Στην περιοχή της Ελευσίνας, στη Δυτική Αττική, υπάρχει το Ιερό της Δήμητρας στο οποίο τελούνταν για αιώνες τα Ελευσίνια Μυστήρια. Η ιστορία του Ιερού χρονολογείται ότι ξεκινά ήδη από τους προϊστορικούς χρόνους, τουλάχιστον από τις αρχές της 2ης π.Χ. χιλιετηρίδας και τελειώνει τον 4ο αιώνα μ.Χ. Τα ερείπια του Ναού είδαν το φως σταδιακά μετά τις πρώτες ανασκαφές (1812). Από το 1875 και έπειτα, λόγω της θέσης της, η πόλη μετατράπηκε σε βιομηχανικό κέντρο με πολύ υψηλές τιμές ρύπανσης στο θαλάσσιο και το ατμοσφαιρικό περιβάλλον της περιοχής. Συγκεκριμένα, η ατμοσφαιρική ρύπανση αντανακλάται στα λίθινα στοιχεία του αρχαιολογικού χώρου. Σκοπός της εργασίας είναι να αναγνωρίσει και να καταγράψει τις μορφές διάβρωσης που επικρατούν στο χώρο και να τις συνδέσει με πιθανά αίτια που τις προκάλεσαν. Αρχικά, γίνεται πλήρης περιγραφή των 5 κύριων λιθοτύπων (3 ασβεστόλιθοι και 2 μάρμαρα) που χρησιμοποιήθηκαν στις διάφορες φάσεις ανέγερσης του Ιερού και των χώρων που το περιβάλλουν, μακροσκοπικά και με τη βοήθεια της οπτικής και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας. Έτσι, προκύπτει ότι οι κυριότεροι ενδογενείς παράγοντες φθοράς των δομικών λίθων του Ιερού της Δήμητρος είναι το υψηλό πορώδες, η ορυκτολογική σύσταση και κυρίως η παρουσία αργιλικών ορυκτών. Στη συνέχεια, καταγράφονται μακροσκοπικά οι φθορές που έχουν υποστεί οι δομικοί λίθοι του μνημείου με κυριότερη τη δημιουργία τσιμεντιτικών κρουστών σε επίπεδες επιφάνειες. Σημαντικές είναι και οι διάφορες πάτινες βιολογικής και άλλης προέλευσης που αλλοιώνουν χρωματικά τα λίθινα στοιχεία καθώς και οι επιφάνειες με έντονα φαινόμενα κυψέλωσης και γυψοποίησης. Δε λείπουν περιπτώσεις εκλεκτικής διάβρωσης λόγω ορυκτολογικής ετερογένειας. Η μελέτη των διαβρωσιγενών μορφών που οφείλονται σε περιβαλλοντικούς παράγοντες συνεχίζεται μικροσκοπικά όπου παρατηρούνται αλλοιώσεις των επιφανειών βάσει της σύστασης, της μορφολογίας και της μικροδομής. Έτσι, εντοπίζονται αποθέσεις οργανικού υλικού, θραυσμάτων SiC και άλλων βιομηχανικών ρύπων με υψηλή περιεκτικότητα σε βαρέα μέταλλα, αποικίες βακτηρίων και άλλων μικροοργανισμών, πάτινες αργιλοπυριτικής σύστασης, σκληρές τσιμεντιτικές κρούστες, γύψος, οξειδωμένες σιδηρούχες φάσεις, μικροκαρστικά φαινόμενα και τέλος, φερτά αντικείμενα θαλάσσιας και ατμοσφαιρικής προέλευσης. Η ακτινογραφική μελέτη επιβεβαιώνει το φαινόμενο της γυψοποίησης σε σημεία των λίθων που δεν υπάρχει ελεύθερη ροή νερού και διαφοροποιεί τα δείγματα λάσπης ή σκόνης που προέρχονται από κοιλότητες πετρωμάτων που εγκλωβίζουν νερό και αυτά που ελήφθησαν από ωμές πλίνθους ως προς το κυρίαρχο ορυκτό που στην πρώτη περίπτωση είναι ο ασβεστίτης και ακολουθεί ο χαλαζίας, ενώ στη δεύτερη περίπτωση συμβαίνει το αντίστροφο. Η γνώση των λιθοτύπων και των διαβρωσιγενών μορφών αποτελούν κλειδιά για την επιλογή μεθόδων αποκατάστασης των φθορών που συναντώνται στο χώρο της μελέτης. Έτσι, προτείνονται μηχανικές μέθοδοι για σκληρές κρούστες, πάστες και κομπρέσες για αδιάλυτα και διαλυτά άλατα και βιοκτόνα για βιολογικές επικαθίσεις. Για ρωγμές με διάμετρο μικρότερη των 0,2mm απαιτούνται εργασίες στερέωσης και αδιαβροχοποίησης με οργανικά ή ανόργανα υλικά που εφαρμόζονται ανάλογα με το είδος του λίθου. Για μεγαλύτερα ανοίγματα τα κενά συμπληρώνονται με κονίαμα, ενώ τέλος η αισθητική αποκατάσταση περιλαμβάνει τη συγκόλληση τεμαχίων ή απωλεσθέντων κομματιών, ενίοτε με τη χρήση συνδέσμων. / In Eleusis, a town in western Attica, lies the site of the Demeter Sanctuary, the sacred temple where the Mysteries of Eleusis took place in the antiquity. The history of the Sanctuary starts in the beginning of the 2nd millennium B.C. and ends during the 4th century A.C. The first time that some of the ruins came into light was in 1812, the year when the excavations started. Since 1875 the town got industrialized because of its geographical position with very high levels of marine and atmospheric pollution. In particular, atmospheric pollution reflects on the weathered stones of the ruins. This work aims to recognize and record the weathering forms that exist in the Demeter Sanctuary and to connect them with possible causes that engendered them. Primarily, 5 lithotypes (3 limestones and 2 marbles) got described macroscopically and microscopically (optical and electronic microscopy). From that, one can conclude that high pororsity, mineralogical composition and mostly clay minerals are the main intrinsic factors that play an important role in stone weathering. Thereinafter, the weathering forms that are observed macroscopically on the stones of the monument are written down. The most important of those forms is the case of the cementitious crusts in horizontal surfaces. Also important are the different patinas of biological or other origin as well as surfaces with intense phenomena of alveolization and gypsum formation. Preferential deterioration attributed to mineralogical heterogeneity can’t be omitted. The research on the weathering forms is continued microscopically where one can observe alterations due to composition and due to morphology or microstrusture. Thus, we note depositions of organic matter, SiC and other industrial pollutants such as heavy metals, biological activity attributed to bacterial and other microorganisms colonies, patinas rich in Al and Si, hard cementitious crusts, gypsum, oxidized ferrous phases, microcarstic phenomena and specific objects imported from the nearby marine environment or the atmpsphere (shells or rounded particulate matter). The study of the X-ray diffraction results confirms the gypsum formation in places protected against rainfall, and also demarcates the samples that were collected from water enclaving stone cavities and those that were picked from raw plinths, as far as their mineralogical composition is concerned˙ in the first case calcite is the main mineral and quartz follows, while in the second case, quartz is in abundance and calcite happens in a smaller percentage. Recognizing the lithotypes and the weathering forms and combining them, constitutes the key to choose the conservation methods for the treatment of the decay patterns that are encountered in the ruins of the Demeter Sanctuary. Thus, mechanical and chemical methods can be proposed for the hard crusts, different pastes and compresses for soluble and isoluble salts and biocides for biological deposits. Ultimately, consolidation with organic or inorganic material and water repellents applying is proposed for application in cracks with diameter less than 0,2mm, always taking the lithotype into consideration. For larger gaps, the voids are supplemented with mortars.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Verwitterung von Naturwerkstein als Funktion von mineralogischen und petrophysikalischen Eigenschaften unter unterschiedlichen umwelt- und bauphysikalischen Bedingungen. Am Beispiel des Kölner Doms wird zum einen die große Anzahl an unterschiedlichen Baumaterialien, die in diesem Bauwerk angetroffen werden, vorgestellt. Darüber hinaus werden auch die daraus resultierenden Probleme von Interferenzen der verschiedenen Materialien untereinander in Hinblick auf ihre Verwitterung beleuchtet. Physikalische und chemische Verwitterungsprozesse werden anhand von Laborversuchen und Tests empirisch erfasst. Diese werden mit den festgestellten spezifischen petrophysikalischen Eigenschaften der unterschiedlichen Gesteine korreliert und im Zusammenhang mit den in situ festgestellten Verwitterungsphänomenen und –prozessen diskutiert. Um die unterschiedlichen Einflüsse der Verwitterungs- und Umweltbelastungen zu evaluieren, wird die Natursteinverwitterung an drei Standorten – dem industriell geprägten Köln, Xanten mit einem städtischen Klima und im ländlichen Altenberg im Bergischen Land – vergleichend studiert. Hierbei zeigt sich der starke Einfluss der Luftverschmutzung auf die Natursteinverwitterung nicht nur für karbonatische sondern auch für silikatische Gesteine. Beispielhaft werden am Drachenfels Trachyt die Mineralkomposition, die Gefügeeigenschaften und die petrophysikalischen Eigenschaften des Gesteins im Gesamtzusammenhang miteinander korreliert und mit den festgestellten Schadensphänomenen und den ermittelten physikalischen und chemischen Verwitterungsprozessen abgeglichen. Aus diesen Erkenntnissen heraus wird ein Modell zur Verwitterung dieses Naturwerksteins entwickelt. In Hinblick auf Natursteinersatz als Erhaltungsmaßnahme für historische Kulturgüter aus Stein werden die Untersuchungsergebnisse, die Erkenntnisse aus den Laborversuchen und den Diskussionen zusammengeführt und bestehende grundsätzliche Anforderungen an ein Ersatzgestein weiter differenziert. Die verschiedenen Wechselwirkungsmechanismen der unterschiedlichen Naturwerksteine, die in einem Bauwerk verbaut sind, werden vor dem Hintergrund ihrer petrophysikalischen Charakteristika sowie ihres Verwitterungsverhaltens bewertet. Basierend auf dieser Beurteilung wird eine Auswahl-Systematik entwickelt, die die Evaluierung der Verträglichkeit von historischen und modernen Austauschgesteinen für historische Bauwerke unterstützt. Aufgrund seiner langen über 600 Jahre währenden Baugeschichte ist der Kölner Dom aus über 50 verschiedenen Bausteinen errichtet. Die vorliegende Arbeit bezieht sich dabei auf acht Haupt-Bausteine. Die untersuchten „Dom-Bausteine“ sind der Drachenfels Trachyt, der Stenzelberg Latit, der Obernkirchener und der Schlaitdorfer Sandstein, der Krensheimer Muschelkalk, die Londorfer Basaltlava sowie der Montemerlo Trachyt und der Bozanov Sandstein. Eine Verwendung ähnlicher Naturwerksteine ist auch beim Xantener und beim Altenberger Dom festzustellen, die ebenfalls aus dem 13. Jahrhundert stammen. Für diese drei mittelalterlichen Bauwerke wurden nicht nur zu ihrer Entstehungszeit sondern auch in späteren Restaurierungs- und Wiederinstandsetzungsmaßnahmen ähnliche Bausteine verwendet. Kapitel 2 der vorliegenden Arbeit stellt die drei Kathedralen in ihrem bauhistorischen Kontext vor und zeigt die Verwendung der unterschiedlichen Naturwerksteine auf. Es erwies sich schon zu ihrer Erbauungszeit und auch zu Zeiten des Weiterbaus, dass die Frage nach einem adäquaten Ersatzgestein entscheidend war, seit der ursprünglich verwendete Drachenfels Trachyt ab dem 19. Jahrhundert für Weiterbau- und Instandsetzungsmaßnahmen nicht mehr zur Verfügung stand. Die Umweltbedingungen an den drei Standorten unterscheiden sich sehr stark: Der Kölner Dom ist in einem industriell geprägten Raum zu finden, das städtische Klima von Xanten zeigt geringe industrielle Prägung, während Altenberg in einer ländlichen waldreichen Gegend liegt. Diese drei unterschiedlichen Umweltbedingungen der Kathedralen werden in Kapitel 3 beleuchtet. Darüber hinaus, werden mikroklimatische Feuchtigkeits- und Temperatur-Messungen und die entsprechenden Verteilungen in verschiedenen Bausteinen des Kölner Doms vorgestellt. Sensoren wurden in situ platziert in unterschiedlichen Tiefen innerhalb der jeweiligen Bauwerksteine und in unterschiedlich exponierten Bereichen des Bauwerks. Diese Messungen sollen dazu beitragen, die Wechselwirkungen von Feuchtigkeits- und Temperatur-Verteilung in den Bauwerksgesteinen mit den festgestellten Schäden und untersuchten Verwitterungsprozessen zu korrelieren. Die Naturwerksteine an den drei Bauwerken in den unterschiedlichen Umweltbedingungen zeigen ähnliche Verwitterungsmuster. Am Kölner Dom ist eine sehr starke Naturstein-Verwitterung festzustellen, die die statische Sicherheit von Gebäudeteilen mitunter gefährdet. Der Drachenfels Trachyt zeigt ausgeprägte Verwitterungsmerkmale, wie Schalen- und Schuppenbildung, strukturelle Entfestigung und Bröckelzerfall bis hin zum Totalverlust. Auch die anderen Bauwerksgesteine wie Sand- und Kalksteine sowie vulkanische Gesteine zeigen signifikante Verwitterung. Die unterschiedlichen Verwitterungsphänomene sind in Kapitel 4 dargestellt. Am Xantener und Altenberger Dom wurden ähnliche Verwitterungsmerkmale festgestellt, allerdings in viel geringerem Umfang und geringerer Intensität. Die Prozesse, die die Verwitterung begründen, sind vergleichbar. Diese werden von der mineralogischen Zusammensetzung und den Gefügeeigenschaften der jeweiligen Steine bestimmt, die wiederum die petrophysikalischen Eigenschaften beeinflussen. Dadurch wird deutlich, dass die unterschiedliche Intensitätsausprägung an den drei Bauwerken in den unterschiedlichen umweltklimatischen Bedingungen begründet liegt. Die Eigenschaften und gesteinsspezifischen Charakteristika der acht untersuchten „Dom-Bausteine“ sind festgestellt worden. In Kapitel 5 werden ihre petrographischen und petrophysikalischen Eigenschaften sowie ihr Feuchte- und Temperaturverhalten als auch ihre Festigkeitsparameter bestimmt. Diese Eigenschaften werden miteinander korreliert in Hinblick auf ihren wechselwirkenden Einfluss und ihre Abhängigkeiten untereinander und sie werden in Hinblick auf ihren Einfluss auf die typischen Verwitterungsphänomene der einzelnen Steine diskutiert. Kapitel 6 beschreibt Experimente und Tests zur physikalischen Verwitterung von Naturwerksteinen. Das Trocknungsverhalten der acht „Dom-Bausteine“ sowie ihr Verhalten bei zyklischer Frost-Tau-Belastung und Salzbelastung werden diskutiert. Die Test-Ergebnisse werden mit den gesteinsspezifischen Eigenschaften korreliert und mit dem in situ beobachteten Verfall verglichen. Die Ergebnisse von verschiedenen chemischen Experimenten werden in Kapitel 7 diskutiert und sollen zum Verständnis von chemischen Verwitterungsreaktionen der unterschiedlichen Steine beitragen. Neben einer generellen Beurteilung ihrer Säureresistenz soll ihr Lösungsverhalten in unterschiedlichen Lösungen untersucht werden. Mögliche chemische Verwitterungsreaktionen werden diskutiert, um das Verhalten der Naturwerksteine in unterschiedlichen Umweltbedingungen zu beleuchten Nachdem die einzelnen extrinsischen Faktoren (u.a. Klima- und Umweltbedingungen) sowie die intrinsischen Faktoren der einzelnen Steine (petrophysikalische Eigenschaften und Mineralkomposition sowie Gefügeeigenschaften, etc.) erfasst und ihr physikalisches und chemisches Verwitterungsverhalten in Tests empirisch festgestellt wurde, werden in einem nächsten Schritt diese verschiedenen, sehr komplexen wechselwirkenden Verwitterungsreaktionen und –prozesse physikalischer und chemischer Art in situ untersucht. Kapitel 8 stellt die Untersuchungen an den verschiedenen Bauwerksteinen der drei unterschiedlichen Standorte des Kölner, Xantener und Altenberger Doms vor. Die Bildung schwarzer Verwitterungskrusten als Hauptindikator für die Natursteinverwitterung im Zusammenhang mit Luftverschmutzung variiert sehr stark in diesen drei unterschiedlichen – industriell geprägten, städtischen und ländlichen – Klimata. Darüber hinaus wird gezeigt, dass sich nicht nur auf Karbonatgesteinen schwarze Verwitterungskrusten bilden, sondern auch auf silikatischen Naturwerksteinen. Die Krustenbildung auf dem Drachenfels Trachyt ist hauptsächlich durch extrinsische Faktoren bestimmt, dabei können benachbarte Gesteine zu dieser Krustenbildung mit beitragen. Für den Drachenfels Trachyt wird ein Verwitterungsmodell entwickelt, das die Wechselwirkung der verschiedenen Rückkopplungsmechanismen physikalischer und chemischer Verwitterungsprozesse als Funktion intrinsischer und extrinsischer Faktoren darstellt. Im abschließenden Kapitel wird die anfangs gestellte Frage nach einem adäquaten Ersatzgestein aufgegriffen. Vor dem Hintergrund der unterschiedlichen durchgeführten Untersuchungen und daraus gewonnenen Erkenntnisse werden mögliche Wechselwirkungen der unterschiedlichen miteinander verbauten Werksteine beleuchtet. Grundsätzliche Anforderungen an Ersatzgesteine umfassen mineralogische, optische und petrophysikalische Eigenschaften. Die starke Divergenz der festgestellten Steinparameter der verschiedenen untersuchten Gesteine (Mineralkomposition, Porosität, Wasseraufnahme und –sättigung, Trocknungsverhalten, Feuchte- und Temperaturdehnung, Festigkeitsparameter, etc.) zeigt, dass es anhand dieses Anforderungskataloges fast unmöglich ist, ein ideales Ersatzgestein zu finden, falls die Parameter nicht differenzierter betrachtet werden. Dazu wird die Summe der Eigenschaften und Charakteristika in Hinblick auf ihre Signifikanz für die Materialeigenschaften und das Materialverhalten auf der einen Seite sowie für die Ausprägung von Schadensphänomenen und ihr Verwitterungsverhalten auf der anderen Seite miteinander korreliert und bewertet. Anhand einer entsprechenden Punktevergabe werden ein „Material-interner Index“ und ein „Verwitterungs-Index“ erstellt. Aus diesen beiden Bewertungs-Skalen ergeben sich die „Schlüssel-Parameter“ des Originalgesteins, die bei einem Kompatibilitätsabgleich mit einem potenziellen Austauschgestein im Rahmen des genannten Anforderungskataloges übereinstimmen sollten. Diese systematische Herangehensweise der Evaluierung führt zu einer Entwicklung von allgemeinen Qualitätskriterien für die Kompatibilität zur Auswahl geeigneter Ersatzgesteine für historische Bauwerke, in denen mehr als ein Naturwerkstein verbaut ist. Sie trägt zur Beurteilung der Verträglichkeit von historischen und modernen Austauschmaterialien in einem Bauwerk bei. Die neu gewonnenen Erkenntnisse sollen also einen Beitrag leisten bei der Aufstellung von Sanierungs- und Konservierungskonzepten, im Besonderen bei der Evaluierung von Materialkompatibilitäten und der entsprechenden Auswahl von Ersatzgestein, und damit die Entwicklung und Umsetzung von qualitativ hochwertigen Erhaltungsstrategien für Baudenkmäler aus Naturwerkstein unterstützen.