Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN FACULTEIT TOEGEPASTE WETENSCHAPPEN DEPARTEMENT BURGERLIJKE BOUWKUNDE Kasteelpark Arenberg 40 B-3001 HEVERLEE BELGIË

Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

Promotor : prof. dr. ir D. Van Gemert

Eindwerk ingediend tot het behalen van de graad van burgerlijk bouwkundig ingenieur door:

E 2002-2003

Timmy Herremans Tinne Vangheel

Toelating tot bruikleen De auteur geeft de toelating deze eindverhandeling voor consultatie beschikbaar te stellen en delen ervan te kopiëren voor eigen gebruik.

Elk ander gebruik valt onder de strikte

beperkingen van het auteursrecht; in het bijzonder wordt er gewezen op de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze eindverhandeling. Leuven, mei 2003

Graag willen wij allen bedanken die hebben bijgedragen tot de voltooiing van dit eindwerk.

Een speciaal woord van dank richten wij tot onze promotor Prof. dr. Ir. Dionys Van Gemert en onze begeleiders Ir.-arch. Gert Heirman en Ir. Bernard De Graef. Ook danken wij dr. Ir. Anne Beeldens, Ir. Wim De Windt, Rob en Gerda van het labo.

Abstract De voorbije 50 jaar zijn door de industrialisering vervuiling en verwering van gevels sterk toegenomen.

Er bestaan reeds vele technieken voor de reiniging van deze gevels.

wordt hierdoor de ondergrond beschadigd.

Vaak

Om deze beschadiging te voorkomen en te

herstellen werd de afgelopen jaren geëxperimenteerd met het gebruik van micro-organismen. Deze techniek van biomineralisatie bestaat in de mogelijkheid van bepaalde bacteriën om minerale precipitatie te induceren en te bevorderen.

Biomineralisatie wordt reeds toegepast

bij het verdichten van zandkolommen, bij het herstel van kalksteen monumenten en in biologische mortels. In dit eindwerk wordt vooreerst een uitgebreide literatuurstudie gemaakt over de actuele toestand wat betreft vervuiling en reiniging van gevels. Ook de nieuwe ontwikkelingen in het gebruik van het biomineralisatieproces voor toepassingen in de bouwwereld worden bestudeerd.

Daarnaast worden verkennende experimenten uitgevoerd naar de mogelijkheid

tot het herstel en de bescherming van mortel- en betonoppervlakken door CaCO3-precipitatie.

Trefwoorden:

reinigingstechnieken,

CaCO3-precipitatie, regeneratie.

vervuiling,

verwering,

biomineralisatie,

bacteriën,

Abstract The industrialisation of the past 50 years induced a strong pollution and weathering of facades. Many techniques for cleaning already exist. However, these cleaning techniques are frequently harmful to the surface. A recent development in the repair of the surfaces is the use of bacteria. This process of biomineralisation is based on the ability of certain bacteria to promote CaCO3-precipitation.

Biomineralisation is already used for the consolidation of sand

columns, for the restoration of limestone monuments and for the preparation of biological mortars.

In this paper an extensive literature survey on pollution and cleaning of facades is made. Recent developments in the use of the technology of biomineralisation in construction are also studied. The possibility of repair and protection of mortar and concrete surfaces by means of CaCO3-precipitation is investigated.

Keywords: cleaning techniques, pollution, weathering, biomineralisation, bacteria, CaCO3precipitation, regeneration.

Inhoud

ABSTRACT INHOUD

INLEIDING

1

HOOFDSTUK 1 VERVUILING EN REINIGING VAN GEVELS

3

1.1 INLEIDING................................................................................................................................3 1.2 VERVUILING VAN GEVELS .......................................................................................................4 1.2.1 Luchtverontreiniging ......................................................................................................5 1.2.2 Regen en wind.................................................................................................................7 1.2.3 Aard van het gebouw......................................................................................................9 A.

Geveldetaillering ..........................................................................................................9

B.

Materiaaleigenschappen ...............................................................................................9

1.2.4 Acceptatie van vervuilingspatronen .............................................................................11 1.2.5 Samenvatting ................................................................................................................12 1.3 T RADITIONELE REINIGINGSTECHNIEKEN ................................................................................12 1.3.1 Basisvergelijkingen.......................................................................................................13 1.3.2 Reinigen met water.......................................................................................................16 A.

Afvloeien van water ...................................................................................................16

B.

Herhaalde waterverstuiving onder lage druk (benevelen) ..........................................17

C.

Verzadigde stoom .......................................................................................................18

D.

Water onder hoge druk...............................................................................................19

E.

Onderlinge ve rgelijking..............................................................................................20

1.3.3 Mechanisch reinigen ....................................................................................................21 A.

Afborstelen .................................................................................................................21

B.

Afschuren, schaven of slijpen.....................................................................................21

C.

Straaltechnieken met perslucht...................................................................................21

D.

Nat stralen...................................................................................................................28

E.

Onderlinge vergelijking..............................................................................................29

1.3.4 Chemisch reinigen ........................................................................................................29 A.

Zure reinigingsproducten............................................................................................31

B.

Basische reinigingsproducten.....................................................................................32

C.

Organische oplosmiddelen .........................................................................................33

D.

Oppervlakteactieve stoffen.........................................................................................33

1.3.5 Speciale technieken ......................................................................................................34 A.

Droogijsstralen...........................................................................................................34

B.

Schuurpasta’s ..............................................................................................................34

C.

Reinigingspasta’s........................................................................................................35

D.

Laserreiniging .............................................................................................................35

1.3.6 Algemeen overzicht.......................................................................................................36 1.4 AANTASTING .........................................................................................................................38 1.4.1 Aantasting door reinigen..............................................................................................38 1.4.2 Aantasting door natuur.................................................................................................39 A.

Fysische verwering .....................................................................................................39

B.

Fysisch-chemische verwering ....................................................................................40

C.

Chemische verwering .................................................................................................41

D.

Biologische verwering ................................................................................................42

HOOFDSTUK 2 BIOMINERALISATIE

48

2.1 GESCHIEDENIS.......................................................................................................................48 2.2 P RINCIPE................................................................................................................................50 A.

Passieve precipitatie ...................................................................................................51

B.

Actieve precipitatie .....................................................................................................55

C.

Bacteriën.....................................................................................................................56

2.3 HUIDIGE TOEPASSINGEN ........................................................................................................58 2.3.1 Natuursteen monumenten .............................................................................................58 A.

Behandeling ................................................................................................................59

B.

Eerste experimenten...................................................................................................60

C.

Andere experimenten..................................................................................................64

D.

Realisatie van patina ...................................................................................................67

E.

Conclusie ....................................................................................................................69

2.3.2 Verdichten zandkolommen............................................................................................69 2.3.3 Biologische mortels ......................................................................................................71 A.

Optimalisatie van de granulometrie van het steenpoeder...........................................72

B.

Optimalisatie van het voedingsmengsel.....................................................................73

C.

Omschrijving van de geschiktheid van een herhaalde voeding..................................73

D.

Optimalisatie van de wijze van aanmaken van de bacteriën......................................73

E.

Optimalisatie van de wijze van aanmaken van de mortel ..........................................75

F.

Experimenten in situ...................................................................................................77

G.

Conclusies...................................................................................................................79

2.4 UITBREIDING NAAR BETON ....................................................................................................80

HOOFDSTUK 3 PROEVEN

84

3.1 C HEMISCH HERSTEL ..............................................................................................................84 3.1.1 Gebruikte toestellen......................................................................................................86 A.

SO2-kast ......................................................................................................................86

B.

Ruwheidsmeter ...........................................................................................................87

C.

Karstenpijpjes .............................................................................................................91

D.

Lichtmicroscoop .........................................................................................................92

E.

SEM/EDX...................................................................................................................93

3.1.2 Resultaten.....................................................................................................................95 A.

Macroscopisch onderzoek..........................................................................................95

B.

Microscopisch onderzoek...........................................................................................98

3.1.3 Conclusies...................................................................................................................102 3.2 B IOLOGISCH HERSTEL .......................................................................................................... 104 3.2.1 Behandeling................................................................................................................105 3.2.2 Gebruikte toestellen....................................................................................................109 3.2.3 Resultaten...................................................................................................................109 A.

Macroscopisch onderzoek........................................................................................ 109

B.

Microscopisch onderzoe k......................................................................................... 111

3.2.4 Conclusies...................................................................................................................115

HOOFDSTUK 4 ALGEMENE BESLUITEN

118

HOOFDSTUK 5 VERDER ONDERZOEK

120

LITERATUURLIJST

122

BIJLAGE A1 RUWHEID SMETING BIJ CHEMISCH HERSTEL BIJLAGE A2 RUWHEID SMETING BIJ BIOLOGISCH HERSTEL BIJLAGE B1 LICHTMICROSCOPIE BIJ CHEMISCH HERSTEL BIJLAGE B2 LICHTMICROSCOPIE BIJ BIOLOGISCH HERSTEL BIJLAGE C1 ELEKTRONENMICROSCOPIE BIJ CHEMISCH HERSTEL BIJLAGE C2 ELEKTRONENMICROSCOPIE BIJ BIOLOGISCH HERSTEL BIJLAGE D

EDX BIJ CHEMISCH HERSTEL

Inleiding

Het verweren van betonoppervlakken is een complex proces waarbij zowel fysische, chemische als biologische factoren een rol spelen. Verwering leidt vaak tot een structurele verzwakking van de oppervlaktelaag en een verhoging van de porositeit en de ruwheid.

Het kan ook aanleiding

geven tot een weinig esthetisch uiterlijk van de constructie. Om beschadiging te voorkomen kunnen oppervlaktebehandelingen met synthetische, organische of anorganische producten zoals silanen of siloxanen toegepast worden. Nadelen van deze producten zijn: •

het mogelijk creëren van een verschil in thermische uitzettingscoëfficiënt van de behandelde en de onderliggende laag;

•

degradatie van de behandelde laag in de tijd en nood aan constant onderhoud;

•

eventuele milieu-onvriendelijkheid van bepaalde solventen.

Om gedeeltelijk aan deze nadelen tegemoet te komen, wordt gezocht naar meer ecologisch verantwoorde, biologische processen om beton- en morteloppervlakken te beschermen, te herstellen of te reinigen.

Dit eindwerk kadert in het F.W.O.-project G.0054.02. In dit project wordt gebruik gemaakt van levende bacterieculturen om betonelementen te beschermen of te herstellen.

Om een meer

duurzaam beton te bekomen, wordt ook gezocht naar nieuwe betonsamenstellingen. een multidisciplinaire aanpak uiterst belangrijk.

Hiervoor is

De gecombineerde ervaring van experten op het

vlak van bouwkunde, materiaaleigenschappen, microbiologie en cementchemie is noodzakelijk. De verschillende onderzoekseenheden van het project zijn: Laboratorium Reyntjens van KULeuven, Laboratorium Magnel en Laboratorium voor Microbiële Ecologie van RUGent. Dionys Van Gemert van KULeuven, Nele De Belie en Willy Verstraete van RUGent zijn de promotoren van dit F.W.O.-project.


1

In het project wordt de problematiek van de schade aan betonoppervlakken bekeken vanuit twee perspectieven. Een eerste deel van het project is voornamelijk toegespitst op de curatieve behandeling van beschadigde oppervlakken, waarbij de nadruk ligt op bio-katalytische processen.

Enerzijds

wordt hierbij een milieuvriendelijke procedure onderzocht voor het reinigen van mortel- en betonoppervlakken.

Anderzijds wordt een biomineralisatieproces ontwikkeld voor het herstel en

de bescherming van beschadigde oppervlakken. In een tweede deel wordt gezocht naar nieuwe beton- en mortelsamenstellingen waarbij een verhoogde resistentie ten opzichte van biodeterioratie beoogd wordt.

Dit eindwerk behoort tot het eerste deel van het project en de doelstelling ervan is tweeledig. In eerste instantie wordt een uitgebreide literatuurstudie gemaakt over de actuele toestand van vervuiling en reiniging van gevels en over de nieuwe ontwikkelingen in het gebruik van het biomineralisatieproces voor toepassingen in de bouwwereld.

In tweede instantie wordt een

verkennend onderzoek uitgevoerd naar het herstel en de bescherming van mortel- en betonoppervlakken. Hierbij wordt eerst aandacht besteed aan de vereiste eigenschappen van het te beschermen of het te herstellen oppervlak en vervolgens wordt de eigenlijke precipitatie van CaCO3 onderzocht. Het experimenteel onderzoek bij dit eindwerk wordt opgesplitst in twee fasen. In een eerste fase wordt gepoogd versneld aangetaste betonblokjes chemisch te herstellen met behulp van K2CO3. De aantasting wordt gerealiseerd in een SO2-kast.

In een tweede fase wordt de biologische

herstelling door bacteriën onderzocht. In beide fasen worden macroscopische, microscopische en analytische onderzoekstechnieken gehanteerd.

Zo

worden

voor

het

macroscopisch

onderzoek

het

visueel

aspect,

oppervlakteporositeit (Karstenpijpjes) en de ruwheid (Form Taylorsurf 120L) bestudeerd.

Wat

betreft microscopie werden zowel lichtmicroscoop als elektronenmicroscoop gebruikt.

EDX

wordt gebruikt voor plaatselijke analyse van de samenstellende delen van het monster.


de

2

Hoofdstuk 1

Vervuiling en reiniging van gevels

Het eerste hoofdstuk bespreekt de vervuiling en reiniging van gevels. Na een toelichting over de vervuiling van geveloppervlakken, wordt er dieper ingegaan op de reinigingstechnieken. De verschillende soorten reiniging worden aangehaald met hun voor- en nadelen.

In een

laatste paragraaf komen de aantasting en verwering van de gevels aan bod.

1.1 INLEIDING Zoals in de meeste Europese landen zijn ook in België heel veel woningen meer dan vijftig jaar oud. Nog niet zo lang geleden werden woningen gewoon gesloopt wanneer ze te oud werden. Tegenwoordig is er echter een tendens ontstaan om zoveel mogelijk te behouden wat waardevol is.

Woningen worden gesaneerd en het comfort verbeterd.

Vernieuwbouw en

herwaardering krijgen de nodige aandacht: structurele ingrepen moeten voor de vereiste standzekerheid zorgen en vochtproblemen moeten worden aangepakt.

Het binnencomfort

wordt verbeterd en het uitzicht verzorgd. In deze geest wil men het oorspronkelijke uitzicht van de gevels behouden en de rijke kleurschakeringen van de bouwmaterialen terug te voorschijn halen.

Vuile lagen die de gevel

ontsieren en bijdragen tot de verwering wil men verwijderen.

In ons land is de bekommernis om het behoud van het patrimonium in de jaren zeventig gegroeid. Personen en bedrijven werden zich steeds meer bewust van de waarde van gevels, die vaak verborgen zaten achter een dikke laag vuil. Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

3

In de gevelrenovatie kan de ervaring van de monumentenzorg, die reeds meer dan een halve eeuw reinigingstechnieken toepast, gebruikt worden.

In het begin werd echter meer dan één waardevol gebouw bij het reinigen ernstig beschadigd door gebrek aan kennis en ervaring. Soms veroorzaakte één enkele opknapbeurt meer schade dan honderden jaren blootstelling aan weer en wind. industrietakken werden gewoon overgenomen.

Gekende technieken uit andere

Zo werd bijvoorbeeld zandstralen, zeer

succesvol bij het reinigen van metalen oppervlakken, op natuursteen en baksteen toegepast. De gevolgen bleven niet uit: natuursteen en baksteen zijn opmerkelijk zachter dan metalen oppervlakken, en daarom slecht bestand tegen de schurende werking van het stralen.

Tegenwoordig is de kennis over gevelreiniging sterk verbeterd en zijn er verschillende methoden ontwikkeld. Een zeer belangrijk feit is dat er geen universele reinigingstechniek is die overal goede resultaten geeft zonder nevenverschijnselen. Wel zijn er een hele reeks methoden die min of meer aangepast zijn aan de verschillende vervuilingsvormen en gevelmaterialen. [1]

1.2 VERVUILING

VAN GEVELS

Eerst en vooral moet er een onderscheid gemaakt worden tussen verschillende soorten vervuiling. Er is vuil dat ontstaat door natuurlijke oorzaken: natuurlijk of biologisch vuil. Mogelijke oorzaken zijn duiven, meeuwen, mossen,… Daarnaast bestaat er vuil dat veroorzaakt wordt door industriële activiteiten, verkeer en wonen. De derde en laatste soort wordt aangeduid als andere vormen van vervuiling zoals vandalisme. Naast de soorten vervuiling zijn er ook nog verschillende factoren die van invloed zijn op de mate van het vuil worden van een gevel. De belangrijkste zijn: luchtverontreiniging, regen en wind, aard van het gebouw en materiaaleigenschappen. [2]


4

1.2.1 LUCHTVERONTREINIGING De vervuiling van de atmosfeer is onder andere oorzaak van de vermindering van de esthetische kwaliteit van gebouwgevels.

Deze vervuiling is natuurlijk al vele honderden jaren

aanwezig, maar de omvang en de agressiviteit zijn de laatste jaren enorm toegenomen.

Er

vindt echter wel een verschuiving plaats: de concentratie van de ene stof vermindert en die van de andere stof neemt toe.

Het gaat enerzijds om vaste of vloeibare deeltjes als roet,

bitumen, rubber, ijzeroxide en cement en anderzijds om gassen als zwaveldioxide (SO 2), koolstofdioxide (CO2), stikstofoxide (NOx), zoutzuur (HCl), ammoniak (NH 3) en ozon (O 3).

De mate waarin de gevels kunnen vervuilen, wordt in belangrijke mate bepaald door de aard en de hoeveelheid van de in de lucht aanwezige stoffen.

Zou de lucht enkel bestaan uit

zuurstof en stikstof, de twee hoofdcomponenten, dan is er van vervuiling geen sprake. Naast deze twee gassen komen er echter talloze andere stoffen in geringe concentraties voor. Tabel 1.1 geeft de typische concentraties van de voornaamste verontreinigende componenten in de lucht. Gassen SO2

Concentratie (ppb (vol))

Aerosolcomponent

Concentratie (µm/m³)

2 – 500

Stof en roet

10 – 200

SO3

< 50

Pb

0,1 – 5

H2S

2 – 30

Zn

0,1 – 2

CO

100 – 50000

Fe

0,1 – 10

NO

10 – 400

Cu

0,03 – 1

NO2

10 – 200

As

0,01 – 0,5

NH3

1 – 200

Cd

0,001 – 0,5

HF

0,1 – 500

Mn

0,01 – 0,5

HCl

5 – 5000

V

0,001 – 0,2

Niet-CH4 KWS

0,01 – 10

Hg

0,001 – 0,05

Aromaten

10 –100

Na

0,1 –10

Aldehyden

1 – 100

Cl

0,1 – 10

H2SO4

0,1 – 10

Tabel 1.1 : Concentratie van luchtverontreinigende componenten [3]

Deze luchtverontreiniging is te onderscheiden naar aard en grootte van de stofdeeltjes die zich in de lucht bevinden.

Er bestaan natuurlijke verontreinigingen en verontreiniging veroorzaakt

door niet natuurlijke activiteiten zoals industrie, verkeer, wonen, landbouw en veeteelt.


5

De natuurlijke verontreinigingen zijn er altijd al geweest. invloeden worden afgebroken.

Ze kunnen door natuurlijke

Dit wil nog niet zeggen dat er geen aantasting van het

gevelmateriaal optreedt. Denk maar aan plaatsen waar vogels zich verzamelen. Daar bevindt zich vaak een enorme hoeveelheid mest die de gevel kan aantasten.

De industriële verontreiniging is de laatste decennia sterk uitgebreid.

Bij een indeling naar

grootte wordt onderscheid gemaakt tussen stabiele en instabiele aerosolen (tabel 1.2). Aerosolen zijn alle vloeibare of vaste deeltjes die gesuspendeerd zijn in de lucht. Grootte [µm] 0,001

Soort, herkomst

Type

gasmoleculen 0,01 rook (tabak, steenkool, minerale olie) 0,1

stabiele aerosolen

rook, bacteriën 1 bacteriën, nevel, stof van minerale oorsprong vliegas (van kolen, minerale olie) 10 stof van minerale oorsprong, cementstof, metaaldeeltjes van rails, bovenleidingen e.d. vliegas, sporen van paddestoelen, stuifmeel en mist

instabiele aerosolen

100 regen, stof, vliegas klei, natuursteen 1000 Tabel 1.2: Vuildeeltjes in de lucht naar grootte en soort [4]

Instabiele aerosolen, deeltjes met een afmeting groter dan 1 µm, zetten zich na een tijd af onder invloed van de zwaartekracht op oppervlakken die rechtstreeks zijn blootgesteld aan weer en wind. Stabiele aerosolen blijven in de lucht ten gevolge van de Brownse beweging, waarbij de wrijvingskracht van de lucht op de deeltjes groter is dan de zwaartekracht. Ze zetten zich ook af op hangende en overhellende plaatsen. Dit kan gebeuren als het deeltje zeer dicht langs het materiaaloppervlak glijdt en door wrijving of elektrostatische krachten wordt vastgehouden.


6

Tengevolge van de zwaartekracht is in het

algemeen

de

verontreiniging

vlak

concentratie bij

de

hoger dan in de lucht.

aan grond

Zo is de

concentratie vlak boven het maaiveld ongeveer twee maal zo groot als op een

hoogte

van

tien

meter

zoals

zichtbaar is in figuur 1.1. [2] [5] Figuur 1.1: Vuilconcentratie als functie van de hoogte [2]

1.2.2 REGEN

EN WIND

Regen heeft zowel positieve als negatieve invloeden.

Regen transporteert het vuil vanuit de

lucht naar de gevel. Veel en langdurige regen kan een gevel plaatselijk schoonwassen, maar kan er ook voor zorgen dat er op andere plaatsen een accumulatie van vuil ontstaat. Aflopend water

verstoort

de

gelijkmatige

vervuiling

veroorzaakt

door

atmosferische

invloeden.

Druilerige regen maakt de gevels nat maar verwijdert het vuil niet. Bij hoge relatieve luchtvochtigheid kan oppervlaktecondensatie optreden. Dit doet zich vooral voor als de oppervlaktetemperatuur laag is. Dit komt doordat lucht minder vocht kan bevatten naarmate die lucht kouder is.

Hierdoor, en door het feit dat ze langzamer drogen, zijn

vrijstaande constructies een groot deel van het jaar vochtig, worden ze sneller vuil en zijn ze gevoeliger voor aangroei van algen en mossen.

Belangrijk is de combinatie van regen en wind. De overheersende windrichting in België is het zuidwesten.

Gevels die naar het zuidwesten

gericht zijn ontvangen meer regen dan andere gevels.

Bij de beoordeling van de invloed van

wind op gebouwen speelt vooral het microklimaat een rol.

Dit wordt bepaald door de omvang en

hoogte

van

bodemhoogte.

het

gebouw,

stratenplan

en

Daardoor kan de wind in snelheid

en richting nogal afwijken van de algemene Figuur 1.2: Wind rond gebouw [2]

geaardheid.

Zoals zichtbaar in figuur 1.2 zal de

wind voor een deel afbuigen naar boven en over het gebouw wegstromen. Voor een deel zal Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

7

de wind afbuigen loodrecht naar beneden, vervolgens overgaan in een spiraalvormige beweging en dan afstromen langs de zijgevels. Een deel van het wateraanbod wordt meegevoerd door de wind die langs het gebouw circuleert. Dit is één van de redenen waarom de meegevoerde regen wel op het bovenste gevelgedeelte terecht komt, maar in veel mindere mate op de lager gesitueerde oppervlakken.

In het algemeen kan worden gesteld dat

regenwater vooral gevelzones treft waar de wind het sterkst van richting verandert.

Dat is

bijvoorbeeld het geval aan de bovenkant en op de hoeken van de gevels die naar de heersende windrichting zijn georiënteerd.

Daarom worden deze gedeelten schoongespoeld en de andere

gevelgedeelten onvolledig of zelfs niet.

Gedeeltelijke schoonspoeling houdt in dat het

vervuilingspatroon ongelijkmatig is, hetgeen als ontsierend wordt ervaren. Als het water op uitstekende delen vrij kan stromen over oppervlakken waar anders geen regen zou komen, regenschaduw, dan ontstaat één van de minst acceptabele vormen van vervuiling.

Regenschaduw doet zich ook voor wanneer gebouwen of gedeelten ervan te dicht

bij elkaar zijn gesitueerd, waardoor sommige gevelzones in de windluwte staan.

In dichte

bebouwde steden zal er dus een grotere vervuiling zijn dan bij vrijstaande gebouwen waar de wind vrij spel heeft. Door de verschillen in oriëntatie zal ook het zonlicht op de gevels sterk variëren. zuidwestgevel

ontvangt

het

meeste

De direct

zonlicht, terwijl de noordgevel in het geheel geen ontvangt. de

De zonnewarmte beïnvloedt

vochtigheidsgraad

Hierdoor

blijft

een

van

de

noordgevel

gevels. erg

lang

vochtig.

Een vochtig oppervlak is een

geschikte

voedingsbodem

organismen.

voor

Afhankelijk

levende van

het

microklimaat ter plaatse van de gevel kunnen sporen van algen, mossen en korstmossen die met

de

gevel

in

contact

een

deel

komen,

zich

Figuur 1.3: Algengroei door te hoge vochtigheid [6]

ontwikkelen

en

van de gevel

ontsieren zoals in figuur 1.3. [2] [5]


8

1.2.3 AARD

VAN HET GEBOUW

Omdat de omgeving van een gebouw - vervuiling van de atmosfeer, regen, wind en ook zonlicht - een gegeven is waaraan weinig te veranderen valt, moet de beheersing van de vervuiling gezocht worden in de interactie tussen gevels en omgeving. De geometrie van het gebouw, de bouwkundige detaillering en de hoedanigheid van het oppervlak zijn bepalend voor een gevel. een gevel.

Gelijkmatige vervuiling doet weinig afbreuk aan de visuele kwaliteiten van

Daaruit volgt dat de interactie tussen omgeving en betonoppervlak die

gelijkmatigheid niet mag verstoren.

De niet zichtbare oppervlakteporositeit en fysisch-

chemische geaardheid, alsmede de zichtbare kleur en textuur spelen een rol in het homogene gedrag van een betonoppervlak. [2] [5] A.

Geveldetaillering

De vervuiling kan beperkt worden door een goed ontwerp en een goede materiaalkeuze. De eisen in verband met hoogte, vorm en afmetingen zijn echter meestal zo dwingend dat er in praktijk weinig varianten mogelijk zijn.

Een slechte detaillering kan aanleiding geven tot

plaatselijke vervuiling die zeer storend kan werken. Deze plaatselijke vervuiling kan zich ook voordoen bij gevels die opgebouwd zijn uit materialen met een sterk verschillende vochtabsorptie, waarbij water van het ene materiaal over het andere stroomt, vb. van glas op baksteen.

Gevels met een groot verschil in

waterbelasting van de verschillende geveldelen, door uitstekende obstakels zoals erkers, luifels en balkons, kunnen last krijgen van plaatselijke vervuiling.

Vervuiling kan ook

ontstaan bij gevels waarbij water van horizontale vlakken, zoals dakranden en raamdorpels, over de gevel kan stromen. Op die horizontale vlakken verzamelt zich immers meer vuil dan op de verticale. [5] [6] B.

Materiaaleigenschappen

Een betonnen gevel zal het regenwater dat erop terecht komt eerst absorberen. oppervlak is verzadigd, stroomt het water langs de gevel omlaag. maken het afstromen onregelmatig.

Nadat het

Verschillen in porositeit

Afstromend water neemt het vuil op de gevel mee.

Voldoende afstromend water voert het vuil van de gevel af. overvloedig is, zet het vuil zich elders weer af.

Wanneer dat water niet

Ongelijkmatige permeabiliteit van het

oppervlak manifesteert zich onder meer door een grillig gebaande vuilafzetting.

De

ongelijkmatigheid uit zich ook in een verschil bij het opdrogen: aangezien natte oppervlakken Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

9

een groot aanhechtend vermogen hebben voor stofdeeltjes, ontstaan hierdoor verschillen in de hoeveelheid aanhechtend vuil.

Indien oppervlakken door hun situering praktisch niet drogen,

ontstaat er een geschikte voedingsbodem voor de afzetting van organismen zoals algen en mossen.

Het vochttransport van de kern van het materiaal naar buiten, door wateropname tijdens regenbuien en verdamping tijdens droge perioden, heeft zijn effect op het visuele aspect van het oppervlak: bij het transport van water van binnen naar buiten kunnen stoffen meegevoerd worden die later op het betonoppervlak neerslaan. aanwezige calciumhydroxide Ca(OH)2.

Hoofdzakelijk is dat het in het beton

Door dit neerslaan op het betonoppervlak ontstaat

een witte zweem die vooral bij droog beton goed zichtbaar is.

De calciumhydroxideneerslag

kan daarbij nog omgezet worden door de in de lucht aanwezige koolzuur, sulfaten en salpeterzuur.

Indien de neerslag niet op het oppervlak, maar in de poriën van de betonhuid

wordt gevormd en afgezet, verandert het visuele aspect van het oppervlak niet.

Beton wordt tegenwoordig in verschillende kleuren aangemaakt door gebruik van onder andere wit in plaats van grijs cement en verschillende kleurpigmenten. In het algemeen speelt kleur geen grote rol bij het vervuilen, toch is een witte betongevel qua vervuiling veel kwetsbaarder dan een grijze gevel.

Witte gebouwen zullen dan ook bij voorkeur niet in een

sterk verontreinigde atmosfeer worden geplaatst. In zo een atmosfeer wordt het best gewerkt met genuanceerde kleurschakeringen die een maskerende invloed hebben op vuilafzettingen.

Van grotere invloed is de textuur die, afhankelijk van de soort en aard van de bekisting, glad kan zijn of grof door het uitwassen van het beton. Op een uitgewassen oppervlak vloeit het water

meer

gespreid

dan

op

een

glad

oppervlak.

Betere

beheersbaarheid

van

vervuilingspatronen door nabehandeling van het betonoppervlak is een van de redenen waarom zichtbaar blijvende betonoppervlakken veelal gerealiseerd worden met behulp van geprefabriceerde gevelelementen.

Tegenwoordig zijn de elementen dikwijls behandeld met

transparante coatings en impregneermiddelen die een extra waterafstotende laag over het oppervlak leggen. invloeden.

Zo verbetert het gedrag van de elementen tegenover de atmosferische

De vervuilingsmechanismen blijven van kracht maar zijn minder uitgesproken.

De waterafstotende lagen zullen na verloop van tijd beginnen slijten.

Deze afslijting gebeurt

onregelmatig zodat de kans op vervuilingsverschillen vergroot. Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

10

Een grove ruwheid of onregelmatigheid, waardoor een soort haakweerstand ontstaat, zorgt ervoor dat vuildeeltjes achter blijven in holten of groeven.

De hardheid van het betonoppervlak is bepalend voor de mate waarin deeltjes die met een zekere snelheid op het oppervlak terechtkomen weerkaatsen.

Hoe harder het oppervlak hoe

meer deeltjes weerkaatst zullen worden. [5] [6]

1.2.4 ACCEPTATIE

VAN VERVUILINGSPATRONEN

Vervuiling van een gevel heeft een subjectieve belevingswaarde.

Iemand die in het

onderwerp is geïnteresseerd bekijkt vervuiling anders dan de burger in de straat. Het is nog maar de vraag of deze laatste zich van de vervuiling bewust is.

Over dit onderwerp is een verkennend onderzoek ingesteld naar de meetbaarheid van de affectieve belevingswaarde. [7] Delft,

De ondervraagden waren eerstejaarsstudenten aan de TH-

afdeling

Bouwkunde en het onderwerp betrof het verschil

tussen

schone

de

voorgevel

(zuidwest gericht) en de

vervuilde

achtergevel (noordoost van

gericht) Figuur 1.4: Noordoost en zuidwest-gevel TH Bouwkunde Delft [2]

hun

collegegebouw (figuur 1.4).

Bij dit onderzoek werd gewerkt met woordparen, waarbij de

ondervraagde voor elk woordpaar moest aangeven in hoeverre één van de twee van toepassing waren op beide gevels.

Voorbeelden van woordparen: eenvoudig – complex, opwindend –

kalmerend. Uit het onderzoek kwam naar voor dat de vervuilde gevel in sterkere mate dan de schone gevel wordt ervaren als complex, opwindend, zacht, afwisselend, onbevredigend, druk en natuurlijk.

De uitkomsten lieten zien dat de vervuilde gevel op een aantal belevingsaspecten

duidelijk verschilt van de schone: het is een eerste stap om wat meer greep te krijgen op de appreciatie van mensen voor bepaalde ontwerpproblemen. [2] Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

11

1.2.5 SAMENVATTING Gevelvervuiling heeft zowel natuurlijke als industriële oorzaken. na een goede regenbui meestal terug verdwenen.

De natuurlijke vervuiling is

De industriële verontreiniging is de laatste

decennia zo sterk uitgebreid dat er reinigingstechnieken aan te pas komen om deze te verwijderen.

De mate waarin de gevelvervuiling zich voordoet, is afhankelijk van de

hoeveelheid luchtverontreiniging in de nabije omgeving, de hoeveelheid water en wind die op de gevel terechtkomt en de aard van het gebouw. Afhankelijk van de vervuiling (lichte of sterke mate – gelijkmatig of lokaal vervuild) en de persoonlijke voorkeur zal de vervuiling al dan niet aanvaard worden.

Maar na gevelreiniging

wordt het gebouw toch als mooier ervaren.

1.3 TRADITIONELE

REINIGINGSTECHNIEKEN

Tot voor enige tijd konden volledige huizenblokken met de grond gelijk gemaakt worden, zelfs als ze nog in goede staat verkeerden.

De groeiende bekommernis om onze steden

leefbaar te houden en de zorg om te behouden wat waardevol is, heeft daar verandering in gebracht.

Naast structurele ingrepen voor de standzekerheid horen ook esthetische ingrepen

tot de conservatie. In het kader van eerbied voor het verleden is het behoud van het oorspronkelijk uitzicht van de gevels en de rijke kleurschakeringen van de materialen wenselijk.

Ook verwijdering van vuile lagen die de gevels ontsieren en die kunnen bijdragen

tot verwering, bijvoorbeeld door het vasthouden van vocht in de vuillaag, is gewenst.

Een goede gevelreiniging moet dus niet uitsluitend als een esthetische ingreep gezien worden, maar ook als een middel om de levensduur van materialen te verlengen. Reinigen is evenwel een gevoelige ingreep die onherstelbare schade kan veroorzaken als het niet oordeelkundig toegepast en zorgvuldig uitgevoerd wordt met gepaste technieken.

Een gevel op ideale wijze reinigen bestaat uit zoveel mogelijk vervuiling te verwijderen waarbij zoweinig mogelijk het gevelmateriaal beschadigd wordt.

Er bestaat geen universeel

bruikbare reinigingstechniek, die overal goede resultaten geeft zonder nevenverschijnselen. Wel zijn er een hele reeks methoden die min of meer aangepast zijn aan de verschillende vervuilingsvormen en gevelmaterialen.

Elke methode heeft een aantal voor- en nadelen.

In

de praktijk hangt de keuze af van veel parameters zoals de aard, de vervuiling en de verwering Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

12

van de materialen, de historische of architecturale waarde van de gevel.

Een voorafgaande

reinigingsproef op een beperkt deel van de gevel kan veel problemen voorkomen. Voor alle technieken geldt dat het resultaat van de gevelreiniging niet enkel bepaald wordt door de keuze van de techniek en de juiste uitvoeringsparameters, maar eveneens afhangt van de vakbekwaamheid van de uitvoerder en de zorg die hij besteedt aan het werk. Na het reinigen kunnen gevels met hydrofobeermiddelen of anti-grafittiproducten beschermd worden.

Deze

behandelingen

vervangen

geen

vergemakkelijken het onderhoud met zachte technieken.

volgende

reinigingsbeurten,

maar

Zulke behandelingen kunnen echter

de natuurlijke kleurnuances van gevelmaterialen wijzigen en kunnen daarom soms slecht overkomen na een reiniging.

Daarom moet bij de keuze van het geschikte beschermsysteem

de wisselwerking van dit systeem met het substraat onderzocht worden.

De voorbereiding

van de ondergrond, de impact op de omgeving, de methode van aanbrengen en de gezondheidsrisico’s

voor

degene

die

het

systeem

aanbrengt

zijn

hierbij

belangrijke

aandachtspunten.

De belangrijkste reinigingstechnieken zijn gebaseerd op het hard op de gevel spuiten van deeltjes zodat het vuil eraf geschoten wordt.

Om een beter inzicht te krijgen waarom er bij

verschillende werkingsdruk en met verschillend materiaal naar de gevel wordt gespoten, worden in onderstaande paragraaf enkele theorieën en bijhorende vergelijkingen uit de doeken gedaan. [1]

1.3.1 BASISVERGELIJKINGEN De twee belangrijkste vergelijkingen die een rol spelen bij het spuiten van deeltjes op de gevel zijn de wetten van behoud: behoud van impuls en behoud van energie. De twee wetten van behoud kunnen beschouwd worden als een synthese van de drie postulaten van Newton: •

een puntmassa waarop geen enkele invloed van buitenaf inwerkt, beschrijft een eenparig rechtlijnige beweging ( de snelheid v is een constante vector);

•

werkt op een puntmassa met massa m een kracht F , dan heeft die puntmassa een versnelling a volgens de formule: F = ma ;

•

bij

wederzijdse

beïnvloeding

van

twee

lichamen

ontstaan

even

grote

maar

tegengestelde krachten. Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

13

De eerste wet van behoud luidt als volgt: de verandering van de totale impuls van een stelsel over een periode ?t van t1 tot t2 is gelijk aan de stoot N i van de uitwendige krachten Pi gedurende dezelfde periode.

∑N

i

= ∑ Pi ∆t =∑ mi v i 2 − ∑ mi v i1

(1.1)

Indien de stoot van de uitwendige krachten nul is, blijft er over dat de hoeveelheid impuls op tijdstip t1 en t2 hetzelfde zijn.

De tweede wet van behoud gaat als volgt: de arbeid W verricht door een uitwendige kracht op een puntmassa is gelijk aan de verandering van de totale energie ? Et van die massa.

W = ∆ Et

(1.2)

Indien de arbeid verricht door een uitwendige kracht gelijk is aan nul, blijft er over dat een massa alleen onder invloed van de zwaartekracht zijn energie behoudt. De totale energie Et bestaat uit kinetische Ek en potentiële energie Ep. Et = Ek + E p =

mv 2 4π .r 3 + mgh met m = ρ 2 3

(1.3)

Bij de gevelreiniging is het mogelijk om de werkingsdruk van de compressor te regelen. Uit deze werkingsdruk p kan, rekening houdend met de ladingsverliezen (? Fl), de snelheid v van het reinigingsmiddel berekend worden op het ogenblik dat het de spuitkop verlaat

Hierbij is

∆21 z = z2 − z1 het hoogteverschil tussen de aansluiting met de drukketel (positie 1) en de spuitmond (positie 2) en staat ? voor de dichtheid van reinigingsmiddel. 2 2  p2 v  p v  + z 2 + 2  −  1 + z1 + 1  + ∆21 Fl = 0  2g   ρ g 2g   ρg

(1.4)

De druk p 2 aan de spuitmond komt overeen met de atmosferische druk. De snelheid v1 in het aansluitingspunt met de compressor is nul. De ladingsverliezen bestaan uit twee delen (vergelijkingen 1.5 en 1.6). Een eerste deel wordt gevormd door de wrijvingsverliezen F l1 in de leiding.

∆21 Fl1 = f

v2 L 2 gD

(1.5)

Hier is f de dimensieloze wrijvingscoëfficiënt van Darcy, v is de gemiddelde snelheid in de leiding en D is de diameter van de leiding. Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

14

Een tweede deel wordt gevormd door de lokale ladingsverliezen F l2.

Door een plotse

diametervermindering, zoals aan de sproeikop, ontstaat een insnoering van de stroombuis zoals getoond in figuur 1.5.

Een insnoering

van de stroombuis veroorzaakt bijna geen

Figuur 1.5: Insnoering aan de spuitkop [8]

ladingsverlies omdat de stroomdraden beter geleid worden, er minder rotatie is van de stroming en er minder werveling optreedt. Er treedt wel een snelheidspiek op.

De snelheid is 1/C c keer groter dan dat ze normaal zou zijn,

aangezien: Av = C te De verwijding van de stroombuis veroorzaakt wel een ladingsverlies. 2

 1  v2 ∆ F2 =  − 1  Cc  2g 2 1

(1.6)

In deze vergelijking is C c de contractiecoëfficiënt. Deze is enkel functie van de oppervlakte-verhouding

A2/A1

Cc

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

0,611 0,624 0,632 0,643 0,659 0,681 0,712 0,755 0,813 0,892 1,0

voor en na de diametervermindering (tabel 1.3). Uit vergelijking 1.4 volgt dat voor een denser straalmiddel en een lagere werkingsdruk, de snelheid aan de spuitkop kleiner wordt. Met

deze

snelheid

hoeveelheid vergelijking 1.3.

aan

energie

de

spuitkop

worden

kan

berekend

een via

Deze energie-inhoud Evoor wordt bij

Tabel

1.3:

Contractiecoëfficiënt

voor

plotse vernauwing [8]

botsing tegen de gevel omgezet in wrijvingswarmte ?Q en in energie Ena van het weerkaatste deeltje en van het deeltje dat van de gevel is afgekomen. (figuur 1.6)

De snelheid na de botsing wordt bepaald door de hoeveelheid

warmte die tijdens de botsing vrijkomt.

∆Q + ( E na − E voor ) = 0

(1.7)

Het verschil tussen de impuls vlak voor en vlak na de botsing geeft de krachtstoot weer die op de gevel wordt uitgeoefend. (vergelijking 1.1)


15

Uit formule 1.3 volgt dat als de snelheid of de massa van de deeltjes groot zijn, ze veel energie hebben, waardoor er veel warmte kan geproduceerd en een grote krachtstoot kan uitgeoefend worden op de geveloppervlakken. In

deze

gevallen

is

bij

gevelreiniging

voorzichtigheid geboden, vermits een te grote krachtstoot abrasief kan werken. Figuur 1.6: Botsing deeltje-gevel

Gevelreinigingstechnieken zijn onder te verdelen in vier grote groepen: reinigen met water, mechanisch reinigen, chemisch reinigen en speciale technieken.

In onderstaande beschrijvingen worden werkdrukken steeds uitgedrukt in MPa, waarbij 1 MPa = 1N/mm² = 10 bar. [8] [9]

1.3.2 REINIGEN

MET WATER

De technieken die alleen water gebruiken om gevels te reinigen, verschillen onderling vooral door de hoeveelheid, de temperatuur en de druk van het water. Langdurig water over de gevel laten afvloeien, is de meest eenvoudige methode. Herhaalde waterverstuiving onder lage druk leidt tot een vergelijkbaar resultaat met een geringer water verbruik.

De doeltreffendheid van het reinigen met water kan verhoogd worden door gebruik te maken van verzadigde stoom. Om verzadigde stoom te krijgen, moeten temperatuur en druk zodanig zijn dat er net geen vloeibaar water meer is.

Een hoog waterverbruik vergroot de kans op

waterinsijpeling, op waterschade aan de binnenafwerking en op vorstschade aan materialen die met water doordrenkt zijn. [1] A.

Afvloeien van water

Bij het eenvoudig afvloeien van water wordt met een reeks sproeiers water verstoven op het materiaaloppervlak, zolang als nodig is om het vuil te weken en daarna weg te spoelen. Soms wordt deze reinigingsmethode gecombineerd met manueel afborstelen.

Nadele n van de methode: •

het reinigen duurt erg lang;


16

•

het waterverbruik is zeer groot;

•

de

gevels

nemen

veel

water

op,

met

als

mogelijke

gevolgen

vorstschade,

waterinsijpeling in het gebouw, vorming van moeilijk te verwijderen bruine vlekken, die kunnen ontstaan door uitloging van ijzerzouten en vorming van schimmels, algen en mossen. [1] B.

Herhaalde waterverstuiving onder lage druk (benevelen)

Een reeks sproeiers verstuiven een minimum aan water op het geveloppervlak. vloeit er nauwelijks water af. door rustpauzes.

Hierdoor

De verstuivingen zijn van korte duur en worden onderbroken

Op deze manier blijft het oppervlak voortdurend vochtig zonder dat het

materiaal door en door verzadigt.

Het vuil weekt los door gedeeltelijk op te lossen, waarna

het weggespoeld kan worden met een waterstraal met een maximale druk van 2 MPa.

De doeltreffendheid van de ingreep verhoogt als de losgeweekte vervuiling manueel weggenomen wordt met een spatel of met een harde, niet metalen borstel, of als warm water gebruikt wordt om het vuil af te spoelen.

Voordelen van de methode: •

het is een milieuvriendelijke methode;

•

het materiaaloppervlak wordt nauwelijks aantast;

•

de methode is ook geschikt voor het reinigen van kalksteen en materialen met een kalkbindmiddel waarop een gipskorst zit.

Nadelen van de methode: •

deze manier van reinigen verwijdert diep gelegen en sterk hechtend vuil niet;

•

bij overvloedig waterverbruik kunnen dezelfde nevenverschijnselen voorkomen als bij het afvloeien van water.

Deze techniek is aangewezen voor: •

het regelmatig onderhoud van geveloppervlakken;

•

historische gebouwen en monumenten waarvoor andere methoden niet in aanmerking komen omwille van het broze oppervlak;

•

niet-poreuze materialen met een glad oppervlak. [1]


17

C.

Verzadigde stoom

Bij deze techniek (figuur 1.7) wordt verzadigde stoom onder druk (0,2 - 0,6 MPa) op het geveloppervlak gespoten.

Deze methode is erg geschikt om niet te diep en niet te sterk

hechtend vuil te verwijderen.

Het patina van de materialen blijft behouden.

De reiniging

gebeurt in drie stappen. Eerst wordt het vuil geweekt door het gecondenseerde water dat van de gevel vloeit. Dit vervangt gedeeltelijk een voorafgaande waterverstuiving. Dan maakt de mechanische werking van de stoom het vuil los.

Hoe hoger de temperatuur (120 - 160°C),

hoe beter. Tenslotte voert het afstromende water, dat ontstaat als de stoom afkoelt, het vuil af.

De reiniging maakt gebruik van een handbediende stoomgenerator wordt.

slang, onder

die

door

druk

een

gevoed

Aan de spuitmond is de

temperatuur van het mengsel waterstoom begrepen tussen 120 en 160 °C.

De druk ligt tussen 0,2 en 0,6

MPa. Het is uiterst belangrijk dat de stoom aan

de

spuitmond

verzadigd

is.

Daardoor zal bij contact met het

Figuur 1.7: Reinigen met stoom [10]

koude geveloppervlak water afstromen. Dat water voert het vuil af dat de stoomstraal heeft losgemaakt en bevochtigt de lager gelegen geveldelen.

Reinigen met droge stoom

(oververhitte stoom) kan ervoor zorgen dat het vuil zich nog sterker zal hechten aan het materiaal.


deze methode is effectiever dan benevelen en behandeling met water;

•

het waterverbruik is beperkt;

•

het patina van het materiaal blijft behouden;

•

het geveloppervlak wordt in principe niet aangetast;

•

er treedt geen stofvorming op.


18


er is een kans op beschadiging van gevels met fijn bewerkte, oude materialen.

De

vrijkomende warmte kan thermische spanningen en scheurvorming veroorzaken; •

diep en sterk hechtend vuil wordt niet verwijderd.

Deze techniek is aangewezen voor: •

het reinigen van compacte natuursteen

en

weinig

poreuze

materialen,

zoals

architectonisch beton; •

de methode is vooral aangewezen voor regelmatig onderhoud van gevels.

Ondanks de goede resultaten van gevelreiniging met natte verzadigde stoom, wordt deze methode nog maar zelden gebruikt.

Ze wordt steeds meer en meer vervangen door “het

reinigen met (warm) water onder hoge druk”. [1] D.

Water onder hoge druk

Bij deze techniek (figuur 1.8) wordt het vuil vooraf bevochtigd daarop

en

geweekt,

verwijderd

met

en

bijna

een

koude

onmiddellijk of

warme

waterstraal onder hoge druk, 3 tot 10 MPa. Deze methode is zeer geschikt voor het reinigen van harde materialen, maar is niet toepasbaar voor het reinigen van zachte en verweerde materialen.

Figuur 1.8: Reiniging met water onder hoge druk [11]

Naargelang de aard en de staat van de gevelmaterialen moet de werkdruk aangepast worden, zodat het vuil losgemaakt wordt zonder de ondergrond te beschadigen.

Het is mogelijk dat

brosse of niet-hechtende voegen zeer snel weggespoeld worden door de mechanische werking van de waterstraal. De druk zou 10 MPa niet mogen overschrijden en de maximale temperatuur is 80 tot 90 °C. Daarnaast speelt ook de werkafstand een belangrijke rol, evenals de juiste keuze van de spuitmond.


19


de methode is milieuvriendelijk;

•

er wordt geen stof gevormd.


zeer snelle aantasting van brosse of niet-hechtende voegen;

•

overvloedig waterverbruik.

Deze techniek is uitermate geschikt voor: •

het reinigen van harde en compacte materialen;

•

het geregeld onderhoud van gehydrofobeerde gevels. De methode is eenvoudig en het hydrofobe karakter van de materialen vermindert niet noemenswaardig. [1]

E.

Onderlinge vergelijking

Onderstaande tabel 1.4 geeft de verschillende reinigingstechnieken weer die enkel gebruik maken van water. Reinigingstechniek

Werkingsdruk

Herhaalde waterverstuiving onder lage druk (benevelen)

2

Verzadigde stoom

0,2 -0,6

Water onder hoge druk

3-10

Toepassingsgebied historische gebouwen en monumenten waarvoor andere methoden niet in aanmerking komen omwille van het broze oppervlak niet-poreuze materialen met een glad oppervlak compacte natuursteen en weinig poreuze materialen harde materialen, niet voor zachte en verweerde materialen

Tabel 1.4: Reinigingstechnieken die enkel gebruik maken van water [1]

De werkingsdruk bij water onder hoge druk is de hoogste van de drie technieken.

In

paragraaf 1.3.1 werd gevonden dat een hoge werkingsdruk een grote snelheid van de waterdeeltjes met zich meebrengt. energie en een grote impuls.

Deze snelheid geeft de deeltjes een grote hoeveelheid

Hierdoor zal er een grote stootkracht op de gevel uitgeoefend

worden wat verklaart dat reinigen onder hoge druk enkel bruikbaar is voor harde materialen omdat zachte materialen beschadigd worden. De werkingsdruk van de techniek die gebruikt maakt van verzadigde stoom heeft minder druk nodig om toch eenzelfde uitstromingssnelheid van de stoom te verkrijgen als het water bij de lage druk methode omdat de massadichtheid van stoom heel wat kleiner is dan die van water.


20

1.3.3 MECHANISCH

REINIGEN

Mechanisch reinigen kan op verschillende manieren gebeuren, maar afborstelen is wellicht de meest elementaire vorm. Afschuren kan nog nauwelijks reinigen genoemd worden. Schaven en slijpen horen eerder thuis bij de technieken om gevels te herstellen, aangezien per definitie de oppervlaktehuid van het gevelmateriaal weggenomen wordt.

Het meest verspreid en

gekend zijn de straaltechnieken. [1] A. Met

Afborstelen een

harde

niet-metalen borstel, hondsgras of nylon, wordt het gevelmateriaal

afgeborsteld. Het reliëf van de gevel bepaalt de grootte van de borstel.

Deze methode alleen volstaat meestal niet om een gevel behoorlijk te reinigen.

Ze is wel

geschikt voor gekalkte of geschilderde gevels waarvan de eindlaag behouden blijft en opgefrist wordt door een nieuwe laag kalk of verf. [1] B.

Afschuren, schaven of slijpen

Met een schaaf of een slijpsteen wordt een laag materiaal van de beschadigde of verweerde delen weggenomen. weggenomen.

Zo wordt een nieuw uitzicht aan gegeven of worden oneffenheden

Behalve in uitzonderingsgevallen moeten dergelijke bewerkingen zoveel

mogelijk vermeden worden voor waardevolle gevels of beschermde monumenten.

Omdat de methode met heel wat hinder gepaard gaat, wordt deze techniek vooral toegepast in de werkplaats. Het is bovendien moeilijk om met de hand een voldoende effen oppervlak op een grote gevel te verkrijgen. [1] C.

Straaltechnieken met perslucht

Een straalmiddel wordt met perslucht op het materiaal gespoten. Naargelang er al dan niet water wordt toegevoegd, wordt een onderscheid gemaakt tussen hydropneumatische en droge straaltechnieken Voor alle straaltechnieken geldt dat het resultaat van een gevelreiniging op de eerste plaats bepaald wordt door het vakmanschap van de uitvoerder en een juiste keuze van de volgende uitvoeringsparameters (afhankelijk van de aard en toestand van de te reinigen materialen): Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

21

•

het straalmiddel;

•

de persluchtdruk;

•

de werkafstand;

•

het straalmiddelverbruik;

•

de geometrie en de openingsdiameter van de straalmond.

De belangrijkste uitvoeringsparameters zijn het straalmiddel en de persluchtdruk. Hierna wordt uitvoeriger ingegaan op deze uitvoeringsparameters.

Straalmiddel •

De aard van het straalmiddel: sommige straalmiddelen kunnen vrije kwarts vrijgeven (vb. kwartshoudend zand), terwijl andere straalmiddelen er haast geen bevatten (vb. gebroken glas).

Inademen ervan kan leiden tot stoflong.

Bij sommige technieken

kunnen wateroplosbare granulaten gebruikt worden zodat ze niet onder vaste vorm geëvacueerd moeten worden.

Omdat evenwel oplosbare zouten in de gevelmaterialen

gebracht worden, worden dergelijke straalmiddelen afgeraden voor het reinigen van poreuze materialen. •

De vorm van het straalmiddel: de doeltreffendheid van hoekige straalmiddelen is groter dan die van ronde granulaten. Hoekige korrels schuren immers de gevel, terwijl ronde korrels het oppervlak van het gevelmateriaal eerder verbrijzelen.

Daarom

worden hoekige middelen verkozen. •

De hardheid van het straalmiddel: om doeltreffend te reinigen, moet de hardheid van het straalmiddel groter zijn dan die van het materiaal dat moet verwijderd worden. Anderzijds verhoogt het schurend effect en dus ook het gevaar op aantasting.

•

De korrelgrootte beïnvloedt zeer sterk de inslag van het straalmiddel: in de berekeningsformules van de inslag en de kinetische energie komt de korreldiameter in de derde macht voor zoals eerder al werd aangegeven in paragraaf 1.3.1. Vaak ligt de korreldiameter tussen 100 µm en 300 µm. Naarmate de materialen meer verweerd of zachter zijn, kan beter een kleinere korreldiameter gekozen worden.

Er

zal altijd gekozen worden voor een straalmiddel met een maximum aan korrels van de gewenste grootte.

Dit is omdat kleine deeltjes teveel stof geven en omdat grove

korrels teveel schade veroorzaken bij het inslaan.


22

•

De

volumieke

massa

van

het

straalmiddel

komt

eveneens

voor

in

de

berekeningsformules van de kinetische energie en de inslag van de korrels. Hoe groter ?, hoe groter de massa en hoe groter dus de energie en impuls zijn. Wat op zijn beurt een grote stoot op de gevel veroorzaakt. •

De kleur van het straalmiddel: in bepaalde gevallen kan de kleur van het straalmiddel een ongunstig effect hebben op het resultaat van de reiniging als het straalmiddel in de gevel dringt in plaats van te weerkaatsen of als het straalmiddel verpulvert. De kleur is des te belangrijker naarmate de ondergrond een meer open oppervlaktetextuur heeft.

De meest gebruikte straalmiddelen en hun eigenschappen zijn weergegeven in tabel 1.5. Hardheid Volumieke (Mohs) massa (kg/m³) 6,5 - 7,5 2650 6,5 - 7,5 2650

Straalmiddel

Aard

Vorm

Molzand Maastrichtzand

kwartshoudend zand (SiO2) kwartshoudend zand (SiO2) ijzer- en magnesiumorthosilikaat

korrelig korrelig korrelig

6,5 - 7

3400

groen

Glasparels

alkali- en aardalkalisilikaten

sferisch

5,5

2450 - 2550

Gebroken glas

alkali- en aardalkalisilikaten

hoekig

6 - 6,5

2450 - 2550

doorschijnend doorschijnend groen, bruin

Slakken

silikaten en oxiden

korrelig tot hoekig

6-7

1500 - 3500

grijs, beige

Basalt Aluminium Oplosbare granulaten Vegetale granulaten

veldspaat, pyroxeen en olivien aliminiumoxide

korrelig korrelig

6-7 9

2600 - 3300 3900

grijs wit, grijs

vb. natriumwaterstofcarbonaat

korrelig

-

2200

wit

vb. nootschelpen, zaagmeel

onregelmatig

1

1300 - 1400

bruin, beige

Olivienzand

Kleur beige beige

Tabel 1.5: De meest gebruikte straalmiddelen met hun eigenschappen [1]

Persluchtdruk De werkdruk is afhankelijk van de techniek, het gebruikte straalmiddel en de ondergrond. Uit ervaring is het volgende gebleken: •

voor “gewone” straalmiddelen (100 µm tot 300 µm): er kan doeltreffend gewerkt worden vanaf 0,2 MPa tot 0,3 MPa.

Lagere werkdrukken geven meestal een

onvoldoende resultaat. Iets hogere werkdrukken (0,3 tot 0,5 MPa) maken het mogelijk het rendement te verhogen, maar vergroten tegelijk het gevaar dat de ondergrond beschadigd wordt.

In de meeste gevallen zijn persluchtdrukken boven 0,5 MPa niet

verantwoord voor gevelreiniging; Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

23

•

voor “zeer fijne” straalmiddelen (<100 µm): naarmate het straalmiddel fijner is, kan de werkdruk verhoogd worden.

Zo wordt een voldoende schurende werking behouden

bij een praktische straalafstand. De persluchtdebieten variëren van 1,5 tot 6 m³/minuut.

Werkafstand De afstand tussen straalmond en geveloppervlak varieert tussen 0,3 en 0,8 meter.

De

straalmond wordt schuin gehouden ten opzichte van het geveloppervlak, tenzij anders voorgeschreven is.

Er wordt met vloeiende horizontale of verticale beweging gewerkt.

De

schurende werking van de granulaatstraal wordt voor een gegeven bouwplaats meestal afgesteld afhankelijk van het beoogde resultaat, rekening houdend met de eigenschappen van het oppervlak. Plaatselijk kan het schurende effect dan aangepast worden door de straalhoek of straalafstand te wijzigen. Straalmiddelverbruik Naargelang de aard en toestand van het gevelmateriaal, de korrelgrootte en werkdruk van het straalmiddel wordt het straalmiddelverbruik ingesteld.

Dit ligt meestal tussen 3 en 6 kg/m².

[1] [12] [13]

Hydropneumatische straaltechnieken Op dit moment worden hydropneumatische straaltechnieken het meest toegepast. Er wordt tegelijk perslucht, straalmiddel en water gebruikt.

Hierbij wordt er net voldoende water gestraald om het straalmiddel en het vuil te binden en zo stofhinder tijdens de uitvoering te beperken. straalmiddel fijner wordt. 250 liter/uur.

Het waterverbruik stijgt naarmate het

Het waterverbruik ligt, afhankelijk van de techniek, tussen de 5 en

Het gebruik van water verandert weinig aan het rendement, dit hangt immers

vooral af van de korrelgrootteverdeling van het straalmiddel en van de gebruikte persluchtdruk. Na het stralen moet het oppervlak nog onder lage druk nagespoeld worden om de laatste resten van het straalmiddel en vuil te verwijderen. Soms kan beter het water eerst verstoven worden om het vuil los te weken, vóór het schurende straalmiddel gebruikt wordt. Hydropneumatische straaltechnieken worden onder verschillende handelsnamen aangeboden. Deze handelsnamen zijn vaak rechtstreeks gekoppeld aan het gebruik van specifieke Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

24

apparatuur.

Afhankelijk van de straalapparatuur worden perslucht, straalmiddel en water op

een andere plaats of op een andere manier met elkaar vermengd. Bij het meest verspreide apparaat zijn er twee afzonderlijke toevoerslangen en twee evenwijdige straalmonden. Door ene kop wordt water gespoten, de andere dient voor het straalmiddel dat door perslucht wordt meegevoerd. Daarnaast bestaan er ook apparaten met twee toevoerslangen en één gemeenschappelijk straalmond. Het water wordt aan het straalmiddel toegevoegd voor de straalmond of in de straalopening zelf. In het laatste geval is de toevoeropening van het water en het straalmiddel zo ingesteld dat er in de straalkop een wervelbeweging ontstaat, waardoor een wisselende stralingshoek bekomen wordt op de ondergrond. Bij apparaten met slechts één toevoerslang wordt het straalmiddel in een ketel met water vermengd.

Dit mengsel wordt dan door middel van perslucht door de straalkop gespoten,

waarbij het water als een microfijne nevel de stofdeeltjes bindt en beschuttend omhult. Wanneer deze techniek toegepast wordt, moet wel opgelet worden dat de toevoerslang niet verstopt bij de koppeling aan de straalketel. Aangezien het water reeds in de straalketel wordt toegevoegd, bestaat immers de kans dat het straalmiddel een te viskeuze brij vormt. Het water, het straalmiddel en de perslucht kunnen ook door drie afzonderlijke leidingen naar de straalmond gevoerd worden.


de reiniging is het resultaat van een schurende werking, daarom kan in principe alle vuil weggenomen worden;

•

door de uitvoering te verzorgen en de parameters juist te kiezen, kan een goede reiniging bekomen worden zonder het materiaaloppervlak of het patina merkelijk aan te tasten;

•

er wordt geen stof gevormd omdat het vuil en het straalmiddel door water gebonden worden.

Nadelen van de methode •

op heterogene materialen of gevels uit verschillende materialen kunnen de zachtere delen sterker aangetast worden;

•

doordat de gevel vochtig wordt, is het soms moeilijk te zien of de gevel donker is omwille van het gebruikte water of omwille van het vuil dat nog niet verwijderd is;


25

•

straalmiddel, vuil en water vormen een modderige massa die nadien moet afgevoerd worden;

•

de methode is niet geschikt voor gladde of gepolijste oppervlakken. [1]

Droge straaltechnieken Bij droogstralen wordt een straalmiddel met perslucht gespoten.

Een ketel waarin het

straalmiddel zich bevindt, wordt onder druk gehouden door een luchtcompressor.

Via een

regelklep aan de onderzijde van de ketel stroomt de lucht naar het spuitstuk. Bij die regelklep neemt de langsstromende lucht het straalmiddel mee.

De met grote snelheid uitstromende

lucht slingert het straalmiddel, meestal grit, met een grote kracht tegen het te reinigen oppervlak. De kracht en de hoeveelheid straalmiddel is regelbaar door het aanpassen van de luchtdruk. Deze varieert doorgaans van 0,4 tot 0,7 MPa. Er kan een wisselende straalhoek met de ondergrond bekomen worden door een straalmond te gebruiken die voorzien is van een reeks multidirectionele roterende microstraalopeningen.

Er wordt naar gestreefd om zeer fijne straalmiddelen te gebruiken, meestal kleiner dan 150 µm of zelfs 100 µm.

Diameters groter dan 200 µm zouden alleen toegepast mogen worden

om ruwe en zeer harde materialen, zoals blauwe kalksteen, te reinigen of om verf- en kalklagen te verwijderen van compact metselwerk.

Er moeten bijzondere veiligheidsmaatregelen, opgelegd in het Algemeen Reglement op de Arbeidsbescherming (ARAB), in acht genomen worden wanneer deze techniek gebruikt wordt.

Dit is vooral bij straalmiddelen die meer dan een bepaald percentage vrij silicium

bevatten (silicose gevaar of stoflongen) nodig.

Bij gebruik van straalmiddelen die minder dan

1% vrij silicium bevatten, dient de aandacht er evenwel op gevestigd te worden dat het silicose-gevaar blijft bestaan als gevelmaterialen die zelf kwarts bevatten zoals mortelvoegen en beton, gestraald worden. Om de stofoverlast te beperken, wordt normaal gebruik gemaakt van gesloten systemen, waarbij bijvoorbeeld gestraald wordt onder een kap die over het te reinigen oppervlak verschoven wordt. Stof en verbruikt straalmiddel worden via de kap afgezogen en van elkaar gescheiden, waarna het straalmiddel gedeeltelijk opnieuw gebruikt kan worden.


26


omdat de reiniging het resultaat is van een schurende werking, kan in principe alle vuil weggenomen worden;

•

als de inslag van het materiaal klein is, wordt het gevelmateriaal vrijwel niet beschadigd en kan het patina van de materialen bewaard blijven;

•

droge straaltechnieken kunnen toegepast worden waar geen water kan of mag gebruikt worden;

•

de uitvoerder ziet het gereinigde oppervlak in zijn definitieve staat (geen donkere vochtige zones) waardoor een goede controle van het resultaat tijdens de uitvoering mogelijk is.


deze techniek is niet geschikt voor gladde of gepolijste materialen;

•

op heterogene materialen of gevels met verschillende materialen kunnen zachtere delen meer bescha digd worden;

•

een verkeerde keuze van straalmiddel en de werkdruk kan ernstige schade veroorzaken aan het geveloppervlak;

•

als het gebruikte straalmiddel of de ondergrond siliciumdioxide bevat, brengt het inademen van het vrijgekomen stof een ernstig gevaar op ademhalingsproblemen en longziekten met zich mee;

•

zonder speciale voorzieningen (afzuiginstallatie) wordt bij droogstralen met een fijn straalmiddel, kleiner dan 150 µm, zeer veel stof gevormd, wat onaanvaardbaar is voor de omgeving. [1]

Gommen De techniek van het gevelgommen is gebaseerd op het projecteren van fijne poeders (15 tot 90 µm) met perslucht onder lage druk.

Water, chemicaliën of detergenten worden bij

deze methode niet toegevoegd aan de granulaten-lucht mix. Door hun kleine massa hebben de granulaten een beperkte kinetische energie en blijven ze in de lucht stroom aanwezig. De divergerende werking van de luchtstraal zorgt ervoor dat de


Figuur 1.9: Gommen [14]

27

poederdeeltjes (figuur1.9).

over

het

oppervlak

glijden

Door de wrijving vermindert de

vervuiling tot een punt waar het gevelmateriaal helemaal is vrijgemaakt.

Het proces vraagt getrainde werkmensen met scherpe oog hand coördinatie. Figuur 1.10: Niet gereinigd en gereinigd deel

reiniging te bekomen, moet de spuitkop op een afstand van ongeveer 25 cm van het oppervlak

[14]

gehouden worden. gebruik

Om gelijkmatige

te

De spuit wordt op ooghoogte gehouden loodrecht op de gevel.

maken

van

gelijkmatige

voor-

Door

en

achterwaartse bewegingen van de spuitkop kan het vuil verwijderd worden en kan een egaal oppervlak zonder beschadigingen bekomen worden (figuur 1.10).

Het hele procédé gebeurt in een cabine die in onderdruk staat.

Op deze manier wordt het stof

afgezogen naar een container en is er geen stofhinder

Figuur 1.11: Toepassing van gommen [14]

naar de omgeving toe (figuur 1.11). [14] D.

Nat stralen

Bij nat stralen wordt een mengsel van straalmiddel en water op de gevel gespoten of verstoven zonder perslucht te gebruiken. hogedrukreiniger meegevoerd.

Het straalmiddel wordt door water van de

Deze straalsystemen werken meestal met een verhouding

straalmiddel/water van 80/20. Voordeel van de methode: •

de methode heeft wel lage afschermkosten door de lage stofontwikkeling.


nat stralen kan onder zeer hoge druk gebeuren, soms beduidend hoger dan 5 MPa, wat vaak ernstige schade veroorzaakt door de diepe inslag van het straalmiddel op het gevelmateriaal;


28

•

bovendien moet de uitvoerder vaak in het blinde reinigen. De modderstraal belet hem om tijdens de uitvoering het resultaat van zijn werk te zien. [1]

E.

Onderlinge vergelijking

Tabel 1.6 geeft de mechanische straaltechnieken weer samen met hun meest gebruikte werkingsdrukken. Werkingsdruk 0,4 - 0,7 0,4 - 0,7 5

Reinigingstechniek Hydropneumatische straaltechnieken Droge straaltechnieken Nat stralen

Reinigingsmiddelen perslucht, straalmiddel en water perslucht en straalmiddel straalmiddel en water

Tabel 1.6: Mechanische straaltechnieken [1]

Het verschil tussen hydropneumatische en droge straaltechnieken ligt vooral in het feit dat de ene water gebruikt en de andere niet.

Het gebruik van water verandert weinig aan het

rendement, dit hangt immers vooral af van de korrelverdeling van het straalmiddel en van de gebruikte persluchtdruk. Het water zorgt ervoor dat er geen stofontwikkeling is door zich met het straalmiddel en het vuil te binden.

De gebruikte druk bij natstralen komt overeen met de druk bij reinigen onder hoge druk en is veel hoger dan de twee andere mechanische straaltechnieken.

Dit komt omdat bij natstralen

water

hydropneumatische

en

straalmiddel

door

de

leiding

moet

en

bij

en

droge

straaltechnieken naast het straalmiddel er ook lucht bij zit (al dan niet met een beetje water). De dichtheid van water-straalmiddelmengsel is groter dan de dichtheid van straalmiddelluchtmengsel. Dit zorgt ervoor dat een grotere druk nodig is om dezelfde uitstroomsnelheid te bekomen.

Van veel groter belang is de grootte van de deeltjes die gebruikt worden als straalmiddel. Bij gebruik van deeltjes tussen 100 µm en 300 µm is een werkingsdruk groter dan 0,5 MPa niet gewenst voor gevelreiniging.

Als de deeltjes kleiner zijn (wat voor eenzelfde dichtheid een

kleinere massa geeft), is een grotere werkingsdruk mogelijk zolang de stootkracht op de gevel niet te groot wordt (zie paragraaf 1.3.1).

1.3.4 CHEMISCH

REINIGEN

Scheikundige producten worden gebruikt om door een fysisch-chemische reactie aan het materiaaloppervlak gemakkelijker het vuil te verwijderen. Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

Het oppervlak wordt vooraf 29

bevochtigd, van onder naar boven om te vermijden dat het vuile water in de poriën van het droge gevelmateriaal dringt. met een zachte borstel.

Vervolgens wordt het product aangebracht.

Meestal gebeurt dit

De reactietijd varieert meestal van vijf tot dertig minuten.

Nadien

wordt het oppervlak afgespoeld met water onder druk of met stoom, om het vuil en de chemische producten los te maken. De waterdruk hangt af van de aard en het reliëf van het oppervlak en loopt soms op tot 8 MPa. Deze techniek moet door gespecialiseerde uitvoerders toegepast worden vanwege de behandeling van het spoelwater conform de heersende wetgeving en vanwege de veiligheidsmaatregelen bij het gebruik van de chemische producten.

Bij

deze

techniek

nevenverschijnselen.

moet

echter

wel

rekening

gehouden

worden

met

enkele

Het reinigingsproduct kan immers oplosbare zouten bevatten of door

een reactie met het materiaal dergelijke zouten vormen, welke dan naar het oppervlak kunnen migreren en daar ongewenste uitbloeiingen vormen.

Het grootste probleem met chemische

reinigingsmiddelen is vermijden dat ze in het materiaal indringen.

Om alle oplosbare zouten

te verwijderen, volstaat het niet om met water na te spoelen.

Daarvoor kunnen vochtige

pasta’s gebruikt worden die de zouten absorberen. Wanneer de pasta dan opgedroogd is, kan hij mechanisch verwijderd worden. Deze bewerking moet een aantal keer herhaald worden.

Soms wordt er na de chemische reiniging een neutralisatie van de reagentia door afspoelen toegepast.

Deze nabewerking is altijd gevaarlijk en bijna steeds nutteloos, en brengt veel

oplosbare zouten in het materiaal. Welke reinigingsmethode ook toegepast wordt, het is aangewezen een proef uit te voeren op een beperkt deel van het geveloppervlak dat uit het zicht ligt vóór het begin van de werkzaamheden. zelfs noodzakelijk.

Wanneer een chemische reiniging gebruikt wordt, is een dergelijke proef Deze proeven worden dan best enkele weken voor de definitieve keuze

van de methode uitgevoerd.

Voordeel van de methode: •

wanneer een scheikundig product met overleg gekozen en gebruikt wordt, kan het vuil zonder merkbare beschadigingen van het oppervlak verwijderd worden.


30


de juiste samenstelling van de commerciële scheikundige producten zijn zelden gekend omwille van het fabrieksgeheim;

•

sommige producten houden gevaren in bij het gebruik.

Die gevaren zijn niet altijd

onmiddellijk duidelijk; •

het vervuilingsgevaar is groot, vooral wanneer de producten rechtstreeks in de riool geloosd worden, maar ook bij de opvang van de scheikundige producten is voorzichtigheid nodig;

•

indien onvoldoende nagespoeld wordt, kunnen er zoutuitbloeiingen optreden.

De belangrijkste producten die voor gevelreiniging van toepassing zijn, zijn de basische en zure reinigingsmiddelen. te

verwijderen.

Soms worden speciale reagentia gebruikt om specifieke vervuiling

Organische

oplosmiddelen

behoren

eveneens

tot

de

mogelijkheden.

Oppervlakteactieve stoffen zorgen ervoor dat er een beter contact ontstaat tussen de vloeistof en het vuil op de gevel. Ze kunnen ook nuttig zijn om een afzetting van vetten te verwijderen. Hierna wordt verder ingegaan op elk van deze reinigingsproducten. [1] A.

Zure reinigingsproducten

Zuren en zure zouten reinigen door de ondergrond aan te tasten. Naarmate de reactie meer CO2 produceert (= meer bruisen), maakt zij het vuil beter los. De meest gebruikte producten zijn

waterstoffluoride

(HF),

amoniumwaterstoffluoride

(NH 4HF2),

waterstofchloride

of

zoutzuur (HCl), waterstofsulfaat of zwavelzuur (H2SO4) en waterstoffosfaat of fosforzuur (H 3PO4).

Het reinigingsmiddel op basis van HF komt in twee vormen voor: vloeibaar of pastavorm. Vloeibare HF wordt met behulp van borstels of spuitapparatuur van beneden naar boven op de gevel gebracht om te beletten dat opgelost vuil in de poriën van droog materiaal dringt. Om opzuigen van het reinigingsmiddel af te zwakken, wordt de ondergrond vaak vooraf nat gemaakt met water. Om te voorkomen dat bij gebruik van fluorwaterstofpasta het resultaat vlekkerig wordt, moet er voor gezorgd worden dat de pasta voldoende gelijkmatig inwerkt. Dit bereikt men door het oppervlak enige tijd na het opbrengen opnieuw te borstelen.


31

Na een inwerktijd, die afhankelijk van de concentratie van het zuur bij vloeistoffen enkele minuten en bij pasta’s twintig tot dertig minuten bedraagt, wordt de gevel schoongespoten. Met het reinigingsmiddel verdwijnt ook het vuil.

Het afspuiten moet zorgvuldig en met veel

water gebeuren, zodat de hoeveelheden achtergebleven zuur minimaal zijn. Met verbeterde zure middelen op basis van NH4HF2 zijn in de loop van de tijd een aantal gebouwen van architectonisch beton succesvol gereinigd.

HF en NH4HF2 vormen

onoplosbare zouten op kalksteen die niet gevaarlijk zijn.

Daarom zijn ze ook geschikt om

kalksteen

(vb.

te

reinigen.

Siliciumhoudende

materialen

zandsteen

stollingsgesteenten) worden door deze producten wel aangetast.

,

baksteen

en

Bij donkerder gekleurde

materialen, waartoe ook baksteen en gekleurd beton gerekend moeten worden, treedt er soms een witte aanslag op, die weinig sierlijk en moeilijk te verwijderen is. Deze zure reinigingsmiddelen tasten eveneens het glas en het schrijnwerk aan.

In

geconcentreerde vorm is waterstoffluoride zeer giftig en gevaarlijk. Omdat de reinigende werking van HCl gering is, wordt al gauw gekozen voor relatief hoge concentraties.

Uit onderzoek en door praktijkervaring is vastgesteld dat er reeds bij het

gebruik van matig sterke oplossingen van zoutzuur een grote kans bestaat op het indringen van chloriden in het gevelmateriaal. Het al dan niet nat maken van de gevel is daarbij niet van invloed.

Een gevel met chloriden trekt meer vocht aan. Vocht en chloriden zijn samen

verantwoordelijk voor het snel corroderen van aanwezige ijzerproducten die in de gevel verwerkt zijn. Vaak worden de nadelige gevolgen pas na langere tijd zichtbaar. Bovendien is HCl schadelijk voor de gezondheid en voor het milieu, terwijl riolen er ook door aangetast kunnen worden.

Daarom mag zoutzuur enkel gebruikt worden voor het verwijderen van

bijzondere (vb. kalkachtige) vlekken. De andere zuren worden zelden als hoofdbestanddeel van reinigingsmiddelen toegepast, maar wel vaak als toevoeging. [1] B.

Basische reinigingsproducten

Basische producten werken door verzeping van vetten en oliën.

Producten op basis van

natrium- (NaOH) of kaliumhydroxide (KOH) worden het meeste gebruikt.

Siliciumhoudende

gesteenten worden door deze middelen beschadigd, kalksteen daarentegen niet.

Er worden

zouten afgezet in poreuze materialen en in voegen, die door een trage en voortdurende Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

32

werking zeer destructief kunnen zijn. Voor deze materialen moet het gebruik van natrium- of kaliumhydroxide verboden worden.

Basische reinigingsproducten moeten altijd in pastavorm aangebracht worden, vermengd met een absorberend poeder, zoals stijfsel, talk, bloem, klei, krijt en cellulose of vermengd met een tixotrope stof (vloeibaarheid stijgt naarmate er meer in geroerd wordt).

Deze pasta’s

worden van boven naar onder op het voorbevochtigde materiaal aangebracht.

Ze beperken

het indringen van de producten en absorberen bij het uitdrogen een gedeelte van de gevormde zouten.

Vooraleer met water na te spoelen, moeten de pasta’s zoveel mogelijk mechanisch

verwijderd worden. [1] C.

Organische oplosmiddelen

Deze producten worden enkel gebruikt om grafitti en specifieke vlekken zoals keukenolie, vet, smeerolie, stookolie en viltstift te verwijderen. [1] D.

Oppervlakteactieve stoffen

Oppervlakteactieve stoffen verschillen van aard: ze kunnen bevochtigend, schuimvormend, dispergerend

of

emulgerend

werken.

Tijdens

oppervlaktespanning van de waterige oplossingen.

de

reiniging

verminderen

zij

de

Op die manier wordt het contact met het

vuil verbeterd en worden sommige stoffen, zoals oliën en vetten, in emulsie gebracht.

Deze producten bestaan uit koolstofketens waarop een of meer hydrofiele groepen (vocht aantrekkend) geënt zijn. Naargelang de aard van de hydrofiele groep kunnen vier categorieën onderscheiden worden. •

kationische oppervlakteactieve stoffen hebben een positieve lading en zijn meestal afgeleid van amines.

Ze werken ontsmettend, maar worden gemakkelijk door de

ondergrond geabsorbeerd en zijn dus niet geschikt voor gevelreiniging. •

anionische oppervlakteactieve stoffen hebben een negatieve lading en komen het meeste voor. Omdat ze reageren met kalksteen hebben ze de neiging het vuil vast te zetten. Daarom moeten ze vermeden worden bij poreuze materialen en voegen.

•

amfotere oppervlakteactieve stoffen hebben zowel positieve als negatieve groepen.


33

•

niet-ionische oppervlakteactieve stoffen vertonen niet de nadelen van de drie vorige categorieën en zijn het minst gevaarlijk, maar ze kunnen moeilijk verwijderd worden. Ze zijn bovendien hygroscopisch, ze nemen de vochtigheid van de lucht op. [1]

1.3.5 SPECIALE A.

TECHNIEKEN

Droogijsstralen

CO2-pellets van enige mm³ worden bij zeer lage temperaturen (-80°C) op het vervuilde oppervlak geprojecteerd (figuur 1.12). een

straaltechniek

maar

mechanisch reinigen.

hoort

Deze techniek is

niet

thuis

bij

het

Ze heeft immers een drieledig

effect: er is een mechanisch effect door het inslaan van de pellets,

een

windeffect

door

de

bijna

onmiddellijke

verdamping van het CO2 en een zeer belangrijk thermisch effect aan het oppervlak. Figuur 1.12: Droogijsstralen [10]

Voordeel van de methode: •

doordat er geen ander afval is dan het verwijderd vuil en dus zo goed als geen stofvorming, is deze techniek zeer geschikt voor binnenhuistoepassingen.

Nadeel van de methode: •

er is een groot gevaar voor het afschilferen van het oppervlak van zachte steenmaterialen door de thermische schokken.

Op blauwe hardsteen of marmer

worden wel goede resultaten bekomen. [1] [15] [16] B.

Schuurpasta’s

Op de gevel wordt een speciale pasta op basis van klei aangebracht. Met behulp van een doek wordt het geveloppervlak met de hand geschrobd tot de pasta het vuil heeft losgemaakt en opgenomen. Daarna wordt het gereinigde materiaal met een vochtige doek of spons van alle loszittend vuil ontdaan. Zeer goede resultaten worden bekomen op gladde en weinig poreuze materialen.


34

De pasta is chemisch niet actief, maar wordt vooral als schuurmiddel gebruikt.

Omdat

schuren met de speciale kleipasta zeer arbeidsintensief is, wordt deze methode pas gebruikt wanneer andere methodes ontoereikend blijken te zijn. [1] [16] C.

Reinigingspasta’s

Op de ondergrond wordt een reinigingspasta op basis van natuurrubber aangebracht. De pasta is chemisch niet actief, maar vormt tijdens het drogen een film waarin roet, stof,… blijven kleven.

Wanneer de film gedroogd is, kan hij afgepeld worden (figuur 1.13). Zo wordt het

vuil mechanische weggenomen.

Deze

pasta

kan

gebruikt

worden voor het reinigen van onder andere natuursteen, gips en stucwerk. Het voordeel van deze methode is dat er geen ander

afval

gedroogde

is

film

dan

de

waarin

het

verwijderde vuil zit. wordt

geen

water

Ook hier gebruikt

zodat de methode zeer geschikt is voor binnentoepassingen. [1]

Figuur 1.13: Verwijderen van film [10]

[16] D.

Laserreiniging

Met behulp van een laserstraal wordt gedurende korte tijd een intense energiebundel op een kleine oppervlakte geprojecteerd.

De vervuilde laag absorbeert de energie van de invallende

straling, waardoor ze fel opwarmt.

Ofwel wordt de verdampingstemperatuur bereikt ofwel

breekt de chemische binding van het materiaal.

Een kleine hoeveelheid vuil verdampt,

waardoor er een plotse uitstoot is van materie in de vorm van damp. Deze verdampte deeltjes absorberen een deel van de invallende energie.

Op deze manier treedt er ionisatie van de

damp op en wordt er een plasma gevormd. De temperatuur en druk van het plasma stijgen snel door de absorptie van de invallende energie. samendrukking aan het oppervlak.

Hierdoor ontstaat een microscopische

Wanneer de laser stopt met stralen, zal het plasma


35

uitzetten (ontploffen) weg van het oppervlak.

Het oppervlak ontspant en een dunne laag van

materiaal wordt verwijderd. Deze verschillende stappen zijn weergegeven in figuur 1.14.

Figuur 1.14: Principe van laserreiniging [13]

Deze methode geeft betere resultaten naarmate de materialen een lichtere kleur hebben en de vervuiling donkerder is (figuur 1.15).

Lichte oppervlakken weerkaatsen grotendeels de

invallende laserstraal terwijl donkere oppervlakken ze

eerder

absorberen.

De

laser

kan

de

kleurenschakering van een materiaal met een diepe kleur

aantasten,

evenals

de

polijstlaag

van

sommige materialen, zoals bij witte marmer. De techniek wordt voorlopig enkel op waardevolle gebouwen toegepast omdat ze traag en dus duur is. Voordeel

is

echter

dat

een

grote

doeltreffendheid

Figuur 1.15: Laserreiniging [10]

gecombineerd

wordt

met

een

verwaarloosbare aantasting van de materialen en met een minimaal effect op het milieu. [13] [17]

1.3.6 ALGEMEEN

OVERZICHT

Op volgende bladzijde is een tabel (1.7) bijgevoegd waarin een idee gegeven wordt welke reinigingstechniek het best wordt toegepast bij een bepaalde ondergrond. [1]


36


37

1.4 AANTASTING Uit jarenlange ervaring blijkt dat het verval, de erosie en de aantasting van bouwmaterialen veroorzaakt worden door fysische, chemische en fysisch-chemische effecten.

Hierbij spelen

vooral de reacties van de agressoren uit het milieu, namelijk vorst-dooi, erosie, carbonatatie, gipsvorming,… een grote rol en dit meestal in een vochtige omgeving. De jongste tijd is echter het besef gegroeid dat er een complexe gemeenschap van organismen bestaat, die een essentiële rol speelt in het verweringsproces. Naast deze natuurlijke oorzaken kunnen gevels ook schade ondervinden door het slecht gebruik van reinigingstechnieken. [18] [19]

1.4.1 AANTASTING

DOOR REINIGEN

Zoals vroeger al aangegeven is, zal bij onoordeelkundig gebruik elke reinigingstechniek onomkeerbare schade veroorzaken.

Zo blijkt bijvoorbeeld droogijsstralen steenachtige

materialen vrij sterk aan te tasten.

Door zandstralen en reinigen met de hogedrukreiniger

kunnen de voegen aangetast worden door schurende werking en de impact van het granulaat of de waterstraal. Mechanische en chemische reiniging tonen soms een beperkte efficiëntie en veroorzaken verkleuringen en zware schade aan het materiaal.

Mechanische reiniging wordt toegepast op

het oppervlak met deeltjes die een dunne laag wegnemen, maar hierdoor worden dieperliggende bacteriën zoals endolithische bacteriën (endo = in; lithos = steen), die in de Dom van Keulen gevonden werden tot op diepten van 30 cm, niet verwijderd. Chemische reinigingsvloeistoffen zoals zuren en basen penetreren in het materiaal. leiden tot een afnemende concentratiegradiënt in de diepte.

Dit kan

Bacteriën beschermd door een

biofilm ondervinden hierdoor geen invloed van de lage concentratie toxische stoffen. gehele populatie zal dus niet gedood worden met deze methode.

De

Als er onvoldoende

nagespoeld wordt na reinigen met scheikundige producten, bestaat het gevaar dat zouten uitbloeien aan het materiaaloppervlak.

Deze zouten kunnen afkomstig zijn van het

reinigingsproduct zelf of van een reactie met de ondergrond. Het langdurig en continu afvloeien van water brengt heel wat nadelen met zich mee, zoals kans op waterinsijpeling, vorming van bruine vlekken door uitloging van ijzerzouten, Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

38

vorstschade en vorming van algen, schimmels of mossen.

Reinigen met water geeft een

tijdelijke verlichting van biologische infecties, maar op lange termijn leidt het tot een veel grotere microbiële verspreiding door de verhoogde vochtigheid.

Ook preventieve technieken kunnen tot onherstelbare schade leiden. Op gebouwen die twintig jaar geleden behandeld zijn voor consolidatie, reiniging en hydrofobering, vindt afsplijten van het oppervlak over grote delen plaats, overeenkomend met de penetratiediepte van de stoffen. Vaak is de schade aanzienlijker dan bij onbehandelde gevels.

Schade als gevolg van reiniging kan ook het gevolg zijn van het verwachtingspatroon van de opdrachtgever. Deze verwacht vaak dat een gevel na reiniging weer “als nieuw” oogt. De uitvoerende partij zal daardoor doorgaan met reinigen tot het laatste vuil is verdwenen.

Dit

kan worden voorkomen door vooraf een niveau van reiniging af te spreken. [12] [20] [21]

1.4.2 AANTASTING A.

DOOR NATUUR

Fysische verwering

Fysische verwering is de wijze waarop de materialen onder invloed van weer en wind of het milieu in de loop van de tijd zijn samenhang verliest, waarbij er geen veranderingen optreden in de chemische en mineralogische samenstelling.

Deze vorm van verwering manifesteert

zich in vergruizen, afbladeren, scheurvorming, enz.

Een overzicht van de verschillende

processen die onder de categorie fysische verwering vallen, is gegeven in tabel 1.8. Oorzaak Temperatuurswisseling, thermische schok, brand Vries-dooi-wisselingen Stilstaand water Stromend water Wind en zand Stromend ijs Corroderend metaal Vervuiling Drukontlasting

Mechanisme Vergruizen door volumetoename van materiaal zelf Volumetoename bij overgang water-ijs van 9%, afschilferen Oplossen van bindmiddel en/of aggregaat Erosie, afvoer van opgeloste stoffen Winderosie Gletsjererosie Volumetoename van ijzerroest (6 tot 8 maal het oorspronkelijk volume) Korstvorming door stof, roet, bitumineuze stoffen, uitwerpselen Ontstaan van trekspanningen

Tabel 1.8: Overzicht van fysische verweringsprocessen [22]


39

Bij fysische verwering speelt de porositeit van het materiaal een belangrijke rol.

De poriën

kunnen van nature in het materiaal aanwezig zijn, maar kunnen ook veroorzaakt zijn door een chemische voorverwering.

Dankzij de porositeit kunnen vreemde stoffen binnendringen, waarvan de belangrijkste water is.

De tijd speelt een belangrijke rol in dit proces: als de wisselingen van vochtgehalte en

temperatuur maar snel genoeg optreden en groot genoeg zijn, zal het verval sneller voortgang vinden.

Bij brandschade kunnen de temperatuursverschillen in korte tijd zo hoog oplopen (onder andere door de bluswerkzaamheden), dat een thermische schokbelasting optreedt die tot erge scheurvorming aanleiding kan geven.

Schade door vorst-dooi-wisselingen wordt veroorzaakt door de volumetoename bij de faseovergang water-ijs (9% in ongehinderde toestand).

Wanneer deze uitzetting in de poriën

verhinderd wordt, kunnen in het materiaal hoge trekspanningen optreden. De kans op schade en het schadebeeld worden beïnvloed door:

B.

•

de poriënverdeling en poriëngrootte;

•

de verzadigingsgraad;

•

het aantal, de snelheid en de grootte van de vorst-dooi-wisselingen. [22] Fysisch-chemische verwering

Onder fysisch-chemische verwering wordt verstaan: de wijze waarop gesteenten onder invloed van het milieu in de loop van de tijd hun samenhang verliezen, waarbij er chemische reacties plaatsgrijpen zonder dat de chemische samenstelling van het beton wijzigt. Stoffen die zich op het oppervlak van het materiaal hebben afgezet of erop zijn aangebracht en die bij wateropname gaan zwellen, kunnen het oppervlak beschadigen.

Wanneer er zich in de poriën oververzadigde oplossingen van bepaalde zouten bevinden, kan bij uitkristallisatie het volume van de gevormde kristallen plus dat van de resterende verzadigde oplossingen groter worden dan het oorspronkelijk aanwezige volume.

De drukken

die hierbij optreden, kunnen hoog oplopen, waardoor het beton gaat stukspringen. Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

40

Aanvankelijk

in

watervrije

toestand

uitgekristalliseerde hydraatvormende zouten of na

dehydratatie aangegroeide zouten kunnen kristalwater opnemen.

Hierbij vergroot het

oorspronkelijk volume sterk waardoor er een grote druk wordt opgebouwd en het beton stuk springt. [22]

Door carbonatatie van het beton daalt de alkaliniteit (pH-waarde) beneden de kritische waarde van 9. Beneden deze waarde wordt het beschermde patina of passivatielaag van de wapening afgebroken zodat roestvorming kan optreden. De carbonatatiediepte x (mm) in functie van de tijd (in jaren) wordt gegeven door de formule:

x= A t

(1.8)

De constante A hangt af van: •

de densiteit van het beton. Een poreuzer beton biedt minder weerstand aan de diffusie van CO 2. Vooral een open poriënstructuur is gunstig voor de diffusie;

•

een lage W/C-factor geeft een lage porositeit en een hoge densiteit;

•

de atmosfeer. De diffusieweerstand van CO2 is veel hoger in water dan in lucht (verhouding 10-4).

Dit betekent dat een beton dat rechtstreeks aan regen is

blootgesteld minder vlug zal carbonateren dan een beton dat afgeschermd is van de regen; •

de cementsoort.

Experimenten tonen een geringere carbonatatie bij hoogovencement

dan bij Portlandcement.

Volgens bovenstaande formule is de carbonatatiediepte onbeperkt in de tijd.

Toch werd al

eerder vastgesteld dat deze evolueert naar een asymptootwaarde. Het feit dat beton gecarbonateerd is, betekent nog niet dat het wapeningsstaal zal roesten. Hiervoor is nog nodig dat: •

de alkaliniteit voldoende laag is;

•

water aanwezig is, of een hoge relatieve vochtigheid;

•

zuurstof toegevoerd wordt.

Wanneer één van deze drie niet aanwezig is, treedt er geen corrosie op. [22] C.

Chemische verwering

Dit is de wijze waarop gesteenten onder invloed van het milieu in de loop van de tijd hun samenhang verliezen, waarbij er chemische reacties plaatsgrijpen. Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

Dit gaat meestal gepaard 41

met korstvorming. Ook voor dit verweringstype is een zekere porositeit vereist. Water speelt hier vooral de rol van transportmiddel, van medium waarin de reacties plaatsvinden en van oplosmiddel.

In de korsten is vrijwel steeds gips (CaSO 4) aanwezig.

De vereenvoudigde

reactievergelijking (1.9) luidt:

H 2 SO4 + CaCO3 ⇒ CaSO4 + H 2 O + CO2

(1.9)

Beton is een kunstmatig gesteente, waarin toeslagstoffen verkit zijn met cementsteen.

Deze

cementsteen bestaat overwegend uit een gel, gevormd door hydratatie van calciumsilicaten en calciumaluminaten.

De toeslagstoffen zijn relatief goed bestand tegen chemische aantasting,

maar de hoogalkalische cementgel is erg gevoelig aan alle organische en anorganische zuren. Bij inwerking van deze zuren wordt het kitmateriaal en dus ook het beton afgebroken. Wanneer de gevormde zouten een volumevergroting veroorzaken, zal het beton onder grote inwendige spanningen komen en stukspringen. De voornaamste invloeden van deze aard zijn: •

sulfaataantasting. Als zwavelhoudende gassen of oplossingen op het beton inwerken, zullen

de

zwavelionen

ettringietkristallen

met

het

tricalcium-aluminaat

(CaO)3Al2O3(CaSO 4)3.32H 2O

vormen.

(C3A

=

Daarbij

(CaO)3Al2O3) vergroot

het

volume met een factor 8 en spat het beton van binnenuit open; •

alkali-aantasting.

Als in de toeslagstoffen slecht gekristalleerd kiezelzuur (SiO2)

aanwezig is, kunnen bij sterk alkalische cementen alkali-silicaatgels gevormd worden. Bij wateropname gaan deze sterk zwellen, met als gevolg scheurvorming in het beton.

Zouten maken bovendien de materie meer hygroscopisch, waardoor het sneller verweert.

Chloorionen die voornamelijk afkomstig zijn van dooizouten (NaCl en CaCl2) reageren met de cementsteen onder vorming van complexe calciumchlorideverbindingen.

In extreme

gevallen en bij herhaalde toevoer van chloorionen kan dit leiden tot de uitloging van het bindmiddel of tot een splijtwerking door de kristallisatiedruk van de zouten die in de poriën gevormd worden, zoals bijvoorbeeld het Friedelzout, (CaO)3Al2O 3(CaCl2)3.30H2O. [22] D.

Biologische verwering

Biologische verwering is verwering veroorzaakt door al wat leeft en groeit. Zowel dieren als planten richten heel wat schade aan. Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

42

Bij schade veroorzaakt door dieren moet vooral gedacht worden aan plaatsen waar vogels zich verzamelen.

Daar bevindt

zich vaak een enorme hoeveelheid mest, die de gevel kan

aantasten. Duivenmest bevat onder meer 17,8 % fosforzuur en 3,3 % zwavelzuur.

Schade veroorzaakt door planten is vooral het gevolg van micro-organismen.

De kolonisatie

door deze planten is niet enkel lelijk, maar kan ook verantwoordelijk zijn voor de verwering van materialen.

Deze kolonisatie is een dynamisch gebeuren.

zich

oog

voor

het

onzichtbare bacteriën.

De eerste maanden nestelen

Geleidelijk wordt het gehele oppervlak

gekoloniseerd en komen groene en blauwe algen tot ontwikkeling.

Daarna beginnen zich

geleidelijk schimmels te ontwikkelen, die hun koolhydraten uit de algen halen.

Tenslotte

komen korstmossen tevoorschijn: dit zijn autonome planten, die in leven kunnen blijven met het water van het dragermateriaal of uit de lucht alsook met het koolzuurgas (CO2) uit de lucht. Korstmossen zijn het gevolg van een symbiose tussen een alg (die suiker levert) en een schimmel (die de vochtigheid in stand houdt). Mossen kunnen ook nog tot ontwikkeling komen.

Ze koloniseren de oppervlakken die reeds

door klimatologische of biologische invloeden zijn verweerd.

Hun groei wordt immers

bepaald door de aanwezigheid van een microbodem, die bijvoorbeeld aangetroffen wordt in barsten van rotsen.

De micro-organismen in beschadigde en verweerde gevels behoren tot verscheidene groepen, namelijk bacteriën, algen, schimmels, korstmossen en andere mossen. Korstmossen en andere mossen lijken vaak als eerste tevoorschijn te komen. worden ze voorafgegaan door voor het oog onzichtbare bacteriën.

Eigenlijk

De bacteriënmicroflora

installeert zich immers eerst, waarna de andere organismen geleidelijk groeien. Bacteriën Er bestaan verschillende groepen bacteriën die aan het oppervlak van de materialen inwerken: •

bacteriën

verbonden

ammoniakvormende ammoniak

die

aan bacteriën,

door

de

de

stikstofcyclus:

daarna

dit

zijn

salpetervormende

eerstgenoemde

wordt

in

bacteriën

geproduceerd)

eerste

instantie

(gebruiken en

de

vervolgens

stikstofvormende bacteriën; •

zwavelreducerende en zwaveloxiderende bacteriën, verbonden met de zwavelcyclus;

•

cyanobacteriën.


43

Bacteriën zijn eencellige organismen die kunnen voorkomen als levende cellen of als hittebestendige sporen. Hun grootte varieert van 0,5 tot 1,5 µm. Ze zijn ubiquist, dit betekent dat ze op elk dragermateriaal en op elke plaats kunnen voorkomen, zowel in steden als op het platteland.

Omwille van hun stofwisseling, waarbij ze zuur produceren, worden ze steeds in

verband gebracht met een lage pH. Bacteriën verbonden aan de stikstofcyclus zijn de Nitrosomonas en de Nitrobacter, die tot de vorming van salpeterzuur en nitraat leiden.

Het door de stofwisselingsproducten geleverde

zuur lost de kalkverbindingen op en leidt tot sterkteverlies en verwering van het materiaal. Dit proces houdt verband met de uitholling van de steen en de beschadiging van het dragermateriaal.

Bacteriën

verbonden

aan

de

zwavelcyclus

chemische reacties kunnen veroorzaken. kalksteenmaterialen.

produceren

diverse

sulfaatverbindingen

die

Deze zijn schadelijk voor de interne cohesie van

Sulfaatverbindingen kunnen afkomstig zijn van de samenstelling van de

materialen, van het opstijgend grondwater, maar ook van de activiteit van bacteriën. Zwavel dat in het materiaal of in de atmosfeer zit, kan na verscheidene fasen worden omgezet in

zwavelzuur

(H 2SO4) (vergelijking 1.11).

Die verzuring wordt veroorzaakt door

verschillende soorten bacteriën die in of het materiaal zitten. Desulfovibrio

(zwavelreducerende

bacteriën)

en

de

De voornaamste zijn de

Thiobacillus

(zwaveloxiderende

bacteriën).

(1.11)

Het aldus gevormde zwavelzuur leidt tot verschillende soorten verwering: •

het lost kalkdeeltjes op, wat tot cohesieverlies en verbrokkeling van het materiaal leidt;

•

sulfaten in het beton kunnen met de cementbestanddelen zoals C3A ettringiet of thaumasiet (CaO)2(SiO2)2(CaCO3)2(CaSO4)2.30H2O vormen, die tot sterke expansie kunnen leiden, met talrijke scheuren en een min of meer diepe ontbinding van het materiaal tot gevolg;


44

•

in een verder gevorderd stadium tast zwavelzuur de betonwapening aan en leidt tot corrosie.

Naast bacteriën uit zwavel- en stikstofcyclus zijn er ook andere bacteriën.

De grote

zwartachtige lopers op betonnen muren en balkons zijn grotendeels toe te schrijven aan de ontwikkeling

van

de

micro-organismen

(cyanobacteriën),

die

in

de

preferentiële

waterstromingen groeien.

Algen Algen vertegenwoordigen een reeks zeer uiteenlopende soorten eencellige of meercellige lagere planten van veranderlijke omvang (groter dan 0,5 µm). vochtige en natte plaatsen.

Ze zijn terug te vinden in

Er wordt onderscheid gemaakt tussen blauwe, groene, bruine en

rode algen. Bij de aantasting van materialen spelen vooral de groene en blauwe algen een rol. Algen die op gevels voorkomen, zijn meestal autotroof, dit betekent dat ze zelf het voedsel produceren dat ze nodig hebben.

Er bestaan meer dan 8000 soorten groene algen

(Chlamydomonas, Chlorella, Pleurococcus, Trentepholia, Volvox,…), maar ze komen niet allemaal op gevels voor.

Blauwe algen (cyanobacteriën) produceren een dik slijmachtige omhulsel.

Dat plantenslijm

(slijmerige stof die in wortels, bloemen en zaad van bepaalde planten kan voorkomen) is zeer hygroscopisch en houdt niet alleen water vast, maar ook talrijke minerale deeltjes.

Algengroei leidt in de eerste plaats tot esthetische problemen, omdat het kleurveranderingen veroorzaakt.

Sommige algen produceren ook oplosbare zouten of organische zuren die

reageren met het materiaal, de kalk oplossen en gips vormen, waardoor het materiaal een fysische verwering ondergaat.

Andere algen, die samen met schimmels voorkomen,

veranderen ijzer en mangaan tot een beschermde korst die de overleving van andere organismen in ongastvrije omstandigheden mogelijk maakt. Algen kunnen ook tot secundaire schade leiden: •

doordat ze voedingsstoffen leveren (glucose), bevorderen ze de symbiose met andere organismen en stimuleren andere biologische ontwikkelingen;

•

ze maken de materialen gevoeliger voor vorst- en dooicycli.


45

Schimmels Schimmels zijn heterotrofe organismen, met andere woorden ze hebben een koolstofbron nodig om zich te voeden. Schimmels bestaan uit eencellige organismen of uit groepen cellen. Ze zijn saprofytisch, wat wil zeggen dat ze van organisch afval leven. Sommige schimmels zijn zichtbaar met het oog, andere slechts met een microscoop. Ze tasten eveneens het dragermateriaal aan via enzymen om er voor hun groei de nodige stoffen uit te halen (een enzym is een splitsings- of ontledingsstof, die een bepaald scheikundig proces in het organisme veroorzaakt of bevordert, zonder zelf te veranderen). Ze hebben ook water nodig. De schimmels kunnen aëroob of anaëroob zijn, dat wil zeggen dat ze respectievelijk met of zonder zuurstof leven.

In het laatste geval spelen ze geen rol bij

gevels.

Schimmels planten zich voort via sporen of draadweefsels (mycelium).

In de stadslucht

worden 200 tot 20.000 sporen per kubieke meter gemeten met een grootte van 3 tot 10 µm en uitzonderlijk zelfs tot 100 µm. geproduceerd

en

omstandigheden.

die

een

Sporen zijn elementen die door latere organismen worden uitzaaiings-

of

een

weerstandsvorm

zijn

in

ongunstige

Het draadweefsel is het vegetatieve (ongeslachtelijke) deel van schimmels

en bestaat uit netvormige draden.

Buiten de verwering van het dragermateriaal door enzymen kunnen sommige schimmels ook zuren synthetiseren.

Het draadweefsel kan door zijn fysische werking de waterpenetratie in

het dragermateriaal bevorderen. Op gevels komen vaak de volgende soorten schimmels voor: •

Alternaria alternate;

•

Cladosporium Sphaerospermum;

•

Aspergillus niger.

Korstmossen Korstmossen zijn zichtbaar met het oog. symbiose tussen een alg en een schimmel.

Het gaat om een vereniging, of beter gezegd een In die vereniging voeden de schimmels zich met

stoffen die in de algen zitten en voeden korstmossen de algen met mineraalhoudend water. Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

46

Er bestaan korstmossen die op het oppervlak zitten en die geen mechanische schade toebrengen.

Deze kunnen met een biocide worden verwijderd. Omdat ze op de materialen

leven is de kans op verwering van het dragermateriaal eerder klein.

Aan de andere kant zijn er korstvormende korstmossen waarvan de zwamdraden (benaming voor elke microscopisch kleine draad waaruit de vegetatieve organen van een korstmos gevormd zijn) of de worteldraden (kleine draad die de rol van wortel speelt) in het dragermateriaal dringen.

Ze benutten de bestaande breuken of barsten of creëren er zelfs

nieuwe door de inwerking van het koolzuur uit hun stofwisseling of door deinwerking van het oxaalzuur (H 2C 2O4), geproduceerd door de korstmossen. De gecombineerde werking van die mechanismen leidt tot talrijke wijzigingen van het materiaaloppervlak: erosie, aantasting van de sterkte, uitholling, vorming van zwarte korsten,…

Al die verweringsprocessen verhogen

de ruwheid en bevorderen de aanhechting van organische stoffen. Mossen Op vochtige materialen bereiden mossen een substraat voor dat gunstig is voor de ontwikkeling van vaatplanten, vb. varens, die veel schadelijker zijn dan de mossen zelf. Mossen produceren weinig plantenslijm. Hun thallus (vegetatief orgaan van planten die geen bladeren, stengels of wortels hebben) is veel minder hechtend dan die van de korstmossen. Ze produceren stoffen die de beschadiging van het materiaal bevorderen. Mossen gedijen liefst op oppervlakken die reeds aangetast zijn door het klimaat of door biologische organismen.

De poriën van het dragermateriaal en kleine scheuren vormen een

gunstig milieu voor de ontwikkeling van sporen. binnendringen door capillariteit.

Langs die scheuren kan veel vocht

Mosgroei hangt samen met de aanwezigheid van een

microbodem.

In de voorgaande paragrafen werd een overzicht gegeven van mogelijke nadelige invloeden van micro-organismen op geveloppervlakken, zoals het creëren van een gunstig milieu voor algen en mossen en de vorming van zuren die kalkverbindingen oplossen en leiden tot sterkteverlies en verwering van het materiaal.

Zouden er geen micro-organismen bestaan die

in plaats van het beton aan te tasten, het beton een beschermlaag geven en eventueel zelfs herstellen? [19] Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

47

Hoofdstuk 2

Biomineralisatie

Dit hoofdstuk behandelt de relevante aspecten van biomineralisatie.

Na een korte bespreking

van de geschiedenis volgt een toelichting over het principe en wordt aangegeven voor welke toepassingen de technologie reeds gebruikt wordt.

Een laatste paragraaf maakt de uitbreiding

van de huidige kennis naar toepassingen op mortel- en betonoppervlakken.

2.1 GESCHIEDENIS Calciumcarbonaatprecipitatie (CaCO3) of carbonatogenese is een veel voorkomend fenomeen in omgevingen als zeewater, zoet water en bodems. Het is een chemisch proces dat bepaald wordt door vier belangrijke factoren: •

de calcium (Ca2+) concentratie;

•

de concentratie opgeloste anorganische koolstof;

•

de zuurtegraad of pH;

•

de beschikbaarheid van nucleatieplaatsen.

Verschillende bacteriën of micro-organismen werden reeds geassocieerd met natuurlijke carbonaatprecipitatie. als biomineralisatie.

Het proces, waarbij bacteriën mineralen precipiteren, is beter gekend Bacteriën zijn bovendien in staat verschillende hoeveelheden, vormen

en types (calciet, aragoniet, dolomiet, …) carbonaatkristallen te vormen uit exact hetzelfde medium. [23] [24] In dit eindwerk gaat de interesse vooral uit naar het biomineralisatieproces bij stenen, waarbij calciet wordt gevormd via microbiële weg.

Dit verschijnsel blijkt geschikt te zijn als

microbiologische behandeling voor kunstmatige oppervlakken: monumenten, kunstwerken, wanden, gevels van gebouwen, enz.

Het procédé leidt tot de snelle ontwikkeling van een


48

beschermende kalkafzetting op de behandelde steen, analoog aan de vorming van een “biocalcin” of calciethuid op kalksteen tijdens de eerste jaren na ontginning. [19]

Reeds in de oude steengroeves werd door de arbeiders een beschermend laagje vastgesteld aan het oppervlak van de stenen.

Later werden de fysische eigenschappen van dat

calcietlaagje en de beschermende functie ervan aangetoond: een verhoging van de oppervlaktehardheid, de vergroting van de oppervlaktedichtheid, een vermindering van de vochtindringing, … [25] [26] [27]

Door vervuiling wordt deze beschermende calciethuid echter aangetast: zure regen reageert met het calciumcarbonaat van de steen en vormt een oplosbaar zout, zodat de interfase tussen steen en atmosfeer beetje bij beetje oplost (vergelijking 2.1). CaCO3 + CO2 .H 2 O ⇒ Ca(HCO3 )2

(2.1)

Door de verwering verliest de steen haar cohesie en vermindert haar sterkte.

Bovendien

verhoogt de porositeit, waardoor water makkelijker kan binnendringen en bij vriesweer schade kan doen ontstaan. [28]

Er bestaan reeds methodes om de cohesie weer op peil te brengen (ethylsilicaten), de sterkte te verhogen (epoxyharsen) of de steen te hydrofoberen (silanen, siloxanen).

Deze producten

geven goede resultaten op korte termijn, maar kunnen nefaste uitwerkingen hebben op lange termijn.

Zo kan afsplijten van het oppervlak voorkomen over grote delen, overeenkomend

met de penetratiediepte van de stoffen. [21]

Ook kunnen biofilms en biogene aantastingen

zich op het oppervlak afzetten als de gebruikte middelen biologisch niet-inert zijn.

Het

gebruik van een biologisch middel dat de eigenheid en de structuur van de steen niet aantast past daarom beter in de huidige ecologisch verantwoorde ethiek. In dat opzicht zou het uitermate interessant zijn om reactie (2.1) om te keren en zo de beschermende calcietlaag te herstellen. De hypothese over de vorming van de calcietlaag werd lange tijd enkel gebaseerd op een louter fysisch-chemische precipitatie.

Of met andere woorden, zonder de tussenkomst van

bacteriën. Het beschermhuidje zou gevormd worden door evaporatie van water uit de bodem van de steengroeve en door ophoping van minerale zouten aan het oppervlak. [25] [26] Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

49

Sinds het begin van de 20ste eeuw kregen enkele geologen het vermoeden dat er, naast een fysisch-chemische oorzaak, ook een biologische oorzaak bestond voor de vorming van de calcietlaag. In 1912, noemde Drew de bacterie Bacterium calcis, later Pseudomonas calcis genoemd, als deelnemer aan het proces van calciumcarbonaatprecipitatie. [28]

De microbiogeologie, een multidisciplinaire aanpak van het fenomeen, zou toelaten te verklaren hoe micro-organismen een fundamentele rol spelen in de productie van carbonaatprecipitaties.

Eén van de eerste resultaten in dit gebied kwam van J.P. Adolphe. Hij slaagde er in 1974 in om de biosynthese van calciet in laboratoriumomstandigheden te genereren aan de hand van bacteriën uit tufsteen en travertijn. Een verklaring vond hij echter nog niet.

Tussen 1983 en 1987 werkte S. Casta nier aan een verklaring voor biomineralisatie. Bacteriën die carbonaat kunnen vormen, zouden dit doen aan de hand van een passieve en een actieve precipitatie. (zie 2.2 Principe) In 1989 werd een patent aangevraagd door de onderzoeksgroep rond J.P. Adolphe voor de productie van CaCO3 in laboratoriumomstandigheden met behulp van specifieke bacteriën en een synthetisch aangepast milieu.

2.2 PRINCIPE Het principe van biomineralisatie bestaat uit de mogelijkheid van bepaalde organismen om minerale precipitatie van CaCO3 te induceren en te bevorderen: de micro-organismen produceren een neerslag van carbonaten. Dit hele proces is controleerbaar door in te spelen op de soort bacteriën, op de voeding en op de aard van de voedingsbodem. Het hele proces kan daardoor versneld, vertraagd, uitgesteld, gestopt worden.

De productie van CaCO3 door tussenkomst van bacteriën kan optreden via verschillende paden: op autotrofe en op heterotrofe wijze.


50

In autotrofie spelen drie metabolische paden een rol: non-methylotrofe methanogenese, anoxygene fotosynthese en oxygene fotosynthese. koolstofbron om organisch materiaal te maken.

Deze paden gebruiken CO2 als

Als gevolg hiervan vermindert het CO2-

gehalte in het medium of in de nabije omgeving van de bacteriën. Als calciumionen aanwezig zijn in dit medium zal CaCO3 neerslaan. Figuur 2.1 geeft schematisch de bacteriële CaCO3precipitatie in autotrofie weer. Organismen die gasvormige of opgeloste CO2 gebruiken als C-bron NONMETHYLOTROFE METHANOGENESE

Methanogene Archaebacteriën

ANOXYGENE FOTOSYNTHESE

OXYGENE FOTOSYNTHESE

Zwavel of niet-zwavel purpere en groene fotosynthetische bacteriën

Cyanobacteriën

ANAEROBIOSIS

ANAEROBIOSIS

infrarood licht

zichtbaar licht

OPNAME CO2

H2

CO2

H2S S H2

CO 2

CO2-vermindering van het medium

Ca2+ + 2 HCO3-

CaCO3 + CO 2 + H2O

Precipitatie van carbonaat Figuur 2.1: Bacteriële calciumcarbonaat-precipitatie in autotrofie [23]

In heterotrofie treden twee bacteriële processen op en kan carbonatogenese bijgevolg opgesplitst worden in twee fasen: een passieve en een actieve precipitatie. [23] A.

Passieve precipitatie

Tijdens de passieve precipitatie worden carbonaat- (CO 32-) en bicarbonaationen (HCO 3-) gevormd.

Dit leidt tot neerslag van CaCO3-deeltjes.

Twee metabolische cycli worden

onderscheiden: de stikstof- en de zwavelcyclus.


51

In de stikstofcyclus kan de passieve precipitatie drie verschillende paden volgen: •

ammonificatie van aminozuren in aerobiose (aanwezigheid van gasvormig of opgelost zuurstof) en in aanwezigheid van organisch materiaal en zuurstof, de desbetreffende bacteriën zijn aëroob;

•

reductie van nitraten in anaerobiose (afwezigheid van zuurstof) of in microaerofilie (aanwezigheid van zeer lage hoeveelheden zuurstof) en in aanwezigheid van organisch materiaal, calcium en nitraat, de bacteriën die dit pad beïnvloeden zijn aëroob, facultatief anaëroob;

•

degradatie van ureumzuren in aerobiose en in aanwezigheid van organisch materiaal, calcium en ureumzuur.

Figuur 2.2 geeft de passieve bacteriële precipitatie van CaCO3 in de stikstofcyclus weer. PASSIEVE PRECIPITATIE : STIKSTOFCYLCUS Metabolische paden AMMONIFICATIE VAN AMINOZUREN

REDUCTIE VAN NITRATEN

DEGRADATIE VAN UREAMZUREN

AEROBIOSE

ANAEROBIOSE/ MICROAEROFIEL

AEROBIOSE

Aanwezigheid van organisch materiaal en Ca2+

Aanwezigheid van organisch materiaal, Ca2+ en NO3-

Aanwezigheid van organisch materiaal, Ca2+ en ureumzuur

Omgevingsvoorwaarden

Resultaten van bacteriële activiteit Productie van carbonaat- en bicarbonaationen (CO32-)

CO 2 + H 2O

Productie van NH4+ ⇒ pH stijging

(HCO3-)

H2CO3 CO32- + Ca2+

(H+)

HCO 3- + H+ CaCO3

CO 32- + 2H+

Precipitatie van c arbonaat Figuur 2.2: Passieve bacteriële precipitatie van CaCO3 in de stikstofcyclus [23]


52

Deze drie metabolische cycli stimuleren de productie van CO32-- en HCO3--ionen en, als eindproduct van het metabolisch proces, ook NH4+-ionen.

Als gevolg van dit laatste zal de

pH van het medium gaan stijgen.

CO2 + H 2 O → H 2 CO3 ↔ HCO3- + H + ↔ CO32 - + 2H + CO32 - + Ca 2 + → CaCO3 ↓

(2.2) (2.3)

Als de concentratie H+-ionen afneemt -het medium wordt minder zuur-, verschuift het evenwicht in vergelijking (2.2) in de richting van de productie van CO32--ionen. 2+

aanwezigheid van Ca 2+

afwezigheid van Ca

slaat CaCO3 neer, zoals in vergelijking (2.3) is aangegeven.

In In

kan deze neerslag niet gevormd worden en ontstaat er een accumulatie

van CO32- en HCO3-.

Ook hier zal de pH gaan stijgen, maar bacteriën geven in deze

omstandigheden voorkeur aan de vorming van zeolietformaties.

Zeolieten zijn mineralen die

een atoomrooster hebben met open ruimtes die als kanalen met elkaar in verbinding staan en waarin wisselende hoeveelheden water voorkomen.

Bij verhitting wordt het water

uitgedreven zonder dat de zeolietstructuur daardoor veranderd wordt.

De holtes in de

structuur kunnen gevuld worden met andere vloeistofmoleculen dan water of gassen al naargelang de specifieke structuur en de afmetingen van de holtes. Aangezien de afmetingen van de zeolietholtes in dezelfde grootte-orde liggen als de afmetingen van een aantal moleculen, zijn zeolieten bruikbaar als moleculaire ziften.

Zeolieten hebben ook de

eigenschap dat ionen in het water in de structurele holten kunnen wisselen met de ionen in de structuur.

Deze eigenschap verklaart waarom zeolieten kunnen gebruikt worden voor de

verzachting van water. [30]

In de zwavelcyclus volgen bacteriën één enkel metabolisch pad: de reductie van sulfaten in anoxische (zonder zuurstof) omgeving in aanwezigheid van organisch materiaal, calcium en sulfaat. Figuur 2.3 geeft deze zwavelcyclus weer.


53

PASSIEVE PRECIPITATIE : ZWAVELCYLCUS Metabolische paden REDUCTIE VAN SULFATEN

Omgevingsvoorwaarden ANAEROBIOSE Aanwezigheid van organisch materiaal, Ca2+ en SO42Resultaten van bacteriële activiteit Productie van CO HCO3H2S 23

H2S vrijgezet ⇒ pH stijging

H2S gebruikt door andere bacteriën

ANOXYGENE SULFIDE FOTOTROFE BACTERIEN (autotrofie) H2S → S°

SULFIDE-OXIDERENDE AEROBE BACTERIEN (autotrofie)

S vormt intra- of extracellulaire afzettingen aan de celwand

2 O2 + H2S → SO42- + 2 H+

⇒ pH stijgt

Precipitatie van carbonaat CO32-

H2S niet vrijgezet ⇒ pH daling

2+

+ Ca

→

CaCO3

⇒ pH daalt

Geen precipitatie van calciumcarbonaat

Figuur 2.3: Passieve bacteriële precipitatie van CaCO3 in de zwavelcyclus [23 ]

In deze cyclus worden zowel CO32- als HCO3- en waterstofsulfide (H 2S) gevormd. Als Ca2+ionen aanwezig zijn, hangt de precipitatie af van het gedrag van H2S. Als H2S vervliegt, stijgt de pH en slaat CaCO3 neer. Een tweede mogelijkheid bestaat in het gebruik van H2S door andere bacteriën.

Het hangt

dan van de soort bacterie af of de pH zal stijgen of dalen en dus de CaCO3-neerslag al dan niet zal optreden.

Als H2S niet wordt gebruikt door bacteriën, noch wordt vrijgezet, daalt de pH

en kan CaCO3 niet neerslaan.


54

De passieve precipitatie resulteert in de eerste vorming van opgelost carbonaat in de onmiddellijke omgeving van de bacterie. B.

Actieve precipitatie

Actieve precipitatie is, in tegenstelling tot de vorige, onafhankelijk van de genoemde metabolische cycli. de

celwand,

carbonatogenese

Carbonaatdeeltjes worden geproduceerd door ionenuitwisseling doorheen

volgens een

totnogtoe reactie

onbekende

van

processen.

heterotrofe

In

alle

bacteriënculturen

experimenten

blijkt

(bacteriënculturen

die

organische moleculen uit voedsel moeten halen, die deze dus niet zelf kunnen aanmaken) op een verrijking aan organisch materiaal in hun omgevende milieu.

Na een periode van

relatieve non-activiteit, een latente periode, volgt een periode van exponentiële groei van het aantal bacteriën. Dit leidt tot een massaproductie van CO 32- en HCO3- -ionen. Na een tijd resulteert deze fase in een evenwichtstoestand waarbij evenveel nieuwe bacteriën ontstaan als afsterven.

De eigenlijke carbonaatdeeltjes worden aangemaakt tijdens de exponentiële fase.

De evenwichtsfase volgt kort nadat de organische voedingsbodem van de bacteriën volledig opgebruikt is.

De actieve carbonatogenese treedt op als eerste en wordt gevolgd en vervolledigd door de passieve.

Tijdens de passieve cyclus wordt voortgebouwd op de kristalstructuur die begonnen

is in de actieve fase. Welke ook het gebruikte pad van de bacteriën is, steeds kan het proces worden vertaald in een verschuiving van het evenwicht van vergelijking (2.4):

Ca(HCO3 )2 → CaCO3 + CO2 + H 2 O

(2.4)

Onder eutrofe voorwaarden, dit is wanneer er voldoende voedingsmateriaal aanwezig is voor de bacteriën, verschijnen de eerste vaste stoffen (CaCO3-deeltjes) onder de vorm van plaatjes op het oppervlak van het bacterielichaam. het begin gehydrateerd.

Deze vaste stoffen zijn waarschijnlijk amorf en in

Naarmate er meer zijn, zullen deze plaatjes samenklitten tot een

rigide coating, een soort cocon die de hele bacterie omgeeft. Een tweede mogelijkheid onder eutrofe voorwaarden is dat de bacterie de vaste deeltjes in het cellichaam vormt en daarna uitscheidt.

Deze partikels, die min of meer gecalcifieerde

bacteriële cellen bevatten, vormen dan samen een biomineraal aggregaat met prekristallijne structuur.

Naarmate deze aggregaten groeien, nemen ze meer en meer een biokristallijne

vorm aan. Uiteindelijk resulteert dit in een kristallijne structuur.


55

Onder oligotrofe voorwaarden, dit is in voedselarme omstandigheden, zullen de primaire vaste deeltjes snel opgenomen worden in de kristalstructuur.

In waterige omgeving, uitgezonderd in diepzee, is de potentiële efficiëntie van heterotrofe bacteriële carbonatogenese in CaCO3-sedimenten veel groter dan bij de autotrofe (in staat tot vorming van een organische stof met energie die niet afkomstig van de oxidatie van een organische stof, maar afkomstig van de oxidatie van anorganische stoffen of het zonlicht) of abiotische processen (zonder bacteriële activiteit).

De aanwezigheid van organische materie is een sterke stimulator voor het proces.

In een

milieu zonder organische materie kan precipitatie zich wel voordoen onder invloed van cyanobacteriën (bladgroen bevattende bacterie zoals blauwwier).

Fundamenteel gezien levert

een vloeibaar medium de nodige elementen aan de bacteriën om te overleven (organische materie, opgelost zuurstof, calcium, magnesium,... ).

Men zou dus kunnen stellen dat de steen “leeft”: micro-organismen staan in voor de organominerale productie van nieuwe steen en kunnen beïnvloed worden door in te spelen op hun omgeving. C.

Bacteriën

In de natuur bestaan er zeer veel bacteriën die CaCO3 produceren en die daardoor voor het procédé van biomineralisatie geschikt zijn: Bacillus pasteurii, Bacillus cereus, Bacillus megaterium, Pseudomonas calcis, Pseudomonas fluorescens, … [29] Deze diversiteit aan bacteriën wijst erop dat het proces van biomineralisatie zeer veel voorkomt.

Voorbeelden zijn terug te vinden in de grotten van Clamouses (Hérault) in

Frankrijk of in de steengroeves van l’Isle Adam (Val d’Oise); in de hydrothermale bronnen van Pammukale in Turkije, of in de zout-lagunes van Altiplano in Bolivië. [31] [32]

Eigenschappen van bacteriën [33] •

Wordt een bacteriecel in een vloeibare voedingsbodem gebracht, dan gaat zij zich vermenigvuldigen. Deze celgroei gebeurt in vier fasen, zoals te zien is op figuur 2.4. Lag-fase (A): de periode die verloopt voordat de vermeerdering van de bacteriecellen begint; in deze fase moeten de bacteriën als het ware bekomen van de


56

stress en de shock die ze te verwerken kregen (vb. afschrapen van agar-plaat en inbreng in medium, pH-verandering). Logaritmische fase (B): de periode, waarin de feitelijke groei plaatsvindt; Stationaire fase (C): de periode, waarin het aantal levende cellen per ml constant blijft; Afstervingsfase (D): de periode, waarin het aantal levende cellen per ml afneemt. aantal bacterien

tijd A

B

C

D

Figuur 2.4: Bacteriële groei [33]

•

Bij de bacteriesoort van het geslacht Bacillus kan in de cel een zogenaamde endospore gevormd worden.

Dit is een overlevingsstructuur voor de cel: in de spore wordt het

erfelijk materiaal opgeslagen. gronde.

Een omhulsel wordt gevormd en de oude cel gaat ten

De spore verkeert hierna in een soort rusttoestand en heeft geen normale

celstofwisseling of celdeling. Kenmerkend

voor

omstandigheden

te

een

dergelijke

spore,

overleven.

is

het

Omstandigheden

vermogen zoals

om

droogte,

ongunstige zeer

hoge

temperaturen, een lage of hoge pH, straling en de aanwezigheid van chemicaliën zoals desinfectiemiddelen, die een normale cel niet overleeft, worden door een spore weerstaan.

Endosporen kunnen zeer lange tijd blijven bestaan (duizenden jaren), en

onder gunstige omstandigheden (vaak binnen een uur) uitgroeien tot normale cellen. Bij autoclaveren worden bacteriën en endosporen gedood. •

Bacillus cereus en Bacillus sphaericus zijn aërobe bacteriën waarbij ureum optreedt als elektronendonor.

Deze elektronendonoren leveren de nodige energie aan de

bacteriën om te kunnen overleven.

Het ureum OC(NH 2)2 wordt met behulp van het

bacterieel enzyme urease afgebroken tot CO2 en NH3. Het CO2 en het NH3 komen vrij in het milieu waarin de bacteriën zich bevinden. reageren.

Hier kunnen ze eventueel verder

Dit CO2 zal met de OH--ionen van het aanwezige water reageren tot

carbonaat- en bicarbonaationen, zoals reeds werd beschreven in vergelijking 2.2.

Het

NH3 zal met de H+-ionen van het water reageren en een evenwichtsreactie 2.5 realiseren: Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

57

NH 3 + H 2 O ↔ NH 4+ + OH −

•

Bacteriën werken optimaal bij een gegeven pH-waarde.

(2.5) Voor Bacillus cereus en

Bacillus sphaericus is de optimale pH-waarde ongeveer 8. •

De celwand van de in dit eindwerk gebruikte bacteriën is bedekt met negatief geladen deeltjes.

Bijgevolg trekken ze positieve ionen (Ca2+) aan. Deze aantrekking zet zich

verder tot evenwicht tussen positief en negatief is bereikt, bijgevolg zijn meerdere lagen Ca2+-ionen mogelijk. •

Bacteriën vormen een biofilm die opgebouwd is uit een populatie van microorganismen in een matrix van slijm die aan een oppervlak gehecht is. Hoe meer slijm er gevormd is, hoe beter de bacteriën zich homogeen kunnen nestelen op het oppervlak.

Een homogene spreiding van bacteriën zorgt voor een homogenere laag

van het gevormde CaCO3.

2.3 HUIDIGE

TOEPASSINGEN

De technologie van biomineralisatie wordt reeds toegepast voor het verdichten van zandkolommen, voor het herstellen van kalksteen monumenten en in biologische mortels.

Op

basis van dit proces ontwikkelden onderzoekers een eenvoudige procedure voor het herstel van kalksteen waarbij een effen kalkhoudende “biocalcin” coating van enkele micrometers bekomen wordt die voornamelijk samengesteld is uit bacteriën bedekt met carbonaatprecipitatie.

2.3.1 NATUURSTEEN

MONUMENTEN

Op basis van voorgaande wetenschappelijke bevindingen hebben het ‘Laboratoire de Recherche des Monuments Historique (LRMH) en de universiteit van Nantes (laboratorium van microbiogeologie), in samenspraak met ‘Calcite Bioconcept’ [37], een programma opgezet om het procédé van biomineralisatie te industrialiseren en te optimaliseren aan de hand van visuele studies.

Aangezien reeds aangetoond werd dat bepaalde bacteriën in labo-

omstandigheden een calcifiërend vermogen bezitten, restte enkel het aantonen van de toepasbaarheid in reële buitensituaties en de mogelijkheid tot toepassing voor industriële doeleinden.


58

Allereerst werd in het kader van een thesis aan de universiteit een databank aangelegd van verschillende stamcellen, geordend op hun performantie in de aanmaak van een calcietlaag. Uit deze databank werd Bacillus cereus weerhouden als de meest performante en de meest geschikte bacterie om te gebruiken in industriële toepassingen.

Deze bacterie is ongevaarlijk

voor mens en omgeving. [34] [35] In

tweede

instantie

werd

het

onderzoek

voedingsmilieu en de frequentie van voeding.

toegespitst

op

de

samenstelling

van

het

De vloeistof moet de noodzakelijke elementen

dragen voor de ontwikkeling van de bacteriën.

Bovendien is ook een schimmelwerend

product nodig, opdat de in de omgevingslucht aanwezige schimmelsporen niet zouden beginnen woekeren. A.

Behandeling

De geoptimaliseerde behandeling voor natuursteen bestaat uit een aantal eenvoudige stappen gespreid over een periode van vijf dagen. 1) De hele behandeling kan worden voorafgegaan door een reiniging van de te behandelen oppervlakken door middel van een niet-agressief reinigingsproces. Omdat reinigingsproducten de werking van de bacteriën zouden kunnen verstoren, wordt er gereinigd zonder chemische reinigingsmiddelen.

Hiervoor

zijn klassieke methodes als zandstralen, scrubbing of hoge druk reiniging geschikt. 2) Tijdens de eerste dag van de behandeling wordt het mengsel van bacteriën en voedingsbodem aangebracht.

onder

lage

druk

op

het

te

behandelen

steenoppervlak

Voor een optimaal resultaat moeten de bacteriën zich in het

stadium van exponentiële groei bevinden en bedraagt de concentratie aan bacteriën 1010 tot 1012 per liter. 3) De bacteriëncultuur wordt in de vier daaropvolgende dagen gevoed met een mengsel van organisch materiaal, minerale zouten en een activator voor de carbonatogenese. bacteriën.

Deze fase in de voeding zorgt voor een voortplanting van de

Het water dat voor deze voeding wordt gebruikt mag geen chloor

bevatten en de pH heeft bij voorkeur een waarde tussen 7 en 7,5. 4) Al naargelang de voeding installeren de bacteriën zich in de microporiën van het steenoppervlak, vermenigvuldigen ze zich en haken ze zich aan elkaar vast. De Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

59

bacteriën

omgeven

calciumcarbonaat.

zichzelf

beetje

bij

beetje

met

een

cocon

van

In deze fase zijn de bacteriën nog te onderscheiden via

elektronenmicroscopie. 5) Op een week tijd bedekt een sluier van calciumcarbonaat, met een dikte van enkele micron (4 tot 5 µm), het oppervlak van het materiaal. In deze fase van de behandeling zijn de fossiele micro-organismen niet meer te onderscheiden. gevormde carbonaat is nog sterk gehydrateerd.

Het

Dit zal in de hieropvolgende

weken drogen en verharden.

Bovenstaande behandeling is weergegeven in figuur 2.5.

Verstuiven van bacteriën

Verstuiven van nutriënten

Biomineralisatie

Recalcificatie

Figuur 2.5: Behandeling voor biomineralisatie [25]

B.

Eerste experimenten

De eerste proeven in openlucht werden in juni 1992 uitgevoerd. Het proefvlak was een kleine oppervlakte van een gezonde vlakke muur zonder vlekken van één van de bijgebouwen van het kasteel in Champs sur Marne in Frankrijk. De vorming van het bio-calciet werd opgevolgd door middel van scanning elektronenmicroscopie

(SEM).

De

verbetering

van

de

doorlaatbaarheid werd gemeten met

Karstenpijpjes. Op macroscopisch vlak werden de staat en de kleur van de muur opgevolgd. Na een jaar van natuurlijke veroudering bleek het resultaat zeer bemoedigend: de waterdoorlaatbaarheid was verminderd met een factor 1 tot 5. Toch was het eerste experiment geen succes over de gehele lijn: de bacteriën produceerden wel het gewenste carbonaat, maar hun voedingsstoffen stimuleerden een wildgroei van een microflora dat reeds aanwezig was op de muur (champignonsporen, algen, ..). De onderzoeksgroepen van de universiteit van Nantes en het LRMH verbeterden daarna het procédé door de samenstelling van het voedingsmengsel zodanig aan te passen dat enkel de bacteriën werden gestimuleerd zonder de biotoop van de steen te activeren. [31] Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

60

De volgende logische stap in de studie was de realisatie van een kleine werf. Ten eerste om een gebouw in het geheel te behandelen en ten tweede om de techniek beter onder de knie te krijgen, met onder andere de veel grotere hoeveelheid aan te maken biomassa met calcifiërende bacteriën.

De eerste toepassing van het procédé op heuse grootte gebeurde op de kerk Saint-Médard de Thouars in Deux-Sèvres in Frankrijk. De kerk is opgetrokken uit tufsteen (tuffeau), een sedimentair gesteente met fijne korrels, lichtjes poedervormig, met een klare okertint, soms grijsachtig. hoeveelheden kwartskorrels (cristobaliet) en witte micaskorrels.

Tufsteen bevat in variabele De porositeit van het

gesteente schommelt rond de 40%. De poriën zijn klein en talrijk. De steen is niet echt hard en dat maakt hem broos en gevoelig voor milieu-invloeden. De kerk heeft reeds een aantal restauraties ondergaan, voornamelijk aan het einde van de 19de eeuw, waarbij grote delen van de gevel werden vervangen door nieuwe stenen. Deze experimenten met biomineralisatie spitsten zich toe op de steunbeer in de zuidoostelijke hoek van de kerk, die volledig gerestaureerd werd in 1988. (figuur 2.6) In juni 1993 werd de eerste proef op deze kerk opgezet over een oppervlakte van 50 m². De behandelde oppervlakken waren georiënteerd in drie richtingen: noord, west en zuid en liepen van de onderste laag tufsteen tot boven aan de eerste dakrand. De behandeling startte met een verstuiving van een bacterieel mengsel op de muren. Er werd gerekend met 1 liter mengsel per vierkante meter oppervlak. De behandeling werd verder gezet met 5 dagelijkse voedingen.

In

totaal werd 60 liter mengsel met voedingsstoffen voorzien.

Dit

was iets meer dan de geschatte 1 liter per vierkante meter omdat rekening werd gehouden met mogelijke verliezen door de wind.

Om beter de evolutie van de vorming van het biocalciet te volgen, was een leidraad opgesteld. • Figuur 2.6: Proefvlak op steunbeer van kerk SaintMédard de Thouars [26]

Micro- en macroscopische observaties om de CaCO3-laag te visualiseren.

Enkel via elektronenmicroscopie kon de

aanwezigheid van het calcietlaagje worden aangetoond.


61

•

Fysische

metingen

die

de

verandering

in

eigenschappen

van

het

materiaal

beoordeelden (colorimetrie, capillariteitsmetingen, ruwheidsmeting). De verschillende controles en hun frequentie werden bepaald door het L.R.M.H. en de afdeling microbiogeologie van de universiteit van Nantes.

De meetcampagnes werden

uitgevoerd vóór de behandeling in juni 1993; zes maanden erna in december 1993; 1 jaar na de behandeling in juni 1994; na 4 jaar in juli 1997 en na 6 jaar in juni 1999.

Macroscopische vaststellingen Voor de behandeling verkeerde de steen in goede algemene toestand met evenwel een poederige textuur bij het aanraken.

Onmiddellijk na de behandeling, na zes maanden en na een jaar was het macroscopisch voorkomen niet veranderd. Het poederig karakter van de steen was evenwel verdwenen.

Na 6 jaar was datzelfde visuele aspect niet veranderd. De gevel toonde nog steeds licht en had een klare tint, zonder schijnbare degradatie. De zuidkant was meer verstoord, vooral naar de bovenzijden van de steunbeer toe waar de tint grijs werd.

Het bovenste deel dat niet

behandeld werd, leek eerder grijs en dof.

Microscopische vaststellingen Voor de behandeling konden observaties met de SEM geen verschil aantonen tussen de drie zijden van de steunbeer.

Kalksteen is een klassieke tufsteen waarvan de cristobaliet-korrels

(silicium) goed zichtbaar zijn en losgemaakt zijn van het maaswerk van carbonaat.

Het

microreliëf van de steen vertoonde grote poriën van 20 à 30 µm.

Zes maanden na de behandeling was de evolutie in calcietlaagje op de drie vlakken gelijk. Het biocalciet bedekte de steen met een uniforme laag die perfect het microreliëf volgde. Het cristobaliet werd gemaskeerd door het nieuwgevormde calciet en de porositeit leek kleiner. Onderzoek van het calciethuidje toonde aan dat kleine partikels kalk, die uitgescheiden waren door de micro-organismen, als het ware aan elkaar gelast waren en zo het beschermhuidje vormden. Een jaar na de behandeling was de calciethuid nog steeds aanwezig op de drie zijden van de steunbeer. Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

62

Vanaf 4 jaar veroudering trad een verschil op, afhankelijk van de oriëntatie: •

op de oostkant was het biocalcietlaagje lichtjes aangetast.

De cristobalietkorrels

waren nog steeds verborgen onder de calcietlaag, maar dit huidje leek minder homogeen en dunner; •

op de zuidkant was de huid meer verstoord door de overheersende zuidoostenwind. Het laagje was op verschillende plaatsen verbrokkeld waardoor onderliggende cristobalietkorrels vrij kwamen te liggen.

Zes jaar na behandeling werd het verschil nog duidelijker: •

op de oostkant bleek de beschermlaag nog steeds aanwezig, maar verbrokkeling was al opgetreden, cristobaliet was al zichtbaar.

De poriën van de steen waren nog steeds

gemaskeerd en het oppervlak had nog steeds een homogeen uitzicht; •

op de zuidkant werd het verschil tussen een behandeld en een onbehandeld oppervlak duidelijk omdat cristobaliet gedeeltelijk was geërodeerd.

Op een onbehandeld

oppervlak waren de korrels sterk verschillend en geperforeerd, wat zou wijzen op een slijtage van het materiaal.

De biocalcietlaag op de behandelde zijde was lokaal

verbrokkeld. Onderaan de poriën van de steen was de sluier dikker. Uit dit onderzoek werden volgende conclusies getrokken: •

De slijtage van de calcietlaag is belangrijker op de zuidzijde dan op de oostzijde, maar het verschil laat zich pas merken vanaf het vierde jaar na behandeling;

•

De aantasting van het beschermhuidje treedt op daar waar de laag het fijnst is, waar de elementen het meest geaccentueerd zijn door het microreliëf.

Metingen voor absorptie van water Eén van de effecten van de calciethuid was de vermindering van de permeabiliteit van de steen zonder de gasvormige uitwisselingen te blokkeren.

In die zin waren de metingen

belangrijk, omdat ze konden aantonen dat de doorlaatbaarheid veranderde.

Hoe meer de

permeabiliteit verminderde, hoe efficiënter de bescherming.

Een geschikte techniek voor zulke metingen werd gevonden in Karstenpijpjes.

Voor de

doorlaatbaarheid werden metingen uitgevoerd op dezelfde tijdstippen als voor de andere Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

63

metingen, namelijk vóór de behandeling in juni 1993; zes maanden erna in december 1993; 1 jaar na de behandeling in juni 1994; na 4 jaar in juli 1997 en na 6 jaar in juni 1999.

De absorptiemetingen waren interessant omdat het de doeltreffendheid beschreef van de ontstane beschermlaag op de oppervlakken van de steunbeer die verschillende weersinvloeden ondergaan.

Op basis van de resultaten kon verondersteld worden dat na 6 jaar de

biocalcietlaag nog ongeveer 50 % van haar efficiëntie had ten opzichte van het begin.

Conclusies Wat betreft kleur werden ook metingen uitgevoerd.

De resultaten toonden aan dat de

biocalcietlaag de kleur van de oorspronkelijke structuur zo goed als niet veranderde.

Deze eerste experimentele resultaten hebben (en zullen in de loop van de jaren nog hebben, want de metingen worden verdergezet) een belangrijke bijdrage geleverd aan de kennis van evolutie van zulke beschermhuidjes in de buitenlucht.

De carbonatogene bacteriën hebben

geen enkele moeite gehad zich aan te passen aan buitenomstandigheden die dagelijks schommelen.

De observaties met de elektronenmicroscoop bevestigen de aanwezigheid van een calcietlaag en bewijzen de degradatie in de tijd.

De calcietlaag is gevoelig aan oriëntatie van het

ontvangende oppervlak en vertonen verschillen naargelang de lokalisatie op het microreliëf van de steen (uitspringende delen zoals cristobalietkorrels).

Bovendien kan worden geschat dat de waterabsorptie zes jaar na de behandeling nog steeds met 50 % verminderd was.

De calcietlaag gedraagt zich als een echte “steenhuid”, ze veroudert op eenzelfde manier als de steen. Om een beschermende rol te blijven garanderen, zou kunnen gesteld worden dat de behandeling om de tien jaar dient herhaald te worden. C.

Andere experimenten

Hetzelfde biomineralisatieproces werd in 1994 toegepast op kalkstenen beeldhouwwerken. [25] [26] [36] Deze werden speciaal ontworpen om zo goed mogelijk de meest voorkomende Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

64

kenmerken

van

beeldhouwwerken

voor

te

stellen:

afgeronde

hoeken,

hellende

oppervlakken,… Figuur 2.7 toont een tekening van een pseudo-standbeeld.

Als materiaal werden zowel tufsteen

(tuffeau) als saint maximin, beide kalkstenen, gebruikt, omdat deze stenen veelvuldig voorkomen in de gebouw en van het Franse patrimonium. werden

gedurende

vijf

De pseudo-standbeelden

dagen

op

alle

oppervlakken

behandeld met een mengsel van Bacillus cereus en voedingsstoffen. Het doel van deze test was het opvolgen van Figuur 2.7: Pseudo-standbeeld [25]

de

veroudering

van

de

coating

die

door

biomineralisatie was aangemaakt.

De beeldhouwwerken werden bewaard in vier verschillende omstandigheden: in de stad (Parijs), op het platteland (Loire Atlantique), aan de kust (Vendée) en op een beschermde site (binnenshuis). Op elk van deze plaatsen werden twee beelden geplaatst: één behandeld en één onbehandeld dat dienst deed als referentie. Verschillende

meetcampagnes

werden

uitgevoerd.

Hierbij

werden

macroscopische

observaties gemaakt, scanning elektronen microscopie uitgevoerd, capillaire waterabsorptie en kleurveranderingen gemeten. Beschermde site De beeldhouwwerken in de beschutte zone vertoonden geen enkele verandering wat betreft vervuiling of verwering. Microscopie bevestigde de aanwezigheid van een uniform calcietlaagje, zonder evolutie in de tijd. Deze beelden konden dus dienen als referentie voor de andere beelden. Absorptiemetingen duurden op de behandelde stenen dubbel zo lang als op de onbehandelde. Bovendien is de vermindering van absorptie groter op de tuffeau dan op de saint maximin.

Landelijke site Negen maanden na de plaatsing waren alle beelden bedekt met groene algen.

Zulke

kolonisaties zijn normaal op deze sites, maar het was toch nodig deze beelden eerst te reinigen met een middel op basis van ammonium alvorens er verdere proeven werden uitgevoerd. Het reinigingsmiddel moest bovendien onschadelijk zijn voor het biocalcietlaagje. Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

65

Bij macroscopisch onderzoek na de eerste behandeling bleken de algen verdwenen en hadden de beelden opnieuw hun oorspronkelijke tint.

Echter, vier jaar na deze behandeling

vertoonden de pseudo standbeelden tekenen van korstmossen en zwartachtige kleuren door cyanobacteriën. Microscopische observaties toonden duidelijk aan dat, na de anti-algen-behandeling, de calcietlaag nog in goede staat was. Na vier jaar werd de verwering duidelijk met de SEM. Onbehandelde

stenen

blokkeerden de poriën.

vertoonden

een

sterke

kolonisatie

en

organische

afzettingen

De cristobalietkorrels in de tufsteen vertoonden een erosie.

Op de

behandelde stenen vertoonde de biocalcietlaag een lokale verwering waarbij de saint maximin beter weerstand bood dan de tufsteen. Absorptie - en kleurmetingen gaven uiteenlopende waarden die moeilijk te interpreteren waren door de biologische bedekking.

Toch bleken de kolonisaties sterker verankerd in de niet

behandelde stenen. Site aan de kust Macroscopische observaties toonden aan dat de behandelde stenen in betere staat waren dan de niet-behandelde.

Op de bovenzijde van alle pseudo beelden en in holtes waren zwarte

vlekken te zien. Rekening houdend met de eigenschappen van deze site, zou het logisch geweest zijn als er zouten of gips werd teruggevonden bij microscopische observaties.

Maar geen enkele van

deze afzettingen werden opgemerkt bij controles: ofwel zijn deze er nooit geweest, ofwel zijn deze reeds afgespoeld. Na vier jaar was het biocalcietlaagje nog steeds zichtbaar in de poriën, maar was het al verweerd aan het oppervlak. De niet behandelde beeldhouwwerken vertoonden een sterk veranderd oppervlak. De tufsteen vertoonde een uitgesproken zichtbare erosie van de cristobalietkorrels. Kleur- en waterabsorptiemetingen werden ook hier verstoord door vlekken.

Stedelijke site Vier jaar na plaatsing in een stedelijke omgeving zagen de behandelde stenen er nog steeds net uit, zonder biologische kolonisatie.

De referentiebeelden vertoonden een verpoedering die

de andere beelden niet hadden, met dikwijls een “vervelling” van het oppervlak.

Figuur 2.8

toont enkele van deze beelden op het dak van een groot gebouw in Parijs.


66

Microscopische toonden

de

observaties aanwezigheid

van een biocalcietlaagje aan, zowel op het oppervlak als in de poriën. Het oppervlak van

de

niet-behandelde

beeldhouwwerken was sterk verweerd.

Figuur 2.8: Pseudo -beeldhouwwerken in de stedelijke site [25]

Absorptiemetingen toonden bij de behandelde stenen een vermindering van waterabsorptie aan. Kleurmetingen waren vooral belangrijk op de bovenzijde van de beeldhouwwerken en in sub-horizontale zone. Conclusie Er kan gesteld worden dat de landelijke omgeving zeer agressief was. blootstelling heeft de calcietlaag haar doeltreffendheid verloren.

Na vijf jaar

De stenen zijn blootgesteld

aan vervuiling die afkomstig is van agrarische activiteiten (nitraten en fosfaten) en deze stoffen hebben een wildgroei van biologische kolonisaties, met in het bijzonder korstmossen. De behandelingen met anti-algenmiddel hebben geen effect op de biocalcietlaag, maar in deze omgeving wordt beter een intensere behandeling toegepast (meer geconcentreerd mengsel) of meer onderhoud voorzien (sneller herhaalde vernieuwing van de calcietlaag).

Net zoals de landelijke omgeving is de kustzone agressief voor de beeldhouwwerken.

Ook

hier verliest de beschermlaag haar doeltreffendheid na vijf jaar.

Het stedelijk milieu is het minst agressief voor de biocalcietlaag. Deze behoudt dan ook haar doeltreffendheid langer. De behandeling moet na vijf jaar nog niet vernieuwd worden. D.

Realisatie van patina

Wanneer

het

biomineralisatieproces

wordt

toegepast

op

kalksteen,

is

het

mogelijk

tegelijkertijd een kunstmatig patina te realiseren door natuurlijke pigmenten aan het voedingsmedium toe te voegen.

De pigmenten worden dan geïntegreerd in het


67

biocalcietlaagje -ze omgeven de calcietdeeltjes- en geven een lichte kleuring aan de steen. Zo wordt de nieuwe, behandelde steen geen storend element in een gerestaureerde gevel, maar vormen de muur en de nieuwe steen een harmonieus geheel. Bovendien is het effect van dit proces tweeledig: bescherming en kleuring.

In eerste instantie moet gecontroleerd worden of de in restauratie gebruikte pigmenten schadelijke zijn voor de bacteriën.

In tweede instantie wordt gekeken naar de haalbaarheid

van de realisatie van een uniforme patina.

In het kader van voorgaand onderzoek werden voor de realisatie van zulke patina zes pigmenten uitgekozen: •

verbrande aarde;

•

licht okergeel;

•

okergeel;

•

aarde;

•

okerrood;

•

groene aarde.

De tests voor de meting van schadelijkheid werden uitgevoerd in bioreactoren met een vloeibaar milieu en aseptische condities.

Hieruit volgt dat geen enkel van de zes pigmenten

de bacteriegroei of de vorming van carbonaat verstoren. De proeven werden uitgevoerd op kalkstenen oppervlakken.

De pigmenten werden

toegevoegd aan het mengsel (0,5 g per liter) en het dagelijkse procédé werd opgestart: aanbrengen gevolgd

van door

bacteriën vier

Bacillus

voedingen,

cereus

zoals

de

procedure in paragraaf 2.3.1.

Na de behandeling bleken de stenen gekleurd en de pigmentkorrels waren verdeeld over het oppervlak. Microscopische observaties toonden aan dat de

Figuur

tinten

pigment geven andere patines

“aarde”

en

“okergeel”

zich

goed


2.9:

Verschillende

hoeveelheden

68

geïntegreerd hadden in de structuur van het biocalcietlaagje.

De hoeveelheid toe te voegen

pigment bleek afhankelijk van de porositeit van het te behandelen materiaal.

Van deze

hoeveelheid pigment hing ook de verkregen kleur af. Figuur 2.9 toont hiervan een voorbeeld. [25] [26] [36] E.

Conclusie

De behandeling ter bescherming van het patrimonium door middel van biomineralisatie is nu geoptimaliseerd.

Verschillende experimenten hebben de doeltreffendheid van het procédé

aangetoond, waarbij afhankelijk van de omgevingscondities, de behandeling effectief kan blijven gedurende tien jaar. stedelijke omgeving.

Ook werd de kwaliteit van de beschermlaag vastgesteld in de

Verschillende grote Parijse gebouwen werden reeds met succes

behandeld (Hotel Plazza, Ex-Marks & Spencer, ..). [25] [26] [36] [37]

2.3.2 VERDICHTEN

ZANDKOLOMMEN

Microbiële minerale afzetting is een veelvoorkomend proces in de natuur.

Metabolische

activiteiten van bacteriën dragen bij tot een selectieve cementatie door de productie van relatief onoplosbare organische en anorganische componenten. een belangrijk proces in de petroleumnijverheid.

Deze selectieve cementatie is

Barsten in rotsformaties, zoals in

oliereservoirs, kunnen zowel worden gedicht door minerale precipitatie [38] als met behulp van micro-organismen [39] [40].

In beide gevallen verlaagt de porositeit van de structuur.

Het proces van microbiële afzetting kan ook gebruikt worden om vervuilende stoffen in de grond te immobiliseren. Bij vroegere studies [39] kwam aan het licht dat Bacillus Pasteurii mineralen kan afzetten in kleine oppervlaktescheurtjes in graniet.

Deze micro-organismen gebruiken ureum als

energiebron. Door reactie van dit ureum met het urease-enzyme van de bacteriën, produceren bacteriën ammonium dat de pH doet stijgen.

Hierdoor zullen Ca2+ en CO32- neerslaan als

CaCO3. Het proces is het meest efficiënt gebleken bij de remediëring van scheuren in graniet met een gemiddelde wijdte van 2,7 mm.

Onder de vulstoffen die gemengd werden met

Bacillus pasteurii voor de opvulling van deze scheuren, vertoonde het silica (10 %)-zand (90%)-mengsel de hoogste druksterkte en de laagste permeabiliteit.


69

Micro-organismen precipitatie.

met

een

hoge

urease-enzyme-activiteit

vertonen

een

verhoogde

Deze urease-activiteit is essentieel bij de microbiologisch geïnduceerde calciet

precipitatie. Een sleutelrol is hierin ook weggelegd voor de pH -waarde. [24] [41] [42]

Diezelfde Bacillus Pasteurii werd ook gebruikt in een onderzoek naar het verdichten van zandkolommen. [41] Twee sets van Bacillus Pasteurii werden opgegroeid* in een Tris-YE medium (Tris-HCl, gist en agar) tot de cellen de laat-exponentiële fase bereikten. Op het einde van de groei werd 1 set 20 minuten lang geautoclaveerd op 121°C om bacteriën en endosporen te doden. Wanneer deze geautoclaveerde suspensie werd uitgeplaat*, kon geen enkele levende cel meer worden geteld. Zowel de dode als de levende cellen werden gesuspendeerd in ureum-CaCl2-medium en gemixt met steriel zand.

Deze zandslurrie werd daarna in 60 ml plastic kolommen

aangebracht. Bovendien werd een derde kolom gevuld met steriel zand zonder bacteriën. De drie tubes werden continu gevoed met een ureum-CaCl2-medium door middel van zwaartekracht. Bij het stoppen van de voedingsstroom in de kolom met de levende bacteriën, dus bij een zekere graad van verdichting, werd het experiment beëindigd. Na drogen aan de lucht werden deze tubes geanalyseerd met X-stralen en SEM.

Voor de X-stralen diffractie werden 4 proefstukken klaargemaakt: •

een zandkolom behandeld met levende bacteriën en ureum-CaCl2-medium;

•

een zandkolom behandeld met dode bacteriën en medium;

•

een zandkolom zonder bacteriën, maar wel behandeld met medium;

•

een zandkolom zonder bacteriën of medium.

Deze metingen toonden aan dat de belangrijkste component kwarts was, het hoofdbestanddeel van zand.

CaCO 3-kristallen werden geïdentificeerd als calciet.

Deze kristallen werden

teruggevonden in het monster met de levende bacteriën. In de drie monsters zonder levende bacteriën werd geen calciet gevonden.

Bij de drie monsters waar medium werd gebruikt,

werd ureum verbruikt door groeiende bacteriën in kolom 1 en werd ongemetaboliseerd ureum teruggevonden in kolommen 2 en 3, waar respectievelijk dode en geen bacteriën zaten. Opmerkelijk was zeker ook de aanwezigheid van een kleine hoeveelheid gekristalliseerd Ca2+

*

vakjargon van microbiologen


70

Er werd nog geen verklaring gevonden waarom Ca2+

bij de kolom met de dode bacteriën.

werd neergeslagen als gehleniet (CaO)2Al2O3(SiO2) in de kolom met de dode cellen en als calciet in de kolom met de levende cellen.

Observaties van de monsters met de SEM toonden aan dat de bacteriën dienden als nucleatiesites tijdens het mineralisatieproces. Om het effect van de zuurtegraad te begrijpen, werd CaCO 3-precipitatie onderzocht in afwezigheid van bacteriën door het variëren van zuurtegraad in het water en in het ureumCaCl2-medium.

Daarna werden de chemisch geïnduceerde precipitaten vergeleken met de

biologisch geïnduceerde.

De totale hoeveelheid chemisch geïnduceerde onoplosbare CaCO3

nam toe met toenemende pH, zowel in het water als in het medium. Chemische precipitatie in het medium was lager bij lage pH -waarden en hoger bij hoge pH-waarden dan in het water. 98 % van de oorspronkelijke Ca2+-concentratie was microbiologisch geprecipiteerd tegenover 30 en 54 %

in water en medium op chemische wijze.

De snelheid van microbiologische

CaCO3-precipitatie was gecorreleerd met de groei van de cellen en was beduidend groter dan de snelheid van chemische precipitatie. [41]

2.3.3 BIOLOGISCHE

MORTELS

De degradatie van steen in monumenten, zowel gevels als beelden, wordt vertaald in een verlies van materiaal.

De reparatie en restauratie van deze veranderingen worden totnogtoe

verzekerd door het aanbrengen van een uitvlakmortel met een mengsel van bindmiddelen, aggregaten, toevoegstoffen en water.

Eén van de tekortkomingen van zulke behandelingen is

terug te vinden in de incompatibiliteit op chemisch, petrofysisch en mechanisch vlak tussen de mortel en de steen.

De keuze van een mortel is dus een zeer delicate stap in het

restauratieproces en wordt moeilijker naarmate het materiaal zachter wordt.

Om aan deze

moeilijkheid tegemoet te komen, evolueerde de restauratietechniek naar een nieuw concept: de biologische mortels. [25] [43] De uitgangsidee is gebruik te maken van eigenschappen van bacteriën zoals carbonatogenese, voor het realiseren van de binding van een mortel op basis van steenpoeder.

De eerste tests werden uitgevoerd in 1995 in laboratoriumomstandigheden met een mengsel van bacteriën, steenpoeder en een voedingsmiddel. [25] Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

71

De resultaten waren sluitend: de mortel werd hard, maar optimalisatie van de samenstelling en de bepaling van de juiste toepassingsomstandigheden bleken nodig.

Dit onderzoek werd

gevoerd door het LRMH, het laboratorium microbiogeologie van de universiteit van Nantes en een gespecialiseerd restaurateur, T. Vieweger. A.

Optimalisatie van de granulometrie van het steenpoeder

Als aggregaten werd een steenpoeder van tufsteen gebruikt. varieerden afhankelijk van de korreldiameters.

De holtes tussen de granulaten

Die holtes mochten niet te klein zijn, omdat

bacteriën (1 µm lang en 0,5 µm breed) zich anders niet konden installeren.

De holtes

mochten bovendien ook niet te groot zijn, omdat verbindingen tussen korrels moeilijker werden gevormd.

Bovendien moest het voedingsmengsel kunnen circuleren doorheen het

maaswerk van poriën. De kennis van de vervaardiging van traditionele mortels en het gebruikte type granulaten heeft geholpen bij de optimalisatie van de granulometrie.

Na zeving van het steenpoeder

werden de korrels met diameters 40, 160, 250 en 400 µm getest: in mengsel en apart. Voor elk mortelmonster werden volgende criteria bepaald: •

scheurvorming;

•

homogeniteit van de verharding;

•

aanwezigheid van gasbellen door bacterieel metabolisme;

•

kleur en geur.

De beste resultaten voor tufsteen werden bekomen met de fractie tussen 40 en 160 µm.

Uiteindelijk werden volgende samenstelling en wijze van aanbrengen weerhouden: 1 deel pasta, 1 deel steenpoeder, 2 delen geconcentreerde vloeibare voedingsstof, zonder voeding achteraf. Deze samenstelling is voldoende consistent, maar kan meer vloeibaar gemaakt worden door toevoeging van water. Zo wordt een heel gamma producten verkregen, gaande van een meer vloeibare consistentie tot een metselmortel.

Met het oog op een eerste karakterisatie werden deze mortels bereid volgens bovenstaand recept. Vervolgens werden ze aangebracht op steenfragmenten.


72

B.

Optimalisatie van het voedingsmengsel

Het voedingsmengsel dat voor de eerste experimenten werd gebruikt, was een mengsel voor de vorming van een beschermlaag, geoptimaliseerd om te beantwoorden aan een zekere concentratie aan bacteriën.

De concentratie was aangepast aan de productie van carbonaat,

zonder overtollige producten te hebben, en aan de gebruikte bacterie. In het geval van biologische mortels waren de bacteriën dezelfde, maar waren er 1000 maal meer bacteriën nodig dan in een mengsel voor een beschermlaag.

Bijgevolg moest de

hoeveelheid voedingsstoffen aangepast worden aan de hoeveelheid bacteriën. De simpelste oplossing zou geweest zijn om het eerste voedingsmengsel in de behandeling te concentreren.

Maar een overdaad aan zouten zou nefast zijn voor de productie van

calciumcarbonaat. Na een zeker aantal tests met als parameters de hoeveelheid voedingsstof en de hoeveelheid bacteriën, werd een vloeibare geconcentreerde voedingsstof, specifiek voor biologische mortels, bekomen. C.

Omschrijving van de geschiktheid van een herhaalde voeding

De eerste experimenten met mortels waren gebaseerd op de behandelingswijze voor de beschermlaag, dit wil zeggen met een dagelijkse voeding gedurende de eerste vier dagen na behandeling.

Tijdens de experimenten bleek het zeer moeilijk om het voedingsmiddel door

middel van oppervlaktebehandeling (verneveling) in de massa van de mortel te krijgen, nadat de verharding was ingezet.

Het voedingsmiddel concentreerde zich op het oppervlak van de

mortel en liet gekleurde afzettingen na. de bereiding volstond.

Dit wees erop dat de hoeveelheid voedingsmiddel bij

Voedingen die naderhand gedaan werden, bleken overtollig, omdat ze

door de bacteriën niet werden verbruikt. D.

Optimalisatie van de wijze van aanmaken van de bacteriën

In het begin van de experimenten viel de keuze op een bacterieel, gevriesdroogd mengsel om redenen van conservatie en transport.

Deze vorm van bereiden bleek minder geschikt tijdens

de aanmaak van de mortels (problemen van kleur en opwekking uit de bevroren fase).

Dit

heeft uiteindelijk geleid tot een heroriëntering van de productiewijze voor de stockage van micro-organismen.

Het doel was het behoud van een geconcentreerde, niet-vervuilde

biomassa die gedurende enkele maanden geconserveerd kon worden met instandhouding van potentiële activiteit. Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

73

Een specialist op het gebied van biofixatie (het fixeren van bacteriën op minerale ondergrond) stelde voor voorgaande problemen de techniek van het hypergeconcentreerde flocculaat voor, dat de biomassa vooral eerst moet conserveren zonder het te beschadigen. Deze methode van immobilisatie van cellen beschermt de enzymatische activiteit in het inwendige van de cel. Het flocculaat wordt bekomen door allereerst een coagulatie te realiseren, gevolgd door een flocculatie met een poeder dat de micro-organismen kan fixeren. centrifugering van de biomassa, een zeer delicate operatie, vermeden.

Door dit proces wordt De biofixatie laat dan

toe de biomassa te conserveren. [43]

Drie types flocculaat werden bereid: •

met porseleinaarde;

•

met puur calciumcarbonaat;

•

met steenpoeder van tufsteen.

Bovendien moest het geproduceerde flocculaat grote hoeveelheden bacteriën bevatten, meer dan er na vriesdrogen konden worden gerevitaliseerd.

Voor een optimale productie van 9

calciumcarbonaat is een bacteriële concentratie van minstens 10 cellen per ml nodig.

In werkelijkheid had het flocculaat de neiging te sedimenteren, de bacteriën dreven op. Regelmatige tellingen van bacteriën toonden een progressieve daling aan van het aantal levende organismen in de tijd. Bovendien bleek de mortel cohesie te missen na menging van het flocculaat met de mineralen van de mortel. Het systeem van de immobilisatie werd dus opzijgeschoven.

In de allereerste experimenten naar de haalbaarheid van biologische mortels werden de bacteriën gebruikt in de vorm van een geconcentreerd extract, afkomstig van bioreactoren van maximaal 500 ml (met slechts enkele grammen geconcentreerd bacterieel extract na centrifugatie).

Deze methode bleek, in tegenstelling tot die met het vriesdrogen, het meest

aangepast aan de toepassing van biologische mortels.

Toch moest er rekening gehouden

worden met de problemen die optraden bij de productie in grote hoeveelheden op industriële schaal.


74

Na het op punt stellen van de productieparameters zoals kweekmilieu van de biomassa, pH en zuurstoftoelevering, werd een recept voor een bacteriële pasta uitgewerkt en met succes getest: •

een bacteriële crème samengesteld uit pure cellen van Bacillus cereus (om zoveel mogelijk oncontroleerbare en schadelijke contaminaties te vermijden);

•

een bacteriële concentratie van 109 of meer per ml;

•

een lichtbeige kleur volgens de kleurencode van Munsell. [43]

Voor de conservatie van de verkregen pasta werd de techniek van het bevriezen van de biomassa snel verlaten uit vrees voor een te groot verlies aan micro-organismen bij het ontdooien.

Uiteindelijk werd een stockage voorzien met een conditionering in kleine potten

op een temperatuur van 3 à 4° C. Deze voorwaarden lieten een conservering van minimum 7 weken toe.

Na deze bevindingen werd een productie van 50 liter opgestart in een gistingstank.

Uit 32

9

liter mout, met een concentratie van 3.10 levende cellen per ml, werd door centrifugatie 827 gr Bacillus cereus-crème gerecupereerd.

Na conditionering en toevoeging van een

schimmeldodend product, toonden tellingen na een dag, na één en na twee weken, aan dat de bacteriën zich opnieuw vermenigvuldigden.

Bovendien werd ook geen enkele ander vorm

van contaminatie vastgesteld. E.

Optimalisatie van de wijze van aanmaken van de mortel

Deze optimalisatie had te maken met het evenwicht tussen de hoeveelheid bacteriën en steenpoeder om een cohesieve mortel te verkrijgen.

Proeven werden uitgevoerd met een

variërende hoeveelheid steenpoeder bij eenzelfde hoeveelheid bacteriën: 1 deel bacteriële pasta tegenover 1, 2, 3, 4, 7 of 9 delen steenpoeder. voedingsmengsel toegevoegd.

Bij elke proef werd 1 deel

Nadien werd het mengsel zodanig gehydrateerd, dat het

smeuïg werd. De proefstukjes werden gedroogd op kamertemperatuur.

De evaluatiecriteria voor de mortels waren de volgende: •

het uitzicht;

•

de kleur volgens de code van Munsell;

•

de aanwezigheid van drijvende vloeistoffen;


75

•

de aanwezigheid van microscheuren;

•

de breukweerstand.

De resultaten van de tests lieten toe de samenstelling verder op punt te stellen: 1 deel bacteriële pasta, 1 deel voedingsmiddel en twee delen steenpoeder.

De eerste proefstukjes werden aangemaakt volgens voorgaand recept en in kleine vormen gegoten, met vergelijkbare grootte als de referentie-steenfragmenten

van

tufsteen.

Andere proefstukjes werden gevormd door een hoeveelheid mortel op een tufstenen fragment aan te brengen.

Op deze manier

konden ook de textuur en het contact tussen mortel en steen worden beproefd. Figuur 2.10: Biologische mortel op basis van kalksteenpoeder [25]

Observaties

met

de

optische

microscoop,

uitgevoerd op slijpplaatjes loodrecht op het monsteroppervlak, gaven volgende resultaten: •

de referentie-tufsteen vertoonde een homogene, fijn poreuze structuur.

De matrix

bestond uit gecarbonateerde kristal- of rotsdeeltjes, microcalciet, kwartskorrels en glauconiet; •

de mortel had een homogene, fijne microporeuze structuur met enkele sferische poriën met een grootte tussen 0,1 en 2 mm. Het materiaal was samengesteld uit kalkmodder (micrite), dat de microkorrels van calciet, kwarts en glauconiet omsluierde.

Het

contact tussen de korrels en de matrix leek vrij coherent. Observaties met de SEM gaven volgende resultaten: •

de

referentie -tufsteen

had

een

microporeuze

microstructuur,

opgebouwd

uit

calciumcarbonaat, kwarts en kristobalietkorrels. De samenhang was eerder los en gaf bijgevolg een zwakke cohesie; •

de mortel liet een microporeuze microstructuur zien met een zwakke cohesie.

De

matrix

en

was

voornamelijk

opgebouwd

uit

calciumcarbonaat,

kwartskorrels

biocarbonaat. Deze laatste waren goed verspreid in de matrix. [43]


76

Porositeitsmetingen toonden aan dat de mortels een veel kleinere porositeit hadden dan de tufsteen. Onderzoek van slijpplaatjes van de interfase tussen mortel en steen liet toe te stellen dat het contact tussen de twee goed en continu was.

Samenvattend kan dus worden gesteld dat, om een biologische mortel op basis van tufsteen aan te maken, 1 deel pasta van Bacillus cereus aan 109 cellen per ml moet gemengd worden met 2 delen steenpoeder met een granulometrie tussen 40 en 160 µm.

Om de

bacterielichaampjes niet te breken, moet deze menging met de nodige omzichtigheid worden uitgevoerd. Dit basismengsel kan meer vloeibaar worden gemaakt door water toe te voegen. Op deze manier kan een heel gamma producten worden bekomen, gaande van een meer vloeibare consistentie tot een pasteuze mortel. F.

Experimenten in situ

Parallel aan de experimenten in het laboratorium werden vanaf 1996 testen uitgevoerd op de sterk verweerde tufsteen van het 12de eeuwse portaal van de kerk in Argenton-Château, Frankrijk.

Deze verweringen hadden materiaalverlies tot gevolg en dit veroordeelde de

beelden tot een kortere levensduur met een steeds kle iner wordende “leesbaarheid” van de sculpturen. Een restauratiecampagne met biologische mortels werd gestart en verliep in twee fasen.

De klassieke restauratiemortels konden hierbij niet worden gebruikt, aangezien deze te

zwaar waren voor enkele beelden in het portaal. Bovendien was een gewone mortel minder soepel te hanteren.

De eerste stap was een sanering van de oppervlakken door het wegnemen van biologische begroeiing, allesbedekkende witkalken en steengruis en het verwijderen van vervuiling met de laser. De tweede fase bestond erin de stenen te conserveren.

Er werden consolidaties uitgevoerd,

afdichtingen geplaatst, injecties toegepast en oppervlaktebehandelingen onder de vorm van witkalken uitgevoerd.

De eerste experimenten met biologische mortels werden uitgevoerd op testvlakken van de kerk. Deze werden uitgezocht in functie van de verwering van de steen en afhankelijk van het type interventie: Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

77

•

behandeling met een biologische mortel alleen, op een sterk verweerd beeldhouwwerk in een hoek en op een zijkolom aan de rechterkant van het portaal;

•

behandeling met een biologische mortel na een consolidatie met ethylsilicaat op een gebeeldhouwd element in een boog of op een kapiteel aan de rechterkant van het portaal.

Na enkele weken van uitharding, en rekening houdend met de resultaten, werden de behandelingen uitgebreid naar het hele portaal.

Verschillende complementaire tests maakten

het mogelijk de aanmaak en de toepassing van de techniek te verbeteren en het procédé geschikt te maken om op werven toe te passen.

Zo bleek dat het aangemaakte product binnen de 24 uren na aanmaak moest verwerkt worden op omgevingstemperatuur, daar de hechting tussen mortel en substraat minder was. Het aanbrengen van het product moest gebeuren met een spatel, een pincet of een spuit.

De keuze van

hulpmiddel Figuur

2.11:

Aanbrengen

van

de

hing af van

biologische mortel met een borstel [43]

de verwering.

Het aanbrengen moest zodanig gebeuren dat de lichaampjes van de nog levende bacteriën niet werden platgedrukt. Figuren 2.11 en 2.12 tonen

Figuur 2.12: Aanbrengen van de biologische

deze voorzichtige manieren van aanbrengen.

mortel met een spuit [43]

Vier weken na het aanbrengen van de mortel was de carbonatogenese afgelopen. De mortel was verhard en de uiteindelijke, gewenste vorm en textuur van de beelden kon bekomen worden door gebruik te maken van scherpe hulpmiddelen zoals raspen en stijve borstels. De uiteindelijke kleur kon worden bekomen op twee manieren: ofwel door het toevoegen van minerale pigmenten die het mengsel kleuren bij de aanmaak van de mortel, ofwel via de toepassing van een patina door een biomineralisatie achteraf.


78

De werken werden afgerond midden 2000. De resultaten toonden een perfecte integratie van de biologische mortels in het grotere geheel van het portaal. Dit experiment zou toelaten de veroudering van deze nieuwe mortels op te volgen.

Het gevaar bestond erin dat de

biologische mortels, die brozer waren dan de stenen, niet zouden weerstaan aan de weersinvloeden.

In dat geval zou de mortel verbrokkelen zonder verdere schade aan te

richten aan het omringende materiaal (bij hydraulische mortels zou dit wel het geval zijn). G.

Conclusies

De experimentele toepassing van een biologische mortel op de kerk van Argenton-Château was de eerste in een (waarschijnlijk) lange rij.

Het gebruik van het brede gamma aan

producten eiste hierbij een enorme stiptheid wat betreft uitvoeringswijze om een goed resultaat te bekomen. En hoewel de voorwaarden voor het gebruik van deze nieuwe techniek strenger waren dan bij de klassieke restauratiemortels, was het resultaat bijzonder goed: het mortelmateriaal evolueerde mee met de rest van het beeldhouwwerk en er was geen verschil te merken in kleur of textuur. De bacteriën vormden door te verstenen tijdens het proces van biomineralisatie, een netwerk van CaCO 3 dat zich gedroeg als een brug, een verbinding tussen de korrels. Het gevormde materiaal lag op deze manier dicht bij het oorspronkelijke materiaal en bevatte geen enkele hydraulische of synthetische verbinding.

Door de realisatie van dit project werd een grote kennis opgedaan voor de biologische mortels op basis van tufsteen, complementair aan de resultaten in het laboratorium.

Synthese van

deze gegevens laat toe de techniek aan te passen voor andere toepassingen voor het procédé, zoals mortels met poeders van andere steensoorten en mozaïeken. ook

uitgebreid

worden

met

andere

karakterisaties:

Deze experimenten zullen

elasticiteitsmodulus,

capillariteit,

druksterkte, … Dit principe van tussenkomst op minimalistische manier en met nieuwe technologie kadert perfect in de huidige ethiek van de restauratie en conservatie, die een duidelijke voorkeur heeft voor een zachte conservering. Uiteraard speelt de vakkundigheid van de restaurateur bij de uitvoering een grote rol. [43]


79

2.4 UITBREIDING

NAAR BETON

Het toepassen van biomineralisatie is tot dusver veelal beperkt gebleven tot kalksteen oppervlakken.

Maar aangezien het scheuren van beton een veel voorkomend fenomeen is,

zou het ook interessant zijn om het proces toe te passen op betonoppervlakken.

Zonder

afdoende behandeling zullen de aanwezige microscheuren in beton zich verder zetten en dure reparaties nodig maken. [25] [26] [44] Er bestaan reeds technieken en producten voor de remediëring en de preventie van scheuren in beton: epoxy harsen, toevoeging van staalvezels of polypropyleenvezels,…

Hoewel het

met deze producten mogelijk is de effecten van het scheuren te verminderen, wordt nog steeds onderzoek gedaan naar mogelijke alternatieven. [25]

Een van de onderwerpen van dat onderzoek is de toepassing van biomineralisatie bij scheuren in beton.

Ook hier wordt gebruik gemaakt van microbiële minerale precipitatie van calciet.

Dit calciet is onschadelijk voor de omgeving, in tegenstelling tot de synthetische polymeren die tegenwoordig gebruikt worden voor het herstel van beton. [32] De sterk basische pH van beton is een storende factor in de groei van Bacillus pasteurii, waarvoor de optimale pH voor groei rond 9 is gelegen. [44]

Dit probleem kan verholpen worden door de bacteriën te

immobiliseren in een polyurethaan (PU) matix. [42]

In een onderzoek van 2001 [44] werd het effect van het type en de hoeveelheid microorganismen op de druksterkte van portlandcementblokjes nagegaan.

Ook werden waarden

van stijfheid en druksterkte van mortelbalken en kubussen met variaties in scheurdiepte en microbiële celconcentraties vergeleken, om zo de doeltreffendheid van microbiologische remediëring van scheuren in beton na te gaan.

De bacteriën in deze test waren van de stammen Bacillus pasteurii en Pseudomonas aeruginosa .

De mortelblokjes werden gemaakt met portland cement, zand en kraanwater.

Medium en bufferoplossingen voor de bacteriën werden aangemaakt met gedestilleerd water. De druksterkte van de referentieblokjes bedroeg 47 MPa na 7 dagen en 55 MPa na 28 dagen.


80

Om het effect van de biomassa na te gaan, werden twee verschillende mortelsamenstellingen aangemaakt: 1 set met een zuivere cultuur van Bacillus pasteurii en een 2de met gelijke hoeveelheden van Bacillus pasteurii en Pseudomonas aeruginosa.

Voor het vergelijken van stijfheden werden scheuren met verschillende diepte (3,175 mm en 9,525 mm) en constante breedte (3,175 mm) gesimuleerd in de mortelbalkjes.

Een deel van

de balkjes onderging geen behandeling en werd gebruikt als referentie. De scheuren van het andere deel werden opgevuld met een mengsel van zand en Bacillus pasteurii. Deze laatste blokjes werden daarna in een CaCl2-medium geplaatst gedurende een maand. Na twee weken werd het medium voorzichtig vervangen om de precipitatie op de monsters niet te verstoren. Alle blokjes werden na 28 dagen getest op stijfheid door middel van een driepuntsbuigproef.

Ook voor het vergelijken van druksterktes werden twee proeven uitgevoerd: een eerste waarbij scheuren met variërende diepte (12,7; 19,05 en 25,4 mm) gesimuleerd werden in mortelbalkjes en een tweede waarbij variërende celconcentraties (2,6.107; 5,2.107 en 2,6.108 cellen per cm³ monster) in de scheuren (3,175 en 25,4 mm) werden aangebracht. Voor de eerste test werden de helft van de scheuren opgevuld met zand. De andere helft werd behandeld met een zand-bacterie-mengsel. ureum-CaCl2-oplossing bewaard.

Alle blokjes werden gedurende 28 dagen in een

Ook hier werd na twee weken het medium zorgvuldig

vervangen. Na 28 dagen werden alle blokjes getest op de drukbank. Voor de tweede test werden nieuwe mortelbalkjes aangemaakt en werden scheuren met constante afmetingen gesimuleerd.

Een eerste set van mortelbalkjes werd niet behandeld en

diende als referentie. De scheuren van het tweede set balkjes werden gevuld met een zandwatermengsel en werden daarna in water gelegd. Een derde set kreeg ook een scheurvulling met een mengsel van zand en water, maar de blokjes werden naderhand in ureum-CaCl2medium gelegd.

Drie verschillende celconcentraties werden getest.

Ook hier werd het

medium na twee weken vervangen en werden alle mortelbalkjes na 28 dagen getest op druksterkte.

De belangrijkste resultaten van deze experimenten waren: •

aanwezigheid van chloride-ionen had een negatieve invloed op de druksterkte van de blokjes.

Voordat bacteriën aan de mortel mochten toegevoegd worden, moesten

chloride-ionen zo grondig mogelijk worden weggespoeld; Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

81

•

de druksterkte van de mortelblokjes met biomassa was hoger dan die van de referentiestukken. celconcentratie.

De

druksterkte

na

7

dagen

nam

toe

met

toenemende

Voor het mengsel van de twee bacteriestammen nam de druksterkte

na 28 dagen toe met toenemende concentratie aan levende cellen. Voor het mengsel met uitsluitend Bacillus was er een tegenovergesteld effect te merken; •

de rol van Pseudomonas in de versterking van de cementmatrix was niet groot. De sterkte van de kubussen hing af van de hoeveelheid Bacillus. Bij lagere concentraties verhoogde de aanwezigheid van Bacillus de druksterkte. Een toename van microbiële biomassa, vooral wat betreft dode cellen, verminderde de druksterkte. Deze algemene trend van afname van de druksterkte van de mortel na 28 dagen was te verklaren door het gedrag van biomassa in de cement-matrix. In eerste instantie was de mortel een poreuze structuur, waardoor de bacteriën voldoende voeding te verwerken kregen. Tijdens het groeien precipiteerde calciet op de celwand en werd de mortel minder poreus en minder doorlaatbaar.

Wanneer de meeste poriën dicht waren, viel de

voedingsstroom voor de bacteriën weg.

Deze micro-organismen stierven af of

veranderden in endosporen. Dode cellen bleven achter in de matrix en gedroegen zich als organische vezels en verhoogden daardoor de druksterkte.

Dit verklaart waarom

de druksterkte ongeveer constant bleef na 28 dagen: de daling door vermindering in celpopulatie door gebrek aan nutriënten werd gecompenseerd door de werking als organische vezels van de dode bacterien; •

de stijfheid van de balkjes, behandeld met zand en bacteriën, was groter dan de stijfheid van de controlebalkjes.

Balkjes met diepere scheuren vertoonden een lagere

stijfheid. De aanwezigheid van Bacillus pasteurii gaf meer effect bij het opvullen van ondiepe scheuren dan bij diepe scheuren, omdat bacteriën actiever groeiden in de nabijheid van zuurstof. Bij fysische controle van de monsters bleek dat de zandkorrels samen werden gehouden door CaCO3.

Zelfs nadat de balkjes waren getest, bleven

zandpartikels samen. Hieruit werd geconcludeerd dat de CaCO 3-precipitatie tussen de korrels de zandkorrels had samengekit en dat dit ook de scheur kon dichten. •

De druksterkte van de monsters nam af met toenemende diepte van de scheuren, waarbij aanwezigheid van micro-organismen geen verschil maakte.

De duidelijkste

toename in druksterkte (61 %) werd waargenomen in het blokje met de diepste scheur (25,4 mm) in aanwezigheid van Bacillus pasteurii. Hierbij nam de druksterkte toe van 21 naar 34 MPa. Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

82

•

Bij de test met de variërende concentratie aan bacteriën vertoonden twee van de drie sets met bacteriën een hogere druksterkte.

Deze bedroeg 44 en 46 MPa voor de

behandelde blokjes tegenover 42 MPa voor de referentie. In de controlegroep van die test, dus de blokjes zonder bacteriën, waren de blokjes die bewaard werden in medium sterker (42 MPa) dan degene die bewaard werden in water of lucht (34 en 36 MPa).

Samengevat kan gezegd worden dat calcietprecipitatie door Bacillus pasteurii effectief was bij remediëring van scheuren, maar niet bij verbetering van sterkte. [25] [26] [44]


83

Hoofdstuk 3

Proeven

Voor het experimentele deel van dit eindwerk werden twee reeksen proeven uitgevoerd. De eerste reeks proeven bestond uit het chemisch herstel van betonblokjes die vooraf versneld werden aangetast in de sulfaatkast. In de tweede reeks proeven werd onderzocht of biologisch herstel van mortelblokjes door middel van biomineralisatie mogelijk was.

Het onderzoek

vormt een verkenning van de mogelijkheden voor toepassingen van biomineralisatie op beton en mortel.

3.1 CHEMISCH

HERSTEL

Het is algemeen geweten dat atmosferische SOx, in combinatie met vochtigheid, marmer en natuursteen oppervlakken die niet in rechtstreeks contact komen met regenwater transformeert in gips.

Bovendien zetten gesuspendeerde vuildeeltjes zich af op gesulfateerde oppervlakken

door de ruwheid van het oppervlak en door de sorptie-eigenschappen van gips.

Hierdoor

veranderen kleur en voorkomen van deze vlakken. [45]

Om deze verwering tegen te gaan, werd door T. Skoulikidis en P. Papakonstantinou [45] in 1992 een methode gevonden om de gipsfilm te consolideren en weer om te zetten in CaCO3. In hun onderzoek gebruikten de onderzoekers marmer van dezelfde groeve als de stenen van de Acropolis in Griekenland.

Hun proefstukken werden versneld verweerd in een omgeving

van 50 % SO2 en 50 % met waterdamp verzadigde lucht op 25° C. Voor de omzetting van gips naar carbonaat was het nodig de oppervlakken te bespuiten met K 2CO3. CaSO4 .2 H 2 O + K 2 CO3 → CaCO3 + K 2 SO 4 + 2 H 2 O

(3.1)

De snelheid van reactie 3.1 bleek echter zeer traag. Daardoor was het nodig de proefstukjes meerdere malen te bespuiten binnen een periode van 3 maanden. In een verder stadium van het onderzoek werden ook vlakke oppervlakken van de Acropolis behandeld.


Naderhand

84

werd vastgesteld dat niet alleen het gips weer omgezet was in CaCO3, maar dat de oppervlakken ook gereinigd waren. [45]

De proeven, die in het kader van dit eindwerk werden uitgevoerd, lagen in de lijn van het onderzoek van T. Skoulikidis en P. Papakonstantinou: verweerde betonblokjes werden behandeld met K2CO 3. Proefstukjes en proeven Uit een betontegel, gemaakt met cementsoort CEMII/B-M, werden 15 balkjes met een lengte van 20 cm, een hoogte van 3 cm en een breedte van 5 cm gezaagd. CEM II/B-M is een portlandcomposietcement, bestaande uit 65 tot 79 % klinker en een mengsel van toegestane bestanddelen zoals gegranuleerde hoogovenslak, puzzolanen, gebrande leisteen en kalksteen. Ook werden een tiental kleine proefstukjes gezaagd om later te bekijken met de elektronenmicroscoop om eventuele verstoring van het monsteroppervlak door zagen te vermijden.

Vijf van de balkjes bleven onbehandeld en dienden als referentie.

Tien balkjes

werden gedurende 30 dagen versneld aangetast in de SO2-kast (zie paragraaf 3.1.1.A).

Van

die gesulfateerde balkjes werd slechts een deel behandeld met K2CO3 0,3 M.

Er werd gekozen voor drie verschillende behandelingen gedurende 60 dagen met K2CO3, om eventuele verschillen tussen de behandelingswijzen na te gaan.

De eerste wijze bestond uit

het bespuiten van de bovenzijde van de proefstukjes met de K2CO 3-oplossing. Bij de tweede manier werden de proefstukjes vóór het bespuiten eerst afgespoeld met water, om de K2SO4zouten (vergelijking 3.1) weg te spoelen.

Bij de derde en laatste methode werden de

proefstukjes volledig ondergedompeld in de K2CO 3-oplossing, om de K2SO4-zouten in oplossing te brengen.

Doel Deze testen werden uitgevoerd om na te gaan of gips, gevormd door SO 2 en vochtigheid op een betonoppervlak, via chemisch herstel kon worden omgezet in CaCO3.


85

3.1.1 GEBRUIKTE

TOESTELLEN

Bij de proeven voor chemisch herstel werden verschillende toestellen gebruikt: een SO2-kast voor de versnelde aantasting, een Form Taylorsurf-ruwheidsmeter voor het meten van de ruwheid, Karstenpijpjes voor de oppervlakteporositeit. de

lichtmicroscoop,

de

elektronenmicroscoop

en

Tenslotte werd gebruik gemaakt van de

techniek

van

EDX

voor

het

microscopisch onderzoek van de proefstukjes. A.

SO2-kast

Deze proefopstelling is ontworpen om bij 40 °C en 100 % relatieve vochtigheid, de resistentie van anti-corrosie systemen te bepalen. [46] Proefkamer De

proefopstelling

afgesloten

moet

proefkamer

minstens 300 liter.

met

gebeuren een

in

een

volume

van

Opdat eventuele corrosie van

de wand de proef niet zou beïnvloeden, moeten de

wanden

vervaardigd

uit

corrosiebestendig

zijn.

De

kamer

materiaal moet

een

verwarmbare bodemkuip van minstens 2 cm hoog

hebben.

Het

deksel

moet

zodanig

ontworpen zijn dat het condensatiewater niet op de proefstukken afdruipt. In de ruimte hangt een regelthermometer die de temperatuur op 40 °C houdt. (figuur 3.1) Figuur 3.1: SO2-kast

Proefvoorwaarden De proefcyclus bestaat uit twee fasen. In een eerste fase worden de proefstukken aangetast. De proefstukken worden in de SO2-kamer geplaatst rekening houdend met volgende randvoorwaarden: •

minimum-afstand tot de wand: 100 mm;

•

minimum-afstand van de onderkant van de proefstukjes tot het wateroppervlak: 200 mm;

•

minimum-afstand tussen de proefstukjes onderling: 20 mm.


86

Vervolgens moet een tweetal centimeter gedestilleerd water worden aangebracht. afsluiten van het deksel wordt de nodige zwaveldioxide toegevoegd.

Na het

De SO2-concentratie

bedraagt 0,33 vol% voor de totale SO 2-kast, bij een volume van 300 liter komt dit overeen met 1,0 liter SO2. Nadat het SO2 is toegevoegd, wordt de kast verwarmd tot een temperatuur van 40 ± 3 °C. Deze temperatuur moet gehaald worden na ongeveer anderhalf uur. Door de temperatuursverhoging ontstaat in de kast een zwaveldioxide damp die de proefstukken aantast. Deze aantasting duurt acht uur.

In de tweede fase wordt de verwarming afgezet en de SO2-kast geopend. De lucht en damp uit

de

SO2-kast

worden

weggezogen om na ongeveer anderhalf uur te voldoen aan de proefvoorwaarden (18 tot

Proefvoorwaarden Temperatuur Tijdsduur Relatieve luchtvochtigheid SO2-concentratie begin deelcyclus

28 °C en een maximale relatieve

vochtigheid

Fase 1 40±3 °C 8 uur ~100 % 0,33 vol%

Fase 2 18 tot 28 °C 16 uur max. 75 % /

Tabel 3.1: Proefvoorwaarden

van

75%). Deze proefvoorwaarden zijn ook terug te vinden in tabel 3.1. Een “goede” aantasting werd verkregen na 30 cycli. [46] B.

Ruwheidsmeter

De Form Taylorsurf 120L van Rank Taylor Hobson (zie figuur 3.2) is een hightech apparaat voor de analyse van oppervlakken, zowel de geometrie als de ruwheid. In dit onderzoek wordt het toestel enkel als ruwheidsmeter gebruikt. [47] De meetarm, met een bereik van 120 mm, is bevestigd op een kolom en heeft een positioneringsnauwkeurigheid van 0,5 µm.

Op het eind van deze

scharnierende arm is een naald bevestigd.

Het

uiteinde van die naald is een diamanten conus met een topstraal van 1,5 µm.

Het is deze diamanten Figuur 3.2: Ruwheidsmeter

conus die over het oppervlak beweegt. oefent

een

verwaarloosbare

kracht

De naald

van


1mN

uit

op

het

oppervlak,

waardoor

de 87

oppervlaktetextuur niet beïnvloed wordt door de naald. De uitwijking van die naald wordt via een laser-interferometer opgemeten met een nauwkeurigheid van 0,01 µm. metrologietoepassingen is de laser een He/Ne-laser. schokabsorberende onderleggers.

Zoals in vele

Het geheel is gemonteerd op

Een elektronische interface-module zorgt voor de link

tussen de meeteenheid en de computer, die instaat voor de sturing en de berekening. In de eerste stap wordt het ruwe profiel opgemeten en dusdanig weergegeven op het scherm. In een volgende stap worden gegevens bewerkt door er een aantal correcties op door te voeren (het stuk ligt niet horizontaal, gebruik van filters). In een laatste stap wordt op basis van deze gewijzigde data de gevraagde ruwheidsparameters berekend. Om tot een zinvol resultaat te komen, moeten een zestal instellingen doordacht geregeld worden.

Deze zijn de werkingsmode, de cut-off lengte, het evaluatie-interval, het filtertype,

de bandbreedte en de parameters.

De werkingsmode Er zijn twee werkingsmodes beschikbaar: ruwheid (roughness) en golving (waviness).

In de

ruwheidsmode wordt de cut-off lengte gebruikt om oppervlakte-effecten die met een groter interval (of golflengte) voorkomen weg te filteren.

In de golvingsmode worden daarentegen

golflengtes met een kleinere waarde dan de cut-off lengte weggefilterd. Enkel de ruwheidsmode wordt weerhouden omdat glooiingen van het oppervlak niet beïnvloed worden door de SO2-aantasting en het chemisch herstel.

De plaatselijke

onregelmatigheden zijn wel een belangrijk meetgegeven om na te kijken of er enig effect is van het chemisch herstel.

De cut-off lengte De term cut-off lengte verwijst naar de grootste spatiëring van een oppervlakte-eigenschap waarop het instrument nog zal reageren indien men werkt in de ruwheidsmode.

Omgekeerd

zal het de kleinste spatiëring zijn waarop het instrument reageert in de golvingsmode. Bij een cut-off lengte van 2,5 mm worden glooiingen groter of gelijk aan 2,5 mm niet in de resultaten verwerkt bij de ruwheidsmethode.

Het evaluatie-interval Het evaluatie-interval is de afstand waarover gemeten wordt op het oppervlak. Dit is een in te stellen geheel veelvoud van de cut-off lengte. moet dit veelvoud groter zijn dan 5.

Om redenen van statistische nauwkeurigheid

Bij een afstand van 25 mm (dus 10 keer de cut-off


88

lengte) worden 100.000 punten opgemeten. Deze afstand moet representatief zijn voor het monster, pas dan geeft dit een betrouwbaar resultaat.

Het filtertype De cut-off lengte is een grenswaarde voor de respons.

Dit is

echter geen scherpe grens in de responskarakteristiek (niet alle golflengtes groter dan 2,5 mm worden verwijderd).

Het filtertype

geeft aan hoe de vermindering in de responskarakteristiek zal gebeuren in de buurt van de cut-off lengte. De Gaussiaanse filter vervormt de gegevens het minst en wordt

Curve A B C D E

Cut-off 0,08 0,25 0,80 2,5 8,0

Tabel 3.2: Transmissiekarakteristiek curve met cut-off [47]

Figuur 3.3: Filter transmissiekarakteristieken [47]

dan

ook

bij

de

metingen

gebruikt.

De

uiteindelijke transmissiekarakteristieken zijn

weergegeven in figuur 3.3 en bijhorende tabel 3.2. Bij het doorvoeren van deze vermindering in de transmissiekarakteristiek gaat een deel van het evaluatie-interval ter grootte van de cut-off lengte verloren. Hierdoor blijft er nog 9 keer de cut-off lengte over als uiteindelijk resultaat. De bandbreedte In de ruwheidsmode is de cut-off lengte zowat een bovengrens van wat detecteerbaar is in het oppervlakteprofiel.

Dit laat misschien vermoeden dat er geen ondergrens zou zijn voor wat

aan oppervlaktegolflengte kan gedetecteerd worden. zal echter altijd een ondergrens opleggen. Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

Eén of andere constructieve eigenschap

Voorbeelden zijn de eindige afmeting van de 89

naaldtop of de responskarakteristiek van het meetsysteem.

De band tussen die kortst

detecteerbare golflengte en de cut-off lengte wordt de bandbreedte genoemd en wordt weergegeven als een verhouding van de twee beperkende golflengtes. Bij een meting met een cut-off lengte van 2,5 mm en een bandbreedte van 300:1 is de minimale meetbare golflengte 8,3 µm. De parameters De belangrijkste parameters bij evaluatie van de ruwheid zijn Ra, Rq, Rt, Rz (ISO) en Rz (DIN). [47]

Ra is de meest gebruikte ruwheidswaarde en geeft het rekenkundig gemiddelde van de absolute waarde van de afwijking y(x) ten opzichte van de gemiddelde lijn: L

1 y( x) dx L ∫0

Ra =

(3.2)

Rq geeft de gemiddelde kwadratische afwijking van het profiel tot de gemiddelde lijn:

Rq =

L

1 2 y ( x)dx L ∫0

(3.3)

Rt geeft het verschil tussen de maximale positieve afwijking (R p) en de maximale negatieve afwijking (Rv) ten op zichte van de gemiddelde lijn:

Rt = R p − Rv = max( y( x) ) − min ( y( x) )

(3.4)

Rz (ISO) geeft het gemiddelde verschil tussen de vijf grootste positieve en de vijf grootste negatieve afwijkingen: 5

R z (ISO) =

5

∑ R pi − ∑ R vi 1

1

5

(3.5)

met Rvi de i-de grootste positieve afwijking tot de gemiddelde lijn en Rvi de i-de grootste negatieve afwijking tot de gemiddelde lijn.


90

Rz (DIN) geeft het gemiddelde van alle Rt waarden gemeten per cut-off lengte: R z (DIN ) =

C.

1 n ∑ Rti n 1

(3.6)

Karstenpijpjes

De oppervlakteporositeit wordt gemeten met behulp van de absorptiepijp, beter gekend als Karstenpijp. (figuur 3.4) De metingen worden verricht onder een begindruk van 92 mm waterkolom. Dit komt overeen met de statische werking van een wind van ±140 km/h berekend met de formule: Q (k g / m ² ) =

v ² (m / s ) 16

(3.7)

waarin de hoogte van de waterkolom (mm) overeenstemt met de druk (kg/m²) uitgeoefend door deze kolom aangezien

p = h met ? = 1000 kg/m³. ρg

De afdichting tussen de buitenrand van de glazen pijp en het beproefde materiaal wordt verzekerd door middel van een speciale niet-hardende en niet-bevlekkende kit.

De metingen na de vulling van de pijp bestaan in het aflezen van de daling van het waterpeil in de buis naarmate

het

geabsorbeerd.

water

door

het

materiaal

wordt

De buis heeft een verdeling in tienden

van ml. (1 ml = 1 cm³)

Het absorptieverschil tussen de metingen verricht na 15 en 5 minuten geeft een absorptiegraad die quasi onafhankelijk

is

van

de

oorspronkelijke

vochtigheidsgraad van de ondergrond. [48] Figuur 3.4: Karstenpijpjes [48]


91

Proefopstelling Aangezien de oppervlakken van de proefstukjes te klein waren voor de hierboven beschreven Karstenpijpjes, gezocht.

werd

een

alternatief

Dit werd gevonden in glazen

pijpjes zonder verbrede pijpmond.

De

aflezing gebeurde op millimeterpapier dat op het pijpje werd bevestigd.

1 mm

hoogteverschil kwam overeen met 0,1 ml absorptieverschil.

Bovendien was vooral

het verschil in waterhoogte van belang, waardoor de aangepaste proef een valabel alternatief was. (figuur 3.5) Figuur 3.5: Proe fopstelling Karstenpijpjes

D.

Lichtmicroscoop

De lichtmic roscoop of optische microscoop is het meest verspreide analyse-instrument voor het bestuderen van de microstructuur van materialen.

Werkingsprincipe Invallend licht wordt via een lenzenstelstel gefocusseerd op het monster. Door het weerkaatsend licht wordt een vergroot

beeld

verkregen

van

macrostructuur van materialen.

de

micro-

of

De beelden worden met

een camera gecapteerd en (eventueel digitaal) verwerkt. Figuur 3.6 toont de lichtmicroscoop waarmee de analyses in dit eindwerk werden uitgevoerd. To epassingsgebied De lichtmicroscoop wordt onder meer gebruikt bij het macroscopisch bouwmaterialen,

onderzoek

van

slijtage,

lassen,

verwering

van

oppervlaktefouten,

Figuur 3.6: Lichtmicroscoop

morfologie en schadeanalyse. [49]


92

E.

SEM/EDX

Scanning Elektronen Microscopie Scanning Elektronen Microscopie (SEM) is een techniek die het mogelijk maakt om fijne structuren aan het oppervlak van cellen en materialen te bekijken en te onderzoeken.

De

opstelling ervan is weergegeven in figuur 3.7. [50]

Figuur 3.7: Scanning elektronenmicroscoop

Energie Dispersie analyse va n X-stralen De spectrometrische analyse door energie-dispersie van de X-stralen (EDX) maakt het mogelijk de plaatselijke chemische samenstelling van het onderzochte voorwerp te kennen. [51] Werkingsprincipe Bij de SEM worden elektronen uit een emissiebron vrijgemaakt en in een hoge spanningsveld versneld.

Deze zogenaamde primaire elektronen worden in een kolom onder vacuüm via

elektronische lenzen tot een bundel gefocusseerd en volgens een scanpatroon punt voor punt op het object gebombardeerd.

Als gevolg hiervan worden vanuit elk punt op het object

secundaire en ‘backscattered’ elektronen losgeslagen.

De hoek en snelheid waarmee de

secundaire elektronen vrijkomen zijn kenmerkend voor de oppervlaktestructuur van het object.

De backscattered elektronen geven densiteitsverschillen weer.

De elektronen worden

door een detector opgevangen en tot een elektronisch signaal omgezet.


Dit signaal wordt

93

versterkt en verwerkt tot een video scanbeeld dat op een monitor te zien is of tot een digitaal beeld dat bewaard en verder bewerkt kan worden. Door het bombardement worden niet enkel elektronen losgeslagen, maar er worden ook Xstralen vrijgezet door het terugvallen van atomen naar een schil met een lagere energieinhoud.

Deze X-stralen zijn karakteristiek wat betreft energie-inhoud en golflengte en ze

geven ook aan welke schillen elektronen hebben verloren en naar welke schillen elektronen zijn teruggevallen.

De hoeveelheid energie in de stralen hangt bijgevolg af van het materiaal

dat wordt onderzocht. Bij EDX worden deze stralen opgevangen en kunnen de samenstellende elementen van een specifiek punt met afmetingen kleiner dan een speldenkop, op het monster bepaald worden. [50] [51]

Preparatie van monsters De monsters moeten bestand zijn tegen hoog vacuüm en mogen dit vacuüm niet verstoren door verlies van watermoleculen en gassen.

Daarom is het voor sommige monsters nodig

deze vooraf te drogen in de oven. Metalen, polymeren en kristallen leveren meestal weinig probleem op en behouden hun structuur in de SEM.

Biologisch materiaal echter vergt een speciale behandeling vooraf:

voorfixatie met koude stikstof (cryo-fixatie) of chemische middelen.

Met de SEM kunnen monsters tot 10 mm dwarsafmeting worden bekeken.

Het proefstukje

wordt op een houder geplaatst en vastgelijmd met een sneldrogende koolstoflijm. SEM en EDX zijn technieken zijn betrekkelijk eenvoudige technieken.

Als het materiaal waaruit

het monster is gemaakt niet geleidend is, moet het oppervlak

geleidend

gemaakt

worden

statische elektriciteit uit te schakelen.

om

de

Dat kan

gebeuren door een heel dun laagje van een edel metaal, goud of goud-palladium, aan te brengen met een sputter coater. Figuur 3.8 toont de coating machine.

Bij sputter- en opdampprocessen wordt

Figuur 3.8: Sputtercoater Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

94

een uitgangsmateriaal in vaste toestand omgezet in damp, waarna het kan neerslaan op een oppervlak in de vorm van een deklaag. [52]

Bij plaatselijke analyse (EDX) van het proefstuk is het beter een laagje koolstof door opdamping aan te brengen, aangezien in het spectrum de goudpieken de pieken van de samenstellende elementen zouden overschaduwen.

Bovendien is koolstof een licht materiaal

en zit de piek enkel vooraan in het spectrum.

Meting Het monster, dat voorzien is van een geleidende laag, wordt op een speciale arm gemonteerd en via een sluiskamer in het hoge vacuüm gedeelte van de microscoop geklemd.

De

emissiebron wordt aangezet en beeldvorming kan beginnen.

Toepassingsgebied De SEM en de EDX worden onder meer ingezet in studies over organellen en kernmateriaal in cellen, synthetische polymeren en coatings op microchips. [52]

3.1.2 RESULTATEN De proeven voor het chemisch herstel werden opgesplitst in twee delen: het macroscopisch en het microscopisch onderzoek.

Bij het macroscopisch onderzoek horen het visuele aspect van

de proefstukjes en de proeven van ruwheid en oppervlakteporositeit.

Het microscopisch

onderzoek omvat zowel licht- als elektronenmicroscopie.

Alle monsters worden vergeleken met de referentieproefstukken die niet zijn aangetast. A.

Macroscopisch onderzoek

Visueel aspect De monsters uit de sulfaatkast vertoonden glinsterende gipskristallen aan alle zijden. Bovendien hingen clusters van zoutkristallen aan de onderzijde van de monsters, door het afdruipen van de zure condensatie in de SO 2-kast. De wapeningsstaafjes waren gecorrodeerd. De chemisch herstelde balkjes hadden een witte sluier op de behandelde oppervlakken.


95

Bij

de

proefstukjes

die

enkel

werden bespoten, werd deze witte laag voornamelijk vastgesteld op de behandelde bovenzijde.

Aan

de zijkanten was deze laag in mindere mate aanwezig. De

balkjes

bespoten

die

afgespoeld

werden,

en

vertoonden

eenzelfde beeld als de bespoten monsters. De

Figuur 3.9: Proefstukjes chemisch herstel

witte

laag

bij

de

ondergedompelde balkjes was op alle vlakken aanwezig.

Bovendien was deze laag zeer poederig, zelfs nog na enkele weken.

Een verklaring kan gevonden worden in het feit dat na twee maanden in oplossing te hebben gelegen, de proefstukjes volledig verzadigd waren en dit water naderhand terug uitgezweet moest worden. Hierbij zou de gevormde laag gedeeltelijk kunnen loskomen. Ruwheid Bij het meten van de ruwheid werd ervoor gezorgd dat er voornamelijk gemeten werd ter hoogte van cementmelk, omdat ter plaatse van de granulaten de aantasting en dus het herstel minder was. De metingen resulteerden in volgende waarden (tabel 3.3 en bijlage A1). Proefstukjes Onbehandeld Gesulfateerd Bespoten Afgespoeld en bespoten Ondergedompeld

Ra 6,62 24,97 11,80 11,54 10,61

Rq 9,46 32,06 15,25 15,93 15,03

Rt 91,23 218,57 108,32 141,64 126,61

Rz (ISO) 26,48 86,07 53,42 43,74 47,46

Rz (DIN) 47,53 140,80 67,05 72,61 71,44

Tabel 3.3: Ruwheidscoëfficiënten in µm

Uit de tabel kan worden afgeleid dat de verschillende coëfficiënten van de onbehandelde blokjes systematisch onder de andere waarden liggen. blokjes zijn veel groter dan de rest. door

gipskristallen

die

kriskras

De ruwheden van de gesulfateerde

Dit is logisch aangezien de oppervlakte gevormd wordt door

mekaar

liggen.

(zie

figuur

3.11b)

De

ruwheidscoëfficiënten van de chemisch herstelde balkjes zijn van gelijke grootte-orde. Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

96

Het grote verschil tussen de waardes van Rt is eenvoudig te verklaren: bij de berekening van deze coëfficiënt worden twee piekwaarden van elkaar afgetrokken. Een occasionele piek kan de Rt waarde sterk beïnvloeden.

Als de ISO- en DIN-waarden voor de chemisch herstelde proefstukjes worden vergeleken, valt op dat afhankelijk van de norm en dus ook de berekeningswijze, volgens de ISO-norm het bespoten balkje ruwer is dan de twee andere.

Volgens de DIN-norm geldt het

tegenovergestelde. Wat betreft grootte-orde zijn ze wel gelijk.

Oppervlakteporositeit De meetw aarden van de waterabsorptie-pijpjes zijn weergegeven in tabel 3.4. Proefstukjes Onbehandeld

Gesulfateerd

Bespoten

Afgespoeld en bespoten

Ondergedompeld

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

0 min 0,93 0,91 0,93 0,93 0,92 0,925 0,95 0,94 0,92 0,93 0,925 0,92 0,92 0,92 0,925 0,92 0,925 0,93 0,925 0,925

5 min 0,92 0,91 0,925 0,93 0,92 0,925 0,95 0,94 0,92 0,93 0,925 0,92 0,92 0,92 0,925 0,92 0,925 0,93 0,92 0,925

10 min 0,915 0,905 0,925 0,93 0,92 0,92 0,945 0,94 0,92 0,93 0,925 0,92 0,92 0,92 0,925 0,92 0,925 0,925 0,92 0,92

15 min 0,915 0,9 0,925 0,925 0,915 0,92 0,945 0,94 0,92 0,925 0,925 0,92 0,92 0,92 0,925 0,92 0,92 0,925 0,915 0,92

Absorptiegraad 0,005 0,01 0 0,005 0,005 0,005 0,005 0 0 0,005 0 0 0 0 0 0 0,005 0,005 0,005 0,005

Tabel 3.4: Meetwaarden Karstenpijpjes in ml

Het valt op dat voor de onbehandelde blokjes, de absorptiegraad al zeer klein is. Bovendien is de graduatie op de Karstenpijpjes te groot om nog nauwkeuriger te werken.

Een eventueel

verschil in de proeven op de aangetaste en herstelde balkjes is bijgevolg moeilijk te onderscheiden.

Met enig voorbehoud kunnen volgende vaststellingen worden gemaakt: de

gesulfateerde en de ondergedompelde monsters geven dezelfde waarden als de onbehandelde. De overige balkjes vertonen een kleinere porositeit. Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

97

Dit verschil kan als volgt worden verklaard: de gipskristallen hebben een zeer beperkte invloed op de oppervlakteporositeit, de kristallen zitten als het ware op het oppervlak in plaats van in de poriën.

De balkjes die bespoten of afgespoeld en bespoten werden, vertonen een

kleinere absorptie dan de onbehandelde balkjes.

De absorptiegraad is bovendien zeer klein,

waardoor kan gesteld worden dat de gevormde carbonaten in de poriën werden neergeslagen of dat de gevormde laag de poriën afdekt. absorptiegraad

nauwelijks

veranderd

te

Bij de ondergedompelde monsters blijkt de zijn:

de

neergeslagen

carbonaatlaag

heeft

waarschijnlijk geen sterke verbinding gemaakt met de ondergrond. B.

Microscopisch onderzoek

Vergrotingen bij het microscopisch onderzoek waren respectievelijk X10, X60 en X120 bij de lichtmicroscoop en tussen X50 en X5000 bij de elektronenmicroscoop. (bijlagen B1 en C1)

Lichtmicroscopie De schaalverdeling op de kruisdraden geeft weer hoe groot de structuur op de foto’s is: bij een vergroting van X10 komt een afstand van 10 op de schaal van de microscoop overeen met 1 mm; bij een vergroting van X120 komt een afstand van 120 op de microscoopschaal overeen met 1 mm. Bij een vergroting X10 is een duidelijk verschil te merken tussen de onbehandelde, de gesulfateerde en de behandelde balkjes zoals te merken in figuur 3.10. De aangetaste balkjes zijn volledig bedekt met een laag gipskristallen.

Alle met K2CO 3 behandelde monsters zijn

bedekt met een witte waas.


98

a

b

c Figuur 3.10: a onbehandeld, b gesulfateerd, c ondergedompeld (X10)

Bij de maximale vergroting van de microscoop (X120) geven alle monsters een verschillende aanblik. (figuur 3.11)

Op de gesulfateerde balkjes zijn de gipskristallen duidelijk aanwezig.

De witte neerslag, die terug te vinden is op de afgespoelde en bespoten oppervlakken, is egaler dan die op de proefstukjes die enkel bespoten werden.

Dit zou kunnen te wijten zijn

aan het gedeeltelijk oplossen van de gipskristallen bij het afspoelen. kristallen afgetopt en kan een egalere laag worden neergeslagen.

Hierdoor zijn de

Op de ondergedompelde

balkjes zijn de gipskristallen nog duidelijk aanwezig naast de witte neerslag.

Deze witte

neerslag bestaat bij de drie met K2CO3 behandelde monsters uit kleine witte clusters.


99

a

b

c

d

e Figuur 3.11: a onbehandeld, b gesulfateerd, c bespoten, d afgespoeld en bespoten, e ondergedompeld (X120)

Elektronenmicroscopie De getoonde foto’s in dit onderdeel van het eindwerk zijn genomen van monsters die gecoat zijn met koolstof. monster.

De vergroting is voor elke foto X1200, behalve voor het gesulfateerde

Bij deze laatste is de vergroting slechts X120 omdat bij te sterke vergroting het

overzicht verloren ging. (figuur 3.12)


100

a

b

c

d

e Figuur 3.12: a onbehandeld, b gesulfateerd, c bespoten, d afgespoeld en bespoten, e ondergedompeld (X120 en X1200)

Bij

de

onbehandelde

proefstukjes

is

geen

dominante

kristallografische

structuur

te

onderscheiden. Bij het monster uit de SO 2-kast is de rhomboëdrische vorm van de gipskristallen duidelijk te merken.


101

De foto’s van de chemisch herstelde monsters geven gelijkaardige beelden: de structuur van de gipskristallen is verdwenen, nu tonen de beelden eerder bolvormige structuren.

Bij de

bespoten proefstukjes zijn deze vormen 10 µm groot.

Bij de afgespoelde monsters zijn er

buiten deze afmetingen ook kleinere bolletjes te zien.

Bij de ondergedompelde proefstukjes

zijn voornamelijk clusters van deze fijne bolletjes te bemerken. Deze vormen zouden beïnvloed kunnen zijn door het aanwezige water.

Bij de bespoten

balkjes is enkel water aanwezig in de oplossing en worden grotere vormen teruggevonden. Bij de afgespoelde en bespoten monsters is naast oplossingswater ook water aanwezig door het afspoelen, hier worden naast de grotere vormen ook kleinere bolletjes waargenomen. De ondergedompelde kubusjes zijn gedurende de proefperiode steeds in aanraking geweest met het oplossingswater, hierbij worden voornamelijk kleine bolletjes in cluster opgemerkt.

EDX Bij plaatselijke analyse van het referentiemonster worden voornamelijk twee Ca-pieken teruggevonden. (bijlage D1)

EDX toont aan dat gipskristallen (Ca en S) werden gevormd.

Bij het bespoten monster blijkt de S-piek veel kleiner dan de Ca-piek, waardoor kan verondersteld worden dat een deel van het gips opgelost en/of omgezet is. Bovendien is in dit spectrum een K-piek aanwezig, die afkomstig is van het oplossingswater. Bij het afgespoelde en bespoten monster is een gelijkaardig beeld te zien.

Voor de ondergedompelde monsters

geldt, dat ten opzichte van de Ca-piek, de andere pieken kleiner zijn geworden.

Mogelijke

verklaring hiervoor is dat de oplossing waarin de blokjes zich bevonden, uitgeput was en er geen dikkere laag kon worden gevormd. Bij alle monsters werden Cu-Zn-pieken teruggevonden.

Deze zijn afkomstig van de

elektroden van de sputtercoater.

3.1.3 CONCLUSIES Bij de onbehandelde balkjes werd niets ongewoons opgemerkt.

De zaagsneden toonden een

gelijkmatige spreiding van de granulaten, zandkorrels en cementmelk. De ruwheid Ra van de proefstukjes bedroeg 6,62 µm.

De absorptiegraad had de waarde 0,005 ml.

dominante kristallografische structuur teruggevonden.

Er werd geen

Door middel van EDX werd

voornamelijk Ca teruggevonden zonder expliciete K- of S-pieken.


102

De gesulfateerde balkjes waren fel aangetast en bedekt met gipskristallen over alle oppervlakken.

Deze rhomboëdrische kristallen waren zichtbaar met het oog.

Bij vergroting

van X120 bleek dat de gipskristallen als een speldenkussen op het oppervlak vastzaten. ruwheid Ra had een waarde van 24,97 µm. absorptiegraad als de

referentieblokjes.

De

De proefstukjes hadden ongeveer dezelfde Met EDX werd een uitgesproken S-piek

teruggevonden, wat bewijst dat CaSO 4.2H 2O of gips werd gevormd. Op de bespoten balkjes werd visueel geen gips meer vastgesteld. Met microscopie kwamen witte bollen aan het licht die als een sluier het oppervlak bedekte. De ruwheid Ra lag met een waarde van 11,80 tussen de waarden van het referentiemateriaal en de gesulfateerde blokjes. De waarde van de absorptiegraad was kleiner dan die van de onbehandelde, wat kan wijzen op een vulling of een volledige bedekking van de poriën. oppervlak toonde een kleinere S-piek.

Plaatselijke analyse van het

Bovendien werd ook een K-piek teruggevonden, wat

kan wijzen op de omzetting gipskristallen in carbonaten met behulp van de oplossing K2CO3. De balkjes die afgespoeld en bespoten werden, gaven gelijkaardige resultaten als de bespoten proefstukken. De ondergedompelde monsters vertoonden een wit oppervlak. enkele plaatsen nog gipskristallen geconstateerd.

Bij vergroting werden op

De absorptiegraad had dezelfde waarde als

de referentie, dus groter dan de twee andere chemische herstellingsmethodes. ruwheidscoëfficiënt Ra bedroeg 10,61. afgespoeld en bespoten balkjes.

De

Deze waarde was iets kleiner dan bij de bespoten en

Het verschil zou kunnen verklaard worden door de kleinere

bolletjes die werden vastgesteld met elektronenmicroscopie. een zeer poederig voorkomen, zelfs nog na enkele weken.

De balkjes hadden bovendien Dit zou kunnen verklaard worden

doordat de proefstukjes volledig verzadigd waren na twee maanden in oplossing te hebben gelegen en dit water naderhand terug uitgezweet moest worden. laag gedeeltelijk kunnen loskomen.

Hierbij zou de gevormde

EDX toonde een samenstelling waarbij de Ca-piek

relatief groter was ten opzichte van de andere pieken in vergelijking met de twee andere chemische herstelmethodes.

Mogelijke verklaring hiervoor is dat de oplossing waarin de

blokjes zich bevonden, uitgeput was en er geen dikkere laag kon worden gevormd.

Na aantasting en na herstel was er een duidelijk verschil, maar of het een verbetering was, zal uit verder onderzoek moeten blijken.

Zo kunnen de herstelde blokjes opnieuw worden

aangetast en kan nagegaan worden hoeveel weerstand de “beschermlaag” hiertegen biedt.


103

Ook de hechting en de dikte van de nieuwgevormde laag is niet onderzocht.

Wanneer een

beschermlaag niet goed is vastgehecht, kan deze door gevelreiniging ongewild mee worden verwijderd.

Wat betreft de experimenten blijkt de methode van de SO2-kast een goede manier om proefstukken versneld aan te tasten: de gevormde aantasting is verspreid over het hele oppervlak.

Ook de ruwheidsmeter is een aangewezen toestel om verschillen op te merken

voor en na behandeling. De Karstenpijpjes waren niet handig in gebruik en er werden slechts kleine verschillen opgemeten, waardoor aflezingen op millimeterschaal een relatief grote invloed hebben op de absorptiegraad.

Bij de chemische herstelmethodes is er vooral een

verbetering mogelijk bij de onderdompeling.

Hierbij zou de oplossing regelmatig kunnen

ververst worden.

Hoewel lichtmicroscopie een mooi beeld gaf van het onderzochte materiaal, de aantasting en het herstel, zou polarisatiemicroscopie een nog duidelijker beeld geven.

Hiervoor is het

echter nodig dure slijpplaatjes te maken. Voor een verkennend onderzoek volstaat echter de lichtmicroscoop.

Bij het gebruik van elektronenmicroscopie is voorzichtigheid geboden bij het maken van conclusies: er wordt gekeken naar een zeer klein oppervlak.

Daarom is het aangewezen

meerdere malen te kijken op verschillende plaatsten van het monster.

SEM-monsters hebben

kleine afmetingen en vertegenwoordigen slechts een klein deel van het volledige proefstuk. Daarom wordt getracht de SEM-monsters zo representatief mogelijk te nemen. Bij het gebruik van plaatselijke analyse kunnen lichtere elementen als C en O niet worden waargenomen.

Bovendien verstoren coatingpieken de metingen: bij Au-coating zijn er

meerdere goudpieken die de pieken van de samenstellende elementen overschaduwen, bij Ccoating verstoren Cu-Zn-pieken van de elektroden van de sputtercoater het spectrum.

3.2 BIOLOGISCH Het

proces

van

HERSTEL

microbiologische,

minerale

precipitatie

in

poreuze

media

is

een

veelvoorkomend fenomeen in de natuur. Zo worden kleine barsten en scheuren in natuursteen


104

gedicht door bacteriën en kunnen zandkolommen een kleinere porositeit krijgen door verdichting met behulp van micro-organismen. (zie ook 2.2.3)

In het kader van dit eindwerk werden op mortelblokjes proeven uitgevoerd, waarin bacteriën een belangrijke rol speelden.

3.2.1 BEHANDELING Proefstukjes en proeven Voor deze proef werden standaard mortelbalkjes aangemaakt en verzaagd tot kubusjes met een zijde van 4 cm. De mortel was samengesteld uit 450 g CEMI 42.5, 1350 g normaalzand en een bepaalde hoeveelheid water, afhankelijk van de gebruikte W/C-factor.

Drie

verschillende W/C-factoren (0,5; 0,6 en 0,7) werden gebruikt om invloed hiervan na te gaan.

Bij de proeven voor biologisch herstel werd gekozen voor 4 verschillende behandelingen van de proefstukjes: •

bij reeks R1 werden mortelblokjes behandeld met medium en bacteriën;

•

bij reeks R2 werden mortelblokjes behandeld met medium;

•

bij reeks R3 werden mortelblokjes behandeld met medium en CaCl2;

•

bij reeks R4 werden mortelblokjes behandeld met medium, bacteriën en CaCl2.

De bovenstaande behandelingen werden zodanig gekozen dat de drie eerste werkwijzen referentieproeven waren voor de laatste behandeling.

Bij de eerste behandeling werd enkel

medium bijgevoegd zonder bacteriën en werd bijgevolg nagegaan of er een invloed was van het medium op de mortel. Bij de tweede behandeling werden ook bacteriën geïnoculeerd om na te gaan of de bacteriën in afwezigheid van Ca2+-ionen toch in staat zijn precipitaties te induceren.

De derde behandeling was als het ware een chemische precipitatie: het zure

medium bevatte ook Ca2+-ionen waardoor het neerslaan van CaCO3 mogelijk was.

In een

laatste stap werden de mortelblokjes behandeld met een medium waarin zowel bacteriën als CaCl2 aanwezig waren. Bacteriën Voor de experimenten werden bij Lab-M.E.T. in totaal 10 verschillende stammen van de soort Bacillus sphaericus onderzocht. Deze stammen hadden nog geen exacte naam, omdat ze nog Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

105

niet in een officiële databank werden gestopt. Voorlopig werden de stammen isolaat 1, isolaat 2, enz…genoemd.

Afhankelijk van de stam kan een andere hoeveelheid CaCO3 in dezelfde

tijdspanne gevormd worden.

Het opgroeien van de bacteriën gebeurde in twee fasen: In de eerste fase van het groeiproces werden de bacteriën geïnoculeerd in een voedingsstof, die per liter gedestilleerd water, bestond uit: •

3 g nutrient broth, voedingsstoffen voor de micro-organismen;

•

2,12 g NaHCO3, als bicarbonaatbron;

•

10 g NH4Cl, als ammoniumbron;

•

20 g ureum, als energiebron voor de bacteriën.

Naast de voedingsstof werd ook een hoeveelheid CaCl2-oplossing met een concentratie van 50 mM aangemaakt. Na het aanmaken van de potten met voedingsstof en CaCl2, werden deze samen met de te gebruiken proefbuizen geautoclaveerd gedurende 25 minuten, onder een druk van 0,15 MPa en met een temperatuur van 120°C. Dit was nodig om alles vrij van bacteriën en endosporen te maken: er mochten immers geen contaminaties voorkomen met andere bacteriën uit de lucht.

Alle verdere handelingen werden uitgevoerd in een laminair flow-kast, die toeliet in een bacterievrije omgeving te werken. De verschillende stammen werden telkens onderzocht in een Ca2+-rijke omgeving en in een Ca2+-arme omgeving. Daarvoor werd één pot met voedingsstof aangevuld met 100 ml CaCl2 per liter voedingsstof, een andere pot met voedingsstof werd niet aangevuld met CaCl2. Verwacht werd dat de bacteriën die geïnoculeerd werden in een Ca2+ -arme omgeving geen CaCO3 zouden produceren. Enkele dagen na de inoculatie van de bacteriën werden volgende bevindingen gedaan: •

in de proefbuizen waar geen Ca2+ aanwezig was, hadden de bacteriën zich ontwikkeld, met andere woorden ze hadden zich voortgeplant en waren gegroeid;


106

•

in de proefbuizen waar wel Ca2+ aanwezig was, hadden de bacteriën de kans niet om zich te ontwikkelen.

Een hoeveelheid calciumcarbonaat had zich onmiddellijk rond de

bacterie afgezet, waarna de bacterie is neergeslagen.

De gegroeide en vermenigvuldigde bacteriën uit de proefbuizen waar geen CaCl2 aan werd toegevoegd, werden in de tweede fase gebruikt om op platen te laten groeien. Hiervoor werd eenzelfde groeimedium aangemaakt, met dat verschil dat de Nutrient Broth wordt vervangen door 28 gram Nutrient Agar om het groeimedium te laten verstijven bij afkoeling. Opnieuw werden de bacteriën onderzocht in een Ca2+-rijke en een Ca2+-arme omgeving door in één van de potten 100 ml CaCl2 50 mM per liter groeimedium toe te voegen.

Vóór het aanbrengen van de bacteriecultuur op de plaatjes, diende deze nog verdund te worden, om op deze manier mooie aparte kolonies te bekomen.

Het was immers niet

duidelijk in welke mate de bacteriën zich in de voedingstof hadden vermenigvuldigd gedurende die eerste dagen. (figuur 3.13)

Platen waar te veel bacteriën op werden

aangebracht, waren niet bruikbaar voor verder onderzoek aangezien er geen aparte kolonies werden bekomen.

Figuur 3.13: Uitplaten van de bacteriën [53]

Volgende bevindingen werden gedaan: •

op de platen met Ca2+ bevonden zich kolonies waarrond CaCO3 was gevormd. Hierdoor kregen de kolonies een zekere hardheid;

•

isolaat 4, 5, 9 en 10 produceerden nagenoeg geen CaCO3 en waren dus niet bruikbaar voor de proeven;

•

op de platen zonder Ca2+ bevonden zich kolonies waarrond geen CaCO 3-afzetting was gebeurd.


107

Van de zes overgebleven isolaten gaf isolaat 3 de beste resultaten bij CaCO 3-precipitatie door bacteriën op Euvillesteen. [54]

In het kader van deze thesis werden bacteriën van isolaat 3 toegevoegd aan het medium, zodat na het toevoegen van CaCl2 niet alle bacteriën onmiddellijk zouden neerslaan Medium In literatuur over microbiologische precipitatie [41] werd de samenstelling voor het in deze proeven gebruikte medium gevonden. Per liter gedestilleerd water bevatte dit medium: •

3 g nutrient broth;

•

20 g ureum;

•

20 g NH4Cl;

•

2,12 g NaHCO3, wat overeenkwam met 25,2 mM.

Net na het aanmaken van het medium was de pH neutraal, aangezien er gewerkt werd met gedestilleerd water. Bij deze hoge pH kan er al precipitatie optreden op het bacterielichaam, waardoor deze naar de bodem zakken en niet meer kunnen meewerken aan de verdere biomineralisatie.

Om dit tegen te gaan wordt de pH van het medium vóór het autoclaveren

met behulp van HCl aangepast tot ongeveer 6,0.

Wanneer de bacteriepopulatie groot genoeg

is, brengen de bacteriën de zuurtegraad van het medium door vorming van NH4+ naar hun optimale pH-waarde 8.

Methode Het aanbrengen van de blokjes in het medium gebeurde in een kiemvrije kast.

In deze

laminair flow werd steriel gewerkt om contaminatie met andere bacteriën of schimmels in de lucht te voorkomen. De blokjes werden in een recipiënt aangebracht waarbij het medium tot net onder het oppervlak van de mortelblokjes reikte. schudmachine geplaatst.

Daarna werden alle recipiënten in een

Daarbij werd het bovenvlak enkel bij schudden bevochtigd.

Bovendien werd op deze schudmachine een timer ingebouwd waardoor slecht gedurende 5 minuten per uur het bovenoppervlak nat werd en de aanwezige bacteriën zich konden afzetten en voldoende nutriënten kregen om te vermenigvuldigen en te precipiteren.


108

Na één week werden medium en bacteriën ververst om de aanwezige celpopulatie van de stationaire fase naar de exponentiële fase te brengen.

Dit was nodig omdat in deze

exponentiële fase de bacteriën het meest actief waren en bijgevolg het meest zouden precipiteren. Figuur 3.14 maakt dit duidelijk. aantal bacterien

verversing van het medium

tijd Figuur 3.14: Groei van de celpopulatie na verversen

Na drie weken werden alle proefstukjes uit de recipiënten gehaald. gedroogd aan de lucht.

De kubusjes werden

Proefstukjes voor de elektronenmicroscoop werden in een oven

gedroogd aan 55°C. Doel Deze testen werden uitgevoerd om na te gaan of CaCO3 via biomineralisatie kon worden afgezet op morteloppervlakken.

3.2.2 GEBRUIKTE

TOESTELLEN

Vermits de proeven voor het biologisch herstel dezelfde zijn als die van het chemisch herstel, worden dezelfde toestellen gebruikt als bij chemisch herstel, zie paragraaf 3.1.1.

3.2.3 RESULTATEN Dezelfde criteria als bij het chemisch herstel werden beoordeeld. A.

Macroscopisch onderzoek

Visueel aspect De onbehandelde blokjes vertoonden een glad oppervlak met hier en daar luchtbellen.

De

blokjes waren grijs van kleur.


109

Grote verschillen in uitzicht werden gevonden tussen blokjes van eenzelfde behandeling, maar ook tussen blokjes van verschillende behandelingen: er kwamen grijze oppervlakken voor, oppervlakken met een witte schijn, effen vlakken en vlakken met holtes en groeven.

Ruwheid Bij het meten van de ruwheid was het niet echt van belang waar op het mortelblokje werd gemeten, zolang grote poriën maar werden vermeden.

Tabel 3.5 geeft de bekomen

meetwaarden. Proefstukjes R0 R1 R2 R3 R4.2 R4.5 R0 R1 R2 R3 R4.2 R4.5 R1 R2 R3 R4.2 R4.5

W/C 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7

Ra

Rq

Rt

Rz (ISO)

Rz (DIN)

4,39 2,78 4,59 2,37 2,43 5,10 5,73 1,71 3,07 2,97 3,53 8,06 4,62 4,77 2,98 2,79 3,44

6,10 3,93 6,95 4,02 3,62 7,39 9,61 2,80 4,29 4,62 4,84 11,32 5,99 6,76 4,31 3,65 5,08

62,35 41,78 59,09 60,68 47,91 69,87 137,85 41,93 38,08 53,62 42,23 98,23 52,34 72,98 57,10 35,68 50,45

21,42 15,77 22,87 13,59 14,03 21,93 30,58 13,43 18,18 17,40 19,06 38,62 20,20 26,20 18,63 15,52 19,76

37,63 23,16 32,91 22,21 23,77 37,31 55,83 23,01 27,29 32,51 28,85 58,13 29,91 42,21 30,57 23,06 32,07

Tabel 3.5: Ruwheidscoëfficiënten in µm

Er kan worden vastgesteld dat R2 bij de drie verschillende W/C-factoren hoog zijn ten opzichte van de andere waarden, uitgezonderd enkele uitbijters.

Er is geen trend vast te stellen als wordt gekeken naar de W/C-factor. Ook naar behandeling toe kunnen geen duidelijke conclusies worden genomen.

Als reeks R4.5 buiten beschouwing zou worden gelaten, kunnen volgende vaststellingen worden gedaan. Reeks R0 geeft de referentiewaarde aan, aangezien deze reeks onbehandeld is.

Reeks R1 werd behandeld met medium en bacteriën en vertoont een lichte daling ten

opzichte van de referentiewaarde.

Deze daling kan te wijten zijn aan een bacteriële

activiteiten, die in kleinere mate optreden dan in aanwezigheid van CaCl2. Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

Reeks R2 werd 110

enkel behandeld met medium.

Deze ruwheidswaarden liggen in de buurt van de

referentiewaard, wat betekent dat het medium heeft op de ruwheid. Reeks R3 ondergaat een chemische precipitatie.

Bijgevolg zijn de ruwheidscoëfficiënten lager dan de referentie.

Reeks R4.2 geeft om en bij dezelfde waarden als deze van reeks R3.

De grote verschillen tussen ruwheden van eenzelfde behandeling kunnen verklaard worden doordat enkele oppervlakken in vergelijking met andere meer of minder werden bevochtigd bij het schudden.

Hierdoor kon bij bepaalde blokjes een volledige laag worden afgezet.

Bij

andere blokjes kon hiervoor slechts de aanzet worden gegeven. (bijlage C2: R4.5 W/C = 0,6 (X200) en R4.5 W/C = 0,5 (X200))

Oppervlakteporositeit Proefstukjes R0 onbehandeld R1 medium en bacteriën R2 medium R3 medium en CaCl2 R4.2 medium, bacteriën en CaCl2 R4.5 medium, bacteriën en CaCl2

W/C 0,5 0,6 0,7 0,5 0,6 0,7 0,5 0,6 0,7 0,5 0,6 0,7 0,5 0,6 0,7 0,5 0,6 0,7

0 min 0,93 0,93 X 0,92 0,925 0,935 0,925 0,93 0,925 0,92 0,915 0,92 0,94 0,93 0,92 0,91 0,93 0,91

5 min 0,925 0,925 X 0,915 0,92 0,93 0,925 0,925 0,92 0,92 0,91 0,92 0,935 0,93 0,92 0,91 0,93 0,91

10 min 0,925 0,925 X 0,915 0,92 0,93 0,925 0,925 0,92 0,92 0,91 0,92 0,935 0,93 0,92 0,91 0,93 0,91

15 min 0,925 0,925 X 0,915 0,92 0,93 0,925 0,925 0,92 0,92 0,91 0,92 0,935 0,93 0,92 0,91 0,93 0,91

Absorptiegraad 0 0 X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Tabel 3.6: Meetwaarden Karstenpijpjes in ml

Uit tabel 3.6 blijkt duidelijk dat de absorptiegraad voor alle blokjes nul is. Een verklaring kan gevonden worden in de zeer kleine afmetingen van de poriën in de blokjes. B.

Microscopisch onderzoek

Dezelfde vergrotingen als bij het chemisch herstel werden gebruikt. (zie paragraaf 3.1.2.B)


111

Lichtmicroscopie Bij een vergroting van X10 is een duidelijk verschil te merken tussen reeksen R0, R1 en R2 en reeksen R3 en R4. Reeksen R1 en R2 geven hetzelfde beeld als de referentie. Reeksen R3 en R4 vertonen een witte laag.

De verklaring voor de gelijkenis tussen reeksen R0, R1 en R2 ligt in de afwezigheid van CaCl2 bij de behandeling. Bijgevolg treedt er geen precipitatie van CaCO3 op. De resultaten van reeks R3 zijn een logisch gevolg van de chemische precipitatie die is opgetreden. Eenzelfde resultaat werd gevonden in een vorige paragraaf (zie 3.1.2.B) Wat betreft reeks R4 kan worden besloten dat ook hier precipitatie is opgetreden.

Verdere onderzoek met

bijkomende vergroting zal uitwijzen of deze precipitatie chemisch of biologisch is. Bij deze vergroting is er geen verschil te merken tussen de verschillende W/C-factoren.

a

b

Figuur.3.15: a RO, b R4.5 (X10)

Bij de maximale vergroting van de microscoop (X120) is er geen wezenlijk verschil te merken tussen reeksen R0, R1 en R2: enkel de kleur verschilt, er is weinig veranderd aan de textuur.

Bij deze reeksen zijn geen zichtbare afzettingen opgetreden.

De behandelde

oppervlakken van reeks R3 zijn bedekt met een witte sluier. Deze laag is door krassen met een naald eenvoudig te verwijderen.

Op de oppervlakken van reeks R4 kunnen grotere

afzettingen worden waargenomen. Deze precipitaties zijn eerder glinsterend, doorschijnend.


112

a

b

c Figuur 3.16: a R2, b R3, c R4.5 (X120)

Elektronenmicroscopie De getoonde foto’s in dit onderdeel van het eindwerk zijn genomen van monsters die gecoat zijn met goud. De vergroting is voor elke foto X2000 (figuur 3.)

Het oppervlak van reeks R0 vertoont geen dominante kristallografische structuur, maar is eerder een granulair maaksel met microporiën. De foto van reeks R1 (figuur 3.17 b), waarbij medium en bacteriën aanwezig waren, toont de bolvormige structuren die als het ware verbonden lijken met elkaar.

Op de foto zijn enkele

bacteriën te zien (aangeduid met pijlen). Reeks R2 geeft hetzelfde granulaire beeld als de referentiereeks. Op het oppervlak van reeks R3 is chemische precipitatie opgetreden.

Deze foto kan

vergeleken worden met figuur 3.12 e. Wat betreft reeks R4 zijn er twee structuren die in de foto’s duidelijk naar voor komen: een rhomboëder en een bol.

De rhomboëderstructuur is een typische structuur voor chemische

precipitatie van carbonaten. Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

113

a

b

c

d

e Figuur 3.17: a R0, b R1, c R2, d R3, e R4.2 (X2000)

De lamelvorming op deze structuren zijn kristalroosterdefecten. (bijlage C2 R4.2 W/C = 0,6 (X6500)).

De bolstructuren zijn ongeveer 1 µm groot en worden gevormd door de bacterie

met carbonaatprecipitatie op het lichaam.

Naast de rhomboëders en de bollen zijn er nog

kleine structuren op te merken op figuur 3.17e.

Verder onderzoek zal moeten aantonen of

deze vormen van bacteriële afkomst zijn.


114

Over de verklaring van de aanwezigheid van rhomboëders bestaat nog veel discussie in de onderzoekswereld.

Een eerste mogelijke verklaring bestaat in het vergroten van het specifiek

oppervlak door de bacteriën, waardoor op een groter oppervlak precipitatie kan optreden. Aangezien het micro-oppervlak van de mortelblokjes reeds zeer granulair is en er in afwezigheid van bacteriën (reeks R3) geen rhomboëders te zien zijn, lijkt deze verklaring ontoereikend: de bacteriën spelen een grotere rol dan alleen nucleatiesite.

Een tweede

mogelijke verklaring bestaat erin dat de bacteriën een rol spelen in het verlagen van de energiebarrière die overwonnen moet worden bij kristalvorming. aan via het metabolisme.

De bacteriën maken CO2

Dit wordt omgezet in carbonaat- en bicarbonaationen.

wordt ingespeeld op de saturatiegraad.

Hierdoor

Pas als deze wordt bereikt kan CaCO 3 neerslaan op

zowel ondergrond als bacterielichaam.

EDX Naast de goudpieken van de coating werden voornamelijk Ca-pieken waargenomen.

3.2.4 CONCLUSIES Algemeen kan gesteld worden dat er geen verschillen te merken waren tussen de precipitaties op de blokjes met verschillende W/C-factoren. De onbehandelde mortelblokjes of reeks R0 vertoonden een effen uitzicht met hier en daar grote poriën. De blokjes waren grijs van kleur. De gemiddelde ruwheid Ra bedroeg 5,06. De absorptiegraad was 0.

Met microscopie kon geen dominante kristallografische structuur

onderscheiden. Het oppervlak van de blokjes was opgebouwd uit een granulair maaksel. Reeks R1 waren de blokjes die in medium en bacterien werden bewaard. Deze vertoonden onder de lichtmicroscoop hetzelfde beeld als de referentieblokjes.

De gemiddelde

ruwheidscoëfficiënt was met 3,04 iets kleiner dan die van reeks R0. Deze daling kan te wijten zijn aan een bacteriële activiteiten, die in kleinere mate optreden dan in aanwezigheid van CaCl2.

Net zoals bij reeks R0 was hier de absorptiegraad 0.

Met behulp van

elektronenmicroscoopie werden enkele bacteriën teruggevonden op het oppervlak De blokjes die in medium werden gelegd, behoren tot reeks R2.

Onder de optische

microscoop gaven de proefstukken hetzelfde beeld als de referentieblokjes. en de absorptiegraad waren ongeveer gelijk.

Ook de ruwheid

Microscopie toonde eenzelfde granulair beeld

als R0. Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

115

Voor reeks R3, mortelblokjes in aanwezigheid van medium en CaCl2, kunnen dezelfde conclusies worden gevormd als bij chemisch herstel.

Het betrof hier een daling van de

ruwheid en dezelfde bolvormige structuren als in deel 1 van het hoofdstuk proeven. De blokjes van reeks R4, die behandeld werden met medium, bacteriën en CaCl2: gaven onderling sterke verschillen in uitzicht. met een witte schijn,

Er kwamen grijze oppervlakken voor, oppervlakken

effen vlakken en vlakken met holtes en groeven.

was, net als bij de andere blokjes, gelijk aan 0.

De absorptiegraad

De grote verschillen tussen de ruwheden

kunnen verklaard worden doordat enkele oppervlakken meer of minder dan andere werden bevochtigd bij het schudden. afgezet.

Bij

andere

Hierdoor kon bij bepaalde blokjes een volledige laag worden

blokjes

kon

hiervoor

slechts

de

aanzet

worden

gegeven.

Lichtmicroscopie toonde beelden van doorschijnende, glinsterende kristalstructuren.

Bij

verdere vergroting bleken deze te bestaan uit rhomboëders en bolvormige structuren.

De

rhomboëderstructuur is een typische structuur voor chemische precipitatie van carbonaten. De bolstructuren zijn ongeveer 1 µm groot en worden gevormd door de bacterie met carbonaatprecipitatie op het lichaam. structuren op te merken. bacteriële afkomst zijn.

Naast de rhomboëders en de bollen zijn er nog kleine

Verder onderzoek zal moeten aantonen of deze vormen van

Over de verklaring van de aanwezigheid van rhomboëders bestaat

nog veel discussie in de onderzoekswereld.

De eerste mogelijke verklaring bestaat in het

vergroten van het specifiek oppervlak door de bacteriën, waardoor op een groter oppervlak precipitatie kan optreden.

Aangezien het micro-oppervlak van de mortelblokjes reeds zeer

granulair is en er in afwezigheid van bacteriën (reeks R3) geen rhomboëders te zien zijn, lijkt deze verklaring ontoereikend: de bacteriën spelen een grotere rol dan alleen nucleatiesite. De tweede mogelijke verklaring bestaat erin dat de bacteriën een rol spelen in het verlagen van de energiebarrière die overwonnen moet worden bij kristalvorming. aan via het metabolisme.

De bacteriën maken CO2

Dit wordt omgezet in carbonaat- en bicarbonaationen.

wordt ingespeeld op de saturatiegraad.

Hierdoor

Pas als deze wordt bereikt kan CaCO 3 neerslaan op

zowel ondergrond als bacterielichaam.

Voor en na behandeling was er een duidelijk verschil, maar of het een verbetering was, zal uit verder onderzoek moeten blijken.

Zo kunnen de behandelde blokjes worden aangetast en kan

nagegaan worden hoeveel weerstand de calcietlaag hiertegen biedt. Wat betreft de meetmethode met pijpjes van Karsten waren de verschillen zodanig klein dat er geen

absorptiegraad

werd

gemeten.

De


ruwheidsmetingen

vertoonden

uiteenlopende 116

resultaten.

Daardoor kon in dit eindwerk voornamelijk microscopie uitsluitsel brengen over

de precipitatie.

Ook voor deze experimenten zou een polarisatiemicroscoop gebruikt kunnen

worden.

Ook in dit deel van de proeven is bij het gebruik van elektronenmicroscopie voorzichtigheid geboden bij het maken van conclusies: er wordt gekeken naar een zeer klein oppervlak. Bovendien hebben SEM-monsters kleine afmetingen en vertegenwoordigen slechts een klein deel van het volledige proefstuk.

Uiteraard wordt wel getracht de SEM-monsters zo

representatief mogelijk te nemen. Bij het gebruik van EDX kunnen lichtere elementen als C en O niet worden waargenomen. Bovendien verstoren coatingpieken de metingen: bij Au-coating zijn er meerdere goudpieken die de pieken van de samenstellende elementen overschaduwen, bij C-coating verstoren CuZn-pieken van de elektroden van de sputtercoater het spectrum. Wat betreft die biologische kant van de proeven, zijn er ook enkele opmerkingen.

De

samenstelling van het medium is gebaseerd op een artikel voor het verdichten van zandkolommen [41].

Aangezien in deze proeven mortelblokjes werden gebruikt, zou een

andere samenstelling betere resultaten kunnen opleveren.

Bovendien werd aan het medium

2+

CaCl2 toegevoegd, als Ca -bron om precipitatie van CaCO 3 mogelijk te maken.

De

chloorionen kunnen echter een negatieve invloed hebben op betonwapening. Misschien is het mogelijk om Ca2+-ionen toe te voegen in een andere vorm dan een zout.

De bacteriën die gebruikt werden in dit eindwerk, werden geselecteerd op basis van performantie bij de bescherming van kalksteen. [54]

Aangezien de samenstelling van deze

twee materialen verschilt, zou het kunnen dat andere isolaten op mortel een optimaler resultaat geven dan isolaat 3. Isolaat 3 zorgt voor de vorming van een laag nieuw materiaal, wat wijst in de richting dat Bacillus sphaericus ook gebruikt kan worden bij het onderzoek naar biomineralisatie op mortel- en betonoppervlakken.

Verder onderzoek kan hierover meer

informatie geven.

Ook de hechting en de dikte van de laag, die gevormd is met behulp van bacteriën, is niet onderzocht.

Wanneer de nieuwe laag niet goed is vastgehecht, kan deze door gevelreiniging

ongewild mee worden verwijderd. Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

117

Hoofdstuk 4

Algemene besluiten

De doelstelling van dit eindwerk was tweeledig.

In eerste instantie werd een uitgebreide

literatuurstudie gemaakt over de vervuiling, beschadiging en reiniging van gevels. bleek de vervuiling een gevolg te zijn van de stijgende industrialisering. verschillende technieken voor reiniging van gevels.

Hieruit

Er bestaan reeds

Deze hebben echter ook hun nadelen.

Technieken met water creëren een gunstiger milieu voor de ontwikkeling van microorganismen,

algen

en

later

ook

schimmels

en

korstmossen.

Mechanische

reinigingstechnieken zijn abrasief en kunnen de ondergrond beschadigen.

Ook chemische

reinigingstechnieken kunnen de gevel aantasten en zijn veelal schadelijk voor het milieu. Schade aan oppervlakken kan ook een natuurlijke oorzaak hebben: algen, schimmels, mossen, micro-organismen hechten zich op de gevel en doen het dragermateriaal “opbruisen”. Ook

de

nieuwe

ontwikkelingen

in

het

gebruik

toepassingen in de bouwwereld werden bestudeerd.

van

het

biomineralisatieproces

voor

Hieruit bleek dat het onderzoek naar

calciumcarbonaatprecipitatie bij kalksteen monumenten reeds vergevorderd was.

Een nieuwe

toepassing voor de restauratietechniek bleek het gebruik van biologische mortels.

Het

onderzoek naar toepassing van het procédé op beton- en morteloppervlakken bleek nog in het beginstadium te zitten. In tweede instantie werd een verkennend onderzoek uitgevoerd naar het herstel en de bescherming van mortelopgesplitst in twee fasen.

en betonoppervlakken.

Dit experimenteel onderzoek werd

In een eerste fase werden versneld aangetaste betonblokjes

chemisch hersteld met behulp van K2CO3. De aantasting werd gerealiseerd in een SO 2-kast. Zowel

macroscopisch

als

microscopisch

en

analytisch

waargenomen op de proefstukjes voor en na behandeling.

werden

duidelijke

verschillen

In een tweede fase werden

mortelblokjes biologisch hersteld door behandeling met bacteriën.

Ook hier werden

veranderingen opgetekend tussen behandelde en onbehandelde monsters. Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

118

Voor zowel chemisch als biologisch herstel was er vóór en na behandeling een duidelijk verschil, maar of het een verbetering was, zal uit verder onderzoek moeten blijken.

Zo

kunnen de behandelde blokjes (opnieuw) worden aangetast en kan nagegaan worden hoeveel weerstand de gevormde laag hiertegen biedt.

Ook de hechting en de dikte van de

nieuwgevormde laag is niet onderzocht. Wanneer een beschermlaag niet goed is vastgehecht, kan deze door gevelreiniging ongewild mee worden verwijderd. Wat betreft de experimenten blijkt de methode van de SO2-kast een goede manier om proefstukken versneld aan te tasten: de gevormde aantasting is verspreid over het hele oppervlak. Bij de chemische herstelmethodes is verbetering mogelijk bij de onderdompeling van de proefstukjes: de oplossing zou regelmatig kunnen ververst worden, wat bij de experimenten van het biologisch herstel reeds werd gedaan. De ruwheidsmeter is een aangewezen toestel om verschillen op te merken voor en na behandeling bij het chemisch herstel. Bij het biologisch herstel worden er sterk uiteenlopende waarden opgemeten. De Karstenpijpjes waren niet handig in gebruik en er werden slechts kleine verschillen opgemeten, waardoor aflezingen op millimeterschaal een relatief grote invloed hebben op de absorptiegraad. Hoewel lichtmicroscopie een mooi beeld gaf van het onderzochte materiaal, de aantasting en het herstel, zou polarisatiemicroscopie een nog duidelijker beeld geven.

Hiervoor is het

echter nodig dure slijpplaatjes te maken. Voor een verkennend onderzoek volstaat de lichtmicroscoop. Bij het gebruik van elektronenmicroscopie is voorzichtigheid geboden bij het trekken van conclusies: er wordt gekeken naar een zeer klein oppervlak.

Bovendien hebben SEM-

monsters kleine afmetingen en vertegenwoordigen slechts een klein deel van het volledige proefstuk.

Uiteraard wordt wel getracht de SEM-monsters zo representatief mogelijk te

nemen. Bij het gebruik van puntanalyse kunnen lichtere elementen als C en O niet worden waargenomen.

Bovendien verstoren coatingpieken de metingen: bij Au-coating zijn er

meerdere goudpieken die de pieken van de samenstellende elementen overschaduwen, bij Ccoating verstoren Cu-Zn-pieken van de elektroden van de sputtercoater het spectrum.


119

Hoofdstuk 5

Verder onderzoek

In deze thesis is een eerste onderzoek verricht naar de toepassing van carbonaatprecipitatie op mortel- en betonoppervlakken.

Dit onderzoek heeft stof tot nadenken gegeven en kan

aanleiding zijn tot verder onderzoek

Interessante onderwerpen voor voortzetting van dit eindwerk zijn verder onderzoek naar de kenmerken van de nieuw gevormde laag en optimalisering van de eigenschappen van de bacteriën. Zo kan, naast dit eindwerk dat de aanwezigheid van een beschermlaag aantoont, ook de kwaliteit van deze laag worden onderzocht.

Meer specifiek wordt gedacht aan de bepaling

van de dikte en de hardheid van de beschermlaag en aan de hechting van deze laag aan de ondergrond.

Ook de weerstand die deze laag biedt aan nieuwe verwering, aantasting of

reiniging kan een onderwerp van studie zijn. Een ander mogelijk onderzoek is de optimalisering van de bacteriën om het proces van carbonaatprecipitatie op grote schaal te gebruiken in de bouwwereld.

Hierbij zouden de

eigenschappen van de bacteriën zodanig veranderd kunnen worden, dat ze meewerken in het proces van gevelreiniging.

Een interessante toepassing hierbij is de kleur van de precipitatie

zodat de beschermlaag ook een esthetische functie krijgt.

Ook het gebruik van bacteriën in

biologische mortels kan interessant onderzoek opleveren.

Enkele meetmethodes en behandelingswijzen die in het kader van dit eindwerk werden gebruikt, zijn voor verbetering vatbaar. uitgevoerde experimenten te groot.

De gradatie op de pijpjes van Karsten was voor de Op bakstenen worden wel veel grotere verschillen

gemeten, zeker bij aanbrengen van hydrofoberingsmiddelen, zodat daar de methode van de Karstenpijpjes een aangewezen manier is.


120

De proefstukken van het biologisch herstel vertoonden sterke verschillen in ruwheden.

Via

elektronenmicroscopie konden deze verschillen gelinkt worden aan de bevochtiging van de te behandelen oppervlakken.

Tijdens het schudproces werd het bovenvlak bij sommige blokjes

meer bevochtigd dan bij andere.

Om deze verschillen zoveel mogelijk te elimineren zou het

beter zijn om de proefstukjes herhaaldelijk gedurende een korte periode onder te dompelen in het medium. Op deze manier worden alle oppervlakken behandeld. Zowel

praktisch

onderzoek

als

theoretische

studies

over

calciumcarbonaatprecipitatie zijn nodig om het fenomeen beter in kaart te brengen.

microbiële Hiervoor

is een multidisciplinaire aanpak van essentieel belang.


121

Literatuurlijst

[1]

WERKGROEP GEVELREINIGING WTCB, “Gevelreiniging”, Technische Voorlichting,

197, 1995

[2]

VAN LEERDAM B.F., VERHOEF W., “Kijk op gevels van beton”, Vereniging

Nederlandse Cementindustrie, ’s Hertogenbosch, 1984

[3]

VANDECASTEELE C., “Milieuproblemen en –technieken”, collegetekst, Wouters,

Leuven, 1999

[4]

X., “Gevelreiniging in de praktijk”, Stichting Bouwresearch, Rotterdam, 1984

[5]

NELISSEN M.G.P., “Vervuiling en reiniging van betonnen gevels”, Cement XXXV, nr.

12, 1983, blz. 816-822 [6]

X., “Gevelreiniging Rapport 198”, Stichting Bouwresearch, Rotterdam, 1989

[7]

STEFFEN C., “Beleving van gevelvervuiling”, Centrum voor architectuuronderzoek,

Technische Hogeschool Delft, Afdeling der Bouwkunde, 1983

[8]

BERLAMONT G., Hydraulica, collegetekst, L. Wouters, Leuven, 1998

[9]

VAN DE P ERRE G., DE GREVE L., Analytische mechanica, collegetekst, L. Wouters,

Leuven, 1992

[10]

X., “Micone: Specialisten in industriële reinigingsmiddelen en -technieken”,

, 17/05/03

[11]

X., “Reinigen”,

, 17/05/03 Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

122

[12]

DE C LERCQ H., DE HENAU P., DE WITTE E., D E BRUYN R., P IEN A., “Restauratie van

buitenmuren: gevelreiniging”, WTCB-tijdschrift, lente 1998, blz. 3-11

[13]

KUSTERMANS K., S OONS B., “Studie van het reinigen van natuursteen met behulp van

laserapparatuur”, eindwerk, Hogeschool voor wetenschap & kunst (De Nayer Instituut), 1999 [14]

THOMANN-HANRY, INC ., “Façade gommage”,

, 17/05/03

[15]

P IEN A., DE BRUYN R., “Gevelreiniging”, WTCB-tijdschrift, winter 1992, blz. 13-20

[16]

VAN AERSCHOT P., “Vernieuwbouw”, (ongepubliceerde collegetekst), K.U.Leuven,

Leuven, 2001

[17]

COOPER M., “Laser cleaning in conservation: an introduction”, Butterworth

Heinemann, Oxford, 1998

[18]

DE WINDT W., V INCKE E. VERSTRAETE W., “Wisselwerking tussen micro-organismen

en bouwmaterialen”, WTA studiedag “Biodegradatie”, Kerkrade (Nederland), 11 oktober 2002

[19]

LOUTZ S., DINNE K., “Vervuiling en verwering van steenachtige materialen door

micro-organismen”, WTCB-tijdschrift, zomer 2000, blz. 3-12 [20]

X., “Restauratie & Beheer”,

, 17/05/03

[21]

WILIMZIG M., SAND W., B OCK E., ”The impact of stone cleaning on micro-organisms

and microbially influenced corrosion”, Proceedings of the International Stone Cleaning Conference, Edinburgh, 14-16 april 1992, blz 235-236 [22]

VAN GEMERT D.,Vernieuwbouw van structuren, collegetekst, VTK, Leuven, 2002


123

[23]

CASTANIER S., L E M ÉTAYER-LEVREL G., P ERTHUISOT J.-P ., “Ca-carbonate

precipitation and limestone genesis – the microbiogeologist point of view”, Sedimentary Geology, 126, 1999, blz. 9-23

[24]

HAMMES F., V ERSTRAETE W., “Key roles of pH and calcium metabolism in microbial

carbonate precipitation”, Views in Environmental Science & Bio/Technology, 1, 2002, blz. 3-7

[25]

ORIAL G., “La biominéralisation appliquée à la conservation du patrimoine: bilan de

dix ans d’expérimentation”, Restaurar la memoria, Valladolid (Spanje), 10-12 december 2000

[26]

X., “La biominéralisation : lorsque les bactéries deviennent architectes”

, 16/05/03 [27]

X., “Monuments sous ordonnance”, Séquence "Dossier du mois" - 14 et 25 octobre

1999 , 17/05/03

[28]

TIANO P., B IAGIOTTI L., MASTROMEI G., “Bacterial bio-mediated calcite precipitation

for monumental stones conservation: methods of evaluation”, Journal of Microbiological Methods, 36, 1999, blz. 139-145

[29]

BOQUET E., B ORONAT A., R AMOS-C ORMENZANA A., “Production of calcite (calcium

carbonate) crystals by soil bacteria is a general phenomenon”, Nature, 246, 1973, blz. 527529

[30]

VANDENBERGHE N., LAGA P., “De aarde als fundament, een inleiding tot de geologie

voor ingenieurs”, Acco, Leuven/Amersfoort, 1996, blz. 31-100

[31]

ORIAL G., “Des bactéries prennent soin des vieilles pierres”, Biofutur, 180, 1998, blz.

23-25 [32]

ORIAL G., “Bacillus cereus en question”, Biofutur, 182, 1998, blz. 45


124

[33]

X., “Microbiologie”

, 17/05/03

[34]

ORIAL G., “Des bactéries prennent soin des vieilles pierres”, Biofutur, 180, 1998, blz.

23-25 [35]

ORIAL G., “Bacillus cereus en question”, Biofutur, 182, 1998, blz. 45

[36]

LE M ÉTAYER-LEVREL G., C ASTANIER S., ORIAL G., LOUBIÈRE J.-F., P ERTHUISOT J.-P.,

“Applications of bacterial carbonatogenesis to the protection and regeneration of limestones in buildings and historic patrimony”, Sedimantary Geology, 126, 1999, blz. 25-34

[37]

X., “Calcite Bioconcept Procédé de Biomineralisation”

, 17/05/03

[38]

P ARASKEVA C.A., CHARALAMBOUS P.C., S TOKKA L.-E., KLEPETSANIS P.G.,

KOUTSOUKOS P.G., R EAD P., O STVOLD T., PAYATAKES A.C., “Sandbed consolidation with mineral precipitation”, Journal of Colloid and Interface Science, 232, 2000, blz. 326-339

[39]

GOLLAPUDI U.K., KNUTSON C.L., BANG S.S., ISLAM M.R., “A new method for

controlling leaching through permeable channels”, Chemosphere, 30, 1995, blz. 695-705

[40]

BRYANT R.S., “Potential uses of microorganisms in petroleum recovery technology”,

Proceedings of the Oklahoma Academy of Science, 67, 1987 , 17/05/03

[41]

STOCKS-F ISCHER S., GALINAT J.K., BANG S.S., “Microbiological precipitation of

CaCO3”, Soil Biology & Biochemistry, 31, 1999, blz. 1563-1571

[42]

BACHMEIER K.L., WILLIAMS A.E., W ARMINGTON J.R., B ANG S.S., “Urease activity in

microbiologically-induced calcite precipitation”, Journal of Biotechnology, 93, 2002, blz. 171-181


125

[43]

ORIAL G., VIEWEGER TH., LOUBIÈRE J.-F., “Les mortiers biologiques: une solution

pour la conservation de la sculpture monumentale en Pierre”, colloquium ‘Art Biology and Conservation 2002’ in juni 2002, te verschijnen in International Biodeterioration and Biodegradation

[44]

RAMACHANDRAN S.K., RAMAKRISHNAN V., BANG S.S., “Remediation of concrete

using micro -organisms”, ACI Materials Journal, 98-M1, 2001, blz. 3-9

[45]

SKOULIKIDIS T., P APAKONSTANTINOU P., “Stone Cleaning by the inversion of gypsum

back into calcium carbonate”, In: Webster, R.G.M., Stone cleaning and the nature, soiling and decay mechanism of stone, Donhead, Londen, 1992, blz. 155-159

[46]

X.,

“DIN

50

018:

Beanspruchung

im

Kondenswasser-Wechselklima

mit

schwefeldioxidhaltiger Atmoshäre”, Beuth Verlag GmbH, Berlijn, 1978

[47]

X., “The Form Talysurf Series 2 Operator’s Handbook”, Rank Taylor Hobson

Limited, Leicester

[48]

X., “vochtverwerende oppervlakte producten. Keuze en verwerking.”, Technische

voorlichting 140, WTCB, Brussel, 1982 [49]

referentie van lichtmicroscopie

, 17/05/03 [50]

X., “Seal laboratories”

, 17/05/03

[51]

X., “EDX - Energy Dispersive X-ray Analysis”

, 16/05/03 Chemisch herstel: onbehandeld

[52]

CAMPBELL D., WHITE J.R., “Polymer characterization: physical techniques”, Chapman

& Hall, Londen, 1991


126

[53]

MADIGAN M. T., MARTINKO J.M., PARKER J., “Brock Biology of Microorganisms”,

Prentice-Hall, New Jersey, 2000

[54]

HOORENS X., L ETERME S., “Bescherming van kalksteen door CaCO 3-precipiterende

bacteriën”, eindwerk, Katholieke Hogeschool Brugge Oostende (departement industriële wetenschappen en technologie), 2003


127

Biologisch herstel van schade aan gebouwen: biomineralisatie

Recommend Documents