Konsolidace omítek vápennou vodou I. Jednoduchý způsob vyhodnocení průběhu konsolidace a konsolidačního účinku Dagmar Michoinová Článek předkládá čtenářům některé základní informace o tradičním způsobu povrchového zpevňování omítek vápennou vodou. V příspěvku jsou uvedena kritéria pro výběr materiálů, které lze účinně vápennou vodou zpevňovat. Dále jsou popsány vhodné způsoby aplikace a přednosti konsolidace omítek vápennou vodou. Pro kvantitativní popis konsolidačního účinku je v textu uveden jednoduchý způsob jeho vyhodnocení spolu s modelovým použitím metody při experimentální konsolidaci historické omítky. Výsledky experimentu dokumentují, že použití vápenné vody pro zpevnění degradovaného povrchu omítek je velmi efektivní. Používání vápenné vody při konsolidaci historických omítek je tradiční technologie, která má, jako všechny ostatní materiály a postupy, své výhody i limity. V následujícím textu budou, jako reakce na projev obecné nedůvěry k používání této tradiční historické technologie, stručně presentovány některé základní principy konsolidace vápennou vodou při zpevňování omítek. V dalším chystaném článku pak budou uvedeny některé analytické výsledky o dějích, které konsolidaci vápennou vodou provází. Obecně lze říci, že konsolidací vápennou vodou se rozumí postup, jehož cílem je zpevnit částečně degradovanou povrchovou oblast anorganického porézního materiálu, nejčastěji omítky nebo malty. Pro lepší srozumitelnost uvedené „definice“ uveďme, že: Konsolidací se v daném případě přednostně rozumí zpevnění povrchu a blízké podpovrchové oblasti porézního materiálu, jehož soudržnost je snížena degradací původního pojiva. Vápenná voda je roztok vápna resp. hašeného vápna (jinak též vápenného hydrátu, hydroxidu vápenatého nebo chemickým vzorcem Ca(OH)2) ve vodě. Ke zpevnění omítky vápennou vodou dochází reakcí konsolidantu se vzduchem za vzniku nových spojů mezi jednotlivými částečně uvolněnými zrnky materiálu. 2. Příprava konsolidantu a princip zpevnění Vápenná voda se připraví smícháním malého množství hašeného vápna s vodou a následným částečným rozpuštěním vápna (vápenného hydroxidu) ve vodě1. Na přípravu 10 l vápenné vody je vhodné použít řádově 0,5 kg Ca(OH)2 , což je asi 1 litr husté vápenné kaše nebo suchého vápenného hydrátu. Po usazení nerozpuštěného zbytu na dně nádoby vznikne čirý, bezbarvý roztok - vápenná voda. Při ponechání nádoby s vápennou vodou na vzduchu se na její hladině začne tvořit charakteristická „skořápka“ uhličitanu vápenatého (vápence)2.
1
Rozpustnost Ca(OH)2 ve vodě je 1,6 g v 1 l vody při 25°C, při rostoucí teplotě vody rozpustnost klesá. Protože však dochází na hladině vápenné vody k reakci rozpuštěného hydroxidu vápenatého a tedy k jeho ubývání, je užitečné teoretickou dávku zvýšit. 2 Vzniká reakcí rozpuštěného hydroxidu vápenatého s oxidem uhličitým ze vzduchu.
1
Po zanesení rozpuštěného, ale pravděpodobně také částečně dispergovaného hydroxidu vápenatého do omítky, dochází k jeho přeměně na uhličitan vápenatý. To je zřejmě dlouhodobý proces, ke vzniku uhličitanu dochází patrně přes přechodně přítomný krystalický hydroxid vápenatý. Obdobná reakce probíhá také při tuhnutí a tvrdnutí vápenné omítky a dá se chemicky zapsat ve známém tvaru: Ca(OH) 2 + CO2 → CaCO3 + H2O. Konsolidační účinek se projevuje zlepšením soudržnosti degradovaného materiálu v místech, kam vápenná voda zanesla rozpuštěný hydroxid vápenatý. Hloubka průniku vápenné vody do porézního materiálu je závislá především na četnosti a tvaru pórů zpevňovaného materiálu, na smáčivosti povrchu pórů apod. Zlepšení soudržnosti málo soudržných povrchů lze hodnotit buď empiricky (např. zjišťováním, zda se omítka při otěru rukou drolí po konsolidaci méně než před zásahem) nebo lze zlepšení soudržnosti materiálu kvantifikovat např. dále uvedeným „scotch testem“3. Dřívější studie o účinku vápenné vody na porézní materiály Práce o účincích vápenné vody při konsolidaci porézních materiálů jsou publikovány jak u nás, tak i v zahraničí4. Systematicky byl účinek vápenné vody zjišťován např. v práci ing. Ivany Maxové, která porovnávala účinnost různých konzervačních materiálů na impregnaci kamene5 . Výsledkem bylo konstatování, že u kamene (opuky, pískovce a vápence) nebyly prokázány výrazné konsolidační účinky vápenné vody. Kvantifikace povrchového konsolidačního účinku nebyla v citované práci vyhodnocována. Vymezení materiálů vhodných ke konsolidaci Při použití vápenné vody dochází k postupnému doplňování degradovaného vápenného pojiva do savého porézního materiálu. Vzhledem ke kompatibilitě chemického složení a ostatních fyzikálních vlastností původního a doplňovaného materiálu, jsou pro konsolidaci vápennou vodou přednostně vhodné jen takové materiály, které obsahují vápenné pojivo. Vzhledem k mechanismu transportu konsolidantu do materiálu je omezení rozšířeno ještě na ty materiály, které obsahují dominantně otevřené póry6 o poloměru větším než 3
Existují i další exaktní metody vyhodnocení soudržnosti materiálu (např. odtrhové zkoušky apod.). Ty jsou ale většinou navrhovány pro nové, daleko „soudržnější“ materiály, a proto nejsou optimální pro vyhodnocení velmi malých hodnot soudržnosti, které jsou charakteristické pro povrchy degradovaných historických omítek. 4 Soulikidis, Th. a kol: Amelioration of the propertieis of hydrated lime for the consolidation of the surface or/and the mass of Building Materials of Monuments or New Buildings or Statues or Ornaments, v ICCROM 8th International Congress on Deterioration and Conservation of Stone, Berlín, 1996, s. 1599-1606 Peterson, Sten: Lime Water Consolidation, v Mortars, Cements and Grouts Used in the Conservation of Historic Buildings, ICCROM Symposium, Řím, 1982 5 Ivana MAXOVÁ: Konzervační hmoty aplikované na kamenné památky během historie restaurování, dílčí zpráva v rámci grantového projektu Historické konstrukce a materiály při opakovaném namáhání, GAČR č. 103/97/S051. Vybrané výsledky práce byly publikovány v ICCROM 9th International Congress on Deterioration and Conservation of Stone, Benátky, Elsevier, Amsterodam, 2000, s. 395-403 6 Zjednodušeně řečeno, dominantním mechanismem transportu vápenné vody do porézního materiálu je kapilární vzlínavost, která vzniká v důsledku rozdílných povrchových napětí mezi kapalinou
2
0,010 mm. Otevřená porozita vymezených materiálů umožňuje transportovat vápennou vodu do potřebné hloubky materiálu v požadovaném čase. Z uvedených omezení vyplývá, že vápenná voda je vhodná zejména pro zpevňování povrchově degradovaných vápenných malt a omítek bez nástěnných maleb7. Z hornin vyhovuje daným omezením hrubozrnný porézní pískovec s vápenným tmelem. Vymezení vhodných podmínek a postupu konsolidace Správná a šetrná konsolidace vápennou vodou se provádí opakovaným postřikem např. tlakovým rozprašovačem nebo lokálně natíráním štětcem. Opakování aplikace konsolidantu je vhodné provádět vždy až po dostatečném vyschnutí vlhkosti, která byla do omítky zanesena předchozím provlhčením vápennou vodou. Při některých nevhodných způsobech nanášení, například při jednorázovém injektování většího množství vápenné vody pod omítku nebo dokonce při dlouhodobém sycení (prolévání) omítky vápennou vodou může docházet k nadměrnému lokálnímu přetížení nasáklých omítek a následně až k jejich uvolnění. Omítky se vápennou vodou ošetřují podle potřeby 40krát i vícekrát. Za vhodných podmínek, kdy dochází k rychlému vysychání povrchu omítky, lze postřik provést 3krát až 4krát denně. Na zpevnění je třeba počítat za vhodného počasí se dvěma až pěti týdny. Ve srovnání s nejčastěji používanými konsolidanty na bázi organokřemičitanů to však není zásadní časový rozdíl8. Protože se při použití vápenné vody jedná o tzv. „mokrý proces“, lze jej provádět výhradně v době, kdy dlouhodobě (minimálně měsíc) nehrozí pokles teplot pod 0°C. Pro průběh zpevnění omítek konsolidovaných vápennou vodou není závadou jejich přirozené zavlhčení deštěm nebo zvýšenou relativní vlhkostí vzduchu v průběhu zásahu nebo po jeho skončení. Pozvolně se projevující účinek vápenné vody má velkou výhodu v tom, že ke zpevňování omítky dochází postupně a před každou další aplikací konsolidantu lze zhodnotit stav zpevňovaného povrchu. Přirozené zavlhčení konsolidovaných omítek přispívá k jejich zpevnění až do doby, než dojde celkové přeměně hydroxidu vápenatého na uhličitan vápenatý. Celý proces konsolidace končí v okamžiku, kdy můžeme většinou jen na základě empirie říci, že omítka je již „dostatečně pevná“9. Potřebná míra konsolidace je závislá na celé řadě faktorů. Předně je ovlivněna dalším postupem restaurování nebo konzervace. Menší zpevnění je nutné před následným tmelením nebo eventuálním omítnutím zbytků (vodou), plynem (vzduchem) a pevnou látkou (maltou) v tenké kapiláře (póru). Z matematických vztahů, které popisují uvedený fyzikální jev mimo jiné vyplývá, že s klesajícím průměrem kapiláry klesá rychlost vzlínání. U materiálů se středním poloměrem pórů pod 0,001mm (1 mikrometr) je transport vody při postřiku vápennou vodou tak pomalý, že k průniku konsolidantu do požadované hloubky materiálu za daných podmínek aplikace nemůže dojít. 7 Použití vápenné vody na omítky s nástěnnými malbami je velmi problematické. Předně proto, že ve většině případů porozita povrchu nástěnné malby neumožňuje při správném způsobu aplikace vápenné vody dostatečnou penetraci konsolidantu do omítky. Dalším důvodem je skutečnost, že působením silně alkalického roztoku konsolidantu na některá organická pojiva barevné vrstvy dochází k jejich urychlené degradaci. pH vápenné vody je 12. 8 Při použití běžných organokřemičitanů jsou technologické lhůty pro zpevnění a pokračování s návaznými „mokrými procesy“ kolem 21 dní. Existují však i organokřemičitany s podstatně kratšími zpevňovacími lhůtami. 9 Empirický způsob vyhodnocení konce konsolidace se týká všech běžně používaných konsolidantů, není to specifikum pouze pro vápennou vodu.
3
historických omítek, intenzivnější zpevnění je žádoucí například v případě, že jde o závěrečnou fixáž povrchu. Dále je třeba zohlednit exponovanost zpevňovaných ploch, zda se jedná o omítky v interiér či exteriéru, jaká je jejich orientace vzhledem k povětrnostním dějům a podobně. Jednoduchý způsob vyhodnocení průběhu konsolidačního účinku „scotch“ testem K přesnějšímu popisu průběhu zpevňování lze použít celkem jednoduchý „scotch“ 10 test , který je založen na předpokladu, že čím je povrch omítky soudržnější tím méně částeček se z něj při dotyku uvolňuje. Tento „ukazatel“ se zjišťuje tak, že se na povrch omítky pečlivě přilepí lepící páska a pomalu se strhne. Čím míň je zachycených částic, tím lepší je soudržnost omítky. Pro vyhodnocení průběhu konsolidace omítek jsou vhodné běžné kancelářské jednostranné lepící pásky o šířce kolek 5 cm. Vhodná délka testovacího proužku je asi 10 cm. Uchycené množství materiálu se vypočte jako rozdíl hmotnosti lepenky s uchycenými částicemi a hmotnosti lepenky bez uchycených částic. Vždy po několika cyklech zpevňování se snímání úchytu opakuje. Po vyhodnocení dílčích měření lze zjistit časový průběh zpevňování, popřípadě vypočítat účinnost konsolidace . Příklad reálného použití testu Stejný postup byl použit při zkušebním ověřování účinku vápenné vody na konsolidaci degradované historické omítky. Test byl prováděn na asi 100 let staré vápenné omítce na opukovém zdivu. Omítka jevila známky značné povrchové degradace v důsledku namáhání klimatickými vlivy (deštěm, větrem, mrazem a povrchovými krustami). Povrch omítky byl před zásahem pokryt téměř souvislou sádrovcovou krustou. Ta byla mechanicky odstraněna jemným přebroušením a odfoukáním zcela uvolněných částic a povrch očištěné omítky byl rozdělen na pokusná pole (na obrázku číslo 1). Soudržnost omítky před konsolidací byla na levé půlce každého pokusného pole proměřena „scotch testem“, aby výsledky účinku konsolidace nebyly nekontrolovatelně ovlivněny nestejnoměrnou kvalitou omítky na jednotlivých polích. Výsledky tohoto měření jsou v grafu uvedeny jako hodnoty úchytů před konsolidací. Konsolidace byla prováděna plošným, rovnoměrným postřikem na všechna pokusná pole. Jednotlivé dílčí postřiky byly ukončeny v okamžiku, kdy omítka přestávala vápennou vodu vstřebávat. Další postřik všech polí byl aplikován po vyschnutí ošetřované pokusné omítky11. Snímání úchytů bylo prováděno po 5 postřicích, vždy na novém poli12. Výsledky časového průběhu konsolidace byly zpracovány do grafu, vypočtené hodnoty účinku konsolidace jsou uvedeny v tabulce.
10
Metoda byla vyvinuta italskými kolegy pro obdobná vyhodnocení Vyschnutí ošetřované omítky bylo vyhodnoceno srovnáním barevnosti mokré a suché plochy omítky. Ošetřovaná omítka byla považována za suchou, když získala zpět barvu shodnou s omítkou, která nebyla ošetřována. 12 Po 5 cyklech na poli číslo 1, po 10 cyklech na poli číslo 2, po 15 cyklech na poli číslo 3 atd. 11
4
Průběh konsolidace vápennou vodou
hmotnost zachyceného materiálu v (g)
0,250 0,200 0,150 0,100
úchyt před konsolidací úchyt po x cyklech
0,050 0,000 5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
počet konsolidačních cyklů
Graf č. 1: Průběh konsolidace omítky vápennou vodou
Účinnost konsolidace po provedení daného počtu zpevňovacích cyklů byla vypočtena podle vztahu: Ux = (m0 – mx)/mo . 100 kde
Ux m0 mx
[%],
je účinek konsolidace po provedení příslušného počtu zpevňovacích cyklů je hmotnost úchytu před konsolidací je hmotnost úchytu po provedení příslušného počtu zpevňovacích cyklů
Počet konsolidačních cyklů
5
10
15
20
25
30
35
45
50
Účinnost konsolidace v %
19
26
37
45
55
62
64 57* 71
80
40
* relativně nízká hodnota účinku konsolidace byla zřejmě ovlivněna odběrem na nedokonale proschlé omítce, která dostatečně nevyschla vlivem dlouhodobě velmi vlhkého počasí v září roku 2001. Tabulka č. 1: Účinnost konsolidace po zpevňování omítky vápennou vodou Diskuse výsledků Z výsledků vyplývá, že soudržnost pokusné omítky před konsolidací je velmi heterogenní. Maximální úchyt před konsolidací byl na poli číslo 1, tedy na poli s minimální soudržností materiálu, minimální úchyt před konsolidací byl zaznamenán na poli číslo 11, což je tedy pole s maximální zjištěnou soudržností omítek v rámci zkoumané plochy. K povrchovému zpevnění (k poklesu množství uchycených částic) docházelo hned po prvních cyklech konsolidace.
5
Ke zpevnění daného typu omítky docházelo rovnoměrně až do přerušení procesu13. I v tomto stavu, tedy po 50 cyklech, zůstala omítka savá a vstřebává další dávky vápenné vody. Došlo tedy k povrchovému zpevnění, povrch omítky však nebyl uzavřen. Podle zkušenosti a zhodnocení kvality povrchu otěrem bylo dostatečné míry zpevnění dosaženo po 30 konsolidačních cyklech, tedy při dosažení asi 60% účinnosti konsolidace. Omítka byla pevná, soudržná, k uvolňování jednotlivých zrnek písku docházelo jen ojediněle. Dosažení 100% účinnosti konsolidace by znamenalo, že povrch omítky je pevný, žádné částice se při odlepování lepenky neuvolňují. Dosažená 100% účinnost však nevypovídá nic o tom, zda došlo ke zpevnění omítky do dostatečné hloubky. Pro získání representativních hodnot úchytu materiálu použitým „scotch testem“ je nutné odebírat vzorky za předem zvolených, připravených a srovnatelných podmínek. Vyhodnocení a shrnutí výsledků Ke zpevňování dochází postupně a plynule, znatelného zpevnění je dosaženo již po prvních postřicích vápennou vodou, dostatečného zpevnění bylo dosaženo po 30 cyklech. Ani po 50 cyklech nedošlo z „uzavření“ povrchu omítky a omítka zůstávala savá. Před každou následující aplikací konsolidantu lze (např. empiricky nebo „scotch testem“) zhodnotit dosaženou míru zpevnění. V případě, že omítka zůstává savá, dochází i po dosažení uspokojivého povrchového zpevnění k pokračování děje pod povrchem omítky. Zpevňovacího účinku je u vápenných omítek a malt dosaženo tím, že v omítce postupně vzniká uhličitan vápenatý, tedy látka chemicky identická s původním pojivem. Protože se jedná o identickou chemickou sloučeninu, její mechanické vlastnosti jsou velmi blízké mechanickým vlastnostem původního vápenného pojiva. Z toho vyplývá, že při konsolidaci nemůže dojít k nežádoucímu nadměrnému zpevnění povrchu. Dalším důsledkem je maximální kompatibilita původního a nově vneseného pojiva i v ostatních materiálových vlastnostech jako je teplotní vodivost, teplotní a vlhkostní dilatace, smáčivost k vodě, rozpustnost ve vodě apod. Charakter a rychlost stárnutí (degradace) nového a původního pojiva lze, vzhledem k chemické identitě obou látek, považovat za velmi podobné. Konsolidace vápennou vodou je zvlášť vhodná pro velmi porézní materiály s relativně nízkou soudržností, zejména je vhodná pro vápenné omítky popřípadě malty. Opakované ošetření omítek silně alkalickou vápennou vodou (pH 12) může mít i jistý biocidní účinek. Výsledky provedeného experimentu jasně dokládají, že použití vápenné vody pro povrchovou konsolidaci daného typu degradované vápenné omítky je velmi efektivní. Závěr Přírodovědný popis a vysvětlení základních principů některých tradičních postupů a historických technologií je snahou o jejich oživování a popularizaci. Především by mělo přispívat k jejich správnému, uváženému a efektivnímu používání.
13
Pokus byl přerušen vzhledem k tomu, že zkušební část omítky byla rozdělena na 20 polí a měření bylo prováděno vždy po 5 cyklech na 2 polích.
6
