Rob R, J, van Hees en Barbars

Transcriptie

1 Restauratietechniek - Bureau Monumenten & Archeologie Rob R, J, van Hees en Barbars id ate Zoutkristallisatie lean leiden tot ernstige aantasting van steen en metselwerlc. Dit veelvoorkomende probleem vormt bij de zorg voor monumenten een blijvend punt van aandacht. In dit artikel wordt beschreven hoe het mechanisme van zoutkristallisatie werlct en ook op welke manieren zoutkristallisatie zich manifesteert. Het grote aantal factoren dat het schadebeeld lean beïnvloeden, maalct het soms lastig om de oorzaak van het probleem te achterhalen. Van geval tot geval moet bekeken worden welic soort materiaaltechnisch onderzoek en wellc soort onderzoek naar de herkomst van vecht en zouten noodzakelijk is. lm ld toiet te ner ibts Inleiding Metselaars spreken vanouds wel van salpeter in de muur. Daarmee doelen ze eigenlijk niet alleen op nitraten (salpeter), maar op alle zouten die in metselw^erk voorkomen. Dat zijn nitraten (zout van salpeterzuur), sulfaten (zout van zwavelzuur) en chloriden (zout van zoutzuur). Het kan daarbij om vreemde, maar ook om materiaaleigen zouten gaan. Sulfaten dringen vooral in metselwerk door via het grondwater. Verder kan het stoken van steenovens met turf (in het verleden veel voorkomend bij de zogenaamde veldovens) leiden tot een hoge opname van sulfaat uit de turf. Sulfaat kan zich ook in de klei bevinden die voor baksteenproductie gebruikt is; daarbij geldt dan dat baksteen, die bij een lagere temperatuur gebakken is, een hoger sulfaatgehalte heeft. Chloriden worden onder andere afgegeven via zeewater dat direct of als aerosol inwerkt op gebouwen. Ook de muren van gebouwen die als zoutopslag dienen of hebben gediend en muren blootgesteld aan dooizout kunnen een hoge chloride belasting hebben. Nitraten kunnen voorkomen in riolen, stallen en andere plaatsen waar dierlijke uitwerpselen terechtkomen. Tenslotte kunnen ook onderhoudswerkzaamheden zorgen voor aanvoer vaii zouten. Te denken valt aan chemische gevelreiniging, de toepassing van alkahhoudende restauratiemortels en oppervlaktebehandelingen met bijvoorbeeld waterglas (een silicaat ofwel zout van kiezelzuur). Zoutschade en zoutafzetting De meest voorkomende vormen van schade ten gevolge van kristallisatie processen, in zowel de praktijk als het lab^ zijn: - poederen en (af)zanden - schilferen - exfoliatie en delaminatie Schilferen komt vooral voor wanneer het materiaal een dunne laag aan het oppervlak bezit die enigszins afwijkt van de rest van het materiaal. Wanneer deze dunne laag is verdwenen gaat de schade meestal verder in de vorm van poederen. Los hiervan kan een duidelijke en specifiek schadetype optreden wanneer behandeling met bijvoorbeeld hydrofbeermiddelen heeft plaatsgevonden: afspringen van een vrij dikke laag (spalling), meestal, maar niet altijd, de hydrofobe zone. Daarnaast kan sprake zijn van uitbloei van zouten aan het oppervlak. Kenmerkend voor uitbloei is dat het zout 'capillair', dat wil zeggen via het poriënsysteem van het materiaal (een en ander met als drijvende kracht verschillen in capillair potentiaal), naar het oppervlak wordt getransporteerd. 137

2 atb. 1 Verdampingstront met afgezette zouten K kalkmortel V afb. 2 Witte uitslag op nieuwbouwgevels C cementmortel 1 * '. ' soq ' I Wanneer zoutkristallen zich afzetten aan het oppervlak van metselwerk, is er altijd een vochtbron in het spel. Een muur kan van twee kanten de inwerking van optrekkend vocht ondervinden: onderlangs uit de grond en zijdelings vanuit het maaiveld (de aanaarding tegen de muur). Het voor optrekkend vocht kenmerkende beeld van een golvende zoutafzetting ergens in de onderste meters van een muur ontstaat doordat het optrekkende water zout afzet aan de bovengrens van de vochtige zone, het verdampingsfxont (afb. i). looi, uitloging en afzetting Een muuroppervlak kan een witte uitslag vertonen die sterk doet denken aan de bovenbeschreven zoutuitbloei. Dit probleem komt veelvuldig voor bij nieuwbouw metselwerk (afb. 2). Het gaat daarbij vaak om uitbloei van kalk of gips; de herkomst van dergelijke uitbloei kan zowel bij de mortel als bij de steen liggen. Vaak ontbrandt een strijd om de vraag waar de oorzaak van de uitbloei ligt: in de steen of in de mortel. In deze strijd kunnen aannemer en voeger betrokken raken, en zelfs de architect, die in het bestek de materialen heeft voorgeschreven. Wanneer over de hele gevel een grauwsluier optreedt, is gips veelal de oorzaak. Dit is een vervelend probleem, omdat deze afzetting van calciumsulfaat slecht in (regen)water oplost en dus moeilijk te verwijderen is. Ook oppervlakteafzettingen van andere sulfaten kunnen zich voordoen. Deze uitbloei is vaak van tijdelijke aard, omdat die wel door de regen wordt weggespoeld. Ook lastig is het wanneer vrije of niet gecarbonateerde kalk, die rijkelijk in mortels aanwezig is, op het metselwerk wordt afgezet. Aan het oppervlak gekomen, wordt de kalk door CO^ uit de lucht in calciumcarbonaat omgezet, is dan moeilijk oplosbaar en zorgt voor de nodige (in dit geval esthetische) problemen. Een hoge waterbelasting kan ook leiden tot geleidelijke uitspoeling of uitloging van mortelbestanddelen. Uitloging komt alleen voor wanneer een hoge mate van inwatering optreedt 138

3 afb. 4a Uitloging en vervolgens afzetting van kalk op het muuroppervlak afb. 4b Druipsteenvorming in de grotten van Castellana, Italië en er in het metselwerk of in het materiaal voldoende ruimte is voor het doorsijpelen van water. Dit is bijvoorbeeld het geval bij niet vol en zat gemetseld metselwerk of bij scheurtjes in beton. Als gevolg hiervan lossen mortelbestanddelen (en met name vrije kalk) op. Die deeltj es worden met de uitstroom van water via naden en scheurtjes naar het muuroppervlak getransporteerd. Karakteristiek is dat dit transport vrijwel altijd langs de voeg (of via scheurtjes) naar het oppervlak komt. De kalkdeeltj es uit de mortel vormen witte uitlopers op het muurvlak (afb. 4a). Het proces is vergelijkbaar met het vormen van druipsteen in de natuur (afb. 4b). Kristallisatie Bovengenoemde verschijnselen zijn in principe van tamelijk onschuldige aard, omdat het hier een esthetische aantasting betreft, zonder gevolgen voor de bouwtechnische lïwaliteit. Serieuzer zijn de gevolgen van zoutkristallisatie onder het oppervlak. In dit geval wordt gesproken van crypto-florescentie, wat letterlijk verborgen kristalusatie betekent. Cryptoflorescentie kan leiden tot het verpoederen, verpulveren en wegdrukken van lagen steen en mortel, wat uiteindelijk zal leiden tot een aanzienlijk verlies aan materiaal. Het transportproces Een aantal factoren is besussend voor de aard van het kristaflisatieproces. Vochtaanvoer, droogomstandigheden (temperatuur, relatieve vochtigheid en wind), alsmede materiaal-eigenschappen bepalen tezamen of zoutlcristallisatie zich aan het muuroppervlak voordoet (efflorescentie) of binnenin (crypto-florescentie). In metselwerk dat uit verschillende materialen (steen en mortel) is samengesteld, bepalen ook de eigenschappen van de combinatie van materialen waar zoutkristaüisatie zal plaatsvinden. Zo bleek bij een laboratoriumtest waar kalkvoegen en cementvoegen in combinatie met eenzelfde type baksteen werden vergeleken, dat uitbloei zich vooral via de voegen voordeed in geval van de kallonortel (afb. 3). Het proefstuk onder laat zien dat bij toepassing van een (in dit geval dichtere) cementspecie de uitbloei vooral via de stenen optrad. Ook bepaalde soorten 139

4 afb. 5a Opengebarsten voeg V qevolq van drukopbouw in de mortel als gevolg van de vorming van eeft-zwewertde-verfetftding^ calciumacetaat, zoals kan worden afgeleid uit de XRD afb. 5b XRD (röntgendiffractie) V zouten in de muur atb. / Vocht-zoütschade als gevolg van een4ekkefide-hentolwatefafveef4h-de Oeve ko om Pn Hp aan\a/p7ïnhprrj \/an gevelbehandeling kunnen kristalhsatieschade beïnvloeden. Zo wordt het effect van zoutinwerldng van binnenuit op gehydrofobeerde baksteen duidelijk bij een laboratoriumtest waarbij de stenen met zout worden belast (Van Hees en Lubelli, 2006). Het is niet toevallig dat de stenen juist achter de hydrofobe laag smk gaan, omdat op dat punt het vochttransport naar het oppervlak wordt tegengehouden. Vergelijkbare schade als in de laboratoriumtest doet zich ook voor in de praktijk. Omdat na het hydrofoberen het transport van vloeibaar water (en ook eventuele zouten) naar het muuroppervlak stilstaat, zal bij aanwezigheid van zouten de concentratie achter de hydrofobe zone net zo lang toenemen tot de steen het uiteindelijk begeeft. Andere schademeehanismen Wanneer voegwerk van traditioneel, tricalciumaluminaat (C^A) houdend, wit cement in aanraking komt met zeezout, kan de verbinding trichloride ontstaan. Trichloride is een sterk zwellende verbinding, die tot het zwellen van de voeg kan leiden (afb. sa, b). Dergelijke zwellende verbindingen kunnen ook op andere manieren ontstaan, bijvoorbeeld wanneer voor gevelreiniging gebruik wordt gemaakt van zoutzuur of azijnzuur. Azijnzuur gaat door inwerking op de mortelbestanddelen over in de verbinding calciumacetaat. Zwellende verbindingen kunnen leiden tot het openbarsten van voegen, het zwellen van metselmortel tussen de stenen en uiteindelijk zelfs tot vervorming (bol staan) van de complete gevel. Een dergelijke vorm van chemische schade treedt ook op wanneer zouten (met name sulfaten) aflïomstig uit de baksteen of uit luchtverontreiniging, een verbinding aangaan met bestanddelen van mortels, en sterk zwellende verbindingen vormen als thaumasiet of ettringiet. Door drukopbouw binnenin het materiaal kunnen scheuren ontstaan in het metselwerk of kunnen er schollen afspringen (afb. 6). Samenvattend kunnen we zeggen dat schade door zoutbelasting zich voordoet bij de aanwezigheid van een of meer vochtbronnen, zoals optrekkend vocht of een overmaat aan regenwater, en bij de aanwezigheid (van een bron) van zouten. 140

5 De schade zal ontstaan wanneer de kristalhsatiedruk van de zouten de mechanische sterkte van het materiaal overtreft. Prairtij'kvoorbeelden De synagoge in Willemstad (Curagao) behoort tot de topmonumenten van het westelijk halfrond. Vanuit de gevelkolom waaiert vochtzoutschade min of meer uit (afb. /). De oorzaak is gelegen in een lekkage aan de hemelwaterafvoer die in de kolom is opgenomen. Op Curagao doen zich vaak problemen met een hoge zoutbelasting voor.^ In het verleden werden bouwmaterialen dikwijls van het strand gehaald. Er werd gewerkt met koraalstenen, met zand dat zouten bevatte, en zelfs met zeewater om de mortels mee aan te maken. Materialen zijn daardoor vaak vergeven van de zouten. Zelfs bij een geringe mate van vochttransport ontstaan dan al problemen. Ook in de provincie Zeeland hebben monumenten te lijden van zoutkristallisatie. Als gevolg van de watersnoodramp in zijn veel historische constructies met zout belast geraakt. Het metselwerk in de kerk zichtbaar in afb. 8a, b bevat een grote hoeveelheid zeezouten die zorgvuldig restauratiewerk in korte tijd weer teniet doen. Betreldcelijk kort na restauratie trad al weer schade aan het pleisterwerk op, ondanks het feit dat er een speciale restauratiemortel was toegepast. Op Curasao bevindt zich een monumentaal pand dat in het kader van een restauratie van een speciale, beter zoutbestendige pleister werd voorzien. De eerste schade kondigde zich aan toen binnen een j aar het schilderwerk begon af te bladderen. Vervolgens nam de schade snel toe, het eerst nabij krimpscheurtjes in de pleisterlaag. Langs de scheurtjes verschenen de eerste zoutafzettingen. Hieromheen werd de mortel als het ware opgegeten en uiteindelijk resteerden complete gaten in de pleisterlaag (afb.9a,b,c). Een ander voorbeeld, in Scheveningen, maakt duidelijk hoe na restauratie opnieuw schade optreedt. Het getoonde muurvlak staat constant bloot aan zeezouten, aangevoerd als aerosol. Op de hoek is oude steen door nieuwe steen vervangen. Schade doet zich nu vooral voor 141

6 afb. 10 Zoutschade aan (hersteld) voeq- werk nabij de zee terproeven, Metselaarstoren van de Waag in Amsterdam waar de oude steen is gehandhaafd en alleen de voeg is vernieuwd (afb.io). Vanuit de oude steen werkt het opgehoopte zout in op de nieuwe voeg, die al snel wordt aangevreten en vervolgens uitspoelt. Conclusie Voor veel problemen rond zoutschade zijn intussen praktische oplossingen aan te geven. Dat wil echter niet zeggen dat het zoutschademechanisme al volledig doorgrond is.^ Om schade te verklaren kan gebruik worden gemaakt van modellen. Zo is er een model dat uitgaat van de drukopbouw die optreedt door kristallisatie.* De poriën van steen en voegen komen vol te zitten met zouten. Zo ontstaat er druk, kristallisatiedruk, die wordt omgezet in trekspanningen op de poriewanden, waardoor het materiaal uiteindelijk bezwijkt. Het optreden van chemische aantasting door zeezout waarbij kalk uit het bindmiddel zou reageren is een theorie die ook vaak gehoord wordt als verklaring voor schade door zeezout. Wanneer kalk uit het bindmiddel reageert met binnendringend zout, zou calciumchloride ontstaan, een nieuwe verbinding die gemakkelijk in water oplosbaar is. Als gevolg hiervan spoelt dit materiaal weg en blijft in de steen of mortel een gaterige strucmur achter. Deze theorie is echter sterk omstreden. Schadegevallen die het beeld van deze modellen vertonen, zijn er zeker. In afbeelding lo is te zien dat voegen deels zijn verdwenen en baksteen is verpoederd. Ondanks dit alles is er in veel praktijkgevallen echter nog steeds geen sluitende verklaring voor het de optredende zoutschade. Dat onderstreept nog eens het belang van verder (met name fundamenteel) onderzoek naar het exacte schademechanisme.^ Daar zijn zowel de fabrikanten van bouwmaterialen (produktontwikkeling) als de gebouwen en zeker de monumenten nadrukkelijk mee gediend. Aanpak zoutschade Alvorens enige maatregel te nemen is het noodzakelijk te begrijpen hoe het probleem, in dit geval de zoutschade ontstaat. Een diagnosestelling, dat wil zeggen een grondige analyse van de situatie, waaruit duidelijk wordt wat precies de oorzaak van de schade is, om welk zout of welke zouten en om welke vochtbron het gaat, is de eerste stap om tot een verantwoorde oplossing te komen. Deze moet bovendien passen bij het monument en zo goed mogelijk de instandhouding van monument en historisch materiaal waarborgen. De aanpak van zoutschade is erg afhankelijk van de omstandigheden: zo ligt het voor de hand 142

7 ontzoutinqscompressen in de Waag te Amsterdam: De Waag vi/aar de meesterproeven zich bevinden afb. 12c Poultice-materiaal op proefvlakl<en kei, inlis 1 std. Ede sde it il>et eerst de bron van vocht (en zout) aan te pakken (bijv. optrekkend vocht) en op die manier tegelijk de aanvoer van nieuwe zouten tegen te gaan. Andere maatregelen zijn bijvoorbeeld ontzouten. In simaties waar het (binnen)idimaat gereguleerd kan worden en geen vochtbron van buitenaf in het spel is, kan ingrijpen in het binnenldimaat worden overwogen. Zo kan door de relatieve vochtigheid beneden het hygroscopisch evenwichtsvochtgehalte van het in de muren aanwezige zoutmengsel te houden, het aantal kristallisatiecycli sterk worden beperkt en daarmee het schaderisico. In elk individueel geval zal echter, vaak aan de hand van nader onderzoek, moeten worden vastgesteld welke maatregel of combinatie van maatregelen het meest effectief zal zijn. We blijven hier alleen stilstaan bij het ontzouten, aan de hand van het voorbeeld van de Metselaarstoren van de Waag op de Nieuwmarkt te Amsterdam. Ofrtsouten van ele tvie'èselaciirstoren In de Metselaarstoren bevinden zich vele meesterproeven die daar vanaf de 17= eeuw zijn aangebracht door leden van het metselaarsgilde. Veel van de meesterproeven worden ernstig bedreigd door het optreden van zoutkristallisatie in het metselwerk (afb.11). In het geval van niet verplaatsbare objecten, zoals metselwerk constructies, kan ontzouting plaatsvinden door middel van compressen die op het oppervlak van het object worden aangebracht. Deze methode kan samenvattend beschreven worden als een twee stappen behandeling. In de eerste fase wordt het object nat gemaakt: het vocht wordt direct op het object verneveld of vanuit een natte compres in het object gebracht. Bedoeling is de zouten in de ondergrond op te lossen. De tweede fase is die van de extractie: de opgeloste zouten bewegen met of in het vocht, vanuit de ondergrond naar het compres. De samenstelling en daarmee de eigenschappen van het compres (ook wel poultice genoemd) dient nauwkeurig op de eigenschappen van de ondergrond te worden afgestemd. Zonder goede afstemming is het risico van mislulddng of zelfs van toename van schade reëel aanwezig. Op enkele van de zoutbelaste 'meesterproeven' in baksteenmetselwerk van de Metselaars- (of Barbara)toren van de Waag in Amsterdam werden als proef en met bevredigende resultaten verschillende typen compressen aangebracht (afb. 12a, b, c en 13). Bij de proeven werd een zoutextractie (tot 90%) over een diepte tot 7 cm bereikt door middel van twee applicaties van speciaal ontwikkelde poultices. Het zoutgehalte is hierbij bepaald door het meten van de hygroscopische vochtopname bij 97% RV. De efficiëntie verschilt per type poultice. 143

8 Metselaarstoren van de Waag te Amsterdam met vier verschillende typen compressen Extraction efficiency at different depths 100 average of 2 bricks 80 " 60 - >1 c 0 Effici E E E E E E E E E E E E E E OJ ro in <) ó cvi ró in <) V- (NJ ro m O 6 4 la cell/bentonite/sand bentonite/sand ce!l/kaolin/sand Prof.Rob P.J. van Hees is hoogleraar Conserveringstechnieken van gebouwen. Technische Univositeit D elft. Faculteit Bouwkunde en Senior Research Scientist bij TNO in Delft. Dr. Ba7-hara Lubelli, MSc. is universitair docent bij RMIT, Technische Universiteit Faculteit Bouwkunde, en onderzoeker bij TNO in Delft. Delft, Noten 1 Charola, 2002, Naldini, 2006 ^ Van Hees en Van Rijswijk, 2005 ^ Pel, 2004, Lubelli, 2006 " Correns, 1949, Scherer, 1999 = Lubelli, 2006 Hees R.PJ. van, Lubelli B., 2006, Analysis of transport of salts in restoration plasters, in: European Research on Cultural Heritage - state of the art studies, eds. Stefan Simon & Milos Drdacky, Volume 5, ITAM, Prague, pp Hees R.P.J, van, Lubelli B., Naldini S., 2010, Richtlijn voor het ontzouten van poreuze ondergronden, PCE - Praktijkreeks Cultureel Erfgoed, Aflevering 12, nr 32 Literatuur Charola A.E., 2002, Salts in the deterioration of porous materials: an overview, JAIC 39, pp Correns C.W., 1949, Growth and dissolution of crystal under linear pressure. Discussion of the Faraday Society, 5, pp Hees R.PJ. van, Rijswijk R van, 2005, Interventions In Salt Decayed Monuments At Curagao. The Example Of The Historic Synagogue, in: L.G.W. Verhoef & R. van Oers eds., Proceedings of Symposium 'Dutch Involvement in the Conservation of Cultural Heritage Overseas', Delft, Dec 2004, DUP Science, Delft, pp Lubelli B., 2006, Sodium chloride damage to porous building materials, PhD thesis. Delft University of Technology Naldini S., Hees R.RJ. van, Nijland T, 2006, Definitie van schade aan metselwerk, in PIM, Praktijkboek Instandhouding Monumenten, deel 11-4, 19 p., afl. 28 Pel L, Huinink H., Kopinga K., Hees R.RJ. van, Adan O., 2004, Efflorescence pathway diagram: Understanding salt weathering. Construction & Building Materials, Vol. 18, Issue 5, pp Scherer G., 1999, Crystallization in pores. Cement and Concrete Research 29, (8), pp