Épületdiagnosztika és anyagvizsgálat a műemlékvédelemben Pintér Farkas
[email protected] BME Építéskivitelezési Tsz, 2015.10.27
A műemlékvédelem komplexitása KÖRNYEZET: T, csapadék, rH, sugárzás, károsító anyagok, fekvés
ÉPĺTŐANYAG: (történetimodern)
TÖRTÉNET: (átépítések, restaurálások)
HASZNÁLAT: (privát, egyházi, turisztikai, nyilvános)
IGÉNYEK-SZÁNDÉKOK: (tulajdonos, kivitelező)
ANYAGI LEHETŐSÉGEK
1
Műemlék restaurátor
természettudományi szakember
épitész, régész, művészettörténész
Fontosabb diagnosztikai módszerek a műemlékvédelemben
Labor
Helyszíni •
Érzékszerveink használata
•
Fény- és elektronmikroszkópia
•
Fúrószár-ellenállás mérése
•
Kémiai analízis (SEM-EDX, RFA, AAS, ICP-MS)
•
Ultrahangterjedési sebesség
•
Ionkromatográfia
•
Nedvességmérés
•
Infravörös spektroszkópia (FTIR)
•
Vízfelvétel mérése
•
Röntgendiffraktometria
•
Klímamérés
•
14C-kormeghatározás
•
Termogárfia
•
Dendrokronológia
•
Georadar
•
…
•
Helyszíni gyorstesztek
•
...
2
Az épületvizsgálat alapjai: látás – tapintás – hallás – szaglás – ízlelés
Dokumentáció, felmérés, térképezés
3
HELYSZÍNI VIZSGÁLATOK
4
Elméleti szilárdsági profil egy mállott építőkőben
mészkő (CaCO3)
esővíz + SO2
H2SO4 gipszesedés
párolgás
héj
fellazult zóna
üreg
ép kő
szilárdáság
gipszkéreg
szilárdásági profil
Porózus építőkövek károsodásának helyszíni vizsgálata I. Fúrószár-ellenállás c
ba kéreg(a) fellazult zóna (b)
író
ép kő (c)
sín
fúrógép
súly
kép: G. Fleischer, OFI után
5
Építőkőben létrejött kéregképződés és szöveti degradáció gipszesedés következtében 40 38 36 34
átlagos fúrószár-ellenállás = ép kő
32 30
Eindringtiefe
[mm] mélység [mm]
28 26 24 22
alacsony fúrószár-ellenállás = fellazult kőzetszövet
20 18 16 14 12 10 8
magas fúrószár-ellenállás = kemény kéreg
6 4 2 0 0
20
40
60
80
100
120
140
Schreiberfortschri tt [mm] idő (adatrögzítő elmozdulása)
160
180
0,0 200
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
Bohrwiderstand [s/mm]
fúrószár-ellenállás [s/mm]
ábra: G. Fleischer, OFI
6
mélység [mm]
Kőszilárdítás hatékonyságának ellenőrzése
szilárdítás előtt szilárdítás után
idő (adatrögzítő elmozdulása)
fúrószár-ellenállás [s/mm]
ábra: G. Fleischer, OFI
Porózus építőkövek károsodásának helyszíni vizsgálata II. Ultrahang-terjedési sebesség mérése Roncsolásmentes módszer Ultrahang impulzusok (500 kHz -75 MHz) küldése → futási idő detektálása → ultrahang terjedési sebessége kiszámolható v = s/t [km/s]; s [mm], t [ms]
adó
vevő
→ anyagjellemzők (dinamikus e-modulus) → szilárdság
beton: 4,0...5,0 km/s márvány (ép): 5,4...6,7 km/s, márvány (mállott): 1,0...3,0 km/s. homokkő: 2,0...4,3 km/s
7
Márványlapok UHT-sebességének térképezése Kirche am Steinhof, Bécs
G. Fleischer, 2002
8
3D-térképezés – „UH-tomográfia“
Mérési pontok
Sigesmund et al, RESTAURO 2004/2
Nedvességmérés I. – Vezetőképesség mérése
Szilárd testek elektromos ellenállása (vezetőképessége) nedvesedés hatására megváltozik: alacsony anyagnedvesség → magasabb elektromos ellenállás Hátrány: - ellenállást egyéb tényezők is befolyásolják (T, sűrűség, sótartalom, összetétel, stb.) → pontatlanságok - leginkább fanedvesség mérésre alkalmas
9
Nedvességmérés II. – Kapacitív módszer A mérés során a műszer és a mérendő anyagtömeg közötti létrejövő elektromos mezőnek a nedvesség hatására történő változásait detektálja a műszer (relatív értékek!). A mérés mélysége nagyban függ az anyag sűrűségétől pl. 23 cm-tól (beton) 10-12 cm-ig (porózus anyagok). Károsító sók jelenléte itt is befolyásolja a mérési eredményt!
Nedvességmérés III. – CM módszer
• anyagminta porítása • tömeg mérése • légmentesen záródó edénybe töltése karbid (CaC2) kapszulával • rázás hatására a karbid az anyag nedvességével acetilén gázt (C2H2) és plusznyomást képez, ami a palackhoz erősített légnyomásmérőn leolvasható • anyagmennyiség + nyomás ismeretében a nedvességtartalom kiszámolható • abszolút értékek!
10
Nedvességmérés IV. – Gravimetrikus (Darr) módszer
minta szárítása 40 ºC-on → elpárolgó nedvesség → tömegveszteség
(nedves tömeg – száraz tömeg) x 100
= nedvesség [m/m %]
száraz tömeg
Nedvességeloszlás térképezése a Mátyás templom nyugati falán
11
Vízfelvevő-képesség mérése Karsten pipa Víz behatolásának, felvételének meghatározására szolgáló egyszerű műszer. w-érték (vízfelvételi együttható) is becsülhető-átszámítható
Alkalmazási területek: - építőanyagok vízfelvevő-képessége - hidrofób hatás ellenőrzése - felületi bevonatok ellenőrzése, összehasonlítása
Kőkiegészító habarcsok és a kiegészítendő kő vízfelvételi tulajdonságainak összehasonlítása
5 4,5
Stein ohne Schlämme
3
Probe 2
2,5
Probe 3 Probe 4
2
Probe 5
1,5 1 0,5 0 0
50
100
150
200
250
5
Sec.
4,5 4
alacsony vízfelvő-képesség
nagy vízfelvő-képesség
Wasseraufnahme [ml]
Wasseraufnahme [ml]
4 3,5
3,5 Stein mit Schlämme
3
Probe 2
2,5
Probe 3 Probe 4
2
Probe 5
1,5 1 0,5 0 0
50
100
150
200
250
Sec.
12
Kémiai gyorstesztek pH és a főbb károsító sók anionjainak (SO42-, NO3-, Cl-) minőségi és „félmennyiségi” meghatározására. Desztillált víz használata a méréshez!
Karbonátosodás mélységének meghatározása Fenolftalein 0,1-1%-os, alkoholos vagy vizes oldata –> pH változásának detektálása pl. mészhabarcsban, betonban.
Ca(OH)2 (pH ~12) + CO2 –> CaCO3 (pH < 8,5-9) magenta színű oldat elszíntelenedik
Kép: Matea Ban, 2012
www.understanding-cement.com
13
Egyszerű helyszíni tesztek festékrendszerek meghatározásához • festékréteg hajlítható
műanyag (műgyanta, diszperziós) festék
• öngyújtópróba: festékréteg elfeketedik
műgyanta, diszperziós festék
• festékréteg acetonba (körömlakk lemosó) mártott vattapálcikával oldódik műgyanta, diszperziós festék • vízcsepp teszt: felületre csepegtetett víz nem szívódik be (hidrofóbizált diszperzió)
• festékréteg vízbe mártott vattapálcikával oldódik
szilikongyanta-festék
enyvfesték
• híg (5-10%-os) sósav: festékréteg heves pezsgéssel oldódik mészfesték (Vigyázat! Nem meszes festékrendszerek is gyakran tartalmaznak meszes töltőanyagot, ami szintén oldódik HCl-ben! egyéb vizsgálatok, pl. oldhatóság acetonban) • pontos meghatározáshoz: laborvizsgálat, pl. FTIR
Klímamérés Folyamatos adatrögzítés kisméretű eszközökkel (logger). Kül- és beltéri klíma változásainak a mérése (lég-/felületi hőmérséklet, rH, fényerő, stb.)
14
T és rH értékek mérése a Mátyás templomban (2005.11.10-2006.02.15.)
Termográfia
-273 ºC felett minden test kibocsát, az emberi szem számára láthatatlan, hősugárzást. A termográfia a tárgyak felületi hőmérsékletének meghatározására alkalmas leképező eljárás, ahol az egy pontból kiinduló infravörös sugárzás intenzitása szolgáltatja az alapot a hőmérséklet meghatározásához. Mérési tartomány általában a 8-14 µm hullámhossz tartományban.
15
Passzív termográfia
Aktív termográfia
Franzen et al, 2011
16
GPR (Ground Penetrating Radar) - Georadar
Egy adó nagyfrekvenciás (1,6 GHz) impulzusokat küld a vizsgálandó médiumba, amelyek részben elnyelődnek, részben visszaverődnek. A visszavert szignált detektálják és időfüggvényként jelenítik meg. Az intenzitás az anyagok, rétegek, stb. dielektromos tulajdonságainak és vezetőképesség különbségeinek a függvénye. Minél nagyobb a különbség, annál erősebb reflexió lesz detektálható. pl. kő-vasalás, kő-üreg, stb.
Képek: Burken Kft
ablak 8-szögletű torony sarkai
Eingemauertes Fenster oder Nische fémkapocs
Ecken des achteckigen Turmes
Kép: Burken Kft
17
Inhomogén (bal) és homogén (jobb) falazat Kép: Burken Kft
LABORATÓRIUMI VIZSGÁLATOK
18
Mintavételezés
• • • •
pontos dokumentáció (leírás, fotó, rajz) mintavételezés megfelelő helyről megfelelő minőségű és mennyiségű minta mit szeretnénk megtudni? (lehetőségek, korlátok, pl. „anyagtani tulajdonságok” vs „hány éves a kapitány?”)
Fénymikroszkópia ráeső (polarizált) fény
UV
áteső, polarizált fény
19
I. Polarizációs mikroszkópia - vékonycsiszolat minta Vékonycsiszolat: átlátszó, 20 – 30µm vastag preparátum Vizsgálatok áteső polarizált fényben. Az egyes alkotófázisok egyértelműen meghatározhatók!
vékonycsiszolat
Miért éppen polarizációs mikroszkópia?
A szöveti-szerkezeti és összetételbeli tulajdonságok egyidejű vizsgálati lehetősége • • • • • • • • • • •
ásványi fázisok meghatározása (adalékanyag, adalékok, klinker, stb.) kötőanyag meghatározása (mész, gipsz, hidraulikus, stb.) b/a arány (képanalízis) porozitás v/c-tényező (POL-UV-mikroszkópia) rétegrend, festékrétegek meghatározása gyártási technológia mállás/szöveti-szerkezeti változások/tartósság (karbonátososdás, gipszesedés, ASR, DEF, stb.) „relatív kormeghatározás” további nagyműszeres vizsgálatok előkészítése költséghatékony
20
Kötőanyagok polarizációs mikroszkópban: mész, dolomit mész
Kötőanyagok polarizációs mikroszkópban: gipsz-anhidrit
21
Kötőanyagok polarizációs mikroszkópban: NHL, románcement
Kötőanyagok polarizációs mikroszkópban: portlandcementek
cement szemcse
kohósalak adalék
cementkő CEM II/B-S
CEM I
pernye adalék
adalék
rez. cement
CEM II/B-V
PC (1866)
22
Porozitás, repedések
Károsító sók habarcsban-betonban (ettringit, thaumazit, gipsz)
23
II. Vizsgálatok ráeső fényben – Rétegrend, pigmentek diszperziós festék (Ti-fehér és okker)
porrétegek
sárga és vörös okker
smalte
faszénpor
zöld földfestékpigment
Homlokzatok eredeti színezése
akrilát réteg
2x mészfestés
porréteg és gipszesedés (eredeti felület)
románcement habarcs
2x mészfestés
porréteg és gipszesedés (eredeti felület)
meszes finomvakolat
mészfestés porréteg és gipszesedés (eredeti felület)
románcement vakolat porózus mészkő
24
III. Vizsgálatok UV fényben Olajfesték-rétegek, sellak, speciális pigmentek UV
UV
500 µm
100 µm
Porozitás vizsgálatok, repedések
adalék
adalék
fagykár 1 mm Kép: Ch. Merz
tömörödési pórus
25
Betonok v/c–tényezője
V/C ~ 0,40 alacsony
V/C ~ 0,55 normál
V/C ~ 0,70 magas
Pásztázó-elektronmikroszkópia (SEM) energiadiszperzív röntgenanalízissel
detektorok oszlop
SEM: olyan mikroszkóp, amely elektronok (elektronnyaláb) segítségével alkot képet.
Alkalmazások:
kamra
elektronika
• topográfia • morfológia • kémiai összetétel
Nagyítás: 50x – 1000000x Mélységélesség: 4mm – 0,4µm Felbontás: 1-10nm
26
Törött mintafelület: topográfia (3D)
Polírozott felület: szerkezetszöveti kép, komponensek (2D)
27
Kémiai összetétel-fázisanalízis
Károsító sók vizsgálata
28
A sók olyan ionos kötésű vegyületek, amelyek kristályrácsának felépítésében legalább egy kation és egy anion vesz részt. pl. Na+ + Cl- – NaCl (halit, kősó)
kationok
anionok
Ca2+
klorid Clnitrát NO3szulfát SO42karbonát CO32-
Mg2+ K+ Na+
Rahn & Müller, 2006
Falazatokban előforduló leggyakoribb sófajták
Anionok Kationok
Karbonátok
Szulfátok
Kloridok
Nitrátok
CO32-
SO42-
Cl-
NO3-
Na2CO3 (x·H2O)
Na2SO4 10·H2O
Nátrium
NaCl
NaNO3
termonátrit (H2O)
tenardit
Na+
halit
Nitratin
szóda (10·H2O)
mirabilit (glaubersó)
(konyhasó)
(nátronsalétrom)
Kálium
K2CO3
K2SO4
KCl
KNO3
K+
hamuzsír
arcanit
szilvin
kálisalétrom
kieserit (H2O)
MgCl2
Mg(NO3)2
hexahidrit (6·H2O)
bischofit
nitromagnezit
MgCO3 Magnézium Mg2+
magnezit hidromagnezit (4H2O) CaCO3
Kalcium
kalcit
Ca2+
aragonit vaterit
MgSO4
epsomit (7·H2O) CaSO4 gipsz (2·H2O) anhidrit
CaCl2
Ca(NO3)2·4H2O
antarticit
mészsalétrom
29
Károsító sók eredete, gyakorisága Felszálló talajnedvesség (kapilláris víz) szulfát
nitrát
mindenféle talajból; Ca2+ építőanyag, cementes kiegészítések
sókivirágzáként ritka (higroszkópos)
gyakori só; gyakran alkálianyagok reakciótermékeként
Leggyakoribb nitrát só; mezőgazdaság, alkáli anyagokból
Na+
gyakori só; főleg alkálianyagok reakciótermékeként
Légköri hatások
karbonát
mezőgazda sági talajok; temetők
nagyon gyakori; pl. Mg2+ dolomitos építőanyag, habarcsok
K+
klorid
sókivirágzásként ritka (higroszkópos)
viszonylag gyakori só; alkálianyagok reakciótermékeként
szulfát
nitrát
klorid
másodlagos mészbevonatok szinter; erősen nedves SO2 reakciózónákban terméke kalcittal ill. dolomittal építőanyagból dolomitos nagyon habarcsokból ritka! de NOx reakciótermékeként ill. bakteriális tevékenységből előfordulhat alkáli anyagokból, más reaktív sók hiánya esetén
karbonát
nagyon ritka! nagyon oldékony és higroszkópos!
másodlagos mészbevonatok szinter; erősen nedves zónákban
speciális ipari anyagokból; tengervíz permet
SO2 reakcióterméke alkáli anyagokkal
nagyon ritka! alig kimutatható
SO2 hatására szulfátosodik
téli sószórás, sódepók
Sók oldódása vízben Vízben való oldódáskor a sók anionokra és kationokra disszociálnak, miközben elektrolitot hoznak létre. ionos kötésű kristály (NaCl)
-
O
+ -
-
+
+
+
+ H
- + + - +
+
H
+
+
+
H2O dipólus molekula
-
kation hidrátburokban
anion hidrátburokban
+
+
-
30
Sóanalitika – ionkromatográfia (IC) Az oldatban lévő kationokat és anionokat egy-egy speciális ioncserélő-gyantával bélelt oszlopon áramoltatják át, ahol az egyes komponensek az idő függvényében szétválasztásra kerülnek -> minőségi és mennyiségi analízis
Mérési eredmények interpretálása I. – Oldahatósági sor alapján Egyes komponensek koncentrációja a mintában ([mg/l] vagy [ppm]): Na+ K+ Mg2+ Ca2+ Cl- NO3- SO4234,1 4,8 10,8 149,7 73,4 46,8 349,8 Az oldatban lévő kationok és anionok koncentrációjának mérése és több lépcsőben történő tömegszázalékra való átszámolása után az oldahatóság és a komponensek függvényében a mintában lévő vízoldható sók kiszámolásra kerülnek.
gipsz NaCl Mg-nitrát Mg-klorid Ca-klorid K-nitrát
só/sóTOTAL [m/m%] 72,4 14,9 6,4 2,5 2,5 1,2
só/minta [m/m%] 2,8 0,6 0,25 0,1 0,1 0,05
31
Mérési eredmények interpretálása II. – Termodinamikai modell Mg-klorid Ca-nitrát Mg-nitrát K-Mg-klorid NaCl
T = 0°C Ca-nitrát Mg-nitrát K-Mg-klorid NaCl
NaCl
mol
KNO3 NaCl
rH [%]
32
