Aanpak Vochtproblematiek M a s s i e f Metselwerk. Synthese Wetenschap en Vakmanschap. Syllabus. studiedag

Transcriptie

1 Aanpak Vochtproblematiek M a s s i e f Metselwerk Synthese Wetenschap en Vakmanschap Syllabus studiedag Delft, 4 april

2 2

3 Voorwoord Deze studiedag staat in het teken van de gedachtewisseling van allen die betrokken zijn bij de restauratie van uit massief metselwerk opgetrokken monumenten. Bedreigde monumenten vaak, waarbij vocht een desastreuze rol speelt. Middels het totaalonderzoek "Aanpak vochtproblematiek massief metselwerk" werken de onderzoekers Caspar Groot en Jos Gunneweg van de TU Delft, Faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen aan een in 12 deelonderzoeken gesplitst onderzoeksprogramma om antwoorden te geven op de verschillende problemen die in de eerste fase van het onderzoek gesignaleerd werden. Daarbij wordt indien nodig een beroep gedaan op expertise die elders aanwezig is. Ingeschakelde instituten zijn o.a. TNO-Bouw, het Technisch Centrum voor de Keramische Industrie en Bureau Rockview. Ook de vakman, de voeger en de metselaar, worden met regelmaat geraadpleegd, met name degenen die het vak nog op de 'ouderwetse' manier uitoefenen. In het rapport dat u vandaag krijgt uitgereikt vindt u daar meerdere voorbeelden van. Zodoende wordt alle expertise, waar ook beschikbaar, ingezet. Dat maakt het onderzoek zeer praktijkgericht. Vandaag wordt gerapporteerd over de eerste twee deelonderzoeken: "Kwaliteitseisen Restauratiebaksteen" en "Kwaliteitseisen Metselmortels in Kalk". Inbegrepen hierbij de bouwstenen voor de nieuw te ontwikkelen richtlijn "Restauratiebaksteen" en "Metselmortels in Kalk". De ontwikkeling van deze bouwstenen tot een gecertificeerde richtlijn zal door een commissie onder regie van de RACM direct na deze studiedag ter hand worden genomen. De onderzoekers gaan ondertussen door met nieuwe deelonderzoeken. Nog dit jaar zullen de deelonderzoeken "Detectie losse schilvorming of lateraalscheuren" en "Bouwstenen voor een Richtlijn Injecteren" worden afgerond en zal met een aantal andere deelonderzoeken een aanvang worden gemaakt. Plezierig is dat een aantal deskundigen bereid waren hun inzichten betreffende het thema Aanpak Vochtproblemen in massief metselwerk gedurende de studiedag te presenteren; hiervoor zijn wij hen zeer erkentelijk. De studiedag is bedoeld voor onderlinge communicatie. Aarzelt u daarom niet om commentaar te geven of ons van uw bijzondere ervaringen op het gebied van restauratie deelgenoot te maken. Dat kan natuurlijk ook nog na deze studiedag. Dank aan de sectie Gebouwen en Civieltechnische Constructies van de Faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen, met name ook aan het secretariaat, voor het organiseren van deze studiedag. Tot slot wil ik iedereen bedanken, die in een of andere vorm aan dit onderzoek heeft bijgedragen, met name ook de sponsors zonder wie dit onderzoek niet had kunnen plaatsvinden. Namens de begeleidingscommissie wens ik u een zeer vruchtbare studiedag toe. Arnold van der Ree voorzitter 3

4 4

5 INHOUD I VOCHTPROBLEMEN IN MASSIEF HISTORISCH METSELWERK Michiel van Hunen II VOCHTTRANSPORT EN SCHADE DOOR ZOUTEN Rob P.J. van Hees & Barbara Lubelli III ONDERZOEK, DIAGNOSTIEK EN REPARATIEADVIES 3 casussen uit de restauratiepraktijk Jos Gunneweg IV VAN KLEI TOT BAKSTEEN Hoe ontstaan de hygrische eigenschappen? Hans van Wijck V STEEN- EN MORTELKEUZE VOOR ZWAAR REGENBELAST MASSIEF METSELWERK Caspar Groot VI METSELMORTELS VOOR WATERDICHT METSELWERK. EIGENSCHAPPEN VAN 4 MORTELS EN RESULTATEN VAN DE REGENPROEF. Tomas J. Wijffels VII IMPACT-ECHO Jeroen Schouten VIII PRAKTIJKPROEVEN DETECTIE & INJECTIE Stand van zaken Jos Gunneweg IX HYDROFOBEREN - van de regen in de drup? Caspar Groot & Jos Gunneweg 5

6 6

7 I VOCHTPROBLEMEN IN MASSIEF HISTORISCH METSELWERK door Michiel van Hunen Rijksdienst voor Archeologie, Cultuurlandschap en Monumenten (RACM) 7

8 8

9 9

10 10

11 11

12 12

13 13

14 14

15 15

16 16

17 17

18 18

19 19

20 20

21 21

22 22

23 VOCHTTRANSPORT EN SCHADE DOOR ZOUTEN Rob P.J. van Hees 1, 2, Barbara Lubelli 2 1 Netherlands Organisation for Applied Scientific Research TNO Built Environment & Geosciences, PO Box 49, 2600 AA Delft, Netherlands 2 Delft University of Technology, Delft, Netherlands Samenvatting Zoutkristallisatie kan leiden tot ernstige aantasting van steen en metselwerk. Dit veelvoorkomende probleem vormt bij de zorg voor monumenten een blijvend punt van aandacht. In dit artikel wordt beschreven hoe het mechanisme van zoutkristallisatie werkt en ook op welke manieren zoutkristallisatie zich manifesteert. De vele factoren die het schadebeeld beïnvloeden, maken het soms lastig om de oorzaak van het probleem te achterhalen. Van geval tot geval moet bekeken worden welk soort materiaaltechnisch onderzoek en onderzoek naar de herkomst van vocht noodzakelijk is. 1. Inleiding: soorten zout 1.1 Algemeen Metselaars spreken vanouds wel van salpeter in de muur. Daarmee doelen ze eigenlijk niet alleen op nitraten (salpeter), maar op alle zouten die in metselwerk 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; dan geldt 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 van zouten. Te denken valt aan chemische gevelreiniging, de toepassing van alkalihoudende restauratiemortels en oppervlaktebehandelingen met bijvoorbeeld waterglas (een silicaat ofwel zout van kiezelzuur). 1.2 Vormen van zoutschade; patronen van zoutafzetting De meest voorkomende vormen van schade ten gevolge van kristallisatie processen, in zowel de praktijk als het lab zijn (Charola, 2002, Naldini et al, 2006): poederen en (af)zanden schilferen exfoliatie en delaminatie Schilferen komt vooral voor wanneer het materiaal een dunne laag aan her 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 b.v. 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, naar het oppervlak wordt getransporteerd. 23

24 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 verdampingsfront (fig. 1). Fig. 1 Verdampingsfront met afgezette zouten. 1.3 Uitbloei, 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 (fig. 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. Fig. 2 Witte uitslag op nieuwbouwgevels. 24

25 Wanneer over de hele gevel een grauwsluier optreedt, is gips veelal de oorzaak. Dit is een vervelend probleem, omdat deze calciumsulfaat afzetting slecht in (regen)water oplost en dus moeilijk te verwijderen is. Ook oppervlakteafzettingen van andere sulfaten kunnen zich voor doen. Dit laatste type uitbloei is vaak van tijdelijke aard, doordat die zouten wel vanzelf door de regen worden weggespoeld. Lastiger 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 2 uit de lucht in calciumcarbonaat omgezet, is dan moeilijk oplosbaar en zorgt voor de nodige (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 en er in het metselwerk of in het materiaal voldoende ruimte is voor het doorsijpelen van water. Dat 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 deeltjes 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 kalkdeeltjes uit de mortel vormen witte uitlopers op het muurvlak (fig. 3). Het proces is volkomen vergelijkbaar het vormen van druipsteen in de natuur. Fig. 3 Uitloging en vervolgens afzetting van kalk op het muuroppervlak (l) en druipsteenvorming in de grotten van Castellana It (r). 1.4 Kristallisatie op en onder het muuroppervlak Bovengenoemde verschijnselen zijn in principe van tamelijk onschuldige aard, omdat het hier een louter esthetische aantasting betreft, zonder gevolgen voor de bouwtechnische kwaliteit. Serieuzer zijn de gevolgen van zoutkristallisatie onder het oppervlak. In dat geval wordt gesproken van cryptoflorescentie, letterlijk verborgen kristallisatie. Crypto-florescentie kan leiden tot het verpoederen, verpulveren en wegdrukken van lagen steen en mortel, wat uiteindelijk zal leiden tot een aanzienlijk verlies aan materiaal. 2. Het transportproces 2.1 Algemeen: invloedsfactoren en randvoorwaarden Een aantal factoren is beslissend voor de aard van het kristallisatieproces. Vochtaanvoer, droogomstandigheden, droogsnelheid, temperatuur en wind, alsmede materiaal-eigenschappen bepalen tezamen of zoutkristallisatie zich aan het muuroppervlak voordoet (efflorescentie) of binnenin (crypto-florescentie). Uit een laboratoriumtest blijkt dat uitbloei zich vooral via de voegen voordoet wanneer kalkmortel is toegepast (fig. 4). Het proefstuk rechts laat zien dat bij toepassing van een (dichtere) cementspecie de uitbloei vooral via de stenen optreedt. Ook bepaalde soorten gevelbehandeling kunnen kristallisatieschade beïnvloeden. Zo wordt het effect van zoutinwerking van binnenuit op gehydrofobeerde baksteen duidelijk bij een laboratoriumtest waarin de stenen met zout worden belast (Van Hees en Lubelli, 2006). Het is niet toevallig dat de stenen juist achter de hydrofobe laag stuk 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 water naar het muuroppervlak stilstaat, zal bij aanwezigheid van zouten de concentratie achter de hydrofobe zone zo lang toenemen tot de steen het uiteindelijk begeeft. 25

26 Fig. 4 Verschil in zoutuitbloei in een laboratoriumexperiment: links kalmortel, rechts cementmortel. 2.2 Andere schademechanismen Wanneer voegwerk van traditioneel, tri-calciumaluminaat (C 3 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 (fig. 5). 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. Fig. 5 Openbarsten van voeg als gevolg van de vorming van een zwellende verbinding, calciumacetaat. Een dergelijke vorm van chemische schade treedt ook op wanneer zouten (met name sulfaten) vanuit bijvoorbeeld de baksteen dan wel van buitenaf een verbinding aangaan met bestanddelen van mortels. Door drukopbouw binnenin het materiaal kunnen scheuren ontstaan in het metselwerk of kunnen er schollen afspringen (fig. 6). 26

27 Fig. 6 Afspringende stukken steen, ten gevolge van drukopbouw in de mortel. Samenvattend kunnen we zeggen dat schade door zoutbelasting zich voordoet wanneer een of enkele essentiële factoren in het spel zijn. Ten eerste de aanwezigheid van een of meer vochtbronnen, zoals optrekkend vocht of een overmaat aan regenwater; ten tweede de aanwezigheid van een bron van zouten, ten derde de mechanische sterkte van het materiaal, die bepaalt wanneer (bij welke hoogte van de zoutbelasting) de schade zal ontstaan. 2.3 Voorbeelden uit de praktijk De synagoge in Willemstad (Curaçao) behoort tot de topmonumenten van het westelijk halfrond. Vanuit de gevelkolom komt vocht-zoutschade min of meer uitwaaieren (fig. 7). De oorzaak is gelegen in een lekkage aan de hemelwaterafvoer die in de kolom is opgenomen. Op Curaçao doen zich vaak problemen met een hoge zoutbelasting voor (Van Hees en Van Rijswijk, 2005). 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. Fig. 7 Vocht-zoutschade als gevolg van een lekkende hwa in de gevelkolom en de aanwezigheid van zouten in de muur. 27

28 Ook in de provincie Zeeland hebben monumenten te lijden van zoutkristallisatie. Als gevolg van de watersnoodramp in 1953, zijn veel historische constructies met zout belast geraakt. Het metselwerk in de kerk van Brouwershaven bevat een grote hoeveelheid zeezouten, die zorgvuldig restauratiewerk in korte tijd weer teniet doen. Betrekkelijk kort na restauratie trad al weer schade aan het pleisterwerk op, ondanks het feit dat er een speciale restauratiemortel was toegepast (fig. 8). Fig. 8 Verloop van zoutschade aan een pleisterlaag op een met zout belaste ondergrond. Op Curaçao bevindt zich een patriciërshuis dat recentelijk van een restauratiepleister is voorzien. De eerste schade kondigde zich aan toen binnen een jaar het schilderwerk begon af te bladderen. Vervolgens nam de schade snel toe, het eerst nabij kleine scheurtjes in de pleisterlaag eronder. Langs de scheurtjes verschenen de eerste zoutafzettingen. Hieromheen werd de mortel als het ware opgegeten en uiteindelijk resteerden complete gaten in de pleisterlaag (fig. 9). Een ander voorbeeld, gesitueerd 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 waar de oude steen is gehandhaafd en alleen de voeg is vernieuwd (fig. 10). Vanuit de oude steen werkt het opgehoopte zout in op de nieuwe voeg, die al snel wordt aangevreten en vervolgens uitspoelt. Fig. 9 Ontwikkeling zoutschade aan een pleisterlaag. 28

29 Fig. 10 Zoutschade aan (hersteld) voegwerk nabij de zee. 3. Discussie en conclusies 3.1 Het mechanisme, modellen en noodzakelijk onderzoek Voor veel problemen rond zoutschade zijn intussen praktische oplossingen aan te geven. Dat wil echter niet zeggen dat het zoutschademechanisme al volledig doorgrond is (Pel et al. 2004, Lubelli, 2006). Om schade te verklaren kan gebruik worden gemaakt van modellen. Zo is er een model dat uitgaat van de drukopbouw die optreedt door kristallisatie (Correns, 1949). 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 kan eveneens met behulp van een theoretisch model verklaard worden. In (kalk)mortel, maar ook in kalksteen, bevinden zich hardere, deeltjes in een massa van zachtere kalkdeeltjes. De harde stukken, het toeslaggedeelte (in een mortel is dat in het algemeen het zand), zijn ingebed in het zachte materiaal, in een mortel het bindmiddel, dat een structuur van capillairen vertoont. Wanneer kalk uit het bindmiddel reageert met binnendringend zout, ontstaat calciumchloride, 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 structuur achter. Schadegevallen die het beeld van deze modellen vertonen, zijn er zeker. In afbeelding 10 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 (Lubelli, 2006). Daar zijn zowel fabrikanten van bouwmaterialen (produktontwikkeling) als onze gebouwen en zeker onze monumenten nadrukkelijk mee gediend. 3.2 Aanpak zoutschade De aanpak van zoutschade is erg afhankelijk van de omstandigheden: Zo ligt het vaak voor de hand de bron van vocht (en zout) aan te pakken (bijv. optrekkend vocht) en op die manier tegelijk de aanvoer van nieuwe zouten uit de bodem tegen te gaan. Als verdere maatregelen valt te denken aan ontzouten en daar waar het (binnen)klimaat gereguleerd kan worden en tegelijk geen sprake is van een vochtbron van buitenaf kan ingrijpen in het binnenklimaat een te overwegen maatregel zijn, bijvoorbeeld door de RV beneden een bepaalde waarde (het hygroscopisch evenwichtsvochtgehalte van het in de muren aanwezige zoutmengsel) te houden. In elk individueel geval zal echter, vaak aan de hand van nader onderzoek, moeten worden vastgesteld welke maatregel of combinatie de meeste effectiviteit zal geven. 29

30 4. Referenties Correns C.W., Growth and dissolution of crystal under linear pressure, Discussion of the Faraday Society, 5, 1949, pp Charola A.E., 2002, Salts in the deterioration of porous materials: an overview, JAIC 39, pp L. Pel, H. Huinink, K. Kopinga, R.P.J. van Hees, O. Adan, Efflorescence pathway diagram: Understanding salt weathering, Construction & Building Materials, Vol. 18, Issue 5, June 2004, pp Rob P.J van Hees, Paul van Rijswijk, Interventions In Salt Decayed Monuments At Curaçao. 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 2005, pp Lubelli, B. Sodium chloride damage to porous building materials, PhD thesis, Delft University of Technology, 2006 Rob P.J. van Hees, Barbara Lubelli, 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 2006, pp S. Naldini, R.P.J. van Hees and T. Nijland, Definitie van schade aan metselwerk, in PIM, Praktijkboek Instandhouding Monumenten, deel II-4, 19 p., afl. 28, August

31 III ONDERZOEK, DIAGNOSTIEK EN REPARATIEADVIES 3 casussen in de restauratiepraktijk door Jos Gunneweg TU-Delft, Faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen e: j.gunneweg@citg.tudelft.nl i: grootgunnewegdelft.nl 31

32 32

33 ONDERZOEK, DIAGNOSTIEK EN REPARATIEADVIES 3 casussen uit de restauratiepraktijk Jos Gunneweg* Vocht is de grote belager van alle bakstenen erfgoed in ons land. Met beloften als waterdichte ja zelfs waterafstotende gevels die er uit zien als nieuw zijn de laatste decennia de productinnovaties van de bouwchemie en de moderne morteltechnologie ook in de restauratiesector toegepast. En toch lijkt het of in massief metselwerk opgetrokken gebouwen vroeger beter tegen vocht bestand waren dan tegenwoordig. Voortschrijdend inzicht / Waar gehakt wordt vallen spaanders! Waar gebouwd wordt worden bouwfouten gemaakt en waar gerestaureerd wordt ontstaat de kans op restauratiefouten. Maar van je fouten moet men leren. Door verschillende wetenschappelijke onderzoeksprojecten ontstaat voortschrijdend inzicht dat in de afgelopen jaren een omslag heeft opgeleverd in het denken over de restauratie van massief metselwerk. Met name ook door het kalksymposium met de uitgave van Het KALKboek, van de RDMZ in 2003 waardoor het gebruik van kalk als bindmiddel in mortels voor de restauratie van historische bouwwerken, in plaats van cement, weer volop in de aandacht is gekomen. Ook in het in 2005 gereedgekomen E-U Compass Project, het onderzoek naar zoutbestande pleistermortels in monumentale gebouwen, neemt het aspect vochthuishouding, een belangrijke plaats in. Het totaalonderzoeksproject aanpak vochtproblematiek m a s s i e f metselwerk heeft zijn eerste concrete resultaten opgeleverd en onder invloed van de ondervonden schade en schande, begint van lieverlee ook het uitvoeren van materiaalkundig en bouwfysisch vooronderzoek aarzelend zijn plek in het restauratieproces te vinden. molen grafkelder kerktoren : drie praktijkvoorbeelden / Onderzoeksrapporten zijn interessante lectuur, maar wat kan je met breed opgezet wetenschappelijk onderzoek in de restauratiepraktijk van alledag? We laten de vertaalslag naar objectgebonden onderzoek en advisering zien aan de hand van drie monumenten in het dorp Monster, aan de Zuid-Hollandse kust. Het was de gemeentelijke vakspecialist cultuurhistorisch erfgoed van de gemeente Westland die geconfronteerd werd met de vochtproblematiek van een ruim 10 jaar eerder keurig nieuw opgevoegde molen De Vier Winden in Monster, waar hij zelf geen antwoorden op had. Daartoe aangespoord door de molenconsulent van de RACM, liet hij een deskundig onderzoek instellen. Vervolgens liet hij ook de grafkelder en de toren van de N-H Kerk in Monster onder de loupe nemen. We gebruiken deze drie interessante monumenten hier als casussen om de belangrijkste aspecten van materiaalkundige en bouwfysische aard toegespitst op vochtgehalte, zoutbelasting, mortelsamenstelling, baksteenkwaliteit - alsmede vakmanschap en de procesmatige kant te behandelen. Molen / Van deze vlak aan zee gelegen stenen stelling- korenmolen, De Vier Winden genaamd en gebouwd 1882, was in 1993 de romp intensief hersteld en manifesteerde zich in de jaren na 2000 een steeds toenemende vocht- problematiek en het voegwerk vertoonde vorstschade. Ook was sprake van steeds ernstiger wordende scheurvorming. Niet alleen verticaal, maar merkwaardigerwijs ook horizontaal, door welke scheuren bij storm aan de regenzijde ook water naar binnen lekte.( zie afb. scheurpatroon ). Ook waren zgn. lateraalscheuren (scheuren evenwijdig aan het muuroppervlak, ook schilvorming genoemd) ontstaan. Het interieur was vochtig, veel balkkoppen waren door houtrot aangetast en was er ook sprake van houtwormaantasting van vloerdelen en het molenwerk. De gemeente Westland gaf opdracht tot een bouwkundig en bouwfysisch onderzoek alsmede tot een op basis hiervan uit te werken plan van aanpak en restauratiebestek. 33

34 vochtgehalte (massa %) vochtgehalte (massa %) Waarbij de adviseurs ook betrokken zouden zijn bij de voorselectie van uitvoerende bedrijven, de aanbesteding en de uitvoeringsbegeleiding. Bij een zich duidelijk manifesterend vochtprobleem is het van belang op strategische plekken (div. hoogten, aan de ZW zijde regenkant) en de NO zijde (droge zijde) een v o c h t p r o f i e l te nemen (op drie verschillende diepten in de muur) om de status quo vast te leggen teneinde latere veranderingen te kunnen vaststellen. Een nul meting. Met de nodige routine om dit beeld te lezen kan dit in combinatie met andere informatie leren over aard (optrekkend of van bovenaf komend) en richting geven aan mogelijke oplossingen van de vochtoverlast. Bij de molen bleek het vochtgehalte aan de westzijde (regenkant) midden in de dikte van de muur bijna 17% [m/m]. Ver boven het critisch vochtgehalte ( het omslagpunt ver voor het verzadigingspunt - waarboven het vocht bij meerdere regen vrij gaat stromen en de muur doorslaat ; bij baksteen plm. 9 % ; massaprocenten) en dicht tegen verzadiging aan. De droge kant (oostzijde) leverde een waarde op van plm 6% [m/,m]. De monsters werden genomen ( 17 mei ) na een betrekkelijk droge periode. Het beeld werd bevestigd, dat de droging van de muur aan de binnenzijde, door de dichte pleisterlaag wordt afgeremd. (hieronder twee voorbeelden van vochtprofielen; niet van het betreffende object). Voor de keuze van een mortelreceptuur bij restauratie is het van belang de z o u t b e l a s - t i n g van het muurwerk te kennen.op de molen (ook bij toren en grafkelder, zie hierna) werden gruismonsters genomen van mortel en steen, waarvan dmv een geleidbaar- heidsbepaling de mate van zoutbelasting werd bepaald. Het muurwerk bleek, niet voorbeelden vochtprofielen droge resp. lekke muur vochtprofielen droge muur Vochtprofielen lekke muur boven ZW boven NO Z W W 10 beneden N 0 2,5 7,5 12,5 17,5 22,5 diepte (cm) van binnen naar buiten cm 7-20 cm cm diepte van binnen naar buiten Bwk toestand droge muur: - goede baksteenkwaliteit - goed uitgevoerd hervoegwerk - in kalkmortel - niet gehydrofobeerd - vochttransporterende binnenpleister - goede ventilatie Bwk toestand lekke muur: - matige baksteenkwaliteit - slecht uitgevoerd hervoegwerk - in cementmortel - gehydrofobeerd - zgn waterdichte cementgebonden binnenpleister - weinig ventilatie verbazingwekkend aan zee, met gemiddeld 2500 S/cm ( microsiemens per cm, een karakterisering voor de geleidbaarheid), redelijk sterk zoutbelast. Ook weer niet extreem, want waarden van 6000 komen ook voor. De zoutbelasting heeft invloed op de keuze van het bindmiddel in de restauratiemortel en bij pleisterwerk- het type pleisterwerk. Helaas hebben de sommige zoutbestande mortels een sterke afname van de vochttransporterende eigenschappen tot gevolg tov de oorspronkelijke kalkmortels. Dus de keuze is nog niet zo eenvoudig. 34

35 Geopteerd wordt hier voor een mortel op basis van natuurlijke licht hydraulische kalk. Alle expertise die van de adviseur, die van de mortelproducent en die van het uitvoerend bedrijf wordt gebundeld om tot een optimale aanpak te komen. Deze inspanning werd afgezegeld met een 10-jarige zgn. driehoeks garantie regeling. boorkerngat, detectie lateraalscheur 35

36 Na scheurpatroon binnen (rontgrenview) Na opname, uitvoeren chemische mortalanalysen, bepaling zoutbelasting en uitwerken vochtprofielen kon de volgende d i a g n o s e worden gesteld. Bij het voegwerkherstel is in 1993 het uithakken van de oude voegen uit een oogpunt van arbeidskosten besparing niet ongebruikelijk in die jaren, betrekkelijk bruut gedaan: 36

37 Even met de slijptol langs de gevel om de oude voegen eruit te ritsen, wat beschadigde steentjes inboeten, de hogedrukspuit met een chemisch reinigingsmiddel er overheen, de voeger met een waterdichte cementmortel erachteraan en de gevel was waterdicht en weer als nieuw ; wat heet: veel beter en duurzamer dan hij in nieuwstaat ooit was! uitslijpschade Hydrofoberen, ook gebruikelijk in die tijd, is hier zo bleek uit het onderzoek, om welke reden dan ook, gelukkig achterwege gebleven. De toegepaste cementgebonden hydraulische sterk hechtende, harde, niet elastische en niet poreuze voegherstelmortel was niet compatibel met de daarachter gelegen, oorspronkelijke kalk gebonden luchthardende metselmortel. Hierdoor ontstond zgn voeghechtvlak-haarscheur lekkage. Het water werd bij regen capillair in de muur gezogen maar kon het er bij droog weer onvoldoende meer uit dampen. Het in 1960 reeds, in een cementgebonden pleistermortel vernieuwde binnenpleisterwerk verhinderde droging van binnen uit. Geleidelijk aan bouwde zich aan de regenzijde het vochtgehalte van de muur steeds hoger op, tot het boven het genoemde critisch vochtpercentage kwam en bij balkkoppen en via barsten in de pleisterlaag naar binnen lekte. Terwijl ook het binnenklimaat steeds vochtiger werd. Belangrijk element bij het geformuleerde plan van aanpak was een fasering van de uitvoering, om zodoende tijd in te bouwen om na ontpleisteren van het inwendige het muurwerk de gelegenheid te geven te drogen. Inmiddels zijn twee van de vier fasen nu uitgevoerd. Een betonnen ringbalk om de voet van de molen, herstel balkkopen, uitvoeren houtwormbestrijding en afbikken binnenpleisterwerk. Het vocht komt er nu wel uit want het ruikt in de molen als in een grot en er wordt goed geventileerd. Grof berekend moet er wel minstens 2000 l water verdampen wil het vochtgehalte beneden de kritische 9% komen! Dit proces verloopt redelijk voorspoedig. 37

38 gewichten (gr) Voor het hervoegwerk zijn in juni 2004 in de aanloop naar de aanbesteding door drie verschillende restauratievoeg- bedrijven proefstukken opgezet, met een 6-tal verschillende, mortelrecepturen. Dit bood een unieke gelegenheid om een stapje verder te gaan bij het analyseren en evalueren van de verschillen in mortelkarakteristieken. Dit is geen standaard werkwijze. Najaar 2006 werden de proefstukken manueel (met priem en licht beiteltje, elasticiteit, hechting) en visueel (kleur, textuur) beoordeeld. Hierna werden boorkernen genomen die aan verschillende laboratorium- onderzoeken werden onderworpen. Onder andere absorptie - en droogproeven (resultaten weergegeven in onderstaande grafiek). vocht absorptie na 60 min. en Droging binnen 24 uur kern 0 kern 1 kern2 kern3 kern4 kern5 kern6 kern7 kern8 monsters netto vocht na 24 uur droging binnen 24 uur 38

39 De boorkernen werden van voren en van opzij gefotografeerd om zo een goed beeld te krijgen van het uithakwerk en de vulling. Hierdoor werden, meer nog dan de eigenschappen van de mortel een paar belangwekkende waarnemingen gedaan op het gebied van de uitvoeringswijze Vastgesteld werd dat bij vijf van de acht proefstukken het uithakwerk niet veel meer resultaat had bereikt dan het ruimen van de eerder in 1993 geslepen ondiepe wigvormige sleuf, waarbij de hechtingscondities en het gevaar van uitdrukken afgezien van morteleigenschappen, niet wezenlijk zouden zijn verbeterd. (men ziet op verschillende plaatsen de vicieuze cirkel dat hervoegbeurten na mislukte eerdere hervoegbeurten wederom mislukken!) Voorts, dat bij de drie proefstukken waarbij men dmv inzagen met de diamantzaag een voorsnee van wel 30mm diep had bereikt, de voeg door een te geringe plasticiteit van de mortel niet goed was gevuld. Alle waarnemingen en analyseresultaten in hun onderlinge samenhang beoordeeld werd een advies gegeven over twee in principe in aanmerking komende mortel(recepturen) en mbt de uitvoering het volgende: Er moet beduidend dieper worden uitgehakt dan de huidige geslepen diepte, liefst ruim 2x zo diep en naar een gekartelde structuur. Om de dieper geruimde voeg gevuld te krijgen moet het inzetten in 2- en, vers-invers geschieden. 1e gang met een smalle, 2 e gang met een bredere voegspijker (zie onderstaand schema). Deze laatste fase is nu - voorjaar 2007 in uitvoering waarna binnenpleisterwerk. 39

40 Toren / Bij de uit de 16 e eeuw daterende toren der NH Kerk is iets anders eigenaardigs aan de hand. In het onderste deel zijn een soort honingraten ontstaan. Mortelranden om weggeërodeerde stenen. De toren is 14 jaar geleden voor ruim 6 guldens- tonnen gerestaureerd waarbij veel nieuwe stenen ingeboet. In een - naar nu is vastgesteld - veel te z a c h t e / p o r e u z e kwaliteit nieuw gebakken inboetsteen, gemetseld in een veel te h a r d e, cementgebonden restauratiemortel.. Een omkering van de wijsheid die in het klassieke bouw- vak altijd gold: dat de mortel altijd een klasse z a c h t e r moet zijn dan de steen! M.a.w. de mortel moet opofferend zijn. Bijgaand plaatje zegt misschien meer dan 1000 woorden. Het regenwater komt hier niet zomaar naar binnen omdat het muurwerk daar ter plaatse wel ruim 2 meter dik is. Bij zware regen met storm echter vult het met zeezout geladen regenwater die gaten en dringt steeds dieper in de muur. Het drogen geeft weer zouttransport naar buiten en volumevergrotende uitkristallisatie in de buitenste materiaaldelen dus een nog sterker versnelde degradatie. Om van de effecten in de winter van nachtvorst na een regenachtige dag nog maar niet te praten. Dat die schade zich het sterkst aftekent aan de onderste zeg maar 10 m. van de toren is logisch aangezien zich immers daar de dikste regenwater film vormt. Aldaar is dus de vochtbelasting het grootst, daar hebben de bij de bouw gebruikte goede kwaliteit stenen in de loop van de eeuwen het meeste te lijden gehad, daar zijn de meeste te 40

41 een steen die zich opoffert ten gunste van de mortel; kan niet de bedoeling zijn (situatie minder dan 10 jaar na restauratie) zachte nieuwe stenen ingebracht en daar is nu de grote schade. Hoger zijn die oude stenen, die 14 jaar geleden nog gaaf genoeg waren, dat nog steeds. Alleen is daar en op de harde profielstenen op de montants van het gotische venster boven de ingang, net als bij de molen, nu het fenomeen van uitvallend voegwerk waar te nemen: dun, hard, niet poreus, niet elastisch cementvoegstripje op achterliggende eeuwenoude kalkmortel. Niet compatibel, wordt eruit gedrukt. Hier is een eerste verkennend onderzoek en advies inmiddels afgerond, waarbij nog een aantal gebreken van meer ondergeschikte aard zijn vastgesteld en een voorstel is gedaan voor een vorm van noodherstel. Er zijn twee verschillende opties geformuleerd voor een meer definitieve aanpak. Inmiddels heeft het gemeentebestuur een krediet beschikbaar gesteld voor uitvoering van de middenvariant. Uitvoering na de bouwvak, een steen die zich opoffert ten gunste van de mortel, kan niet de bedoeling zijn! Hier is sprake van een restauratie van een restauratie, waarbij het draait om de juiste baksteenkeus! Grafkelder / Procesmatig een andere situatie: hier geen restauratieschade. Simpelweg omdat sinds de bouw in 1844/1847 van dit familiegraf van de familie Herckenrath, vroegere burgemeesters van Monster, Rijksmonument sinds januari 2002, nog nooit ingrijpende werkzaamheden waren uitgevoerd. De inzet hier was op grond van wetenschappelijk onderbouwde redeneringen, restauratie- schade te voorkomen. Het vochtgehalte van het metsel en pleisterwerk van gewelf en de frontmuur met grondkerende vleugels was en is hoog, maar al door zijn bouwaard steeds geweest. Een 10 jaar eerder uitgevoerd klimaatonderzoek toonde al een buitengewoon hoge luchtvochtigheid wat uiteraard negatieve consequenties had voor de toestand van de houten grafkisten. Er lag een map vol adviezen, suggestie en voorstellen. Zo leefden er ideeën om de kelder met drastische bouwkundige ingrepen droog te krijgen. Maar dan zou de grondafdekking moeten worden afgegraven waardoor de huidige begroeiing duinvegetatie- teloor zou gaan en daarmee weer een deel van het verhaal van het monument. 41

42 Daarenboven bestond het gevaar dat de op gang komende snellere droging van het pleisterwerk naast versneld zouttransport ook verder nog wel eens dubbel negatief zou kunnen uitwerken voor de aanhechting van de mortel aan de bakstenen ondergrond. Immers, bij het wegvallen van de hydraulische spanningen van het vocht in de poriestructuur, zou mogelijk krimp, cq scheurvorming en uiteindelijk loskomen van de pleisterlaag kunnen ontstaan.. Een nieuwe restauratieschade ligt op de loer! Men zou dat weer voor kunnen zijn door tevoren de oude pleisterlaag voor 90% nog gaaf - af te bikken en na het droogproces en afborstelen van evt uitgekristalliseerde zouten, op de bakstenen ondergrond weer een nieuwe vochttransporterende restauratiepleister kunnen opzetten. Men zou een ventilatiesysteem kunnen raliseren enzovoort. Men zou, door inzet van maximale middelen zijn doel ook ver voorbij kunnen schieten! De functie grafkelder impliceert bovendien een piëteitsvolle benaderingswijze die zich niet verdraagt met grootschalige werkzaamheden. De adviseurs hebben daarom juist de oorspronkelijke bouwfysische en bouwkundige status quo tot uitgangspunt gekozen. Geen zware ingrepen maar aanvaarding van het vochtprobleem in plaats van bestrijding ervan en met inzet van minimale middelen de situatie zien te consolideren met een behoedzame conservering van de grafkisten door een in dit werk gespecialiseerd bedrijf. En het aan volgende generaties over te laten om daarop voort te borduren. Meer groot onderhoud dan restauratie. 42

43 kalkpleister gewelfplafond; partieel herstel Wanneer men gewend is om primair vochtbronnen te elimineren wel even een omschakeling in de manier van denken! Werkzaamheden uitgevoerd, voorjaar Gaat er dan nooit meer iets fout bij een dergelijke tamelijk gedegen aanpak? Toch wel! Op een overgang tussen een zoutonbelaste naar een stukje zoutbelaste ondergrond kwam prompt het verse pleisterwerk los en de toepassing van een kalkhydraatverf op de verse pleisterlaag bleek voorts geen succes. Partijen werken aan een oplossing waarbij het, meer dan om juridische redenen een erezaak is om dit met gesloten beurzen te regelen. De adviseur neemt de meerdere onderzoekstijd als leergeld voor eigen rekening. *Jos Gunneweg is onderzoeker bouwmateriaalkunde bij TU Delft faculteit CiTG, sectie Gebouwen en Civieltechnische Constructies, in het kader van het Totaalonderzoeksproject Aanpak Vochtproblematiek Massief Metselwerk, dat wordt uitgevoerd in opdracht van de Rijksdienst voor Archeologie, Cultuurlandschap en Monumenten en heeft samen met zijn collega dr. ir. Caspar Groot, een eigen adviesbureau, groot gunneweg - delft restauratie advies en bouwmateriaalkundig onderzoek. informatie: e: j.gunneweg@citg.tudelft.nl i: grootgunnewegdelft.nl 43

44 44

45 IV VAN KLEI TOT BAKSTEEN Hoe ontstaan de hygrische eigenschappen? door Hans van Wijck Stichting Technisch Centrum voor de Keramische Industrie (TCKI) Postbus 27, 6880 AA Velp (Gld) T: I: 45

46 46

47 Van klei tot baksteen Hoe ontstaan de hygrische eigenschappen? Hans van Wijck Stichting Technisch Centrum voor de Keramische Industrie (TCKI) Postbus 27, 6880 AA Velp (Gld) T: I: Auteursbeschrijving Hans van Wijck is in 1985 afgestudeerd aan de landbouwuniversiteit in Wageningen in de studierichting regionale bodemkunde. Sinds 1986 is hij werkzaam bij het Technisch Centrum voor de Keramische Industrie (TCKI) in Velp (Gld) waar hij op dit moment, samen met Hans Marks een directieteam vormt. TCKI werkt in een stichtingsvorm voor ca. 75 aangesloten bedrijven, voornamelijk in Nederland en België. De deelnemers zijn met name producenten van metselbakstenen, straatstenen, dakpannen, wand- en vloertegels, sanitair, rioleringsbuizen, raamdorpels, rietvorsten, vuurvast keramiek en aardewerk (toeristen- en relatiekeramiek!). Voor de ondersteuning van de deelnemers beschikt TCKI over een advies- en meetgroep, een tekenkamer en een uitgebreid laboratorium (zie Als adviseur is de auteur werkzaam op het terrein van (klei)grondstoffen en de processen die een rol spelen bij de vormgeving, het drogen en het bakken van de keramische producten. Samenvatting In de voordracht wordt uiteengezet wat de eigenschappen zijn van klei en de parameters van baksteen die het gedrag van dit product bepalen bij 1) de verwerking, en 2) de eigenschappen en het gedrag van metselwerk. De eigenschappen van baksteen ontstaan in een bakproces waarbij gedurende de opwarming en het aanhouden op een toptemperatuur diverse reacties in het materiaal optreden. Deze reacties worden nader uiteengezet. Het geheel aan reacties leidt uiteindelijk tot een bepaalde afmeting en kleur van het product, een bepaalde sterkte en duurzaamheid, en een specifieke porositeit en poriegrootteverdeling. Met name deze laatste combinatie van eigenschappen bepaalt in belangrijke mate de verwerkbaarheid van de baksteen (het zuiggedrag) en het gedrag van het metselwerk ten aanzien van vochtabsorptie en -verdeling, vochtdoorlating en opdrogen. Bakstenen kunnen voor wat betreft hun porositeit en poriegrootteverdeling sterk uiteenlopen. De poriegrootteverdeling wordt in het kader van reguliere kwaliteitscontrole zelden meegenomen. Wel worden volumieke massa, wateropneming en de initiële wateropzuiging bepaald. De precieze relatie tussen de hygrische eigenschappen en de porositeit en poriegrootteverdeling is nog steeds onderwerp van studie. Er worden voorstellen gedaan op wat voor een wijze door middel van experimenten het inzicht in deze relaties kan worden vergroot. Belangrijk hierbij is ook de porositeit en de poriegrootteverdeling van de mortel. Het inzicht hierin is nog maar beperkt aanwezig. Inleiding Een ieder die op de een of nadere manier betrokken is bij de vervaardiging van keramiek, gebruikt klei als basisgrondstof. Klei is op vele plaatsen op de wereld ruimschoots voorhanden en heeft daarnaast bepaalde eigenschappen die er voor zorgdragen dat het bijzonder bruikbaar is: Klei in combinatie met een adequate hoeveelheid water is plastisch vervormbaar en daarbij in staat niet-plastische additieven in zich te binden. Na het onttrekken van water ontstaat een structuur met opeengepakte, plaatvormige kleimineralen die doorgaans zodanig star is, dat transport en handling van de producten die uit deze klei gevormd zijn, mogelijk wordt. Indien een bepaalde mate van duurzaamheid gewenst is, of indien bepaalde eigenschappen van het product voor z n toepassing of bij de verwerking worden verlangd, kan dit worden gerealiseerd door de klei op een voldoende hoge temperatuur te bakken (te sinteren). Klei is in feite een zacht (niet gecompacteerd) gesteente met daarin verschillende mineralen. In veel gevallen zijn de belangrijkste mineralen; de eigenlijke kleimineralen (waarvan er verschillende typen zijn), kwarts (veelal in de vorm van zandkorrels), ijzermineralen en kalk (calciet; CaCO 3 ). De kleimineralen zijn voor te stellen als minuscuul kleine glasplaatjes, die, met wat water ertussen, voor het plastisch gedrag zorgdragen. Daarnaast is ook altijd een kleine hoeveelheid organisch materiaal aanwezig. 47

48 Bij de opwarming en de sintering van de klei treden diverse fysische en chemische processen op, waardoor de eigenschappen van de (gedroogde) klei langzaam overgaan in de eigenschappen van het gebakken product. Deze processen worden in een volgende paragraaf beschreven. Indien we spreken over de eigenschappen van bakstenen (en de andere keramische producten laten voor wat ze zijn), kunnen we het volgende noemen: Sterkte (druksterkte, splijtsterkte, buigsterkte) en stapelbaarheid (doorgaans met een verbindende mortel). Duurzaamheid (bestandheid tegen vriezen en dooien, bestandheid tegen actieve zouten, slijtweerstand). Afmetingen en maatspreiding (vormeigenschappen in algemene zin). Kleur(nuancering) en oppervlaktestructuur. Hygrische eigenschappen (opneemgedrag van water, vochtgeleiding, drooggedrag, hechting met mortel). Op de een of andere manier komen al deze eigenschappen ook terug in de Europese norm voor metselbakstenen; EN die vanaf april 2006 de oude Nederlandse metselbaksteennorm NEN 2489 heeft vervangen. Al de in de (Europese) norm relevant geachte parameters dienen door de producent van de baksteen te worden gedeclareerd. Beschouwen we per steentype het geheel aan individuele eigenschappen, dan kunnen we vaststellen dat er zeer veel baksteentypen zijn. Ieder weer met iets andere eigenschappen en iets ander gedrag. Zonder uitzondering zijn bakstenen poreus, maar de totale porositeit en met name de poriegrootteverdeling kan zeer sterk uiteenlopen. De verschillen tussen de bakstenen zitten in veel meer dan alleen de kleur of de oppervlaktestructuur. Deze laatste heeft met name een samenhang met de vormgevingsmethode (zie figuur 1). Figuur 1: Handvorm, vormbak en strengpers metselbaksteen. Verhitten van klei De gedroogde klei-vormelingen worden in uiteenlopende zetwijzen in een oven geplaatst of gereden en langzaam opgestookt tot toptemperatuur. Deze toptemperatuur kan, gekoppeld aan het product en de kleisoort, uiteenlopen van 950 tot meer dan 1200 o C. Deze toptemperatuur wordt in de regel vele uren aangehouden. In dit opwarm- en aanhoudtraject treden in de klei de volgende chemische en fysische reacties op: Ontgassen en ontleden: Organische stof verbrandt. Kleimineralen ontleden en chemisch gebonden water wordt uitgestookt. Calciumcarbonaat ontleedt in CaO en CO 2, waarbij het laatste ook wordt uitgestookt. Nieuwvorming van mineralen: Uit de ontledingsproducten van kleimineralen (met name Al 2 O 3 en SiO 2 ) vormen zich, eventueel met ijzer en calcium, nieuwe mineralen. Bij aanwezigheid van voldoende CaO ontstaan calcium(aluminium)silicaten die voor geelkleuring kunnen zorgdragen. Sintering: Tijdens de sinterprocessen worden de individuele deeltjes in de massa wat anders van vorm door transport van atomen en deeltjes via een droge of een vloeibare fase (glasfase). Hierdoor verandert de poriestructuur en de totale porositeit. 48

49 Volumieke massa (kg/m³) Bij de afkoeling stolt de glasfase en vinden verder niet veel veranderingen meer plaats in het product. Wel moet, om scheurvorming te voorkomen, voorzichtig worden gekoeld omdat het product, doorgaans onregelmatig krimpt. Figuur 2 toont elektronenmicroscopische foto s van ongebakken en verhitte klei en laat zien dat er zich bij hoge temperatuur een glasfase vormt in de producten. Figuur 2: Elektronenmicroscopische opnamen van een klei (links), 800 o C (midden) en 1100 o C gebakken. Figuur 3 laat zien hoe voor verschillende producten de dichtheid of volumieke massa (en dus ook de porositeit) zich ontwikkelt bij het verhitten. Door de ontledingsreacties loopt de dichtheid eerst meer of minder terug. Pas op het laatst zien we dat de dichtheid weer toeneemt maar in bepaalde gevallen niet meer de dichtheid van de ongebakken steen haalt. In figuur 4 zien we bij dezelfde temperatuurstappen en dezelfde producten hoe de sterkte zich ontwikkelt. Duidelijk is dat goed gedroogde, nog niet gebakken, stenen al veel sterkte bezitten. Door de ontledingsreacties neemt in eerste instantie de sterkte af en pas op het eind, door de sinterreacties, gaat deze weer oplopen Temperatuur (ºC) SP Rood VB Geel SP Geel Figuur 3: Verloop van de volumieke massa van baksteen met de toptemperatuur. 49

50 Buigtreksterkte (N/mm²) Temperatuur (ºC) SP Geel SP Rood VB Geel Figuur 4: Verloop van de sterkte van baksteen met de toptemperatuur. Poriegrootteverdeling De producteigenschappen die ontstaan zoals in figuur 3 en 4 aangegeven, hebben onder andere een samenhang met de verandering die bij het opwarm- en sinterproces optreedt in de poriegrootteverdeling van de oorspronkelijke klei. Deze poriegrootteverdeling is te bepalen met behulp van een kwikporosimeter (zie figuur 5). Hierbij wordt vloeibaar kwik, onder steeds verder oplopende atmosferische druk, in het te onderzoeken, vooraf geëvacueerde poreuze materiaal geperst. Naarmate de druk verder oploopt (tot uiteindelijk 3000 bar), zullen poriën met steeds kleiner wordende diameter zich gaan vullen. De relatie tussen de opgebouwde druk en de hoeveelheid kwik die in het materiaal is verdwenen is de cumulatieve verdelingsfunctie. In figuur 6 is een voorbeeld opgenomen. Waar de curve eindigt, wordt de totale porositeit afgelezen. Figuur 5: Kwik porosimeter. 50

51 Porositeit (%) ,00 10,00 1,00 Poriediameter (µm) 0,10 0 0,01 Figuur 6: Voorbeeld van een poriegrootteverdelingscurve. In de figuren 7 en 8 wordt de poriegrootteverdeling van twee, in thermisch gedrag sterk uiteenlopende, kleimonsters weergegeven en wordt de verandering van de poriegrootteverdeling met het oplopen van de temperatuur in beeld gebracht. Beschouwen we in figuur 7, het verloop van de poriegrootteverdeling van een Nederlandse rivierklei, dan zien we dat de curve van de nog niet gebakken klei (in gedroogde toestand) tot in de kleinste poriën een stijgende lijn laat zien. Dit betekent dat relatief veel zeer kleine poriën aanwezig zijn en ook nog poriën met een diameter kleiner dan de kleinst meetbare poriën. In het verloop van de poriegrootteverdeling van het tot 700 o C verhitte materiaal is zichtbaar dat in het gebied van de zeer fijne poriën de lijn al iets meer horizontaal begint te lopen en dat tegelijkertijd de totale porositeit in het materiaal is toegenomen. Bij 1000 o C is de totale porositeit niet verder toegenomen. Wel is er sprake van een veel groter traject van het ontbreken van poriën met kleine diameter. In de poriegrootteverdeling van het tot 700 o C verhitte materiaal, is de poriegrootteverdeling van de oorspronkelijke klei nog herkenbaar. Bij 1000 o C is dit niet meer het geval. Bij een gelijkblijvende totale porositeit, worden de poriën met een kleine diameter dan steeds meer omgevormd tot poriën met een grotere diameter. Dit proces zet zich bij het verder verhogen van de temperatuur voort, met dien verstande dat op een gegeven moment de totale porositeit wél afneemt en het product dus een hogere dichtheid gaat krijgen. Bij het extreem oplopen van de temperatuur neemt niet alleen de totale porositeit zeer sterk af, maar lijkt het ook dat de poriediameter weer gaat afnemen. Dit laatste kan worden verklaard uit een vergaande verglazing van het materiaal waarbij de poriën als gevolg van insnoering en nek -vorming veel minder toegankelijk worden en op een gegeven moment zelfs worden gesloten. Een toestand van gesloten porositeit wordt in de praktijk zelden bereikt. In figuur 2 wordt deze smeltstructuur in de baksteen weergegeven. 51