Deterioracja oraz rekonstrukcja piaskowców i wapieni z obiektów zabytkowych

Kamień naturalny na przestrzeni wieków był używany głównie do wznoszenia budowli sakralnych, a rzadziej świeckich. Stopniowo wypierany był przez tańszą cegłę, a obecnie wykorzystywany jest przeważnie jako materiał architektoniczno-dekoracyjny. Najchętniej stosowany był kamień występujący w pobliżu miejsca zastosowania, a także łatwy do wydobycia w formie dużych bloków, podatnych do obróbki. Z tego względu w budowlach zabytkowych wielu miast powszechnie używano piaskowce oraz wapienie pochodzące z lokalnych złóż. Skały te wykazują różną podatność na procesy niszczące. Rozwój cywilizacji, a przede wszystkim przemysłu przyspieszył deteriorację nawet bardziej odpornych odmian tych kamieni. Z tego względu podejmowane są liczne prace badawcze i rewaloryzacyjne, zmierzające do zwolnienia tempa niszczenia budowli kamiennych i przywracania im pierwotnej świetności. Przyczyny deterioracji skał. Kamienne elementy zabytkowe podlegają niszczącemu działaniu czynników fizycznych i chemicznych, a niekiedy również biologicznych. Wpływ czynników fizycznych zazwyczaj zaznacza się najwcześniej, co stwarza dogodne warunki działania czynników chemicznych, zwłaszcza w piaskowcach o ubogim spoiwie ilastym i ilasto-węglanowym oraz w wapieniach lekkich. Wpływają one na zróżnicowanie właściwości fizyczno-mechanicznych skały i oddziałują na elementy kamienne zarówno w ich strefie powierzchniowej,  jak i przypowierzchniowej. Powierzchnia zewnętrzna piaskowców i wapieni pokryta bywa szaro-czarnymi nawarstwieniami, powlekającymi ziarna oraz zatykającymi pory. Taka szkodliwa patyna składa się w głównej mierze z antropogenicznych pyłów oraz sadzy (fot. 1). W jej obrębie powstają miejscami wżery wchodzące w głąb kamienia, będące wynikiem jego rozpuszczania przez adsorbowane kwasy i inne agresywne substancje chemiczne. W specyficznych warunkach (zawilgocenie, zacienienie) na powierzchni kamienia gromadzić się mogą bakterie, glony i grzyby (fot. 2). Wnikają one chętnie w głębsze strefy, gdzie wzrastają i zarodnikują w przestrzeni porowej (fot. 3), wpływając na zniszczenie obiektu kamiennego. W strefie przypowierzchniowej wapieni dochodzi do powstania gipsowych naskorupień tworzących nawarstwienia wewnętrzne (fot. 4). Tworzą się one w wyniku rozpuszczania węglanu wapnia przy współudziale krzemionki. Grubość nawarstwień uzależniona jest od porowatości wapienia i jego ekspozycji. Ponadto gips może krystalizować w formie pojedynczych, gniazdowych skupień (fot. 5 i 6). Prowadzi to przeważnie do rozsadzania wapienia, przyczyniając się w ten sposób do powstawania w nim dużych kawern. W przypadku częstego i intensywnego przemywania skały wykrystalizowany gips może być wypłukiwany, co w konsekwencji doprowadza do rozpadu granularnego wapienia. Strefa przypowierzchniowa piaskowców może odznaczać się naruszeniem tekstury w wyniku wypłukiwania spoiwa, zwłaszcza składników ilastych (fot. 7), co objawia się wyższą porowatością i obniżoną wytrzymałością kamienia. Ponadto w wyniku migracji roztworów z powierzchni, w piaskowcach o spoiwie węglanowym lub w przypadku dopływu węglanu wapnia np. z zaprawy murarskiej, dochodzi do krystalizacji i zatykania porów przez gipsy i anhydryty. W wyniku tych procesów, podobnie jak w wapieniach, powstają złuszczenia i odpryski w materiale kamiennym. Bezpośredni kontakt piaskowcowych i wapiennych elementów kamiennych z chodnikami powoduje, że powszechnie używane w okresie zimowym sole do roztapiania śniegu i lodu są kapilarnie podciągane. W efekcie następuje krystalizacja  chlorków w przestrzeni porowej (fot. 8). Minerały te, głównie halit i sylwin, są wyjątkowo niebezpieczne dla kamiennych zabytków, ponieważ są bardzo dobrze rozpuszczalne i mobilne. Wywołuje to ich rytmiczną hydratację  i dehydratację, prowadząc do osłabienia skały. Rekonstrukcja kamienia. Zniszczone obiekty kamienne wymagają podjęcia niezbędnych zabiegów renowacyjnych. Obejmują one oczyszczenie zewnętrznej części skały, wzmocnienie jej struktury oraz uzupełnienie istniejących ubytków i hydrofobizację powierzchni. Uzupełnianie powstałych ubytków w skale można przeprowadzać dwiema metodami: taszlowania (fleki, wstawki) lub kitowania (plombowania). Pierwsza z nich polega na wykonaniu zgeometryzowanych wstawek z niezniszczonego kamienia o zbliżonej strukturze i składzie mineralnym do kamienia konserwowanego. Wadą tej metody jest przede wszystkim konieczność nadania ubytkom regularnych kształtów. Wymaga to usunięcia zarówno części uszkodzonej, jak i również nie zniszczonych fragmentów obiektu zabytkowego. Ponadto stosowanie klejów, niezbędnych do łączenia poszczególnych elementów, wpływa na zwiększenie ilości szkodliwych soli obecnych w kamieniu. Powoduje to dalsze zniszczenie kamienia wokół fleków. Uzupełnianie ubytków metodą kitowania nabiera coraz większego znaczenia. Wynika to ze stosowania coraz lepszych materiałów dopasowywanych do różnych odmian skał. Używane zaprawy uzupełniające dobierane są najczęściej na zasadzie podobieństwa zewnętrznego (struktura i tekstura), bez uwzględnienia właściwości fizyczno-mechanicznych konserwowanej skały (nasiąkliwość, wytrzymałość na ściskanie i ścieralność). Wymagają one odpowiedniej temperatury i wilgotności powietrza oraz kamienia, są palne (preparaty krzemoorga-niczne, polimery, żywice), a rozpuszczalniki są szkodliwe dla zdrowia pracowników i środowiska. Niejednokrotnie zaprawy uzupełniające wykonywane są wręcz „na poczekaniu” poprzez dowolny dobór przypadkowych składników. W wyniku zastosowania tak przygotowa-nych mas uzupełniających zachodzi wiele niekorzystnych procesów przyspieszających niszczenie konserwowanych kamieni zabytkowych. W związku z powyższym w Akademii Górniczo-Hutniczej podjęto prace badawcze dotyczące opracowania różnych zapraw mineralnych w zależności od odmian strukturalnych piaskowców i wapieni oraz ich właściwości fizyczno-mechanicznych. Badania realizowane były w ramach projektu celowego finansowanego przez KBN. Obejmowały one określenie składu petrograficznego składników szkieletu ziarnowego i spoiwa oraz wykształcenia mikrostrukturalnego piaskowców i wapieni zastosowanych w budownictwie monumentalnym. Prace te stały się podstawą do właściwej charakterystyki i doboru krajowych surowców wyjściowych, tworzących spoiwo i szkielet ziarnowy mas (zapraw) mineralnych. Skład spoiwa zapewnił uzyskanie odpowiednich wartości parametrów, takich jak: wodożądność, czas wiązania, skurcz, wytrzyma-łość na ściskanie i rozciąganie oraz własności roboczych mas świeżych i wysokiej trwałości mas stwardniałych. Dla piaskowców szkielet ziarnowy pozyskano metodą frakcjonowania piasków i zestawienia poszczególnych frakcji ziarnowych, zgodnie z wynikami analizy ziarnowej skały macierzystej. Dla wapieni szkielet ziarnowy stanowi kruszywo wapienne o granulacji zbliżonej do uziarnienia odnawianej skały, otrzymane metodą mielenia wapienia i zestawiania odpowiednich frakcji. Wyniki badań wskazują, że uzyskane podstawowe parametry mas w pełni odpowiadają założonemu poziomowi wykazując następujące właściwości:

świeże masy dla rewaloryzacji piaskowców i wapieni posiadają bardzo dobre właściwości robocze, takie jak plastyczność, urabialność, zdolność do nakładania oraz zdolność utrzymywania właściwości roboczych w czasie. Stwardniałe masy w zależności od uziarnienia wypełniacza wykazują zróżnicowane wytrzymałości na zginanie i ściskanie, ale generalnie ich parametry wytrzymałościowe odpowiadają dolnej i średniej wytrzymałości piaskowców i wapieni pomimo wprowadzenia domieszki przeciwskurczowej masy mineralne wykazują niski skurcz w wieku 28 dni (0,03 - 0,13 mm/m), który wzrasta do 0,2 - 0,3 mm/m i stabilizuje się po 90 dniach stwardniałe masy wykazują bardzo dobrą mrozoodporność, bowiem po 25 cyklach zamrażania i rozmrażania w zakresie temperatur + 20 -20oC ich wytrzymałość zwykle rosła w stosunku do świadków  (w granicach 4 - 35 %) masy charakteryzują się niską zdolnością podciągania kapilarnego, a odparowanie wody z wilgotnych mas następuje bardzo powoli, pomimo zadowalającej nasiąkliwości (7,97 - 12,03 %) oraz wysokiej porowatości otwartej od 12 - 24 %. Cechy te uzależnione są od uziarnienia wypełniacza badane masy cechują się bardzo wysoką odpornością na ciśnienie krystalizacyjne soli rozpuszczalnych w wodzie, a przechowywane w warunkach stałego nawilżenia wodą nie wykazują zdolności do występowania zabieleń i wysalaniaotrzymane masy mineralne dla rekonstrukcji piaskowców i wapieni w zakresie właściwości fizycznych bardzo dobrze odwzorowują cechy naturalnych piaskowców i wapieni, stwarzając jednocześnie duże możliwości ich regulacji w zależności od oczekiwań odbiorcy. Zgodnie z założeniami konstrukcyjnymi kierowano się zasadą, aby wytrzymałość na ściskanie zapraw była zawsze niższa niż uzupełnianych skał, natomiast parametry takie jak porowatość i nasiąkliwość mas większe niż odnawianych piaskowców i wapieni. Zapewnia to bowiem kumulowanie szkodliwych substancji w zaprawach a nie w skałach. Masy utworzone ze składników mineralnych są trwałe i łatwe w plastycznej obróbce artystycznej oraz homologicznie podporządkowane zabytkowemu kamiennemu podłożu. Dzięki dopasowaniu ich nie tylko pod względem wyglądu zewnętrznego, ale również właściwości fizyczno-mechanicznych, zapewniają estetykę i wysoką skuteczność prac rewaloryzacyjnych i jednocześnie nie oddziałują ujemnie na środowisko i zdrowie konserwatorów. W zakresie właściwości fizycznych zaprawy bardzo dobrze odwzorowują cechy piaskowców i wapieni, stwarzając jednocześnie duże możliwości ich regulacji w zależności od oczekiwań odbiorcy.  Tak skonstruowane masy mineralne są zgodne z głównymi zasadami konserwacji i restauracji dziedzictwa architektoniczno-urbanistycznego zawartymi w Karcie Krakowskiej 2000, będącej efektem trzyletnich prac z udziałem konserwatorów, architektów, archeologów i inżynierów z krajów europejskich. Ocena właściwości użytkowych omawianych mas mineralnych została dokonana przez przedstawicieli Akademii Sztuk Pięknych i Pracowni Konserwacji Zabytków w Krakowie. Zaprawy te przekazano konserwatorom w celu wykonania prób aplikacyjnych. Pozytywnie zweryfikowane użyte zostały do rekonstrukcji:

detali architektonicznych kościoła Mariackiego w Krakowie detali architektonicznych kościoła św. Floriana, klasztoru ss. Dominikanek i Synagogi Wysokiej w Krakowie zabytkowych kamienic przy ul. Kanoniczej w Krakowie

zabytkowych kapliczek w Więckowicach, Kalwarii Zebrzydowskiej i Tychach

pomnika Czynu 6 sierpnia 1914 r. w Michałowicach figurki Dzieciątka Jezus z 1905 r. w Szreniawie nagrobka Rodziny Hallerów i Grobu Nieznanego Żołnierza w Radziszowie

schodów w Zamku Żupnym w Wieliczcepomnika  kolumny „Złotych Godów” w Oleśnicy koło Wrocławia. Wypracowana zasada konstrukcji mas pozwala dopasowywać je do różnych konserwowanych piaskowcowych i wapiennych obiektów nie tylko w Polsce. Przykładem są wykonane rekonstrukcje:

gotyckiego portalu w obiekcie Metska Radnica w Koszycach detali architektonicznych Cieplarni w Ogrodzie Botanicznym (Lincoln Park Conservatory), Wieży Ciśnień (Old Chicago Water Tower) oraz kościoła św. Trójcy (Holy Trynity) w Chicago naskalnych rytów w Tamgali Tas w Kazachstanie Masy stosowane są też do produkcji detali architektonicznych, galanterii kamiennej, odlewów, pomników i nagrobków oraz rzeźby i prefabrykacji betonów dekoracyjnych. Użyte do rewaloryzacji wymienionych obiektów masy mineralne poddane są aktualnie stałemu monitoringowi przez zespół pracowników ASP i AGH, co zapewnia ocenę ich zachowania się w czasie i możliwość potencjalnej odwracalności rekonstrukcji. Masy mineralne stanowią całkowicie oryginalny produkt polskiej myśli technicznej objęty ochroną patentową o nr. P-331977, P-331980, będący własnością Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Opracowane zaprawy zostały uznane jako wybitne krajowe osiągnięcie naukowo-techniczne i w roku 2000 nagrodzone przez Prezesa Rady Ministrów. Wykonano w ramach badań własnych Akademia Górniczo-Hutnicza,

Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska,

Zakład Złóż Surowców Skalnych,

30-059 Kraków, al. Mickiewicza 30

Spis fotografii

Fot. 1. Mikrofotografia SEM strefy powierzchniowej zniszczonego wapienia z kamienicy przy ulicy Kanoniczej 17 w Krakowie. Kulista forma pyłu (szkliwa glinokrzemianowego) w centralnej części fotografii oraz w dolnej części ziarno kalcytu rozpuszczane w wyniku oddziaływania migrujących w kamieniu kwaśnych roztworów.

Fot. 2. Fragment elewacji domu w Pińczowie wykonanej z wapienia pińczowskiego. Powierzchnia pokryta jest zielonym nalotem spowodowanym obecnością mikroorganizmów głównie bakterii i glonów.

Fot. 3. Mikrofotografia SEM średnioziarnistego piaskowca godulskiego z kapliczki Bożej Męki w Tychach z 1820 roku. Mikroorganizmy wnikające w głębsze strefy piaskowca.   

Fot. 4. Obraz mikroskopowy wapienia pińczowskiego z domu w Pińczowie. Gipsowe naskorupienia (zielonoszare) i antropogeniczne pyły (brązowo-czarne)  tworzące nawarstwienie w strefie przypowierzchniowej kamienia.

Fot. 5. Obraz mikroskopowy wapienia pińczowskiego z domu w Pińczowie. Gniazdowe skupienie gipsu w przestrzeni międzyziarnowej

Fot. 6. Mikrofotografia SEM zniszczonego wapienia z kamienicy przy ulicy Kanoniczej 17 w Krakowie. Płytki gipsu tworzące gniazdowe skupienia wypełniające pory w strefie przypowierzchniowej wapienia

Fot. 7. Mikrofotografia SEM średnioziarnistego piaskowca istebniańskiego budującego figurę św. Jana Nepomucena w Więckowicach z przełomu XIX i XX w. Widoczna jest zwiększona porowatość piaskowca w jego części przypowierzchniowej, co wywołane jest wypłukaniem spoiwa ilastego.

Fot. 8. Mikrofotografia SEM zniszczonego wapienia z cokołu kościoła Mariackiego w Krakowie. W przestrzeni porowej wapienia widoczny jest częściowo rozpuszczony kryształ halitu.

Fot. 9. Tarcza herbowa Bonerów z 1516 roku, autorstwa Santi Gucciego, umieszczona w murze ponad kruchtą północną i kaplicą Archanioła Michała  Kuśnierzy (pod gzymsem koronującym) kościoła Mariackiego w Krakowie. Stan w trakcie konserwacji po doczyszczeniu powierzchni. Obiekt wykonany z wapienia pińczowskiego pozostawał w stanie daleko posuniętej destrukcji. Wywołana została krystalizacją gipsu w przestrzeni porowej, prowadzącą do rozsadzania wapienia.

• « poprz.
• nast. »