Metodika výběru náhradního stavebního kamene pro účely rekonstrukce historických památek Methodology of selection of replacement building stone for the purpose of reconstruction of historical monuments Mgr. Kateřina Kovářová, RNDr. M. Bednarik, PhD., Doc. RNDr. R. Holzer, PhD., RNDr. M. Laho, PhD. ABSTRACT: Natural building stone on historical monuments undergoes to weathering processes. Preferably, it should be replaced eith the stone of the same lithological composition, good durability and the same or similar appearance. If the quarrying of original stone is not possible, then the quality of alternative rock is not only crucial condition, but also the fact that its use will not change the facades character. It is methodically necessary to assess petrography of the facades stone, if it is possible, to perform complex laboratory tests to determine physical-mechanical properties and durability, and to generate the plan of facade based on digital photographic procedure and data processing in GIS. Secondly, the detailed survey of the replacement building stone has to be methodically identical with the research of facades material properties. The comparative analysis of the appearance, properties and durability of stone is necessary, as well. We believe that this comprehensive assessment of original and alternative natural building stone contributes to the protection against undesirable interventions in the restoration of historical monuments. ABSTRAKT: Přírodní stavební kámen na historických památkách podléhá zvětrávání. Přednostně by měl být nahrazován horninami stejného litologického složení, s dobrou trvanlivostí a stejného, či podobného vzhledu. Proto, když není těžba původního kamene možná, je při výběru alternativního kamene rozhodující podmínkou nejen jeho kvalitativní stránka, ale též či se jeho použitím nezmění charakter fasády. Z pohledu dané problematiky je metodicky potřebné kámen fasády posoudit z petrografického hlediska, v případě možnosti vykonat komplexní laboratorní zkoušky na zjištění fyzikálně-mechanických vlastností a trvanlivosti a generovat plán fasády založený na digitálním fotografickém postupu a zpracování dat v GIS. V druhé řadě je nevyhnutelný detailní průzkum náhradního stavebního kamene z předpokládaného místa těžby metodicky shodný s výzkumem vlastností materiálu fasády, rovněž i komparativní analýza vzhledu, vlastností a odolnosti kamene.
166
Jsme přesvědčeni, že takto zvolené komplexní hodnocení původního a alternativního přírodního kamene umožní předcházet nežádoucím rekonstručním zásahům do historických památek. 1 Úvod Hlavním motem příspěvku je povědomí geologa, že přírodní stavební kámen v exteriérech historických památek porušovaný činiteli zvětrávání různého charakteru je třeba přednostně nahradit varietami hornin stejného litologického složení, stejného či podobného vzhledu a s dostatečnou trvanlivostí. V současnosti je prakticky nemožné využívat zdroje původního materiálu používaného v historických obdobích, proto do popředí vystupuje potřeba nalezení nových zdrojů vhodného náhradního přírodního kamene. Berouc v úvahu tuto skutečnost, je při výběru alternativního kamene rozhodující podmínkou nejen jeho kvalita, ale též zda jeho použití nezmění vzhledový charakter (barvu, strukturu) fasády památky anebo ornamentálních prvků. Časté otázky restaurátorů, architektů a památkářů kladené geologům se týkají především a zásadně vhodnosti použití a kvality tradičních druhů kamene. Soubor odpovědí na tyto otázky je však limitovaný nejen geologickými faktory, ale je rovněž ovlyvněný státními požadavky a nařízeními, územním plánováním, ochranou přírody a v neposlední řadě i cenovými relacemi. 2 Trvanlivost stavebního kamene Horninový materiál použitý na stavbu mnoha historických památek podléhá procesům zvětrávání, které nepříznivě ovlivňují jeho kvalitativní charakteristiky. Při zvětrávání se uplatňují procesy fyzikálního porušení a procesy chemických přeměn [1, 2]. Tyto dva základní procesy mohou mít jak přirozené, tak i umělé (člověkem vyvolané) příčiny. Zvětrávací procesy způsobují fyzikální rozpad a chemické změny, v jejichž důsledku se mění stavba horniny, tedy také její fyzikální vlastnosti. Stanovení trvanlivosti přírodního kamene je založeno na předpovědi, resp. stanovení změn petrografických, fyzikálních a estetických vlastností v daném prostředí. Pro výzkum trvanlivosti stavebního kamene se v praxi používají laboratorní zkoušky odolnosti vůči zvětrávacím vlivům. Jedná se o zrychlené zkušební postupy, kdy pomocí cyklického působení vybraného jevu (např. zmrazování/rozmrazování) jsou zkušební tělesa zatěžována po dobu dnů či týdnů. Teoreticky by mělo být dosaženo obdobných jevů, které v přírodních podmínkách trvají roky [3]. Volba typu laboratorní zkoušky, resp. kombinace zkoušek, by měla vždy vycházet ze znalosti konkrétních procesů zvětrávání, které jsou očekávány nebo známy z místa umístění kamene [4]. V praxi se však nejvíce používají zkoušky odolnosti vůči zmrazování a vůči krystalizaci solí. Pro účely vědeckých experimentů byly postupy praktického zkušebnictví modifikovány tak, aby mohly být voleny např. různé podmínky zkoušek, uspořádání zkušebních těles, kombinace typů zatěžování [5, 6, 7] kombinace různých typů solí [8, 9], nebo způsobu vyhodnocení a měření vlastností [10, 11, 12, 13, 14]. Pro 167
zkoušení různých stavebních materiálů včetně přírodního kamene jsou rovněž používány velké klimatické komory, které umožňují simulovat různé povětrnostní podmínky a více se tak přiblížit reálným podmínkám v místě stavby [15]. Studie Bortze a Wonnebergera [16] prokázala, že v rámci jedné petrografické skupiny (mramory) lze pozorovat výrazné odchylky v dynamice změn, což v praxi znamená, že z dlouhodobého chování jednoho komerčního typu horniny, nelze odvodit chování ostatních hornin stejné petrografické skupiny. Na základě výsledků této práce lze vyvodit důsledky pro praktické zkušebnictví, a to že je třeba zkoušet horniny z různých lokalit, byť by patřily ke stejnému petrografickému typu. Při volbě typu laboratorních zkoušek nelze slepě spoléhat na zavedené standardní postupy, ale je třeba vycházet ze znalosti konkrétních podmínek (tedy zvětrávacích procesů) v místě stavby [4]. Z tohoto důvodu se nelze omezit na zkoušky trvanlivosti používané v běžném zkušebnictví (např. v dnes platných EN normách). 3 Metodika výběru náhradního stavebního kamene Jak bylo popsáno výše, je výzkumu stavebního kamene s ohledem na působení procesů zvětrávání věnována značná pozornost, avšak komplexní a jednotná metodika výběru náhradního stavebního kamene chybí. Kvalitní metodika může velmi usnadnit celý proces rekonstrukce památky a zároveň přispět k eliminaci možných škod zapříčiněných výběrem nevhodného náhradního materiálu. Dle Pospíšila [17] je zapotřebí přistoupit k systémové analýze a syntéze přírodního kamene. Tento proces se skládá z terénního průzkumu (vyhodnocení terénních dat, archivace získaných dat) a laboratorního průzkumu (fyzikální analýzy, mineralogicko-petrografické analýzy, chemické a mikrochemické analýzy). Dle našeho názoru by se správná metodika výzkumu náhradního stavebního kamene pro rekonstrukci historických objektů měla skládat z několika na sebe navazujích etap. 3.1 Rešerše historických stavebních údajů V první řadě je nezbytné detailně prostudovat dostupné archivní materiály o konkrétním historickém objektu. Na tuto skutečnost rovněž poukazuje ve své práci Pospíšil [17]. Např. vedle identifikace použitých stavebních slohů, je v rámci této etapy nadmíru důležité věnovat pozornost dostupným písemným materiálům týkajících se původních horninových zdrojů a provedených rekonsrukcích objektu. Vyhodnocení těchto informací může pomoci při správném nasměrování v případě vytipování náhradního zdroje kamene a při správné identifikaci částí objektů, které je zapotřebí restaurovat. Zde je nutno podotknout, že v mnoha případech historické podklady o provedených etapách nápravných opatření v státních nebo církevních archivech bohužel chybí.
168
3.2 Výzkum původního kamene fasády Výzkum původního kamene fasády je nezbytný pro správné pochopení a identifikaci změn vyvolaných působením procesů zvětrávání, a tím pádem také pro zdárný výběr náhradního stavebního kamene. Tuto etapu lze rozdělit do tří dílčích kroků. Na užitečnost zmapování a diagnózy poškození horninového materiálu na historických objektech poukazují ve své práci Fitzner a Heinrichs [18]. 3.2.1 Terénní výzkum V případě terénního výzkumu je potřebné v prvé řadě stanovit litologické složení horninových bloků a popsání vzhledu (barva, struktura) stavebních bloků (Obr. 1).
obr. 1 – Amfibolicko-biotitický andezit a tuf – najčastěji používaný stavební kámen v historickém intravilánu Banské Štiavnice: vlevo: Starý Zámek (pilíř); vpravo - Rubigalův dům (portál)
Součástí této etapy je detailní fotografická dokumentce fasády. Pokud je možné provést odběr vzorků, měl by být tento krok uskutečněn co nejcitlivěji, aby byl zásah do konstrukce co nejmenší. Odběr vzorků lze provést např. návrty o malém průměru válečků u poškozených bloků vytipovaných na výměnu (Obr. 2).
obr. 2 – Jádrový odběr vzorků pomocí výkonné přenosné vrtačky s vrtnou korunkou.
169
Pospíšil [17] poukazuje na fakt, že v mnoha případech může být odběr vzorků z objektu velmi komplikovaný a v takových případech je nutné zvážit použití nepřímých nedestruktivních metod posouzení stavu stavebního materiálu. Využití těchto metod nemusí ale vždy znamenat absolutní vyloučení přímých zásahů do samotné konstrukce. 3.2.2 Laboratorní výzkum Pokud se v rámci terénního výzkumu zkoumaného historického objektu podaří odebrat vzorky, tak je nezbytné tyto podrobit komplexu laboratorních zkoušek za účelem zjištění fyzikálně-mechanických vlastností (např. pevnost v prostém tlaku, objemová hmotnost, měrná hmotnost, nasákavost, otevřená pórovitost) a stanovení odolnosti (např. stanovení koeficientů změkčení a vymrazení). Nedílnou součástí laboratorního výzkumu by mělo být využití metod optické mikroskopie pro bližší identifikaci horninového materiálu a jeho vnitřní struktury. Pro studium vlastností pórového prostoru, který významným způsobem ovlivňuje trvanlivost hornin, lze využít např. metodu Hg porozimetrie, která poskytuje informace o velikostní distribuci pórů a celkové otevřené pórovitosti. Kovářová et al. [19] poukazuje na možnost využití rentgenové mikrotomografie, která představuje nedestruktivní metodu studia vnitřního prostoru horninového materiálu. V mnoha případech je rovněž potřebné použít moderní laboratorní metody pro zjištění chemického či fázového složení (např. RTG difrakce, DTA analýza, mikrosonda). Získané výsledky mohou být velmi důležité s ohledem na stanovení hlavních činitelů zvětrávání a jejich vlivu na poškození materiálu. Na základě správné interpretace výsledků je možné zvolit adekvátní konzervační postupy aletrnativního materiálu za účelem snížení míry jeho poškození v budoucnosti. 3.2.3 Vygenerování plánů fasády Na základě detailní fotodokumentace historického objektu v rámci terénního výzkumu považujeme za velmi užitečné následné vygenerování plánů fasády s využitím GIS (Obr. 3 až Obr. 5). Výstupem této etapy je detailní a přesný plán fasády, ve kterém je zahrnuta architektonická charakteristika jednotlivých prvků, litologické složení jednotlivých stavebních bloků, jejich vlastnosti (vč. vlastností stanovených v rámci laboratorního výzkumu) a určení formy zvětrávání.
170
obr. 3 – Zpracování v prostředí GIS na příkladu Dómu sv. Martina v Bratislavě: vlevo mapování a identifikace jednotlivých stavebních bloků na objektu; vpravo - existující plány fasády v papírové formě - skenování a vektorizace jednotlivých bloků a konstrukčních prvků.
obr. 4 – Využití fotogrametrie: a) fotodokumentace, b) rektifikace, c) vektorizace.
171
obr. 5 – Zpracování Pole 1 z Dómu sv. Martina v Bratislavě v prostředí ArcGIS: vpravo vizualizace zastoupení použitých litologických typů; vlevo - detailní pohled na jeden ze stavebních bloků, jeho pozici ve vektorové polygonové formě a příslušné informace uložené v atributové tabulce - databáze k tomuto konkrétnímu bloku.
3.3 Výzkum náhradního stavebního kamene Jak již bylo v textu uvedeno dříve, náhradní stavební materiál by měl nejlépe pocházet z původních zdrojů kamene. V mnoha případech toto však není možné a je třeba přistoupit k výběru nového alternativního horninového materiálu. Při výzkumu náhradního přírodního stavebního materiálu vycházíme předně z možnosti využití místních zdrojů kamene. Toto je základní předpoklad pro cenově přijatelnou těžbu i cenovou relaci týkající se transportních vzdáleností. Tuto etapu lze opět rozdělit do několika dílčích kroků. 3.3.1 Archivní rešerše Před samotným vytipováním a průzkumem potenciálně vhodných lokalit náhradního stavebního kamene je nezbytné studium dostupných geologických zpráv (Geofond). Na základě detailního prostudování "starých" zpráv je mnohdy možné vyloučit některé lokality, které původně přicházely v ůvahu pro získání náhradního stavebního kamene. Tento krok je velice důležitý z časového a finančního hlediska, jelikož může předejít zbytečnému plýtvání při výzkumu nevhodného materiálu. 172
3.3.2 Terénní výzkum Terénní výzkum spočívá v komplexní charakteristice alternativního místa těžby i v případě využití doposud zapomenutých a nevyužívaných lokalit, pokud to situace dovolí (Obr. 6). Již v této fázi je důležité zaměřit se na popis a vyhodnocení vzhledu (barvy, zvětrávacích forem) alternativního horninového materiálu. Pokud by hornina vykazovala značnou vzhledovou odlišnost od horninového materiálu historického objektu, měla by být tato lokalita z dalšího postupu vyloučena.
obr. 6 – Historické kamenolomy pro stavební kámen Banské Štiavnice: vlevo - Kysihýbeľ (amfibolicko-biotitický andezit); vpravo - Prenčov (tuf).
Ložisko náhradního stavebního kamene by mělo být posouzeno s ohledem na těžitelnost, blokovitost, hypergenní přeměny, poruchy apod. za využití běžně používaných metod ložiskově-geologického průzkumu (např. geofyzikální metody). Některé fyzikálně-mechanické vlastnosti lze určit in situ, jako např. pevnost použitím Schmidtova kladiva, zkoušek point-load (obě metody stanovují bodové zatížení). Pro vytipování nejlepšího místa těžby je nutné odebrat horninové vzorky (návrty nebo výroba zkušebních tělísek z odebraného monolitu). 3.3.3 Laboratorní výzkum Odebrané horninové vzorky je třeba podrobit komplexnímu laboratornímu výzkumu, jaký je popsán v kapitole 3.2.2. Oproti laboratornímu výzkumu horninových vzorků z fasády by mělo být stanovení odolnosti alternativního horninového materiálu stěžejním bodem této etapy. Odolnost hornin vůči zvětrávacím vlivům lze studovat pomocí normových postupů (odolnost vůči krystalizaci solí, mrazuvzdornost, apod.), avšak doporučujeme využít i alternativní postupy, které vycházejí ze znalostí a analýzy klimatických a jiných podmínek v místě stavby. Po provedení zkoušek odolnosti by mělo následovat stanovení fyzikálněmechanických vlastností, studium mikrostruktury, pórovitosti, chemického a fázového složení apod. a získané výsledky by měly být porovnány s hodnotami a 173
charakteristikami stanovenými na tělesech, která nebyla podrobena zkouškám odolnosti. Na základě srovnání výsledků před a po zkouškách odolnosti je možné určit nejodolnější alternativní horninový typ. V neposlední řadě je nutné provést komparativní analýzu vzhledu a odolnosti kamene na památce a z místa předpokládané těžby. Až po provedení tohoto kroku je s konečnou platností možné určit nejvhodnější alternativní horninu pro rekonstrukci dané historické památky. 4 Závěr Jsme přesvědčeni, že takto zvolené a komplexní zhodnocení originálního a alternativního přírodního stavebního kamene umožní předejít něžádoucím architektonicko-rekonstrukčním zásahům do historických památek. Toto by měl být hlavní příspěvek geologie a jejích disciplín při ochraně a záchraně kulturního dědictví. Závěrem lze jen upozornit na fakt, že celý proces památkové ochrany je multidiciplinární záležitostí, kde je vyžadována spolupráce všech dotčených osob a institucí (restaurátoři, památkáři, architekti, kameníci, geologové, atd.), a že samotný výběr vhodného materiálu nezaručuje kvalitní rekonstrukci. Celý průběh rekonstrukce má být pod bedlivým dozorem odborníků, včetně nezanedbatelné role geologa při kontrole dodávaného materiálu z místa těžby. Poděkování: Tento text vznikl za podpory českého grantu MŠMT No. MSM 6840770005 a slovenského grantu VEGA - 1/0358/09.
LITERATURA: [1] OLLIER, C., CLAYTON, K.M.: Weathering, Longman, London, 1975, 304 str., ISBN 0582481805 9780582481800. [2] [3]
[4]
[5]
WINKLER, E.M.: Stone in Architecture. Properties, Durability, 3. revidované vydání, Springer-Verlag, Berlin, 1997, 313 str., ISBN 3-540-57626-6. SCHAFFER, R.J.: The weathering of natural building stones, Reprint (2004) původního vydání, Donhead, London, 1932, 149 str., ISBN 978 1 873394 69 4. DUFFY, A.P., O'BRIEN, P.F.: A basis for evaluating the durability of new building stone, In: SMITH, B.J., WARKE, P.A. (eds.) Processes of Urban Stone Decay, Donhead Publishing Ltd., London, 1996, str. 253-260, ISBN 978 1 873394 20 5. WILLIAMS, R.B.G., ROBINSON, D.A.: Weathering of sandstone by combined action of frost and salt, Earth Surface Processes and Landforms 6(1), 1981, str. 1-9, ISSN 0197-9337. 174
[6]
[7] [8] [9] [10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15] [16]
[17]
FITZNER, B., KALDE, M.: Simulation of frost-thaw cycle and salt weathering – nature adapted material tests, In: La détérioration des matériaux de construction, Colloque International, La Rochelle (France), 1991, str. 103-114. WARKE, P.A., McKINLEY, J., SMITH, B.J.: Variable weathering response in sandstone: factors controlling decay sequences, Earth Surface Processes and Landforms 31(6), 2006, str. 715-735, ISSN 0197-9337. WILLIAMS, R.B.G., ROBINSON D.A.: Weathering of sandstone by alunogen and alum salts, Quarterly Journal of Engineering Geology 31, 1998, str. 369-373, ISSN 0481-2085. WILLIAMS, R.B.G., ROBINSON, D.A.: Experimental frost weathering of sandstones by various combinations of salts, Earth Surface Processes and Landforms 26(8), 2001, str. 811-818, ISSN 0197-9337. FITZNER, B.: Porosity properties of naturally or artificially weathered sandstones, In: Proceedings of the 6th International Congress on Deterioration and Conservation of Stone, Nicholas Copernicus University, Torun (Poland), 1988, str. 236-245. FITZNER, B.: Porosity analysis – a method for characterisation of building stones in different weathering states, In: MARINOS, P.G., KOUKIS, G.C. (eds.) The Engineering Geology of Ancient Works, Monuments and Historical Sites, A.A.Balkema, Rotterdam, 1990, str. 2031-2037, ISBN 90 6191 793 X. GOUDIE A.: Experimental salt weathering of limestones in relation to rock properties, Earth Surface Processes and Landforms 24(8), 1999, str. 715-724, ISSN 0197-9337. NICHOLSON, D.T.: Quantification of rock breakdown for experimental weathering studies, In: PŘIKRYL, R., VILES, H.A. (eds.) Understanding and managing stone decay, Karolinum, Praha, 2002, str. 59-74, ISBN 80-246-0453-1. THOMACHOT, C., JEANNETTE, D.: Evolution of the petrophysical properties of two types of Alsatian sandstone subjected to simulated freeze-thaw conditions, In: Siegesmund S., Weiss T., Vollbrecht A. (eds.) Natural stone, weathering phenomena, conservation strategies and case studies, Geological Society, London, Special Publications, 2002., str. 19-32, ISBN 1-86239-123-8. TAYLOR-FIRTH, A., LAYCOCK, E.A.: Weathering simulation for durability assessment of the in-service performance of construction materials, Quarterly Journal of Engineering Geology 32, 1999, str. 291-302, ISSN 0481-2085. BORTZ, S.A., WONNEBERGER, B.: Laboratory evaluation of building stone weathering, In: LABUZ, J.F. (ed.) Degradation of natural building stone, Geotechnical Special Publications 72, ASCE, Reston (USA), 1997, str. 85-104, ISBN 0784402795. POSPÍŠIL, P.: Systémová analýza přírodního kamene ve stavebních konstrukcích, In: Stavební konstrukce z pohledu geotechniky, Akademické nakladatelství CERM, Brno, 2008, str. 141-146, ISBN 978-80-7204-609-6.
175
[18]
[19]
FITZNER, B., HEINRICHS, K.: Damage diagnosis on stone monuments weathering forms, damage categories and damage indices, In: PŘIKRYL, R., VILES, H.A. (eds.) Understanding and managing stone decay, Karolinum, Praha, 2002, str. 11-56, ISBN 80-246-0453-1. KOVÁŘOVÁ, K., ŠEVČÍK, R., CHMELÍKOVÁ, M., BEDNARIK, M., HOLZER, R.: Comparison and Use of Hg porosimetry and X-ray Computed Microtomography in Durability Tests of Sandstone on the Charles Bridge in Prague, In: Proceedings of 8th International Conference on Measurement, 2011, 4 str. (in press).
176
