T W
C
B
t
t
NATUURSTEEN
AANTASTING EN DIAGNOSE
IN GEBOUWEN
Rolf De Bruyn, ir., technologisch adviseur*, WTCB André Pien, ing., technologisch adviseur*, hoofd laboratorium Leefmilieu & renovatie, WTCB Jan Venstermans, ir., direkteur Onderzoek, WTCB * Technologische adviseerdienst “Renovatie van gebouwen”, gesubsidieerd door de Gewesten
Vernieuwbouw was 20 jaar geleden nog marginaal. Thans maakt deze sektor bijna 30 % van de globale gebouwenmarkt in België uit, volgens de statistieken van de Nationale Confederatie van het Bouwbedrijf. Om aan die veranderde vraag te kunnen beantwoorden, is een ingrijpende technische aanpassing noodzakelijk vanwege de algemene bouwondernemingen. Al meer dan 15 jaar bestudeert het WTCB de technieken, produkten en procédés die specifiek zijn voor de renovatie in het algemeen en de behandeling van steenmaterialen in het bijzonder. Dit toegepast onderzoek heeft zijn neerslag gevonden in de opstelling van aanbevelingen in de vorm van Technische Voorlichtingen.
1
MOEILIJKE KEUZE
Zonder in te gaan op de sociale, architekturale, ekonomische of politieke oorzaken die de vraag in de bouwsektor beïnvloeden en sturen, stelt men ontegensprekelijk reeds vele jaren een toenemende verschuiving vast van “nieuwbouw” naar “vernieuwbouw”.
Onze laboratoria zijn zich bewust van die toestand en voeren reeds meer dan 15 jaar onderzoek en studies uit inzake technieken, produkten en procédés die specifiek zijn voor de renovatie. Dit toegepaste onderzoek, zowel in het laboratorium als in situ, heeft zijn neerslag gevonden in de opstelling van aanbevelingen ten behoeve van de vaklui.
Deze tendens gaat gepaard met een hernieuwde belangstelling voor natuurlijke materialen en een stijgende vraag naar onderhoud, herstelling en bescherming van natuursteenmetselwerk.
De dienstverlening aan de sektor, gebaseerd op de resultaten van het speurwerk, komt eveneens bijna dagelijks tot uiting in de vorm van rechtstreekse hulp aan bedrijven die worden gekonfronteerd met technische problemen vóór, tijdens en na de uitvoering van renovatiewerken. Deze talrijke en geregelde tussenkomsten maken het mogelijk onze kennis in deze voortdurend evoluerende sektor te verfijnen, aan te vullen en bij te houden. Gelet op de omvang van deze prestaties, werd in 1988 een technologische adviseerdienst “Renovatie van Gebouwen” opgericht, die door de drie Gewesten wordt gesubsidieerd.
Om aan die veranderde vraag te kunnen beantwoorden, is een ingrijpende technische aanpassing noodzakelijk vanwege de algemene bouwondernemingen, omwille van : ◆ de complexiteit van renovatiewerken; afgezien van het nagestreefde eindresultaat wordt men gekonfronteerd met een oneindige verscheidenheid aan elementen, materialen en kombinaties. Deze eis is veel strenger dan bij nieuwbouw en veronderstelt een nauwkeurige en grondige voorafgaande diagnose, die technische kennis en het gebruik van aangepaste meet- en/of kontroleapparatuur vergt ◆ de snelle en onstuitbare evolutie van produkten en technieken, die zeer uitgesproken is in de vernieuwbouw. De ondernemingen staan voor een moeilijke keuze : onaangepaste technieken overhaast en ondoordacht gebruiken ofwel nieuwe doeltreffende technieken negeren.
Even belangrijk zijn tenslotte de technische tussenkomsten van onze laboratoria in het raam van de renovatie van vermaarde bouwwerken, zoals onder meer : ◆ de O.L.V.-Katedraal van Antwerpen (studie, opvolging en kontrole van de strukturele injekties van de hoofdpijlers) ◆ de Sint-Michielskatedraal van Brussel (diagnose van de gevels, studie van de behandeling van steenmaterialen, opvolging en kontrole) ◆ het Justitiepaleis van Brussel (diagnose, meting van de stabiliteit van de steen ter plaatse, behandeling, kontrole, ...)
Deze moeilijkheden worden des te sterker aangevoeld, daar men in bijna alle gevallen te maken heeft met kleine en middelgrote bedrijven. 14
LENTE 1993
f
i
jd i s c h r
T
NDERZOEK t
3
f
i
jd i s c h r
AANTASTING VAN KALKSTEEN
◆ de grote toren van het stadhuis van Brussel (opstelling van de technische bepalingen van het bijzonder bestek voor de behandeling van steenmaterialen, proeven en kontrole) ◆ de Nationale Bank van België (zetels in Brussel en Antwerpen) ◆ het Zuidpaleis (Brussel).
De aantasting of verwering van natuursteen is een ingewikkeld verschijnsel, waarin talrijke parameters een rol spelen, naargelang van de aard van de materialen en hun omgeving. De voornaamste oorzaken van verwering zijn vorst, zure regen, kristallisatie van zouten en microbiologische aantasting.
Het zou ons te ver leiden hier in detail alle onderzoeksprojekten en prestaties te bespreken, die door onze laboratoria op het gebied van renovatie werden geleverd. Daarom stellen wij een globale en praktijkgerichte benadering van het onderwerp voor. In dit artikel leggen wij de klemtoon op de steenmaterialen die courant in ons land worden aangewend, op de verschillende vormen van verwering en hun oorzaken.
3.1 VORST Vorst, of veeleer de interaktie tussen de waterverzadigingsgraad van de steen en vorst-dooicycli, is een van de snelste verweringsmechanismen, die na enkele jaren tot volledige verwoesting van het metselwerk kan leiden.
Een tweede artikel, dat in ons zomertijdschrift zal verschijnen, wordt gewijd aan de mogelijke behandelingen, met de klemtoon op het belang van de voorafgaande diagnose, de globale resultaten (doeltreffendheid en onschadelijkheid) en de meet- en kontrolemetoden die in het laboratorium en ter plaatse kunnen worden toegepast.
2
B
t
O
C
W
Gelukkig kon de schade in het verleden dankzij de ervaring en de gewoonten vaak worden beperkt door een oordeelkundig gebruik van verschillende steenkwaliteiten naargelang van de blootstellingsvoorwaarden. De teorie van de Franse architekt Viollet-Le-Duc (18181879) heeft dit rationele gebruik van natuursteen tot regel gemaakt. Door voorafgaandelijk in het laboratorium de verzadigingsgraad en het vorstcriterium te bepalen, kan men tegenwoordig zeer snel een beeld krijgen van de vorstweerstand van steenmaterialen en hun gebruiksmogelijkheden inschatten, afhankelijk van de blootstellingsvoorwaarden (zie tabel 1). Als grenswaarden genoteerd worden en/of voor zeer belangrijke projekten is een aanvullende proef volgens de norm NBN B 27-009 [6] aan te bevelen.
NATUURSTEEN
Sterk vereenvoudigd, kan men stellen dat in de bouwnijverheid natuursteen gebruikt wordt uit elk van de volgende drie grote families [10] : ◆ stollingsgesteenten : ze zijn ontstaan door de min of meer snelle afkoeling van het aardmagma. Tot die familie behoren graniet, porfier, basalt, gabbro, ... ◆ sedimentgesteenten : ze worden gevormd door aaneenkitting van steenpuin en/of fossielen. In onze streken worden vooral sedimentgesteenten gebruikt; zij worden onderverdeeld in : ✲ kleihoudende kalksteen (Doornikse steen, …) ✲ kalkzandsteen (Gobertange, Ledesteen, Balegem, …) ✲ kalksteen van het type “witte steen” of “Franse steen” (Euville, Savonnières, Massangis, …) ✲ kalksteen van het type “blauwe hardsteen” of “Petit granit” (Maassteen, steen van Soignies, …) ◆ metamorfe gesteenten : ze zijn ontstaan ten gevolge van strukturele en/of chemische wijzigingen van bestaande gesteenten, onder invloed van hoge druk en hoge temperatuur. In de bouwnijverheid worden vooral marmer en leisteen gebruikt.
Tabel 1 Samenvattende tabel van de gebruiksmogelijkheden van natuursteen afhankelijk van de proefresultaten (goedgekeurd door de WTCB-werkgroep “Witte natuursteen”). Waarde van het vorstcriterium
25 vorst-dooicycli na waterimpregnatie onder het hieronder aangeduide vacuüm (NBN B 27-009)
Geventileerde, vertikale dunne bekleding (≤5cm)
≤0
400 mm Hg (*)
Vertikaal massief element
≤ -1
500 mm Hg (*)
Muurdeksteen
≤ -2,5
600 mm Hg (*)
Vloerbed. op tegeldragers
≤ -2,5
600 mm Hg (*)
≤ -4
740 mm Hg (*)
Gebruik
Vloertegels
(*) Na 25 vorst-dooicycli mag het materiaal geen zichtbare schade vertonen en mag de vermindering van de dynamische elasticiteitsmodulus niet groter zijn dan 20 %.
15
LENTE 1993
T W
C
B
t
t
In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, zijn de meest poreuze gesteenten niet het vorstgevoeligst; evenmin houden de strengste winters de meeste gevaren in, maar wel “zachte” winters met talrijke vorst-dooicycli.
f
i
jd i s c h r
De lucht bevat echter nog andere elementen die met water gebonden kunnen worden, zoals stikstofoxyde (NOx) en zwaveloxyde (SO2). Deze elementen komen in grotere koncentratie voor naarmate de lucht meer verontreinigd is. Zij vormen met het regenwater samenstellingen, die aktief en patologisch met de kalksteen kunnen reageren. Zij kunnen de steen verzwakken door het kalkhoudende bindmiddel op te lossen of aan het oppervlak gipskristallen of gipskorsten (CaSO4 . 2 H2O) vormen, die zich hygrisch en termisch verschillend gedragen van de onderliggende steen.
3.2 ZURE REGEN Zure regen is in onze geïndustrialiseerde gebieden de voornaamste oorzaak van de verwering van kalksteenmetselwerk. Weliswaar kan ook “schone” regen het steenoppervlak lichtjes inbijten, maar dit wordt ruimschoots gekompenseerd door de trage en geleidelijke vorming van een laagje calciumkarbonaat aan het oppervlak. Dit calciumkarbonaat is afkomstig uit het inwendige van de steen en herkristalliseert in kompakte vorm aan het oppervlak. De overeenkomstige chemische reakties kunnen als volgt vereenvoudigd worden :
Iedereen kent voorbeelden van stenen gevels met dergelijke korsten en kankervlekken en daaronder verpulverd materiaal over verschillende centimeter diepte. Dit is het gevolg van het overmatig uitlogen van het kalkhoudend bindmiddel, versterkt door de mechanische effekten van de vorming en hydratatie van de gipskristallen (zie foto van afbeelding 2).
verdamping
←
oppervlak
5,1 mm
H2O + CO2 + CaCO3 → Ca(HCO3)2 → CaCO3 + H20 + C02 regen
kalkhoudend oplosbaar kalkhoudend bindmiddel bikarbonaat bindmiddel
Afbeelding 1 geeft een beeld van de invloed van de herkristallisatie van het kalkhoudende bindmiddel op de kompaktheid van het steenoppervlak. Dit natuurlijke verschijnsel leidt tot een wenselijke oppervlakteverharding na het plaatsen van de steen. Daardoor wordt de duurzaamheid bevorderd.
←
oppervlak
8 mm
Afb. 2 Kalksteen van Euville (32 x vergroot). Onderzoek in transparantie onder gekruiste polars : zeer licht grijs, kalkhoudend bindmiddel; donker tot zeer donker grijs, kalksteenfossielen (zeeleliën); wit, gipskristallen (CaSO4 . 2 H2O). Opmerkelijk is de vorming van expansief gips in de bestaande poriënstruktuur en de overeenkomstige scheurtjes, evenwijdig met het oppervlak. Dat zijn de eerste tekenen van de toekomstige verwering van het oppervlak.
3.3 KRISTALLISATIE VAN ZOUTEN Indien er een belangrijke aanvoerbron van zouten in het metselwerk bestaat (capillaire opstijging vanuit de grond of opslag van oplosbare materialen in kontakt met de muren), ontstaat er een migratie van die zouten in de poreuze steen. Deze migratie leidt onvermijdelijk tot kristallisatie aan het oppervlak of in de poriën, afhankelijk van de verdampingsverschijnselen.
Afb. 1 Kalkzandsteen (20 x vergroot). Onderzoek in transparantie onder ultraviolet licht : in het geel, poriënstruktuur; in het zwart, kwartskorrels (SiO2); in het grijs, kalksteen (CaCO3). De grotere kompaktheid van de steen over 3 tot 4 mm is het gevolg van de migratie van het kalkhoudende bindmiddel naar het oppervlak.
16
LENTE 1993
T
C
B
NDERZOEK t
t
O
W
Wanneer ze zich in de poriën voordoet, kan de kristallisatie mechanische spanningen teweegbrengen, die groter zijn dan de inwendige weerstand van de steen, en tot de geleidelijke afbraak door poedervorming leiden.
Vermelden wij tenslotte de vlekvorming die kan ontstaan na het plaatsen van bepaalde steensoorten en die veroorzaakt wordt door de reaktie tussen de organische bestanddelen van de steen en de alkaliën van het cement. Deze vlekken komen hoofdzakelijk voor op dunne steenelementen, die op de grond zijn geplaatst [11].
Dit effekt wordt versterkt bij bepaalde zouten, die afwisselend een watervrije en een waterhoudende kristallijne vorm kunnen vertonen met overeenkomstige volumeschommelingen, naargelang van de hygrotermische omgevingsvoorwaarden (CaSO4 . 2 H2O - Na2SO4 . 10 H2O - MgSO4 . 7 H2O …)
4
DIAGNOSE VAN STEENMATERIALEN
Alvorens een behandeling van steenmaterialen aan te vatten, is het absoluut noodzakelijk een min of meer diepgaande diagnose van de schade te maken. De behandeling van – meestal verweerde – steenmaterialen vergt immers een grondige kennis van hun aard en poriënstruktuur, alsook van de aard en de omvang van de verwering naargelang van de diepte. Deze gegevens zijn essentieel om de oorzaken te kennen, om een beslissing te nemen omtrent een eventuele behandeling en om bruikbare produkten alsook optimale uitvoeringsparameters vast te leggen.
3.4 MICROBIOLOGISCHE AANTASTING De zwavel, aanwezig in de steen of afkomstig van de atmosfeer, kan door de vele mikro-organismen in de steen worden omgevormd volgens het hiernaast schematisch weersulfo-oxyderende bakteriën gegeven proces. Deze (met opzet verS eenvoudigde) cyclus van de omzetting van zwavel toont de vorming van H 2SO 4 op het einde van de oxyH2S H2SO4 datiefase. Dit is een sterk zuur, dat de sulfo-reducerende kalksteen van de steen ogenblikkelijk bakteriën aantast en gips (CaSO4 . 2 H 2O) vormt. Deze transformaties door de aktiviteit van de “sulfobakteriën” ontstaan onder het steenoppervlak, terwijl het SO2 van de lucht het oppervlak aantast. Toch is het vaak moeilijk het respektieve aandeel van beide vormen van aantasting in de waargenomen schade met zekerheid te bepalen.
4.1 TRADITIONELE AANPAK Tot voor enkele jaren waren de diagnosetechnieken zeer destruktief, tijdrovend, ingewikkeld en duur. Ze leverden meestal nauwkeurige, maar toch slechts fragmentaire informatie op. Voorbeelden zijn de fysisch-mechanische proeven (druk- of buigsterkte, volumemassa, kwikporeusheidsmeting, verzadigingsgraad, …), de chemische analysemetoden in het laboratorium en het onderzoek met een elektronische mikroskoop.
Gelijklopend met deze microbiologische aktiviteit van de zwavelcyclus stelt men patologische verschijnselen vast, ten gevolge van de oxyderende werking van de “nitrobakteriën”, met vorming van salpeterzuur. Tevens kunnen de door vervuiling afgezette organische stoffen omgezet worden in organische zuren via schimmels.
4.2 OPTISCHE MIKROSKOPIE Recente ontwikkelingen in de optische mikroskopie en de beeldanalyse met de computer hebben grote mogelijkheden doen ontstaan voor het onderzoek van steenmaterialen en hun behandelingen. Dergelijke analyse biedt een aantal voordelen, nl. : ◆ ze is snel en niet-destruktief (belangrijk voor historische en geklasseerde gebouwen) ◆ op eenzelfde monster zijn komplementaire waarnemingen mogelijk onder verschillende lichtbronnen voor de beoordeling van : ✲ de homogeniteit van de verweerde zones, de textuur, ... onder normaal licht
3.5 ANDERE BRONNEN VAN AANTASTING Deze zijn talrijk en verscheiden : “natuurlijke” vervuiling, graffiti, toevallige mechanische beschadiging (schokken, sleet, …) of bewuste beschadiging (vandalisme), erosie door wind en zand, aantasting door plantenwortels (chemische en mechanische effekten), …
17
LENTE 1993
f
i
jd i s c h r
T W
C
B
t
t
✲ de poriënstruktuur (aard, vorm, dichtheid van de poriën) onder ultraviolet licht ✲ de mineralogische aard van de bestanddelen, hun korrelverdeling, … onder gepolariseerd licht ◆ de gangbare vergrotingen (20 tot 400 x) zijn zeer geschikt voor de struktuur van de steenmaterialen en maken het mogelijk op één enkel monster (slijpplaatje van ≈ 35 x 50 mm) de aangetaste diepte en de behandelingen voor te stellen ◆ geleidelijk kan een gegevensbank samengesteld worden in de vorm van onbeperkt herbruikbare slijpplaatjes. Dat is een fundamenteel voordeel in een gebied waar interpretaties op vergelijkende wijze gebeuren.
f
i
jd i s c h r
maakt het mogelijk de voornaamste aangetaste zones te lokaliseren en te bepalen; de polarisatie helpt bij het identificeren van nieuwe minerale elementen die tijdens de verwering werden afgezet of gevormd (gips, vliegas, …). Door middel van het onderzoek onder fluorescentie bepaalt men de invloed van de verwering op de mikrostruktuur, op de aanwezigheid van scheurtjes, holten, … Voor het verweringsonderzoek kan deze visuele en dus kwalitatieve interpretatie worden aangevuld met de kwantitatieve techniek van beeldanalyse op computer. Met deze metode kunnen niet enkel de verrichte waarnemingen becijferd worden (poriënvolume, gehalte aan karbonaten en sulfaten, …), maar ook en vooral de gradiënt ervan bepaald worden op verschillende niveaus, d.w.z. de intensiteit van de verwering naargelang van de diepte in de steen
Praktisch gezien, neemt men voor de mikroskopische analyse op slijpplaatjes een steenmonster dat representatief is voor het beschouwde materiaal en zijn toestand. Dat kan bij voorbeeld een boorkern zijn met een diameter van 35 mm, die loodrecht op het oppervlak wordt genomen. Het monster wordt in het laboratorium onder vacuüm doordrenkt met een fluorescerend hars met een laag molekuulgewicht. Vervolgens wordt het gezaagd en gerecht tot een slijpplaatje met een dikte van 20 tot 30 mikrometer, dat representatief is voor een doorsnede van de steen loodrecht op het oppervlak.
◆ identifikatie van de behandelingen De mogelijkheden van dergelijke analysen worden momenteel in onze laboratoria onderzocht, op de eerste plaats voor steenversteviging. Er wordt voornamelijk uitgegaan van vergelijkend mikroskopisch onderzoek van het poriënvolume onder ultraviolet en normaal licht van steenmonsters vóór en na behandeling. (wordt vervolgd) LENTE 1993
De bruikbare mikroskopische procedures zijn afhankelijk van de doelstellingen, namelijk : ◆ identifikatie van de steen Deze identifikatie (klassieke procedure) gebeurt met de polarisatiemikroskoop voorzien van fluorescentiehulpstukken. De slijpplaatjes worden eerst bestudeerd onder doorvallend normaal licht, met en zonder polarisatie; vervolgens worden ze onder ultraviolet licht in weerkaatsing onderzocht. Het onderzoek onder doorvallend normaal licht maakt het mogelijk de textuur en de globale struktuur te karakteriseren, evenals de samenstellende elementen en eventueel aanwezige fossielen te bepalen. Met gepolariseerd licht kan bovendien de mineralogische samenstelling bepaald worden. De studie met weerkaatst ultraviolet licht dient voor het herkennen van de verschillende mikrostrukturen, zoals poriën, scheuren, ... ◆ diagnose van soort en diepte van de verwering (afbeeldingen 1 en 2) De hierboven beschreven procedure blijft geldig, maar wordt aangepast aan de monsters en de specifieke doelstellingen. Het normale licht 18
LENTE 1993
L
ITERATUURLIJST
1 ...Altération et protection des monuments
en pierre. Paris, Internationaal Colloquium, UNESCO-RILEM, juni 1978. Society for Testing and Mate2 American rials
Cleaning Stone and Masonry. Philadelphia, Louisville Symposium ASTM Committee E-G, ASTM publication PCN-04-93500-10, 1983. G.G. en Fassina V. 3 Amoroso Stone Decay and Conservation. Amster-
dam, Elsevier, Materials Science Monographs, 11, 1983. J. en Ashurst N. 4 Ashurst Practical Building Conservation. English
Heritage Technical Handbook. Aldershot, Gower Technical Press, 1988. N.S., Sabbioni C. en Sors A.I. 5 Baer Science, Technology and European Cul-
tural Heritage. Bologna, Butterworth-Heinemaan Ltd, Proceedings of the European Symposium, juni 1989. Instituut voor Normalisatie 6 Belgisch NBN B 27-009 Keramische produkten
voor wand- en vloerbekleding. Vorstbestendigheid. Vorst-dooicyclussen. Brussel, BIN, 1983. La détérioration des matériaux de cons7 truction. La Rochelle, F. Auger, Internationaal ...
Colloquium, 1991. L. en Tabasso M.L. 8 Lazzarini La restauration de la pierre. Maurecourt, E.R.G., 1989. M. 9 Rautureau Tendre comme la pierre. Orléans, Université d’Orléans, maart 1991.
en Technisch Cen10 Wetenschappelijk trum voor het Bouwbedrijf
Gesteenten en mineralen. Brussel, WTCB, Technische Voorlichting, nr. 163, maart 1986. trum voor het Bouwbedrijf 11 Vlekken op witte kalksteen en kalkhoudend Wetenschappelijk en Technisch Cen-
marmer. Keuze van een geschikte mortel voor de plaatsing van binnenvloerbedekkingen. Brussel, WTCB, Technische Voorlichting, nr. 182, december 1991.
T
REFWOORDEN
NATUURSTEEN ◆ VERWERING MATERIAAL ◆ VORSTWERKING ◆ ZURE REGEN ◆ KRISTALLISERING ◆ CHEMISCHE AANTASTING ◆ BIOLOGISCHE AANTASTING ◆ BOUWDIAGNOSE ◆ OPTISCHE MIKROSKOPIE
