Mechanismus der Entwicklung von Porenstrukturen im Sandstein unter gekoppeltem Einfluß von Feuchtigkeits‑ und Temperaturschwankungen und Na2SO4‑Lösung

Warum bröckelnder Fels wichtig ist

Auf den ersten Blick wirken Sandsteinhänge und -klippen fest und zeitlos. Doch in vielen Tälern, Stauseen und Straßenschnitten schwächen sich diese Gesteine innerhalb weniger Jahre, was Rutschungen und Steinschlag auslösen kann und Menschen sowie Infrastruktur gefährdet. Diese Studie untersucht einen stillen, aber wirkungsvollen Übeltäter: wiederholte Befeuchtungs‑ und Erwärmungszyklen in Gegenwart salzhaltigen Wassers. Indem die Forschenden beobachten, wie sich winzige Poren im Sandstein unter diesen Bedingungen verändern, zeigen sie, warum einige Hänge allmählich an Festigkeit verlieren und wie Ingenieure besseren Schutz entwickeln könnten.

Regen, Sonne und Salz wirken zusammen

In vielen Bergregionen sind Sandsteinhänge einem regelmäßigen Wechsel von Regen, Sonne und erneutem Regen ausgesetzt. Das Wasser ist dort selten rein: es führt oft gelöste Salze, darunter Natriumsulfat. Das Team konzentrierte sich auf Sandstein, der von einem Hang im Bezirk Wanzhou, Chongqing, China, entnommen wurde, und bereitete kleine zylindrische Proben vor. Diese Proben wurden in Natriumsulfatlösungen drei verschiedener Konzentrationen sowie zum Vergleich in destilliertem Wasser eingeweicht. Jeder Probe wurden wiederholt Zyklen zugeführt: eine Stunde Einweichen bei Raumtemperatur, eine Stunde Trocknung bei 60 °C — ähnlich einer heißen, sonnigen Felsoberfläche — und dann Abkühlung zurück auf Raumtemperatur.

Den Fels von innen heraus beobachten

Nach jeweils zehn Zyklen maßen die Forschenden, wie sich der Sandstein veränderte. Sie verfolgten Massenverluste durch ausgebrochene Körnchen, prüften die Oberflächenhärte, nutzten Schallwellen zur Untersuchung der inneren Steifigkeit und wandten Niederfeld‑Kernspinresonanz an, um die Porenstruktur abzubilden. Über 50 Zyklen verloren Proben in salzhaltigen Lösungen mehr Masse als solche in reinem Wasser; die stärkste Lösung führte zu etwa 4,5 % Massenverlust. Die Härte fiel um bis zu 10 %, besonders nach rund 20 Zyklen, was darauf hindeutet, dass die Gesteinsoberfläche lockerer und weniger verschleißfest wurde.

Von winzigen Poren zu großen Hohlräumen

Die Messungen auf Porenebene zeigen, wie diese Schwächung abläuft. Zunächst, wenn salzhaltiges Wasser einzieht und dann verdunstet, kristallisiert Natriumsulfat in den kleinsten Poren. Anfänglich können die Kristalle Lücken füllen und das Gestein etwas dichter erscheinen lassen und die Schallgeschwindigkeit erhöhen. Doch mit wiederholten Benetzungs‑ und Trocknungszyklen wachsen und schrumpfen die Kristalle immer wieder und üben Druck auf die Porenwände aus. Schließlich reißt dies die Wände zwischen benachbarten Poren auf, viele Mikroporen verschmelzen zu weniger, aber größeren Poren und es entstehen Mikrorisse. Die Gesamtporosität steigt, besonders bei höheren Salzkonzentrationen, und die Schallgeschwindigkeit erreicht um etwa 20 Zyklen ein Maximum, bevor sie mit zunehmender Schädigung wieder abnimmt.

Salz als verborgene Triebkraft von Hangschäden

Zusammenfassend zeigen die Experimente, dass Feuchtezyklen mit Natriumsulfat ein hocheffizienter Motor der Gesteinszerstörung sind. Salzwasser dringt zunächst in vorhandene Poren ein; Kristallisation und Rekristallisation hebeln diese Poren nach und nach auf und verbinden sie. Wenn sich die Verteilung der winzigen Poren zugunsten mittlerer und großer Hohlräume verschiebt, wird der Sandstein leichter, weicher und schlechter in der Lage, Wellen zu übertragen — Anzeichen eines geschwächten inneren Gefüges. Für Ingenieure, die Hänge in der Nähe von Stauseen, Straßen oder Kulturgütern planen oder instand halten, ist die Botschaft klar: Nicht jedes Wasser ist gleich. Salzgehalt und klimatisch bedingte Benetzungs‑Trocknungs‑Zyklen können scheinbar starken Sandstein still und schleichend in ein deutlich fragileres Material verwandeln und so das Risiko für Erosion und Versagen im Laufe der Zeit erhöhen.

Zitation: Geng, J., Li, X., Wu, Y. et al. Evolution mechanism of pore structures in sandstone under coupled effect of hygrothermal cycles and Na₂SO₄ solution. Sci Rep 16, 10554 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46746-w

Schlüsselwörter: Wetterung von Sandstein, Salzkristallisation, Porenstruktur, Hangstabilität, Benetzungs‑Trocknungs‑Zyklen