Hoe kan effectieve ontzouting bereikt worden? Theorie en ervaringen uit de praktijk B.A. Lubelli & R.P.J. van Hees TNO, Delft & MIT, TU Delft Abstract Ontzouten door het gebruik van kompressen is een techniek die meer en meer gebruikt wordt in de conservering van historisch metselwerk. Niettemin, wordt ontzouten nog vaak uitgevoerd op een trial and error basis, zonder wetenschappelijke kennis van de processen die vocht- en zouttransport regelen. Om het ontzoutingsproces te optimaliseren is, binnen het Europese project Desalination, een modulair systeem van kompressen ontwikkeld. Dit is gebaseerd op het afstemmen van de porieverdeling van de kompressen op die van de ondergrond, om ontzouting op de meest efficiënte manier te bereiken. Deze aanpak is in de praktijk gebruikt bij het ontzouten van twee belangrijke monumenten: de meesterproeven in het Waag gebouw te Amsterdam en bij voorbereidende proeven aan de Porticus van het Rubenshuis te Antwerpen. In beide gevallen zijn bevredigende resultaten bereikt. Inleiding Zoutkristallisatie is een van de meest voorkomende oorzaken van schade in monumenten en oude gebouwen. Zoutbronnen kunnen heel divers zijn: zouten kunnen door optrekkend vocht in de muur getransporteerd worden, in de vorm van aerosol door wind naar gevels gebracht worden, door foute conserveringsinterventies (o.a. schoonmaak- en afbijtmiddelen) ontstaan of zelfs een gevolg zijn van het vroegere gebruik van het gebouw (b.v. als zoutopslag). Zoutschade kan alleen plaats vinden als zowel zout als vocht aanwezig zijn. Dit betekent dat, om het probleem op te lossen, het voldoende is één van beiden te verwijderen. Soms is het aanpakken van de vochtbron niet mogelijk of zijn de kansen op succes heel beperkt. In deze situaties kan ontzouten van het metselwerk een oplossing bieden. Dit is bijvoorbeeld het geval bij zoutbelast metselwerk dat blootgesteld is aan wisselingen in relatieve luchtvochtigheid (RV). Ontzouting kan als optie overwogen worden wanneer er (behalve de RV) geen verder aanbod van zouten en vocht is, dat de zoutschade in korte tijd terug zou kunnen brengen. Daarnaast, moet het te ontzouten materiaal genoeg samenhang hebben en geen vochtgevoelige componenten bevatten. 43
Theoretische achtergrond Hoewel ontzouten van kleine objecten een relatief makkelijke en gebruikelijke conserveringsinterventie is (meestal worden de objecten in gedemineraliseerd water ingedompeld, de zogenoemde badmethode), is ontzouten van metselwerk een moelijker proces. Het ontzouten van metselwerk wordt meestal bereikt door het gebruik van ontzoutingskompressen. De samenstelling van een ontzoutingskompres kan variëren van papier-maché tot verschillende kleisoorten. Een onderzoek uit 2006 toont dat in Europa (Duitsland, Frankrijk en Italië waren de onderzochte landen) meestal klei en cellulose, vaker afzonderlijk dan met elkaar gemengd, door restaurateurs gebruikt worden (Heritage et al. 2008). De kompressen worden nat aangebracht; daarna kunnen ze of nat gehouden worden of gewoon aan de lucht gedroogd. In het eerste geval zullen de zouten door het verschil in concentratie naar het natte kompres bewegen tot een evenwicht is bereikt: deze methode gebruikt hetzelfde principe (diffusie) als de badmethode. In het tweede geval zal het transport van zoutionen voornamelijk door z.g. advectie gebeuren: opgeloste zouten worden vanuit de ondergrond naar het kompres getransporteerd door capillaire krachten tijdens het drogen. Omdat de zoutoplossing door verschillen in capillaire druk van grote naar kleine poriën migreert, moet het kompres kleinere poriën hebben dan de ondergrond om het transport mogelijk te maken. Advectie is een veel sneller transportmechanisme dan diffusie, maar het lijkt moeilijker onder controle te krijgen. De resultaten uit de praktijk zijn soms teleurstellend en enkele jaren na het ontzouten komt de zoutschade terug. De reden van de wisselende effectiviteit van de interventies is toe te schrijven aan de vaak niet goed onderbouwde keuze van de ontzoutingprocedure en het ontzoutingskompres. Om deze keuzes voor de conservator makkelijker te maken is het EU project Desalination Assessment of Desalination Mortars and Poultices for Historic masonry in 2006 van start gegaan. In dit project is een modulair systeem van kompressen ontwikkeld: het leidende principe is dat de poriegrootteverdeling van het kompres op die van de ondergrond wordt afgestemd, zodat het capillaire transport van de zoutoplossing vanuit de ondergrond naar het kompres geoptimaliseerd wordt. Dit wordt bereikt als de kompressen kleinere poriën dan de ondergrond hebben, maar tegelijkertijd niet te klein om het advectieproces niet onnodig te vertragen. Tabel 1 en figuur 1 geven, voor elke klasse van poriegrootte van de ondergrond, het meest geschikte kompres aan (O). Andere opties (aangegeven als P) zijn ook mogelijk, maar dan zal het ontzoutingproces trager en dus minder efficiënt zijn. Als de poriën van het ondergrond heel klein zijn, wordt advectie bijna onmogelijk; in dergelijke situaties wordt daarom geadviseerd om met natte kompressen te werken (diffusie). In dit geval heeft de poriegrootte van het kompres geen invloed op de effectiviteit van de ontzouting. 44
Tabel 1. Modulair systeem van kompressen; de poriegrootte van de kompressen is op die van de ondergrond afgestemd.; O = optimaal kompres ; P = mogelijk kompres. Kompressen Ondergrond < 0.1 µm 0.1 1 µm 1-10 µm 10-100 µm Advectie 1. O P 2. O 3. Diffusie 4. O P P cumulatief intrusie volume (vol/vol) 35 30 25 20 15 10 5 0 Ondergrond met kleine porien (0.1-1 microm) Ondergrond met meso-porien (1-10 microm) Ondergrond met macro-porien (> 10 microm) 1 2 3 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 porie diameter (micrometer) Fig 1. Modulair systeem van kompressen: de pijlen geven aan welke poriegrootte het kompres zou moeten hebben voor elke klasse van poriegrootte van de ondergrond. Naast het afstemmen van de poriegrootte van de kompressen op die van de ondergrond, zijn andere factoren van belang voor een effectieve ontzouting: onder andere het voorbevochtigen van de muur, de verwerkbaarheid van de kompressen en de hechting van deze kompressen aan de muur. Als de muur te weinig wordt voorbevochtigd, zullen niet alle aanwezige zouten in oplossing komen; als te veel water wordt aangebracht, bestaat het risico dat de zouten dieper in de muur migreren in plaats van in de kompressen te komen. De verwerkbaarheid van de kompressen is voor restauratoren één van de belangrijkste factoren in de keuze van het ontzoutingmateriaal. Het is dus van belang dat de nieuw ontwikkelde kompressen naast een goede effectiviteit, ook voldoende verwerkbaar zijn. 4 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 Incrementeel intrusie volume (vol/vol) 45
Een goede hechting van de kompressen aan de ondergrond gedurende de hele ontzoutingsperiode is een onmisbare eis voor de kompressen: wanneer het contact tussen de ondergrond en het ontzoutingsmateriaal verloren gaat, kan geen transport van zoutoplossing plaatsvinden en zal het ontzoutingsproces stoppen. Voor een betrouwbare evaluatie van de effectiviteit van het ontzouten moet het zoutgehalte in de muur (en niet alleen in de kompressen!) op verschillende diepten voor en na ontzouten gemeten worden. Alleen op deze manier kan met zekerheid vastgesteld worden of het proces gewerkt heeft. Al deze principes zijn, aan het eind van het project Desalination, in richtlijnen verwerkt: deze geven de restaurator achtergrondinformatie om (met aanvullend onderzoek) het doel van de het ontzoutingsproces aan te pakken, van vooronderzoek tot en met het monitoren van de effectiviteit van de interventie na de uitvoering komen aan de orde (Van Hees et al. 2010). Voorbeelden van succesvolle ontzouting uit de praktijk De in het Europese project ontwikkelde richtlijnen zijn ingezet voor de ontzouting van twee belangrijke monumenten in de praktijk: de meesterproeven van de Metselaarstoren van het Waaggebouw te Amsterdam en sommige beelden van de Porticus van het Rubenshuis te Antwerpen. Fig. 2. Voorbeeld van een meesterproef. 46
TNO NVMz studiedag Metselaarstoren van het Waaggebouw te Amsterdam De Waag in Amsterdam is een bewaard gebleven onderdeel van de oude stadsmuren: de Sint Anthoniespoort (1488). Toen de stad Amsterdam zich aan het einde van de zestiende eeuw uitbreidde, werden de stadsmuren gesloopt en verloor de poort zijn oorspronkelijke functie. De bovenste etages werden betrokken door vier gilden, namelijk die van de smeden, schilders, metselaars en chirurgijns. Elk gilde had zijn eigen toegangstoren. In de metselaarstoren bevinden zich nog steeds de (metselwerk-) meesterproeven van het gilde. Deze meesterproeven getuigen met hun gewelfde vormen, vaak ook nog in perspectief (Fig. 2), van de grote technische en ook wiskundige vaardigheden van de meestermetselaars. Fig. 3. Locatie van ontzoutingstest op van één van de meesterproeven in de metselaarstoren van het Waaggebouw te Amsterdam. Al sinds geruime tijd worden de meesterproeven in de metselaarstoren bedreigd: er is grote schade veroorzaakt door kristallisatie van zouten (Fig. 3). Onderzoek van de auteurs heeft aangetoond dat de schade veroorzaakt wordt door de aanwezigheid van hygroscopische zouten (meestal natriumchloride) in het metselwerk in combinatie met wisselingen van de RV van de lucht. Om verdere ontwikkeling van schade te beperken waren dus twee opties mogelijk: 1) het binnenklimaat regelen, door de wisselingen in de RV- die de oplossings-/kristallisatiecycli veroorzaken te beperken en/of 2) de zouten verwijderen of op zijn minst de hoeveelheid reduceren door de muur te ontzouten. Hygroscopische vochtadsorptie begint, voor het zoutmengsel dat aanwezig is in de meesterproeven, al bij een vrij lage RV (50 %); pogingen om het klimaat te controleren door het altijd onder de 50 % te houden, 47
leken niet de beste optie. Dit zou een airconditioningsysteem vereisen, dat zeer ingrijpend zou zijn, gezien de staat van conservering van dit oude gebouw. De mogelijkheid om de RV altijd boven de 70% te houden, zodat het opgeloste zout niet kan herkristalliseren, is niet realistisch, omdat het niet comfortabel is voor de mensen in het gebouw en bovendien het risico op schimmelgroei en condensatie op de constructie te groot zou zijn. Omdat de bron van de zouten in dit geval niet langer actief was, leek ontzouting de beste oplossing. Op basis van de porieverdeling van de baksteen van de meesterproeven heeft TNO een receptuur voor het ontzoutingskompres, specifiek voor dit materiaal, ontwikkeld; dit kompres, dat uit klei, zand en cellulose bestaat, heeft kleinere poriën dan die van de baksteen en een hoge open porositeit voor een groot zuigend vermogen. Na het uitvoeren van laboratorium en in-situ ontzoutingstesten op proefvlakken werd, gezien het positieve resultaat, besloten de meesterproeven daadwerkelijk te ontzouten. Bij de opschaling van de interventie zijn enkele punten naar voren gekomen die opgelost dienden te worden, m.b.t. de applicatie methode op een dergelijk grote schaal en m.b.t. een betrouwbare evaluatie van de effectiviteit. Fig. 4. Hygroscopisch vochtgehalte (HMC) op verschillende diepten in de muur voor (doorgetrokken lijn) en na (gestippelde lijn) het ontzouten. Om de applicatie van de kompressen op grote schaal mogelijk te maken is een machine ontwikkeld die de kompressen met de gewenste kracht op de muur kon spuiten en op deze manier een goede hechting kon bereiken en behouden tijdens de hele ontzoutingsperiode (4-5 dagen). Om een betrouwbare evaluatie van de effectiviteit te bereiken, zijn monsters uit meerdere meesterproeven genomen op verschillende diepten, voor en na ontzouten. Het zoutgehalte is indicatief, door middel van het hygroscopisch vochtgehalte (HMC), gemeten. Deze methode geeft betrouwbaardere resultaten dan geleidbaarheidsmetingen en de uitvoering ervan is 48
makkelijk en goedkoop. De resultaten van de HMC metingen toonden dat na 2 applicaties van 5 dagen het zoutgehalte bij de meeste meesterproeven veel lager was geworden (Fig. 4); bij een derde van de meesterproeven was de verlaging zelf meer dan 70 % van het initiële zoutgehalte. Natuurstenen beelden van de Porticus van het Rubenshuis te Antwerpen De Porticus van het Rubenshuis te Antwerpen (Fig. 5), door de schilder zelf ontworpen, dateert uit de eerste decennia van de 17 e eeuw. De Porticus is versierd met beelden, reliëfs en architectonische elementen, uitgevoerd in verschillende steensoorten (blauwe hardsteen, Avender kalksteen, Ledesteen en Obernkirchener zandsteen). Enkele van de Lede en Obernkirchener beelden vertonen schade in de vorm van afschilfering en afzanding van het oppervlak (Fig. 6). In deze beelden is een hoog zoutgehalte gemeten: bij de zouten ging het, naast een grote hoeveelheid gips, om verschillende chloriden en nitraten (Lubelli et al. 2011). Fig. 5. De Porticus van het Rubenshuis. 49
TNO NVMz studiedag Fig. 6. Afschilfering van de natuursteen in één van de Obernkirchener beelden van de Porticus van het Rubenshuis. Daarnaast is zoutuitbloei zichtbaar. Fig. 7. Voorbeeld van het effect van ontzouten bij twee van de beelden van de Porticus van het Rubenshuis. Hygroscopisch vochtgehalte (HMC) op verschillende diepten in de natuursteen voor (doorgetrokken lijn) en na (gestippelde lijn) het ontzouten. 50
Er is besloten om de mogelijkheid van ontzouten te onderzoeken door als proef een deel van enkele beelden met kompressen te behandelen. Ook in dit geval is, op basis van de porieverdeling van de stenen, een speciaal kompres ontwikkeld, met kleinere poriën dan die van de natuursteen en een hoge open porositeit. De kompressen zijn twee keer aangebracht en het zoutgehalte in de natuursteen is voor en na ontzouting gemeten. Uit de resultaten bleek dat de meeste oplosbare (en dus schadelijke) zouten uit de natuursteen zijn geëxtraheerd, soms zelfs volledig. Ook in dit geval bleek de hechting van de kompressen van buitengewoon belang te zijn voor het succes van de interventie. Discussie en conclusies De resultaten van het ontzouten zijn voor beide objecten bevredigend en tonen aan dat een effectieve ontzouting bereikt kan worden met enkele opeenvolgende (2-3) applicaties van kompressen. Voorwaarden daarbij zijn: 1) keuze van het geschikte ontzoutingsmateriaal op basis van de porieverdeling van de te ontzouten ondergrond; 2) bewaking van andere parameters, zoals de hoeveelheid water die gebruikt wordt voor de voorbevochtiging; 3) aandacht voor een goede hechting van de kompressen; 4) de juiste duur van de applicatieperiode. Niet alleen de hoeveelheid geëxtraheerde zouten is van belang, maar ook de diepte van de ontzouting; in de meesterproeven van de Waag is zoutextractie tot een diepte van 7 cm gemeten. Zoals verwacht is de mate van extractie afhankelijk van de oplosbaarheid van de zouten: chloriden en nitraten worden in de meeste gevallen volledig geëxtraheerd, terwijl de hoeveelheid geëxtraheerd gips vrij gering is. Gezien het feit dat de meest oplosbare zouten ook de meest schadelijke zijn, wordt na het ontzouten in iedere geval het risico van zoutschade veel lager. Referenties Hees, R.P.J. van, Lubelli, B. & Naldini, S., 2010. Richtlijn voor het ontzouten van popreuze ondergronden, Praktijkreeks Cultureel Erfgoed 12(32). Heritage, A., Sawdy, A., Funke, F., Vergès-Belmin, V. & Bourges, A., 2008. How do conservators tackle desalination? An international survey of current poulticing methods. In: Postprints from the 8 th European Conference on Research for Protection, Conservation and Enhancement of Cultural Heritage, Lubjana. Lubelli, B., Hees, R.P.J. van & Clercq,, H. de, 2011. Fine tuning of desalination poultices: try outs in practice. In: Ioannou, I. & Theodoridou, M., red., Salt weathering on buildings and stone sculptures. Proceedings of SWBSS 2011, Limassol, 381-388. 51