der Frostbeständigkeit?
Eine große. Vor allen Dingen müssen sie funktionstüchtig sein. Das bedeutet, dass abgerissene Fugen Wasser in die Unterkonstruktion eindringen lässt. Aber auch die unterschiedliche Ausdehnung bei Frost ist aufzufangen. Der Mörtel kann sich dabei wesentlich stärker ausdehnen als der darauf liegende Belag. Besonders noch nicht ausgehärteter Mörtel ist durch Frost in seinen Festigkeitseigenschaften stark reduziert. Der Schaden durch Ablösung und Zermürbung muss nicht nach dem ersten Winter auftauchen. Besonders bei hochdichten Materialien, wie EMPEROR® oder Nero Assoluto kommen die Ablösungen nach dem Frost hauptsächlich durch fehlende Dehnfugen zustande. Zementäre Mörtel haben die Eigenschaft, sich bei Frost auszudehnen, außer sie sind knochentrocken.

Und nach der Verlegung?
Eine nicht fachgerechte Imprägnierung kann die Frostbeständigkeit innerhalb eines Verlegesystems auch negativ beeinflussen. Der Gefriertrockungseffekt, wie bei den Sandsteinen beschrieben, wird dadurch gefördert. Das ist nicht zu verwechseln mit einer Verlegevorimprägnierung von „unten“. Die ist unserer Erfahrung nach problemlos. Einen „Deckel“ von oben auf einen Naturstein zu machen halten wir hingegen nicht für gut. Falls doch mal Tausalz verwendet wird, kann dadurch ein weiterer Schaden entstehen, wenn das Salz über die Fugen in den Stein hineinkommt und dann durch die geschlossene Oberfläche nicht mehr durchkommt.

Wie ist das dann mit resinierten Platten?
Das ist tatsächlich ein Problem, wenn sie nicht von der Rückseite abgesperrt sind (Kanten nicht vergessen). Die Resina verhindert, bzw. vermindert ein Abtrocknen des zementären Mörtels. Bei Reaktionsharzmörteln ist das wiederum problemlos.

Fazit:
Bei der Materialauswahl für Außenbereiche sollten die Normprüfungen „bestanden“ sein. Bei Kalk- oder Sandsteinen ist es empfehlenswert, ein paar Reserveplatten vor Ort zu belassen. Viel wichtiger jedoch ist die sorgfältige Planung des Verlegesystems und die Dehnfugenplanung.