Onderzoek naar vocht en zoutbelasting van het Mikwe te Venlo

Transcriptie

1 Van Mourik Broekmanweg 6 Postbus AA Delft TNO-rapport 034-DTM Onderzoek naar vocht en zoutbelasting van het Mikwe te Venlo T F wegwijzer@tno.nl Datum 16 december 2010 Auteur(s) Dr. B.A. Lubelli Prof.ir. R.P.J. van Hees Opdrachtgever Gemeente Venlo Ruimtelijke ontwikkeling Strategie en Beleid T.a.v. de heer M.Th.R.M.Dolmans Postbus RK VENLO Projectnummer /01.01 Aantal pagina's 19 (incl. bijlagen) Aantal bijlagen 1 Alle rechten voorbehouden. Niets uit dit rapport mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van TNO. Indien dit rapport in opdracht werd uitgebracht, wordt voor de rechten en verplichtingen van opdrachtgever en opdrachtnemer verwezen naar de Algemene Voorwaarden voor onderzoeksopdrachten aan TNO, dan wel de betreffende terzake tussen de partijen gesloten overeenkomst. Het ter inzage geven van het TNO-rapport aan direct belanghebbenden is toegestaan TNO

2 TNO-rapport 034-DTM / 17 Inhoudsopgave 1 Inleiding Onderzoek aanpak Visuele inspectie Bemonstering Resultaten Vocht- en zoutgehalte Ionenchromatografie Röntgendiffractieanalyses Relatie tussen zoutkristallisatie en klimaat Conclusies...17 Bijlage(n) A Locatie, vocht en hygroscopisch vochtgehalte van de monsters

3 TNO-rapport 034-DTM / 17 1 Inleiding In opdracht van de gemeente Venlo (TNO brief /LIB/hly van 15 oktober en brief ROSEB / 2010/25740 van de Gemeente Venlo) is door TNO een onderzoek uitgevoerd aan het Mikwe te Venlo (figuur 1). Het Mikwe bevindt zich momenteel onder een tentachtige structuur waar geen regeling van temperatuur en vochtigheid mogelijk is. Het doel van het onderzoek is het vocht- en zoutgehalte in het metselwerk van het Mikwe te meten om het risico van zoutschade te kunnen evalueren en de beste klimaatcondities (temperatuur en relatieve luchtvochtigheid) voor de conservering van het Mikwe te kunnen bepalen. Figuur 1. Een deel van de uitmergel opgebouwde muurconstructie van het Mikwe te Venlo.

4 TNO-rapport 034-DTM / 17 2 Onderzoek aanpak 2.1 Visuele inspectie Het Mikwe bestaat uit verschillende onderdelen en is met verschillende materialen opgebouwd. Het grootste deel van het Mikwe bestaat uit natuursteen metselwerk van mergel 1. De voegen bestaan gedeeltelijk uit kalkmortel en gedeeltelijk uit een iets donkergekleurd mortelmateriaal. Een kleiner gedeelte van het Mikwe is uit baksteen metselwerk opgebouwd. Lokaal zijn ook blokken rode natuursteen (zandsteen) aanwezig. Het Mikwe is, na het ontgraven, op de vindplaats op een betonconstructie geplaatst, en vervolgens in twee delen vervoerd naar de gemeentewerf, waar de constructie onder een niet-geklimatiseerde tentachtige constructie wordt bewaard. De mergel natuursteen verkeert lokaal in slechte conditie: zij is lokaal gescheurd (figuur 2), verpoedert (figuur 3) en brokkelt af. Ook de voegmortel brokkelt af op enkele locaties (figuur 4). Sommige mortelvoegen zijn van een enigszins donkere kleur (figuur 5). Figuur 2. Scheuren in de mergel natuursteen blokken (de scheuren zijn veroorzaakt door het uitplaatsen van het Mikwe). 1 In dit rapport wordt de term mergel zoals gangbaar gebruikt om de zuivere kalksteen uit de regio van Maastricht te benoemen. Geologisch gezien is de benoeming mergel onjuist: mergel is eigenlijk een afzettinggesteente bestaande uit een mengsel van klei en fijnverdeelde kalk.

5 TNO-rapport 034-DTM / 17 Figuur 3. Verpoedering van de mergel natuursteen. Figuur 4. De mortelvoeg brokkelt af.

6 TNO-rapport 034-DTM / 17 Figuur 5. Sommige voegen zijn van een enigszins donkere kleur. 2.2 Bemonstering Er zijn in totaal 56 monsters genomen uit de verschillende delen van het Mikwe. Het gaat om monsters boorpoeder, verkregen met een boor met diameter van 6-8 mm. Alle materialen (mergel, mortel, baksteen en rode natuursteen) zijn bemonsterd. De locaties van de bemonstering, zowel de hoogte als de diepte, zijn in figuren 6-8 en in Bijlage A aangegeven. Muur S25 Muur S26 Muur S28 Figuur 6. Schets van delen S28, S25 en S26 van het Mikwe.

7 TNO-rapport 034-DTM / 17 Muur S17 Muur S17 Muur D Figuur 7. Schets van deel S17 van het Mikwe. Muur S27 Figuur 8. Schets van muur S27 van het Mikwe. De gruismonsters zijn in een oven bij 40 C gedroogd en het vochtgehalte (MC) is gravimetrisch bepaald. Vervolgens zijn de monsters twee weken lang in een geconditioneerde ruimte bij 97% RV geplaatst om het hygroscopisch vochtgehalte (HMC) te bepalen. Het hygroscopisch vochtgehalte geeft een indicatie van de aanwezigheid van hygroscopische zouten. Aan een selectie van 10 monsters zijn de hoeveelheid en het type relevante ionen bepaald met behulp van ion chromatografie (IC). Aan een selectie van 4 monsters zijn röntgendiffractie analyses uitgevoerd om de exacte compositie van de monsters bepalen.

8 TNO-rapport 034-DTM / 17 3 Resultaten 3.1 Vocht- en zoutgehalte Het vochtgehalte (MC) en hygroscopisch vochtgehalte (HMC) bij 50%, 65% en 97% RV van de monsters zijn in bijlage A aangegeven. In figuren 9-14 worden het vochtgehalte (MC) en hygroscopisch vochtgehalte (HMC) bij 97% RV in muur S28 t/m S17 gegeven. MC & HMC (gewicht %) - mergel - muur S28 MC & HMC (gewicht %) MC mergel 50 cm HMC mergel 50 cm diepte (cm) Figuur 9. Vochtverdeling (MC) en hygroscopische vochtverdeling (HMC) in mergel natuursteen (muur S28) MC & HMC mergel - muur S25 MC 0-1 cm MC 1-5 cm MC 5-15 cm MC cm 100 HMC 0-1 cm hoogte (cm) HMC 1-5 cm HMC 5-15 cm HMC cm MC & HMC (gewicht %) Figuur 10. Vochtverdeling (MC) en hygroscopische vochtverdeling (HMC) in muur S25 (mergel natuursteen).

9 TNO-rapport 034-DTM / 17 MC & HMC (gewicht %) - mortel - muur S25 3 MC & HMC (gewicht %) MC mortel 25 cm MC mortel 65 cm HMC mortel 25 cm HMC mortel 65 cm diepte (cm) Figuur 11. Vochtverdeling (MC) en hygroscopische vochtverdeling (HMC) in muur S25 (mortel). hoogte (cm) MC & HMC (gewicht %) - mergel - muur S MC & HMC (gewicht %) MC mergel 0-1 cm MC mergel 1-5 cm MC mergel 5-15 cm MC mergel cm HMC mergel 0-1 cm HMC mergel 1-5 cm HMC mergel 5-15 cm HMC mergel cm Figuur 12. Vochtverdeling (MC) en hygroscopische vochtverdeling (HMC) in muur S26 (mergel natuursteen). hoogte (cm) MC & HMC (gewicht %) - mergel - muur S MC mergel 0-1 cm MC mergel 1-5 cm MC mergel 5-15 cm MC mergel cm HMC mergel 0-1 cm HMC mergel 1-5 cm HMC mergel 5-15 cm -100 MC & HMC (gewicht %) HMC mergel cm Figuur 13. Vochtverdeling (MC) en hygroscopisch vochtverdeling (HMC) in muur S17 (mergel natuursteen).

10 TNO-rapport 034-DTM / 17 MC & HMC (gewicht %) MC & HMC (gewicht %) - mortel - muur S17 MC mortel -60 cm HMC mortel -60 cm diepte (cm) Figuur 14. Vochtverdeling (MC) en hygroscopische vochtverdeling (HMC) in muur S17 (mortel). Het vochtgehalte is op alle locaties en in alle materialen heel laag. De verklaring is dat de natuursteen met name in de afgelopen 7 jaar, waarbij temperaturen rond 40 ºC voorkwamen sterk is gedroogd; mergel is door zijn vrij grove poriestructuur een materiaal dat onder die omstandigheden relatief snel kan drogen. Dat impliceert dat, als de condities zo blijven (d.w.z. als geen nieuwe vochttoetreding kan plaats vinden), geen vorstschade meer zal kunnen optreden, ook als te temperatuur onder 0 C zou komen. Het hygroscopisch vochtgehalte bij 97% geeft een indicatie van de aanwezigheid van hygroscopische zouten. De HMC bij 97% is in de mergel natuursteen betrekkelijk laag; daaruit kan worden afgeleid dat zich in de steen weinig hygroscopische zouten bevinden. De HMC van de mortel bij 97% is duidelijk hoger: dit betekent dat in de mortel hygroscopische zouten aanwezig zijn. De baksteen en de rode natuursteen hebben beiden een lage HMC en dus weinig zouten. 3.2 Ionenchromatografie Aan een selectie van 10 monsters, uit mergel, natuursteen en mortel, zijn ionenchromatografie (IC) analyses uitgevoerd om de hoeveelheid en type zoutionen te identificeren. De resultaten daarvan zijn in tabel 1 en in figuur 15 gegeven. De resultaten van de IC geven aan dat monster 3 (mortel, enigszins donker materiaal) de meeste zouten bevat. De andere mortelmonsters hebben een wat lager zoutgehalte; de mergel en de baksteen bevatten weinig zouten. De 1:1 ratio tussen chloride en natrium ionen wijst op de aanwezigheid van natrium chloride (NaCl). Natriumchloride is in dit geval het meest aanwezige zout. Daarnaast zijn lagere hoeveelheden nitraten en sulfaten aanwezig. In alle monsters zijn calcium ionen aangetroffen: calcium is zeer waarschijnlijk in combinatie met carbonaat aanwezig, in de vorm van CaCO 3, de belangrijkste component van zowel mergel als van kalkmortel.

11 TNO-rapport 034-DTM / 17 Tabel 1. Monster Resultaten van de IC analyses Cl - - Materiaal NO 3 SO 4 2- Na + + NH 4 K + Mg 2+ Ca 2+ µmol/g µmol/g µmol/g µmol/g µmol/g µmol/g µmol/g µmol/g 2 mergel mortel donkere mortel mergel mortel mortel donkere mortel mergel donkere mortel baksteen Figuur 15. Ionengehalte (µmol/g) in de geanalyseerde monsters. 3.3 Röntgendiffractieanalyses Op een selectie van 4 monsters uit mortel en mergel, zijn röntgendiffractieanalyses (XRD) uitgevoerd. De resultaten van de XRD-analyses zijn in figuren 16 t/m 19 gegeven. De XRDanalyses tonen aan dat de mortel uit kalk (als bindmiddel) en kwarts, d.w.z. zand (als aggregaat) bestaat. Monster 3 bevat, naast kalk en kwarts, muscoviet, een fylosilicaat mineraal van aluminium en kalium, kleurloos, met een laminaire structuur. Dit mineraal is hoogstwaarschijnlijk als toeslag in de mortel gebruikt.

12 TNO-rapport 034-DTM / 17 Figuur 16. XRD spectrum van monster 3 (iets donkere mortel). Het toont dat de mortel behalve uit kalk en zand ook uit muscoviet bestaat. Figuur 17. XRD spectrum van monster 19 (mortel). Het spectrum toont dat het hier een kalk-zandmortel betreft.

13 TNO-rapport 034-DTM / 17 Figuur 18. XRD spectrum van monster 20 (mortel). Het spectrum laat ook in dit geval een kalk-zandmortel zien. Figuur 19. XRD spectrum van monster 29 (mergel). Het spectrum toont dat het om een zuivere kalksteen gaat.

14 TNO-rapport 034-DTM / 17 4 Relatie tussen zoutkristallisatie en klimaat Het belangrijkste doel van dit onderzoek is het bepalen van het optimale microklimaat (temperatuur en relatieve vochtigheid) waarin het Mikwe zou moeten worden bewaard om het risico van schade in de toekomst zoveel mogelijk te voorkomen. Om de relatie tussen het ontstaan van zoutschade en het microklimaat te begrijpen, kunnen theoretische modellen en/of experimentele technieken gebruikt worden: Theoretisch model: Als soort en hoeveelheid aanwezige zouten bekend zijn, is het mogelijk (door het gebruik van een rekenmodel) het type en de hoeveelheid zouten die bij een bepaalde RV en temperatuur kristalliseren te bepalen. Dit helpt om het meest riskante microklimaat te identificeren. Dit rekenmodel heeft enkele beperkingen: zo wordt er bij voorbeeld geen rekening gehouden met de aanwezigheid van gips. Experimentele methoden: Experimentele methoden kunnen ook helpen om het RV gebied te identificeren dat riskant voor zoutschade is. Door het meten van het hygroscopisch vochtgehalte van het zoutbelaste materiaal bij verschillenden RV s, kan een goede indicatie gekregen worden. In dit geval is van beide wijzen van aanpak gebruikt gemaakt. Theoretisch model De data uit de ionenchromatografie zijn met behulp van het rekenmodel RUNSALT [1 2 ] verwerkt. Als eerste is naar de optie gekeken waarbij de temperatuur constant op 20 ºC wordt gehouden en de RV tussen 30 en 90 % varieert. Uit dit rekenmodel blijkt dat in bijna alle monsters de grootste hoeveelheid zouten begint te kristalliseren als de RV onder % komt (een voorbeeld van de resultaten van de simulaties is in figuur 20 te vinden). Dat betekent dat als de RV hoger dan deze waarden is, adsorptie van vocht en dissolutie van de zouten zal plaatsvinden. Als de RV lager dan deze waarden blijft, zullen de zouten in gekristalliseerde vorm blijven. Als de RV constant op een hogere of constant op een lagere dan deze waarden zou blijven zal dus weinig zoutschade plaatsvinden, omdat er zich geen wisselingen van kristal- naar vloeistoffase en omgekeerd voordoen. Om het risico van zoutschade laag te houden, moeten RV cycli door een RV van 60-65% dan ook vermeden worden. Omdat een RV die constant hoger is dan % tot een verhoogd vochtgehalte in de zoutbelaste delen van de muur zal leiden (door hygroscopische adsorptie), verdient het de voorkeur om de RV constant lager dan 60-65% te houden. Op verzoek van de architect zijn extra berekeningen gemaakt voor andere binnenklimaatcondities. Er is naar de optie gekeken waarbij de RV constant bij 55% of 60% blijft en de temperatuur varieert tussen 0 en 50 ºC. Uit deze simulaties blijkt dat als de RV constant bij 55% blijft temperatuurwisselingen tussen 0 en 30 C geen oplossing-/kristallisatiecycli zullen veroorzaken. Als de RV constant bij 60 % blijft, kunnen in sommige gevallen (monster 46), al bij 16 C kristallisatie cycli plaatsvinden (figuur 21). Dit betekent dat als de temperatuur niet constant gehouden kan worden, de RV onder 55% moet blijven. 2 RUNSALT is a front end to the program SALT included in the ECOS package as described in Price, C. A. (Ed.), 2000: "An expert chemical model for determining the environmental conditions needed to prevent salt damage in porous materials". European Commission Research Report No 11, (Protection and Conservation of European Cultural Heritage). Archetype Publications, London.

15 TNO-rapport 034-DTM / 17 Figuur 20. Resultaat van de simulatie voor monster 3: de temperatuur is constant op 20 C en de RV varieert tussen 30 en 90 %; de simulatie is uitgevoerd onder veronderstelling dat alle Ca en CO 3 bij elkaar horen (als calcium carbonaat). Figuur 21. Resultaat van de simulatie voor monster 46: de RV is constant op 60% en de temperatuur varieert tussen 0 en 50 C; de simulatie is uitgevoerd onder veronderstelling dat alle Ca en CO 3 bij elkaar horen (als calcium carbonaat). Amount of substance (µmol/g) Amount of substance (µmol/.g) Amount of substance (µmol/g) Figuur 22. Resultaat van de simulatie voor monster 46: de RV is constant op 55% en de temperatuur varieert tussen 0 en 50 C; de simulatie is uitgevoerd onder veronderstelling dat alle Ca en CO 3 bij elkaar horen (als calcium carbonaat).

16 TNO-rapport 034-DTM / 17 Experimentele methode Het hygroscopisch vochtgehalte van de monsters is bij 55%, 65% en 97% gemeten (bijlage A). Uit de resultaten blijkt dat de adsorptie in het algemeen heel laag is bij 55% RV en aanzienlijk toeneemt boven de 65%. Op basis van deze resultaten kan geconcludeerd worden dat het risico van zoutschade drastisch wordt beperkt als de RV constant lager dan 60 % wordt gehouden (bij een temperatuur van 20 C). Het was niet mogelijk binnen de huidige opdracht de HMC bij verschillende temperaturen en constante RV te meten; de simulatie bij een constante RV en verschillende temperaturen kon dus experimenteel niet geverifieerd worden.

17 TNO-rapport 034-DTM / 17 5 Conclusies Uit het onderzoek kunnen de volgende conclusies getrokken worden: Het vochtgehalte in het metselwerk is momenteel zeer laag; als het vochtgehalte laag blijft, bestaat er dus geen (nieuw) risico van vorstschade. Nb de meest waarschijnlijke processen die de tot nu toe opgetreden schade kunnen verklaren zijn: mechanische belastingen, droog-nat cycli, vorstcycli en kristallisatiecycli. Er wordt echter benadrukt dat het onderzoek niet gericht was op het verklaren van de opgetreden schade, maar op het beperken van de risico s door vocht en zouten voor de toekomst. Het zoutgehalte is het hoogst in de mortel. Het zoutgehalte in de mergel, in de rode natuursteen en in de baksteen is laag. Het meest aanwezige zout is natriumchloride (NaCl). Daarnaast zijn sulfaten en nitraten aanwezig. Al deze zouten zijn hygroscopisch en kunnen dus, door oplossing-/kristallisatiecycli, in principe schade veroorzaken. Uit zowel de experimentele resultaten als de simulatie met het theoretische model blijkt dat een constante RV, lager dan 60% het risico van zoutschade zal voorkomen. RV cycli door 60-65% RV moeten absoluut vermeden worden. Het geheel betekent dat voor een duurzame conservering van het Mikwe een binnenopstelling, met een klimatisering op een relatief lage RV een noodzakelijke voorwaarde is. Om ook het risico van schade door afwijkingen in de RV regeling te vermijden verdient het aanbeveling de installatie op een RV van maximaal 55% te regelen. Als deze RV condities gehandhaafd worden, hebben temperatuur wisselingen tussen 0 en 30 ºC geen risico van zoutschade. De huidige situatie in de tentconstructie dient zo spoedig mogelijk te worden beëindigd.

18 TNO-rapport 034-DTM Bijlage A 1/2 A Locatie, vocht en hygroscopisch vochtgehalte van de monsters materiaal locatie Diepte (cm) MC HMC 97%RV HMC 65% RV 1 mergel muur S28 85 boven oppervlak mergel + mortel muur S28 85 boven oppervlak iets donkere mortel muur S25 25 oppervlak mortel muur S25 65 oppervlak mergel muur S mergel muur S mergel muur S mergel muur S mergel muur S mergel muur S mergel muur S mergel muur S mergel muur S mergel muur S mergel muur S mergel muur S mergel muur S mergel muur S mortel muur S mortel muur S iets donkere mortel muur S iets donkere mortel muur S mergel muur S mergel muur S mergel muur S mergel muur S mortel muur S oppervlak rode zandsteen muur S26 5 oppervlak mergel muur S mergel muur S mergel muur S mergel muur S mergel muur S mergel muur S mergel muur S mergel muur S mortel muur S boven oppervlak mergel muur S mergel muur S mergel muur S mergel muur S mergel muur S mergel muur S mergel muur S mergel muur S iets donkere mortel muur S HMC 55%RV

19 TNO-rapport 034-DTM Bijlage A 2/2 47 iets donkere mortel muur S iets donkere mortel muur S baksteen muur S baksteen muur S baksteen muur S baksteen muur S baksteen muur S baksteen muur S baksteen muur S mortel trede