Projekty a granty

Historické omítky a malty na bázi vápna – vliv stáří materiálu na jeho vlastnosti a trvanlivost

SP2015/134

Náplní navrhovaného projektu je laboratorní a in-situ studium souboru vzorků vápenných historických omítek a malt z různých historických období. Vzorky různého stáří (renesance, baroko, novověk) budou odebrány z Kláštera Želiv a z hradu Starý Jičín - historických staveb, u nichž lze rozlišit různé stavební fáze objektu. Pomocí komplexu moderních analytických laboratorních metod bude analyzováno složení a vlastnosti studovaných materiálů, popsány procesy, ke kterým dochází v daném materiálu během jeho expozice ve stavebním objektu a posouzena závislost stavu a vlastností materiálu na jeho stáří (trvanlivost). Z analytických metod bude použita především kombinace termické analýzy, infračervené spektrometrie a rentgenové difrakce. Získané poznatky přispějí k lepšímu pochopení vztahů mezi materiálovým složením historických vápenných omítek a malt a procesům jejich stárnutí a degradace. V neposlední řadě budou získány nové informace o konkrétních historických stavebních památkách, u nichž dosud existuje řada nevyjasněných otázek. Rozbor stavu problematiky v ČR a ve světě: současným trendem v ochraně stavebních památek jsou stavební materiály na bázi vápna. Z dosavadních archeologických výzkumů je zřejmé, že vápenné materiály mohou vykazovat vynikající vlastnosti, které lze mnohdy srovnávat i s vlastnostmi stavebního kamene [1] a mohou tedy dlouhodobě odolávat i v klimaticky náročném prostředí [2]. Pevnost vápenné maltoviny závisí na celé řadě faktorů, jako jsou: parciální tlak oxidu uhličitého ve vzduchu, množství, druh a stupeň vyhašení vápna, obsah pucolánů, porozita malty, vlhkost a teplota prostředí [1]. Je-li tuhnutí a tvrdnutí malt provázeno pucolánovou reakcí, mohou v materiálu vznikat hydratované vápenaté sloučeniny, jež bývají nositeli zvýšené pevnosti a tedy i odolnosti vápenných malt [3,4]. Dalším důležitým faktorem, jež má pozitivní vliv na dlouhodobou trvanlivost vápenných materiálů, je tzv. regenerace uhličitanové matrice [2]. Bylo zjištěno, že dokonaleji vyvinuté krystaly matrice zlepšují její mechanické vlastnosti [5]. Jako každý materiál, však i vápenné omítky a malty podléhají postupné degradaci. Jejich trvanlivost je primárně ovlivněna složením a kvalitou přípravy materiálu a negativními vlivy, které na materiál působí během doby jeho životnosti. Hlavními negativními faktory jsou vlhkost a teplota, stupeň a charakter zasolení a také probíhající rekrystalizační procesy vedoucí ke vzniku objemných produktů (např. krystalů aragonitu nebo vateritu), které porušují strukturu materiálu krystalizačními tlaky [6]. Uvedené procesy, probíhající ve vápenném stavebním materiálu, a produkty jeho degradace lze identifikovat a popsat pomocí různých laboratorních analytických metod. K nejvhodnějším patří především infračervená spektrometrie, termická analýza a RTG prášková difrakce [7,8,9]. V tomto projektu budou aplikovány tyto moderní metody, ale pro sloučení analytického výsledku budou závěry převážně formulovány společně po aplikaci tzv. pomocných metod. Rozborem složení a stavu historických malt se zabývá např. studie [10], kde autoři popisují malty z výplňového zdiva Karlova Mostu v Praze s využitím RTG difrakce a infračervené spektrometrie. Porovnání širšího souboru malt na základě analytických rozborů RTG difrakcí lze nalézt také např. v práci [11], která se zabývá maltami ze středověkých staveb na území Moravy. Porovnání složení omítek různého stáří na konkrétním historickém sakrálním objektu bylo, na základě kombinace širší škály metod, provedeno také ve studii [6]. Podrobný materiálový rozbor omítek a malt z období vrcholné gotiky je k dispozici v monografii [12], věnované nálezu gotických architektonických prvků u kostela ve Staříči. Z oblasti střední Evropy byly analyzovány také omítky barokního objektu v Kozuchowě v Polsku[13]. Jednu z nejvýznamnějších studií ze zahraničí však představuje studie [14], která se zabývá tématikou analýz různých pojiv malt zejména z období starověku a byzantské říše. Citace tuzemských a zahraničních prací: [1]Gregerová, M. Petrografické rozbory malt, jejich relativní datování podle stupně degradace pojiva. In Geologické výzkumy na Moravě a ve Slezsku v roce 1999. 1st ed. 2000, p. 149–151. [2]Michoinová, D. Vytváření struktury vápenných malt s nehydraulickým pojivem.Zprávy památkové péče 2009, 69 (3), 207–212. [3]Rovnaníková, P. Omítky; Společnost pro technologie ochrany památek: Praha, 2002. [4]Baronio, G.; Binda, L. Study of the pozzolanicity of some bricks and clays. Constrution and building Materials 1997, 11, 41–46. [5]De Silva, P.; Bucea, P.; Moorehead, D.; Sirivivatnanon, V. Carbonate binders: Reaction kinetics, strength and microstructure. Cement & Concrete Composites,2006,56, 613–620. [6]Tribulová, L.; Kotlík, P. Vliv rozdílného složení historických omítek na jejich odolnost. Koroze a ochrana materiálu 2012, 56, 6–14. [7]Biscontin, G.; Pellizon Birelli, M.; Zendri, E.; Characterization of binders employed in the manufacture of Venetian historical mortars. Journal of Cultural Heritage 2002, 3, 31–37. [8]Rampazzi, L.; Bugini, R. St. Lorenzo Basilica in Milan: Integral approach to characterisation of historical mortars. e-Preservation Science 2006, 3, 21–26. [9]Diekamp, A.; Stalder, R.; Jürgen, K.; Mirwald, P. W.: Characterisation of Historic Mortars. In Lime Mortar with Natural hydraulic Components: Characterisation of Reaction Rims with FTIR Imaging in ATR.Mode, Historic Mortars. Characterisation, Assesment and Repair; Válek, J., Hughes, J. J., Groot, C. J. W. P.,Eds.; 2012; pp 105–113. [10]Přikryl, R.; Novotná, M.; Weishauptová, Z.; Šťastná, A. Materiály původního výplňového zdiva Karlova mostu a jejich skladba. Průzkumy památek 2009, 16, 107–123. [11]Stránský, K.; Buchal, A.; Ustohal, V. Malty středověkých staveb na Moravě (hrady, jejich ruiny a základy strženého kostela). Archeologia technica 2000, 12, 68–78. [12]Augustinková, L.; Martinec, P.; Ščučka, J.; Peřinková, M. Gotické fragmenty ze Staříče, 1st ed.; ŠMÍRA - PRINT, s.r.o.: Opava, 2012. [13]Bartz, W.; Filar, T. Mineralogical characterization of rendering mortars from decorative details of a baroque building in Kożuchów (SW Poland). Materials characterization 2010, 61, 105–115. [14]Moropoulou, A.; Bakolas, A.; Bisbikou, A. Characterization of ancient, byzantine and later historic mortars by thermal and X-ray diffraction techniques. Thermochim. Acta 1995, 269, 779–795. Přehled použitých metod: pro dosažení stanoveného cíle bude při studiu materiálových vzorků použito komplexu moderních laboratorních analytických metod (viz níže). termická analýza - zařízení SDT Q600 (TA instruments) infračervená spektrometrie - zařízení Nicolet 6700 (Thermo Scientific) RTG difrakční analýza - zařízení URD-6 (Freiberger) optická mikroskopie na výbrusech - optický polarizační mikroskop NIKON ECLIPSE 80i, vybavený barevnou CCD kamerou NIKON DS-5M, připojenou přes videokartu k PC. zpracování a analýza obrazu - digitální mikroskopický obraz bude zpracován v systému pro zpracování a analýzu obrazu NIS ELEMENTS. pomocné analytické metody - pH vodného výluhu; analýza nerozpustného zbytku v 10% HCl; orientační stanovení obsahu solí. Termická analýza bude prováděna na zařízení FAST VŠB-TU Ostrava. Další typy analýz budou realizovány na zařízení, která jsou k dispozici u spolupracujících organizací - v Ústavu geoniky AV ČR, Ostrava v. v. i. (infračervená spektrometrie, optická mikroskopie, obrazová analýza a pomocné chemické analýzy) a na HGF VŠB-TU Ostrava (RTG difrakce). Plánované množství provedených analýz/důvod volby konkrétní metody: termická analýza - do 10 vzorků/kvantitativní stanovení uhličitanů ve vzorků, identifikace organických příměsí (uhlíky, dřevo, atd.), orientační identifikace CSH fází a jílových součástí infračervená spektrometrie - do 10 vzorků/kvalitativní identifikace uhličitanů, příp. jeho modifikací, kvalitativní identifikace hydroxidu vápenatého jako důkaz nezkarbonátovaného vápna, identifikace dusičnanů RTG difrakce - do 5 vzorků(ekonomické hledisko,u vzorků, které budou určeny jako reprezentanti souboru vzorků zastupujících určitou stavební fázi zděné historické konstrukce)/ primárně kvalitativní identifikace hydratovaných křemičitanů vápenatých, modifikace uhličitanů (aragonit, vaterit) optická mikroskopie - do 5 vzorků (ekonomické hledisko,u vzorků, které budou určeny jako reprezentanti souboru vzorků zastupujících určitou stavební fázi zděné historické konstrukce)/charakterizace pojiva, petrografická charakteristika drobného kameniva pomocné analýzy - do 10 vzorků/nerozpustný zbytek (stanovení poměru vápno/pojivo), vodný výluh (pH z výluhu souvisí s přítomnosti hydroxidu vápenatého), odparek a zasolení (stanovení vodorozpustných solí v materiálu). Zdůvodnění zapojení jednotlivých členů týmu: řešitel: Ing. Petr Rezek, je interním studentem doktorského studia, problematikou se zabýval již od roku 2012 ve své bakalářské práci „Omítky v historických stavbách“, je držitelem cen ve studentských soutěžích (SVOČ 2012, 2013) a cen za diplomovou práci s názvem „Analýza historických omítek a malt ve zdivu budov kláštera Želiv“. Problematice se věnuje nadále a je jeho hlavní náplní doktorského studia. Školitel (externí): Prof. Ing. Petr Martinec, CSc., je erudovaným odborníkem na problematiku stavebních materiálů. Předchozí dosažené výsledky členů týmu: Ing. Petr Rezek [1]Rezek, P.; Martinec, P. Složení a degradace omítek historického objektu Kláštera Želiv. Koroze a ochrana materiálu. (vyjde v prosinci 2014, článek je po recenzním řízení) [2] Rezek, P. Termická analýza a infračervená spektrometrie - aplikace při studiu historických omítek, Workshop doktorandů ÚGN AV ČR; Ščučka, J., Kolcun, A., Dudková, E., Eds.; 2014; p 9. [3]Rezek, P., Martinec, P. Metodika průzkumu historických omítek. In: Sanace a rekonstrukce staveb 2013: 35. konference. Praha: WTA CZ, 2013, 51-57. [4] Rezek, P. Analýza historických malt a omítek ve zdivu budov kláštera Želiv. Diplomová práce, VŠB - TU Ostrava, Fakulta stavební, 2013. [5] Rezek, P. Omítky v historických stavbách. Bakalářská práce, VŠB - TU Ostrava, Fakulta stavební, 2012. Přibližný časový plán: únor – březen – odběr a příprava vzorků, studium dostupných pramenů (průzkumů, stavebně - technické dokumentace); Březen – květen – provedení analytických prací; Červen – červenec – doplnění analýz, vyhodnocení analytických dat; Srpen – prosinec – interpretace výsledků, příprava publikačních výstupů.

2015

2015

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Rezek Petr Ing.

Historické omítky a malty na bázi vápna – vliv stáří materiálu na jeho vlastnosti a trvanlivost

SP2015/134

Náplní navrhovaného projektu je laboratorní a in-situ studium souboru vzorků vápenných historických omítek a malt z různých historických období. Vzorky různého stáří (renesance, baroko, novověk) budou odebrány z Kláštera Želiv a z hradu Starý Jičín - historických staveb, u nichž lze rozlišit různé stavební fáze objektu. Pomocí komplexu moderních analytických laboratorních metod bude analyzováno složení a vlastnosti studovaných materiálů, popsány procesy, ke kterým dochází v daném materiálu během jeho expozice ve stavebním objektu a posouzena závislost stavu a vlastností materiálu na jeho stáří (trvanlivost). Z analytických metod bude použita především kombinace termické analýzy, infračervené spektrometrie a rentgenové difrakce. Získané poznatky přispějí k lepšímu pochopení vztahů mezi materiálovým složením historických vápenných omítek a malt a procesům jejich stárnutí a degradace. V neposlední řadě budou získány nové informace o konkrétních historických stavebních památkách, u nichž dosud existuje řada nevyjasněných otázek. Rozbor stavu problematiky v ČR a ve světě: současným trendem v ochraně stavebních památek jsou stavební materiály na bázi vápna. Z dosavadních archeologických výzkumů je zřejmé, že vápenné materiály mohou vykazovat vynikající vlastnosti, které lze mnohdy srovnávat i s vlastnostmi stavebního kamene [1] a mohou tedy dlouhodobě odolávat i v klimaticky náročném prostředí [2]. Pevnost vápenné maltoviny závisí na celé řadě faktorů, jako jsou: parciální tlak oxidu uhličitého ve vzduchu, množství, druh a stupeň vyhašení vápna, obsah pucolánů, porozita malty, vlhkost a teplota prostředí [1]. Je-li tuhnutí a tvrdnutí malt provázeno pucolánovou reakcí, mohou v materiálu vznikat hydratované vápenaté sloučeniny, jež bývají nositeli zvýšené pevnosti a tedy i odolnosti vápenných malt [3,4]. Dalším důležitým faktorem, jež má pozitivní vliv na dlouhodobou trvanlivost vápenných materiálů, je tzv. regenerace uhličitanové matrice [2]. Bylo zjištěno, že dokonaleji vyvinuté krystaly matrice zlepšují její mechanické vlastnosti [5]. Jako každý materiál, však i vápenné omítky a malty podléhají postupné degradaci. Jejich trvanlivost je primárně ovlivněna složením a kvalitou přípravy materiálu a negativními vlivy, které na materiál působí během doby jeho životnosti. Hlavními negativními faktory jsou vlhkost a teplota, stupeň a charakter zasolení a také probíhající rekrystalizační procesy vedoucí ke vzniku objemných produktů (např. krystalů aragonitu nebo vateritu), které porušují strukturu materiálu krystalizačními tlaky [6]. Uvedené procesy, probíhající ve vápenném stavebním materiálu, a produkty jeho degradace lze identifikovat a popsat pomocí různých laboratorních analytických metod. K nejvhodnějším patří především infračervená spektrometrie, termická analýza a RTG prášková difrakce [7,8,9]. V tomto projektu budou aplikovány tyto moderní metody, ale pro sloučení analytického výsledku budou závěry převážně formulovány společně po aplikaci tzv. pomocných metod. Rozborem složení a stavu historických malt se zabývá např. studie [10], kde autoři popisují malty z výplňového zdiva Karlova Mostu v Praze s využitím RTG difrakce a infračervené spektrometrie. Porovnání širšího souboru malt na základě analytických rozborů RTG difrakcí lze nalézt také např. v práci [11], která se zabývá maltami ze středověkých staveb na území Moravy. Porovnání složení omítek různého stáří na konkrétním historickém sakrálním objektu bylo, na základě kombinace širší škály metod, provedeno také ve studii [6]. Podrobný materiálový rozbor omítek a malt z období vrcholné gotiky je k dispozici v monografii [12], věnované nálezu gotických architektonických prvků u kostela ve Staříči. Z oblasti střední Evropy byly analyzovány také omítky barokního objektu v Kozuchowě v Polsku[13]. Jednu z nejvýznamnějších studií ze zahraničí však představuje studie [14], která se zabývá tématikou analýz různých pojiv malt zejména z období starověku a byzantské říše. Citace tuzemských a zahraničních prací: [1]Gregerová, M. Petrografické rozbory malt, jejich relativní datování podle stupně degradace pojiva. In Geologické výzkumy na Moravě a ve Slezsku v roce 1999. 1st ed. 2000, p. 149–151. [2]Michoinová, D. Vytváření struktury vápenných malt s nehydraulickým pojivem.Zprávy památkové péče 2009, 69 (3), 207–212. [3]Rovnaníková, P. Omítky; Společnost pro technologie ochrany památek: Praha, 2002. [4]Baronio, G.; Binda, L. Study of the pozzolanicity of some bricks and clays. Constrution and building Materials 1997, 11, 41–46. [5]De Silva, P.; Bucea, P.; Moorehead, D.; Sirivivatnanon, V. Carbonate binders: Reaction kinetics, strength and microstructure. Cement & Concrete Composites,2006,56, 613–620. [6]Tribulová, L.; Kotlík, P. Vliv rozdílného složení historických omítek na jejich odolnost. Koroze a ochrana materiálu 2012, 56, 6–14. [7]Biscontin, G.; Pellizon Birelli, M.; Zendri, E.; Characterization of binders employed in the manufacture of Venetian historical mortars. Journal of Cultural Heritage 2002, 3, 31–37. [8]Rampazzi, L.; Bugini, R. St. Lorenzo Basilica in Milan: Integral approach to characterisation of historical mortars. e-Preservation Science 2006, 3, 21–26. [9]Diekamp, A.; Stalder, R.; Jürgen, K.; Mirwald, P. W.: Characterisation of Historic Mortars. In Lime Mortar with Natural hydraulic Components: Characterisation of Reaction Rims with FTIR Imaging in ATR.Mode, Historic Mortars. Characterisation, Assesment and Repair; Válek, J., Hughes, J. J., Groot, C. J. W. P.,Eds.; 2012; pp 105–113. [10]Přikryl, R.; Novotná, M.; Weishauptová, Z.; Šťastná, A. Materiály původního výplňového zdiva Karlova mostu a jejich skladba. Průzkumy památek 2009, 16, 107–123. [11]Stránský, K.; Buchal, A.; Ustohal, V. Malty středověkých staveb na Moravě (hrady, jejich ruiny a základy strženého kostela). Archeologia technica 2000, 12, 68–78. [12]Augustinková, L.; Martinec, P.; Ščučka, J.; Peřinková, M. Gotické fragmenty ze Staříče, 1st ed.; ŠMÍRA - PRINT, s.r.o.: Opava, 2012. [13]Bartz, W.; Filar, T. Mineralogical characterization of rendering mortars from decorative details of a baroque building in Kożuchów (SW Poland). Materials characterization 2010, 61, 105–115. [14]Moropoulou, A.; Bakolas, A.; Bisbikou, A. Characterization of ancient, byzantine and later historic mortars by thermal and X-ray diffraction techniques. Thermochim. Acta 1995, 269, 779–795. Přehled použitých metod: pro dosažení stanoveného cíle bude při studiu materiálových vzorků použito komplexu moderních laboratorních analytických metod (viz níže). termická analýza - zařízení SDT Q600 (TA instruments) infračervená spektrometrie - zařízení Nicolet 6700 (Thermo Scientific) RTG difrakční analýza - zařízení URD-6 (Freiberger) optická mikroskopie na výbrusech - optický polarizační mikroskop NIKON ECLIPSE 80i, vybavený barevnou CCD kamerou NIKON DS-5M, připojenou přes videokartu k PC. zpracování a analýza obrazu - digitální mikroskopický obraz bude zpracován v systému pro zpracování a analýzu obrazu NIS ELEMENTS. pomocné analytické metody - pH vodného výluhu; analýza nerozpustného zbytku v 10% HCl; orientační stanovení obsahu solí. Termická analýza bude prováděna na zařízení FAST VŠB-TU Ostrava. Další typy analýz budou realizovány na zařízení, která jsou k dispozici u spolupracujících organizací - v Ústavu geoniky AV ČR, Ostrava v. v. i. (infračervená spektrometrie, optická mikroskopie, obrazová analýza a pomocné chemické analýzy) a na HGF VŠB-TU Ostrava (RTG difrakce). Plánované množství provedených analýz/důvod volby konkrétní metody: termická analýza - do 10 vzorků/kvantitativní stanovení uhličitanů ve vzorků, identifikace organických příměsí (uhlíky, dřevo, atd.), orientační identifikace CSH fází a jílových součástí infračervená spektrometrie - do 10 vzorků/kvalitativní identifikace uhličitanů, příp. jeho modifikací, kvalitativní identifikace hydroxidu vápenatého jako důkaz nezkarbonátovaného vápna, identifikace dusičnanů RTG difrakce - do 5 vzorků(ekonomické hledisko,u vzorků, které budou určeny jako reprezentanti souboru vzorků zastupujících určitou stavební fázi zděné historické konstrukce)/ primárně kvalitativní identifikace hydratovaných křemičitanů vápenatých, modifikace uhličitanů (aragonit, vaterit) optická mikroskopie - do 5 vzorků (ekonomické hledisko,u vzorků, které budou určeny jako reprezentanti souboru vzorků zastupujících určitou stavební fázi zděné historické konstrukce)/charakterizace pojiva, petrografická charakteristika drobného kameniva pomocné analýzy - do 10 vzorků/nerozpustný zbytek (stanovení poměru vápno/pojivo), vodný výluh (pH z výluhu souvisí s přítomnosti hydroxidu vápenatého), odparek a zasolení (stanovení vodorozpustných solí v materiálu). Zdůvodnění zapojení jednotlivých členů týmu: řešitel: Ing. Petr Rezek, je interním studentem doktorského studia, problematikou se zabýval již od roku 2012 ve své bakalářské práci „Omítky v historických stavbách“, je držitelem cen ve studentských soutěžích (SVOČ 2012, 2013) a cen za diplomovou práci s názvem „Analýza historických omítek a malt ve zdivu budov kláštera Želiv“. Problematice se věnuje nadále a je jeho hlavní náplní doktorského studia. Školitel (externí): Prof. Ing. Petr Martinec, CSc., je erudovaným odborníkem na problematiku stavebních materiálů. Předchozí dosažené výsledky členů týmu: Ing. Petr Rezek [1]Rezek, P.; Martinec, P. Složení a degradace omítek historického objektu Kláštera Želiv. Koroze a ochrana materiálu. (vyjde v prosinci 2014, článek je po recenzním řízení) [2] Rezek, P. Termická analýza a infračervená spektrometrie - aplikace při studiu historických omítek, Workshop doktorandů ÚGN AV ČR; Ščučka, J., Kolcun, A., Dudková, E., Eds.; 2014; p 9. [3]Rezek, P., Martinec, P. Metodika průzkumu historických omítek. In: Sanace a rekonstrukce staveb 2013: 35. konference. Praha: WTA CZ, 2013, 51-57. [4] Rezek, P. Analýza historických malt a omítek ve zdivu budov kláštera Želiv. Diplomová práce, VŠB - TU Ostrava, Fakulta stavební, 2013. [5] Rezek, P. Omítky v historických stavbách. Bakalářská práce, VŠB - TU Ostrava, Fakulta stavební, 2012. Přibližný časový plán: únor – březen – odběr a příprava vzorků, studium dostupných pramenů (průzkumů, stavebně - technické dokumentace); Březen – květen – provedení analytických prací; Červen – červenec – doplnění analýz, vyhodnocení analytických dat; Srpen – prosinec – interpretace výsledků, příprava publikačních výstupů.

2015

2015

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Rezek Petr Ing.