12.06.2013
Sander Sandstein ist benannt nach seiner Herkunft, der Stadt Sand am Main. Wie andere Sandsteine auch, wird er nicht mehr nur zur Restaurierung von Gebäuden (z. B. Reichstag) verwendet, sondern auch wieder für Neubauten, gilt er doch als natürliches Baumaterial. Aufgrund seiner porösen Struktur leitet der luftgesättigte Sandstein die Wärme relativ schlecht, was Heizenergie einsparen lässt. Und obwohl Sandstein seit Jahrhunderten benutzt wird, kennt man seinen Wärmetransport nur unzureichend. Hinreichend Motivation für experimentelle Untersuchungen, die schließlich zu einem einfachen, aber präzisen Modell zur Wärmeleitung von Sandstein und anderen porösen Werkstoffen geführt haben.
Umgebungsluft in den Poren von Sandstein transportiert Wärme nicht nur durch Leitung und Konvektion, sondern, bei Feuchtigkeit, auch noch durch Diffusion mit Phasenumwandlungen. Diese Prozesse überlagern sich zu einem komplexen Gesamtwärmetransport, der, über Sandstein hinausgehend, von generellem Interesse ist. Das Ziel der Untersuchungen war, unter weitgehender messtechnischer Vermeidung von Konvektion, den Einfluss verschiedener Füllgase und –flüssigkeiten auf die Wärmeleitung in den Poren des Sandsteins zu analysieren.
Sandsteine werden, wie andere wärmedämmrelevante Baumaterialien auch, generell mit dem Plattengerät untersucht. Es misst die Wärmeleitfähigkeit stationär, benötigt also stundenlange Messzeiten mit einem steilen Temperaturgradienten über der Probe. Diese beiden Bedingungen begünstigen insbesondere Konvektion. Abhilfe schafft hier ein neues, in der PTB entwickeltes transientes Messgerät. Innerhalb weniger Minuten bestimmt es die Wärmeleitfähigkeit, zusätzlich noch die Temperaturleitfähigkeit sowie die volumetrische spezifische Wärme. Hierzu muss die Probe nur um etwa 2 K aufgeheizt werden. Die Messunsicherheit ist mit derjenigen des Plattengeräts vergleichbar.
Die drei genannten thermophysikalischen Eigenschaften wurden an Sander Sandstein gemessen, während dieser mit einem von zwölf verschiedenen Fluiden (sechs Flüssigkeiten und sechs Gase) gesättigt war oder auch mit feuchter Luft bei rel. Feuchten zwischen 10% und 90%. Mit der spezifischen Wärme des flüssiggesättigten Sandsteins ließ sich zunächst jeweils der Sättigungsgrad verifizieren; auch konnte die zuvor per Hg-Porosimetrie bestimmte Porosität des Steins bestätigt werden. Die umfangreichen Resultate zur Wärmeleitfähigkeit des fluidgesättigten Steins führten zu einem bemerkenswert einfachen Wärmetransport-Modell, das die experimentelle Situation dennoch mit sehr guter Genauigkeit beschreibt. Die Messergebnisse mit Feuchtebeladung passen indes erwartungsgemäß nicht in das erwähnte Modell. Dieser Befund zeigt deutlich, dass hier weitere, modellhaft nicht berücksichtigte Transportprozesse wirken, wie Phasenumwandlungen des Wassers im Stein. Hierzu sind noch detailliertere experimentelle Untersuchungen notwendig.
Zu einem wiederentdeckten Phänomen konnten geplante zusätzliche Messungen inzwischen erfolgreich abgeschlossen werden. Wie bereits 1960 von den beiden US-Amerikaner Woodside und Messmer, so wurde auch hier gefunden, dass gasgefüllter Sandstein die Wärme schlechter leiten kann als flüssiggefüllter, obwohl beide Fluide die gleiche Wärmeleitfähigkeit besitzen. Siehe dazu auch den Beitrag 
Wärmetransport in fluidgefüllten Mikroporen.
Ansprechpartner:
Ulf Hammerschmidt, Abt. 1, E-Mail: ulf.hammerschmidt@ptb.de