Sandstein reinigen: Warum Steinarten verschieden auf den Laser reagieren

Was eine Steinart ausmacht

Wer Sandstein reinigen lassen will, denkt meist an eine dunkle Fassade, ein verschmutztes Portal oder einen Sockel. Ob der Laser dafür infrage kommt, hängt weniger am Wort Naturstein als an der Steinart, also daran, woraus der Stein besteht, wie fest er gebunden ist und wie er gealtert ist. Sandstein, Kalkstein, Marmor und Granit stehen oft am selben Gebäude und reagieren doch verschieden auf dieselbe Reinigung.

Sandstein ist aus Sandkörnern aufgebaut, die ein Bindemittel zusammenhält. Je nach Bindemittel ist er fest oder weich, und wo das Bindemittel verwittert, halten die Körner an der Oberfläche schlechter. Kalkstein besteht überwiegend aus Calciumcarbonat, Marmor ist umgewandelter, kristalliner Kalkstein. Granit ist ein hartes, dichtes Tiefengestein, in dem Quarz, Feldspat und Glimmer als einzelne Körner nebeneinanderliegen, oft in verschiedenen Farben.

In einen offenporigen Sandstein dringen Wasser und gelöste Stoffe leichter ein als in einen dichten Granit, und auf hellem Kalkstein fällt eine Verfärbung stärker auf als auf gesprenkeltem Granit. Für die Laserreinigung kommt hinzu, dass Schicht und Stein jeweils eine eigene Schwelle haben, ab der der Laser sie abträgt oder schädigt. Wie weit diese Schwellen auseinanderliegen, kann sich von Stein zu Stein unterscheiden.

Sandstein reinigen: Bindemittel, Körner und schwarze Schichten

Dünne, schwarze und fest haftende Verwitterungsschichten auf Sandstein sind an Gebäuden eine bekannte Erscheinung. Eine niederländische Untersuchung an schwarz verwittertem Obernkirchener Sandstein führt sie auf mehrere Vorgänge zurück. Partikel aus der Luft werden durch Gipsbildung gebunden, auch auf Sandsteinen ohne Kalk; hinzu kommen Eisen, das sich löst und wieder ausfällt, und Mikroorganismen.

Dieselbe Untersuchung unterscheidet zwei Arten möglicher Schäden durch eine Steinreinigung. Direkt kann der Stein Körner oder Patina verlieren, also seine gewachsene Alterungsschicht, und die Spuren der Steinmetzbearbeitung können leiden. Indirekt kann sich nach der Reinigung das Feuchteverhalten des Steins und der ganzen Fassade ändern; diese Folgen wurden nicht bewertet.

Für die Untersuchung legten zwei beauftragte Firmen Probeflächen mit Nd:YAG-Lasern an. Beide Male ging die schwarze Schicht sichtbar ab, Reste blieben in tieferen Poren und hinter den Körnern. Unter dem Mikroskop fand sich kein direkter Schaden am Stein, sofern die Bedingungen passend gewählt waren; an einer Vergleichsstelle, die mit der höchsten Einstellung gereinigt war, zeigten einzelne Quarzkörner dagegen feine Vertiefungen. Auffällig war die Farbe, denn die Flächen der beiden Firmen wirkten verschieden stark gelblich. An einem anderen Sandstein muss die Probefläche deshalb auch den Farbton zeigen.

Kalkstein und Marmor: Gipskruste und Gelbstich

Auf Kalkstein und Marmor, die überwiegend aus Carbonat bestehen, kann sich die bekannte schwarze Gipskruste bilden. Schwefelverbindungen aus verschmutzter Luft wandeln dabei die Steinoberfläche in Gips um, ein Teil der Kruste ist also aus dem Stein selbst entstanden. Eine Untersuchung an historischen Marmorskulpturen fand in solchen Krusten verschiedene Gipskristalle und kohlenstoffhaltige Bestandteile, eine spanische Studie an Gebäudekrusten unter anderem Ruß.

In der Restaurierungsliteratur gilt die Vergilbung nach der Laserreinigung von Marmor als bekannte Erscheinung, vor allem bei Nd:YAG-Lasern, die im Infrarot bei 1064 Nanometern betrieben werden. Eine vergleichende Studie an Bruchstücken von Baudenkmälern, darunter Marmor und Kalkstein, zeigt beide Seiten. Die Infrarotstrahlung trug alle untersuchten Verschmutzungen ab, zugleich wurden alle Proben mehr oder weniger deutlich gelblich.

Woher der Gelbstich kommt, wird unterschiedlich erklärt. Die Autoren der Studie fanden im Rahmen ihrer Messungen keine chemische Veränderung an den bestrahlten Stellen, wohl aber gelbe Verbindungen in allen untersuchten Krusten. Das stützt aus ihrer Sicht die Annahme, dass diese Stoffe in die ursprüngliche Steinoberfläche eingewandert sind und der Laser eine vorhandene gelbliche Schicht freilegt. Gegen den Gelbstich erprobten sie, Infrarot und Ultraviolett nacheinander oder gleichzeitig einzusetzen, mit positiven Ergebnissen.

Für helle Kalksteine und Marmor ist die Farbe deshalb ein eigener Prüfpunkt. Beurteilt wird der gereinigte Ausschnitt neben ungereinigtem Stein und, falls vorhanden, neben einer Stelle, die als Vergleich für den gewünschten Zustand dient. Ob ein Gelbstich hingenommen wird, ob andere Einstellungen ihn verringern oder ob er gegen den Laser spricht, klären die Beteiligten vor der Freigabe.

Granit und eisenhaltige Minerale

Granit ist hart, für die Laserreinigung beschreibt ihn die Fachliteratur aber als komplexen Stein, weil er körnig ist und aus mehreren Mineralen besteht. Die passende Einstellung zu finden, gilt bei solchen Steinen als schwierig. Wie die einzelnen Minerale reagieren, wenn zu viel Energie auf die Fläche trifft, hat eine Studie an einem Granit aus dem Nordwesten der Iberischen Halbinsel untersucht.

Dort wurde ein Bewuchs aus Mikroorganismen mit drei Wellenlängen eines Nd:YAG-Lasers abgenommen. Lag die Energie über der Schädigungsschwelle des Steins, schmolz der dunkle Glimmer Biotit bei allen drei an. Am stärksten veränderte sich die Oberfläche bei der grünen Wellenlänge. Dort gingen zusätzlich eine rissige Tonmineralschicht und eisenreiche Ausscheidungen aus der natürlichen Verwitterung ab, und der Farbunterschied war mit bloßem Auge zu sehen. Bei Infrarot und Ultraviolett fielen die Veränderungen geringer aus.

Eisen spielt auch beim Sandstein eine Rolle. Die Autoren der niederländischen Untersuchung verweisen auf frühere Arbeiten, nach denen Laserenergie eisenreiche Sandsteine in der Regel blasser macht; eine Oxidation von Eisen halten sie deshalb als Ursache für einen Gelbstich auf Sandstein für unwahrscheinlich. Infrage kommen aus ihrer Sicht Reste der Verschmutzung, die der Laser verändert haben kann, oder frühere Behandlungen der Oberfläche mit Ölen, die nach der Reinigung wieder sichtbar werden. Verstanden war der Farbeffekt auf Sandstein nach ihrer Einschätzung noch nicht.

Wo Eisen im Stein steckt, kann sich die Farbe unter dem Laser also verschieben, und in welche Richtung, lässt sich vorher nicht sicher sagen. Bei Granit kommt an der Probefläche der Zustand der dunklen Körner unter der Lupe hinzu.

Probefläche und Abnahme nach Steinart

Was die Literatur beschreibt, stammt aus Versuchen mit bestimmten Lasern, Steinen und Krusten. Die Versuche an Sandstein und Granit liefen mit Nd:YAG-Lasern, PULSWERK arbeitet mit gepulsten Faserlasern. Selbst bei ähnlicher Wellenlänge können sich zwei Laser in Pulsdauer, Pulsenergie und Strahlführung unterscheiden; die Befunde gelten deshalb nicht automatisch für ein anderes Gerät oder Objekt. In Studien wird vorab bestimmt, ab welcher Energie der Stein Schaden nimmt und ab welcher die Schicht abgeht; die Probefläche dient im Kleinen demselben Zweck.

Bei PULSWERK beginnt die Planung mit Ihren Fotos und, soweit bekannt, mit Angaben zur Gesteinsart und zu früheren Behandlungen. Wir arbeiten mobil und kommen von Köln aus zu Objekten in NRW. Die Probefläche legen wir an einer typischen Stelle an, bei wechselnden Steinarten wenn nötig an mehreren, und beginnen mit niedriger Energie. Umfang und Kosten der Probefläche vereinbaren wir vorher; das Angebot für die ganze Fläche folgt, wenn sie gemeinsam beurteilt ist.

An einem Baudenkmal legen die Denkmalbehörde und die zuständigen Restaurierungsfachleute fest, ob und wie weit gereinigt wird. Grundlage ist ein Reinigungskonzept, das festhält, was als Patina oder historische Oberfläche bleiben soll und welche Schichten abgenommen werden dürfen. PULSWERK kann dort eine klar abgegrenzte Reinigungsaufgabe übernehmen, wenn das Konzept steht, die Freigaben vorliegen und die Eignung am Objekt nachgewiesen ist.

An der Probefläche werden je nach Steinart diese Punkte beurteilt und festgehalten:

• bei hellem Kalkstein und Marmor der Farbton des gereinigten Ausschnitts neben ungereinigtem Stein
• bei Sandstein der Zustand von Körnern, Patina und Bearbeitungsspuren sowie der Farbton bei verschiedenen Einstellungen
• bei Granit die dunklen Körner und an polierten Flächen der Glanz
• bei allen Steinen Fugen, Reparaturstellen und lockere Bereiche, die gesondert betrachtet oder ausgespart werden
• Fotos vom Zustand vorher, von der Probefläche und von der vereinbarten Bearbeitungsgrenze als Maßstab für die Abnahme

Grenzen

Eine Laserreinigung festigt verwitterten Stein nicht. Lockere Schalen, absandende Partien, Risse und Fehlstellen bleiben bestehen; Festigung, Ergänzung und Neuverfugung sind Sache von Steinmetz oder Restaurator. Verfärbungen, die im Stein selbst sitzen oder zu einer Materialveränderung gehören, lassen sich durch eine Reinigung nicht zuverlässig entfernen, und Alterungsspuren können sichtbar bleiben.

Ein gleichmäßiges Farbbild lässt sich vorab nicht zusagen. Auf hellem Kalkstein und Marmor kann ein Gelbstich entstehen, auf Sandstein beschreibt eine Untersuchung verschieden gelbliche Probeflächen am selben Stein, und an Granit kann dunkler Glimmer anschmelzen, wenn die Energie zu hoch liegt. Ob ein solcher Effekt an Ihrem Stein auftritt, zeigt die Probefläche.

Nicht jede Aufgabe passt zum Laser. Bei großen, gleichmäßig verschmutzten Flächen sollten auch andere Reinigungsverfahren geprüft werden, und an historischen Steinen kann die restauratorische Beurteilung zu einem anderen Verfahren führen. Ob der Laser einen bestimmten Stein weniger belastet als andere Verfahren, lässt sich nur am Objekt beurteilen.

Häufige Fragen

Begriffe aus dem Glossar

• Sandstein
• Kalkstein
• Granit
• Marmor
• Gipskruste (schwarze Kruste)
• Vergilbung nach Laserreinigung (Gelbstich)