Περιβαλλοντικά αίτια Φαινόμενα και μηχανισμοί της φθοράς Σχέση φθοράς και παθολογίας

Transcript

1 Δ.Π.Μ.Σ. «Προστασία Μνημείων» ntua ACADEMIC OPEN COURSES Περιβαλλοντικά αίτια Φαινόμενα και μηχανισμοί της φθοράς Σχέση φθοράς και παθολογίας Καθ. ΕΜΠ Αντωνία Μοροπούλου

2 Άδεια Χρήσης Το παρόν υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons και δημιουργήθηκε στο πλαίσιο του Έργου των Ανοικτών Ακαδημαϊκών Μαθημάτων από την διδάσκουσα Καθ. Α. Μοροπούλου. Για υλικό που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

3 Ι. ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΦΘΟΡΑΣ: Ορισμός ΦΘΟΡΑ Απομείωση στο χρόνο των ιδιοτήτων (φυσικών, χημικών, μηχανικών κ.α.) και των χαρακτηριστικών (ορυκτολογικών, υφής κ.α.), της συνοχής, των διαστάσεων και της αισθητικής των υλικών

4 Ι. ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΦΘΟΡΑΣ: Κατάταξη Τα φαινόμενα φθοράς κατατάσσονται γενικά ως ακολούθως: Μηχανική ή φυσική φθορά: Αφορά σε μηχανική χαλάρωση των δομών και διαχωρισμό των συστατικών του υλικού λόγω θλιπτικών, εφελκυστικών ή διατμητικών τάσεων, αναπτυσσόμενων δυνάμεων εντός του υλικού λόγω ανισοτροπίας ή διαδικασιών που σχετίζονται με την παρουσία διαλυτών αλάτων και των κύκλων ύγρανσης-ψύξης. Παράδειγμα φυσικής φθοράς είναι η απολέπιση λίθου λόγω δράσης αλάτων. Χημική φθορά: Περιλαμβάνει τις χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στο υλικό υπό την επίδραση περιβαλλοντικών παραγόντων ή λόγω θερμοδυναμικής αστάθειας ορισμένων συστατικών του υλικού. Παράδειγμα χημικής φθοράς είναι η επίδραση της όξινη βροχής σε δομικά υλικά. Βιολογική φθορά: Αφορά στην επίδραση διαφόρων οργανισμών στα υλικά και σχετίζεται με τις δύο προαναφερθείσες κατηγορίες φθοράς.

5 ΤΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΦΘΟΡΑΣ ΕΚΔΗΛΩΝΟΝΤΑΙ ΣΤΙΣ ΔΙΕΠΙΦΑΝΕΙΕΣ ΥΛΙΚΩΝ / ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Ή ΥΛΙΚΩΝ / ΥΛΙΚΩΝ ΚΑΙ ΕΙΝΑΙ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΕΝΔΟΓΕΝΩΝ ΚΑΙ ΕΞΩΓΕΝΩΝ ΠΑΡΑΓΟΝΤΩΝ

6 IΙ. ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΦΘΟΡΑΣ ΙΙ-Α ΙΙ-Β ΙΙ-Γ ΙΙ-Δ Ενδογενείς παράγοντες φθοράς Εξωγενείς παράγοντες φθοράς Συνάρτηση φθοράς και συσχέτιση διάβρωσης και φθοράς υλικών Προσέγγιση της μελέτης της φθοράς των υλικών

7 ΙΙ-Α. ΕΝΔΟΓΕΝΕΙΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΦΘΟΡΑΣ 1. ΕΙΔΟΣ ΔΟΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Πέτρες Κονιάματα Κεραμικά / γυαλιά Μέταλλα Ξύλο Προηγμένα υλικά (Πολυμερή, σκυρόδεμα, σωματιδιακά, ινώδη ή φυλλώδη σύνθετα) 2. ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΔΟΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Ορυκτολογικές Φυσικές Φυσικο-χημικές Χημικές Μηχανικές

8 ΙΙ-Α. ΕΝΔΟΓΕΝΕΙΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΦΘΟΡΑΣ 3. ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΣΤΗ ΜΑΖΑ Μακροδομή Μικροδομή 4. ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΚΑΙ ΑΠΟΛΗΨΗ 5. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ 6. ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΗΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ Φάση αρχικής κατασκευής Επεμβάσεις συντήρησης / ανακατασκευής 7. ΣΥΜΒΑΤΟΤΗΤΑ ΜΕΤΑΞΥ ΤΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΗΝ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ Ή ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ

9 ΙΙ-Β. ΕΞΩΓΕΝΕΙΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΦΘΟΡΑΣ 1. ΕΙΔΟΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΩΝ ΠΑΡΑΓΟΝΤΩΝ ΚΑΙ ΦΟΡΤΙΣΕΩΝ Γενικά χαρακτηριστικά κλίματος Κατανομή Προσανατολισμός Ένταση περιβαλλοντικών παραγόντων (T0C, H%, W.R) Μικροκλίμα Προσανατολισμός Ιδιαίτερη θέση στο κτίριο Μέγεθος (κλίμακα) Μορφολογία επιφάνειας Τρόπος προσβολής από τη βροχή

10 ΙΙ-Β. ΕΞΩΓΕΝΕΙΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΦΘΟΡΑΣ Ατμόσφαιρα Ρυπασμένη Θαλασσινή Νερό Αερολύματα Βροχή Ανερχόμενη (τριχοειδής) υγρασία Συμπύκνωση Διαλύματα αλάτων Βιολογικοί παράγοντες Μικροπανίδα Φυτά Πτηνά

11 ΙΙ-Β. ΕΞΩΓΕΝΕΙΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΦΘΟΡΑΣ Συνθήκες χρήσης Εξωτερικό περιβάλλον χωροταξικές, πολεοδομικές, κυκλοφοριακές ρυθμίσεις και μέτρα Δομικό περιβάλλον κατασκευής Εσωτερικό περιβάλλον, λειτουργικές συνθήκες εσωτερικού χώρου Μηχανικές φορτίσεις Θερμοκρασιακές μεταβολές Διόγκωση μεταλλικών συνδέσμων Κρυστάλλωση αλάτων Παγετός Σεισμικές δονήσεις Εκτριβή 2. ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΘΕΜΕΛΙΩΣΗΣ

12 ΙΙ-Γ. ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΔΙΑΒΡΩΣΗΣ ΚΑΙ ΦΘΟΡΑΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΔΕΙΚΤΗΣ ΑΠΟΣΑΘΡΩΣΗΣ ΔΟΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Κ' K = (1 + g j ) K min Κ' min : Παράγοντας ορυκτολογικής επίδρασης g j : Παράγοντας επίδρασης μικροδομής ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΟΡΥΚΤΟΛΟΓΙΚΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ Κ K t mi m i : Ιδιοτιμή υλικού t : Χρόνος ζωής κτιρίου ή μνημείου

13 Ο συντελεστής ορυκτολογικής μπορεί να αποδοθεί με χρήση της μικροπετρογραφικής ανάλυσης K n i 1 m j 1 p p i i x y i j K = Συντελεστής ορυκτολογικής ποιότητας x i = Ποσοστά των φάσεων που συνεισφέρουν στην αντοχή του υλικού y i = Ποσοστά διαβρωμένων φάσεων, κενών, μικρορηγματώσεων

14 ΙΙ-Γ. ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΔΙΑΒΡΩΣΗΣ ΚΑΙ ΦΘΟΡΑΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Συσχέτιση του συντελεστή ορυκτολογικής ποιότητας, Κ, και του μέτρου ελαστικότητας, Ε για διαφορετικές καταστάσεις φθοράς γρανίτη Το μέτρο ελαστικότητας, Ε, είναι συνάρτηση του συντελεστή ορυκτολογικής ποιότητας, Κ, του υλικού για κάθε κατάσταση φθοράς

15 ΙΙ-Δ. ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΤΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ ΤΗΣ ΦΘΟΡΑΣ Ο ΤΡΟΠΟΣ ΘΕΩΡΗΣΗΣ της συμπεριφοράς των υλικών στο περιβάλλον ΔΕΝ ΕΙΝΑΙ ΓΕΝΙΚΕΥΜΕΝΟΣ Κάθε συγκεκριμένη περίπτωση πρέπει να μελετάται στην κατεύθυνση της ΑΠΟΚΑΛΥΨΗΣ ΤΟΥ ΣΥΓΚΕΚΡΙΜΕΝΟΥ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΥ ΠΟΥ ΕΠΙΔΡΑ ΚΑΘΕ ΦΟΡΑ ΕΠΙΠΕΔΑ ΜΕΛΕΤΗΣ ΤΗΣ ΦΘΟΡΑΣ Μακροκλίμακα Αναφέρεται στο είδος και την μορφολογία της διάβρωσης Μικροκλίμακα Αναφέρεται στην κινητική του φαινομένου (ταχύτητα διάβρωσης) και στην θερμοδυναμική του φαινομένου (πιθανότητα διάβρωσης)

16 IΙΙ. ΜΑΚΡΟΚΛΙΜΑΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΦΘΟΡΑΣ ΣΕ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΜΕ ΤΗΝ ΠΑΘΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΜΝΗΜΕΙΟΥ ΙΙΙ-Α ΙΙΙ-Β ΙΙΙ-Γ ΙΙΙ-Δ ΙΙΙ-Ε ΙΙΙ-ΣΤ Επιφανειακές κρούστες Κρυστάλλωση αλάτων Αποσάθρωση συνδετικών κονιαμάτων Ασύμβατα υλικά Φθορά και παθολογία από μηχανικούς παράγοντες Βιολογικοί παράγοντες

17 ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ ΦΘΟΡΑΣ ΣΤΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΤΗΣ ΜΑΚΡΟΚΛΙΜΑΚΑΣ Δράσεις Διεργασία φθοράς Κύρια φαινόμενα φθοράς Φυσικές Φυσικοχημικές Χημικές και βιοχημικές Κύκλοι ύγρανσης ξήρανσης Θερμικά σοκ Επίδραση ανέμου Κρυστάλλωση αλάτων Ενυδάτωση Θείωση εν ξηρώ Υδρόλυση Διάλυση Οξείδωση Χηλική συμπλοκοποίηση Θείωση, κ.α. Απόσπαση κόκκων, διάβρωση εκτριβής, ρήξη συνέχειας, ρηγμάτωση, κ.α. Εκλεκτική αποσάθρωση υλικών, διάρρηξη συνδετικών υλικών, κ.α. Χημική αποσύνθεση, διάλυση και εξαλλοίωση συνδετικών υλικών, σχηματισμός κρούστας, υποχώρηση μετώπων επιφάνειας

18 IΙΙ-A. ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΚΡΟΥΣΤΕΣ - ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΟΥ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ ΤΗΣ ΦΘΟΡΑΣ ΣΕ ΒΑΘΟΣ IΙΙ-Α.1. ΓΥΨΟΠΟΙΗΣΗ Η γυψοποίηση αναφέρεται στον σχηματισμό γύψου, CaSO 4 2H 2 O, με προσβολή του Ca(OH) 2 ή του CaCO 3 των λίθων από θειϊκό οξύ. Ο γύψος στην επιφάνεια της πέτρας είναι διαλυτός και με έκπλυση (π.χ. από την βροχή) αποκαλύπτει το υγιές, μη γυψοποιημένο στρώμα της πέτρας, δηλαδή επιτρέπει την εξέλιξη του φαινομένου σε βάθος. Αυτό έχει σαν γενικότερο αποτέλεσμα την σταδιακή απαλειφή των λεπτομερειών της επιφάνειας της πέτρας Η διάλυση του στρώματος του γύψου στην επιφάνεια του πεντελικού μαρμάρου απαλείφει τις λεπτομέρειες από το πρόσωπο και τις πτυχές του χιτώνα των Καρυάτιδων

19 III-A. ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΚΡΟΥΣΤΕΣ - ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΟΥ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ ΤΗΣ ΦΘΟΡΑΣ ΣΕ ΒΑΘΟΣ III-A.2 ΟΞΙΝΗ ΑΝΘΡΑΚΙΚΗ ΚΡΟΥΣΤΑ Μετατροπή του ανθρακικού ασβεστίου, CaCO 3, σε όξινο ανθρακικό ασβέστιο, Ca(HCO 3 ) 2, το οποίο στην συνέχεια με την εξάτμιση του νερού μετατρέπεται σε ανακρυσταλλωμένο ανθρακικό ασβέστιο Το στρώμα αυτό, θεωρείται ότι δεν έχει καλή συνοχή με το υποκείμενο ανθρακικό ασβέστιο (της κύριας μάζας της πέτρας) και οδηγεί σε χαλάρωση της κρούστας, που σε συνέργια με βιολογική δραστηριότητα, και την χαλάρωση των αρμών μπορεί να προκαλέσει τοπικές καταρρεύσεις σε τοιχοποιίες Μεσαιωνική Πόλη της Ρόδου Όξινη ανθρακική κρούστα

20 III-Β. ΚΡΥΣΤΑΛΛΩΣΗ ΑΛΑΤΩΝ Η κρυστάλλωση αλάτων αναφέρεται στη μηχανική φθορά των πορωδών λίθων και δομικών υλικών, μέσω της ανάπτυξης μηχανικών τάσεων στο εσωτερικό των υλικών (πόρους) από κρυστάλλους αλάτων και διάρρηξη της συνέχειας του υλικού όταν οι τάσεις ξεπεράσουν την αντοχή του. Οι κύριες πηγές αλάτων σε τοιχοποιίες είναι η τριχοειδής αναρρίχηση (από το έδαφος), τα γειτονικά υλικά όπως το τσιμέντο, και συχνά το ίδιο το συνδετικό κονίαμα Αν η εξάτμιση λάβει χώρα στο εσωτερικό της μάζας του υλικού, ο τύπος αυτός της φθοράς εμφανίζεται μακροσκοπικά με την μορφή της κυψέλωσης, δηλαδή την αποκόλληση τμήματος του διερρηγμένου υλικού. Μεσαιωνική Πόλη της Ρόδου

21 III-Β. ΚΡΥΣΤΑΛΛΩΣΗ ΑΛΑΤΩΝ Μηχανισμός κατάρρευσης τοιχοποιίας λόγω κυψέλωσης Μεσαιωνική Πόλη της Ρόδου

22 III-Β. ΚΡΥΣΤΑΛΛΩΣΗ ΑΛΑΤΩΝ Συσχέτιση συγκέντρωσης διαλυτών αλάτων και πορώδους

23 III-Β. ΚΡΥΣΤΑΛΛΩΣΗ ΑΛΑΤΩΝ Κυψέλωση ασβεστιτικού πωρόλιθου: Βωμός τριγλύφων Ηραίου Περαχώρας

24 III-Γ. ΑΠΟΣΑΘΡΩΣΗ ΚΟΝΙΑΜΑΤΩΝ Μπορεί να οδηγήσει σε κατάρρευση της τοιχοποιίας σε συνδυασμό με πλάγιες ωθήσεις. Έμφαση δίνεται στο 1/3 του ύψους της τοιχοποιίας όπου εντοπίζεται το μέγιστο ποσοστό υγρασίας και άρα διαλυτών αλάτων

25 III-Γ. ΑΠΟΣΑΘΡΩΣΗ ΚΟΝΙΑΜΑΤΩΝ Μηχανισμός κατάρρευσης τοιχοποιιών

26 III-Δ. ΑΣΥΜΒΑΤΑ ΥΛΙΚΑ III-Δ.1. ΤΣΙΜΕΝΤΙΤΙΚΑ ΚΟΝΙΑΜΑΤΑ ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ Η χρήση τσιμέντου ως συνδετικού υλικού σε τοιχοποιίες, αν και εκτεταμένη στο παρελθόν, σήμερα αναγνωρίζεται ότι προκαλεί έντονα προβλήματα φθοράς, κυρίως λόγω ασυμβατότητας με τα παραδοσιακά δομικά υλικά Τα κονιάματα τσιμέντου παρουσιάζουν σχετικά μεγάλες τιμές θλιπτικής αντοχής και μέτρου ελαστικότητας καθιστώντας τα πολύ δυνατά και άκαμπτα σε σχέση με τα παραδοσιακά κονιάματα στις ιστορικές τοιχοποιίες. Η χρήση του τσιμέντου ως υλικού αποκατάστασης διαταράσσει την μηχανική συμπεριφορά, στατική και δυναμική, της τοιχοποιίας, με κίνδυνο εμφάνισης διαφορικών φορτίσεων σε τμήματα της δομής και επακόλουθη αστοχία τους. Τα κονιάματα τσιμέντου παρουσιάζουν γενικότερα μεγάλο συντελεστή θερμική διαστολής, σχεδόν διπλάσιο της πέτρας, με αποτέλεσμα, σε κύκλους θέρμανσης - ψύξης, να ασκούνται μηχανικές τάσεις στα αυθεντικά υλικά που μπορούν να οδηγήσουν σε αστοχία (ρηγμάτωση).

27 III-Δ. ΑΣΥΜΒΑΤΑ ΥΛΙΚΑ III-Δ.1. ΤΣΙΜΕΝΤΙΤΙΚΑ ΚΟΝΙΑΜΑΤΑ ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ Σε εφαρμογές αποκατάστασης ιστορικών τοιχοποιιών, η μικρή τιμή πορώδους και η σχετικά πυκνή δομή των τσιμεντιτικών κονιαμάτων δυσκολεύει την "αναπνοή" της τοιχοποιίας, δηλαδή την μεταφορά της υγρασίας στους κύκλους ύγρανσης και ξήρανσης. Τα τσιμεντιτικά κονιάματα είναι φορέας διαλυτών αλάτων. Ο εκλεκτικός προσανατολισμός των διαλυτών αλάτων στα γειτονικά ιστορικά δομικά υλικά και η κρυστάλλωση τους κατά τη φάση της εξάτμισης οδηγούν σε άσκηση πιέσεων κρυστάλλωσης.

28 III-Δ. ΑΣΥΜΒΑΤΑ ΥΛΙΚΑ III-Δ.2. ΧΡΗΣΗ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕ ΑΣΥΜΒΑΤΗ ΜΙΚΡΟΔΟΜΗ Η αντικατάσταση και συμπλήρωση φθαρμένων λιθοσωμάτων από συμπαγέστερους και μικρότερου πορώδους υγιείς λίθους, οδηγεί σε ένταση των φαινομένων φθοράς στη διεπιφάνεια παλαιού νέου υλικού

29 III-Ε. ΦΘΟΡΑ ΑΠΟ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ III-Ε.1. ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΚΕΣ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ Ακραίες θερμοκρασιακές μεταβολές (π.χ. μεταξύ μέρας και νύχτας) ή άνισες κατανομές θερμοκρασίας σε δομικά υλικά Διαφορετικοί συντελεστές θερμικής διαστολής και θερμοχωρητικότητας των διαφόρων φάσεων και υλικών ενός συστήματος υλικών Φθορές από πυρκαγιά Ανατίναξη του Παρθενώνα

30 III-Ε. ΦΘΟΡΑ ΑΠΟ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ III-Ε.2. ΔΙΟΓΚΩΣΗ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΣΥΝΔΕΣΜΩΝ Τα προϊόντα της οξείδωσης που δημιουργούνται στην επιφάνεια του συνδέσμου αυξάνουν σημαντικά τον όγκο του συστήματος μέταλλο προϊόντα διάβρωσης Η διόγκωση αυτή προκαλεί την ανάπτυξη ισχυρότατων μηχανικών τάσεων που οδηγούν στη ρήξη του υλικού όταν υπερβούν την αντοχή του Ρηγμάτωση μαρμάρου εξαιτίας της διάβρωσης συνδέσμου στον Παρθενώνα [Σκουλικίδης Θ.]

31 III-Ε. ΦΘΟΡΑ ΑΠΟ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ III-Ε.3. ΦΘΟΡΑ ΛΟΓΩ ΠΑΓΟΥ Αναφέρεται στην ανάπτυξη μηχανικών τάσεων από τους κρυστάλλους πάγου στο εσωτερικό των υλικών που όταν υπερβούν την αντοχή του υλικού, οδηγούν σε αστοχία του, δηλαδή την ρηγμάτωση και αποσάθρωση. Η ένταση της φθοράς λόγω πάγου εξαρτάται από τις κλιματολογικές συνθήκες στις οποίες εκτίθεται το υλικό, από την διαπερατότητα του υλικού σε υγρασία και από την μηχανική αντοχή του

32 III-Ε. ΦΘΟΡΑ ΑΠΟ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ III-Ε.4. ΣΕΙΣΜΙΚΕΣ ΔΟΝΗΣΕΙΣ Οι σεισμικές δονήσεις μπορούν να προκαλέσουν βλάβες στα κτίρια ανάλογα με: το είδος των δυναμικών καταπονήσεων, την διάρκεια τους, την μέγιστη εφαρμοζόμενη καταπόνηση, τον τρόπο δόνησης (χαρακτηριστικά εδαφικών επιταχύνσεων), την πρότερη δομική κατάσταση του κτιρίου την απόκριση του κτιρίου σε δυναμικές φορτίσεις. Σύμφωνα με τον ΕΥΡΩΚΩΔΙΚΑ 8 - ENV 1998 «Design provisions for earthquake resistance of structures» η δυναμική καταπόνηση των κτιρίων μπορεί να προκαλέσει βλάβες όταν οι συχνότητες αυτής κυμαίνονται μεταξύ 8-80Hz. Γενικά, βλάβες συνήθως παρουσιάζονται για μέγιστη ταχύτητα καταπόνησης μεγαλύτερη από 10mm/s

33 III-Ε. ΦΘΟΡΑ ΑΠΟ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ III-Ε.4. ΣΕΙΣΜΙΚΕΣ ΔΟΝΗΣΕΙΣ Στα ιστορικά κτίρια, σε αντίθεση με τα νεώτερα και σχεδιασμένα σύμφωνα με τους ισχύοντες κανονισμούς, κυριαρχεί ο παράγοντας των υφιστάμενων βλαβών και της φθοράς των υλικών. Κτίρια που έχουν υποστεί δομικές βλάβες είτε λόγω παρελθόντων σεισμικών δονήσεων είτε λόγω φθοράς των υλικών τους, θα υποστούν περαιτέρω ζημιές και ίσως πλήρη κατάρρευση σε μικρότερες τιμές δυναμικών επιταχύνσεων από αυτές που μπορούν να αντέξουν καινούρια, ισχυρά και κατάλληλα σχεδιασμένα κτίρια.

34 III-Ε. ΦΘΟΡΑ ΑΠΟ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ III-Ε.4. ΣΕΙΣΜΙΚΕΣ ΔΟΝΗΣΕΙΣ Καμπύλες θραυστότητας: Για δεδομένη εδαφική επιτάχυνση, κτίρια με μικρή, μεσαία και μεγάλη βλάβη θα παρουσιάσουν πιθανότητες υπέρβασης επιπέδου βλάβης P1 < P2 < P3 αντίστοιχα. Δηλαδή τα κτίρια που έχουν ήδη υποστεί μεγάλες βλάβες ή φθορές θα παρουσιάσουν μεγαλύτερη πιθανότητα υπέρβασης δεδομένου επιπέδου βλάβης που μπορεί να οδηγήσει σε μερική ή ολική κατάρρευση

35 III-ΣΤ. ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ Οι επιπτώσεις της βιολογικής διάβρωσης στις ορυκτές φάσεις: Αισθητική παρουσία του υλικού Χημικές διεργασίες στην επιφάνεια των υλικών Φυσικές διεργασίες στην επιφάνεια των υλικών Είδη Βακτηρία, άλγη, μύκητες ακτινομύκητες, λειχήνες, δέντρα και φυτά, πουλιά Η ανάπτυξη φυτών ανάμεσα στις ψηφίδες του ψηφιδωτού οδηγεί στην καταστροφή του

36 III-ΣΤ. ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ Μεσαιωνική Πόλη της Ρόδου Βιολογική κρούστα με μαύρο και γκρίζο χρώμα

37 III-ΣΤ. ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ

38 IV. ΜΙΚΡΟΚΛΙΜΑΚΑ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΚΥΡΙΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΦΘΟΡΑΣ ΙV-Α ΙV-Β Η επίδραση της ατμόσφαιρας στη φθορά IV-Α.1. Η ρύπανση της ατμόσφαιρας IV-A.2. Μορφές επιφανειακής φθοράς IV-A.3. Γυψοποίηση IV-A.3. Η επίδραση του διοξειδίου του άνθρακα IV-A.4. Λοιπές κρούστες Η επίδραση του νερού και των αλάτων IV-B.1. Πηγές υγρασίας IV-Β.2. Ο ρόλος του νερού IV-Β.3. Η μεταφορά του νερού σε πορώδη μέσα IV-B.4. Κρυστάλλωση αλάτων IV-B.5. Ζώνη εξάτμισης IV-B.6. Μοντέλο φθοράς λόγω κρυστάλλωσης αλάτων

39 IV-Α.1 Η ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Η «καθαρή» ατμόσφαιρα συνίσταται από: Ξηρός Αέρας: % κ.ό. Άζωτο % κ.ό. Οξυγόνο 0.93 % κ.ό. Αργό Ίχνη Διοξειδίου του Άνθρακα, Διοξειδίου και Τριοξειδίου του Θείου, Οξειδίων του Αζώτου, Όζοντος, Χλωρίου. Νερό Στερεά και υγρά σωματίδια σε αιώρηση (αερολύματα) Ως ρύπανση της ατμόσφαιρας θεωρείται: η παρουσία μη φυσιολογικών προσμίξεων (ουσιών που δεν υπήρχαν στη φύση σε καθαρή κατάσταση και προστέθηκαν από ανθρώπινες δραστηριότητες) ή η αυξημένη μη φυσιολογική συγκέντρωση φυσιολογικών προσμίξεων (ουσιών που υπήρχαν στη φύση αλλά η συγκέντρωσή τους αυξήθηκε από τις ανθρώπινες δραστηριότητες)

40 IV-Α.1 Η ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Ρυπαντής Ρυπαντής είναι οποιαδήποτε ουσία που υπερβαίνει μια οριακή συγκέντρωση στο περιβάλλον και ρυπαίνει την ατμόσφαιρα, το έδαφος ή/και τη θάλασσα. Η ρύπανση της ατμόσφαιρας αναφέρεται κυρίως στην δράση: Αέριων ρυπαντών όπως το SO 2,SO 3, NO x κ.α, Σωματιδιακών ρυπαντών (αερολύματα) Οξινισμένων κατακρημνισμάτων Σύγκριση συγκεντρώσεων διαφόρων ρυπαντών (ppm) Καθαρή ατμόσφαιρα Ρυπασμένη ατμόσφαιρα Λόγος ρυπασμένης προς καθαρή συγκέντρωση CO CO CH N 2 O 0.25 ; - NO 2 (NO x ) O SO NH

41 IV-Α.1 Η ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Η φθορά που οφείλεται στην ρύπανση της ατμόσφαιρας είναι αποτέλεσμα συνεργιστικής δράσης των παραπάνω ρυπαντών και συχνά είναι δύσκολο να διαχωριστούν οι επιμέρους επιδράσεις, καθώς μεσολαβούν διάφορες φυσικές και χημικές διεργασίες, που οδηγούν στην παραγωγή δευτερογενών ρυπαντών Έτσι, οι ρυπαντές μπορούν να διαχωριστούν σε δύο κατηγορίες: Πρωτογενείς ρυπαντές, δηλ αυτοί που εκπέμπονται απευθείας από φυσικές ή ανθρώπινες πηγές Δευτερογενείς ρυπαντές, δηλ. αυτοί που παράγονται στην ατμόσφαιρα με αντίδραση δύο ή περισσοτέρων πρωτογενών ρυπαντών ή από τα κανονικά συστατικά της ατμόσφαιρας.

42 IV-Α.1 Η ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Αντιδράσεις σε υγρή-φάση Δευτερογενείς Ρύποι Αντιδράσεις Διασπορά Όξινη Βροχή Ατμοσφαιρικό Αερόλυμα Πρωτογενείς Ρύποι Εκπομπές

43 IV-Α.1 Η ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Η ρύπανση της ατμόσφαιρας είναι ένα φαινόμενο που αναπτύσσεται στην παγκόσμια κλίμακα και οι επιπτώσεις της γίνονται φανερές σε όλο τον πλανήτη. Οι κάτοικοι των πόλεων, ιδιαίτερα, έρχονται σε επαφή με την έντονη αστική ατμοσφαιρική ρύπανση, η οποία εμφανίζεται με δύο κυρίως φαινόμενα: Καπνομίχλη: Υψηλή συγκέντρωση θειούχων ρύπων + Σημαντική συγκέντρωση σωματιδίων + Χαμηλή θερμοκρασία + Υψηλή υγρασία Εμφανίζεται συνήθως σε πόλεις με ψυχρό κλίμα (Λονδίνο) αλλά και στην Αθήνα το χειμώνα Φωτοχημικό νέφος: Υψηλή θερμοκρασία + Μεγάλη ηλιοφάνεια + Χαμηλή υγρασία + Υψηλές συγκεντρώσεις NΟx και πτητικών οργανικών ενώσεων Εμφανίζεται συνήθως σε πόλεις με θερμό κλίμα (Λος Άντζελες). Στην Αθήνα συνδυάζεται με αυξημένη συγκέντρωση καπνού και σωματιδίων.

44 IV-Α.1 Η ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Οι αέριοι ρυπαντές και τα αερολύματα, μεταφέρονται στις επιφάνειες των υλικών με τους ακόλουθους μηχανισμούς: Ξηρή απόθεση λόγω βαρύτητας Brownian Διάχυση - Σύγκρουση - Συσσωμάτωση - Βαρύτητα - Κατακρήμνιση - Ελάττωση της συγκέντρωσης των σωματιδίων με d<100 nm Ξηρή απόθεση από ατμοσφαιρικές κινήσεις Μεταφορά με τυρβώδη διάχυση - Απορρόφηση από επιφάνειες Υγρή απομάκρυνση με βροχή (washout) Στερεοί ρύποι: παρασύρονται από τις σταγόνες της βροχής Αέριοι ρύποι: Διάχυση μορίων στο εσωτερικό των σταγόνων Υγρή απομάκρυνση με σταγόνες νεφών (rainout) Απορρόφηση ρύπων από τις σταγόνες Μεταφορά στη γη όταν το νέφος γίνεται βροχή.

45 IV-Α.1 Η ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Απόθεση σε ξηρή φάση: απευθείας αντίδραση ή προσρόφηση στην επιφάνεια Απόθεση σε υγρή φάση: μεταφορά ρύπων με κατακρημνίσματα ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΜΑΤΑ ΞΗΡΗ ΑΠΟΘΕΣΗ ΥΓΡΗ ΑΠΟΘΕΣΗ Πρωτεύων ρύπος Δευτερεύων ρύπος

46 ΓΕΝΙΚΕΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΣΥΧΝΟΤΕΡΑ ΣΥΝΑΝΤΟΜΕΝΩΝ ΜΟΡΦΩΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΦΘΟΡΑΣ Ρωγμές Οφείλονται σε αστοχίες υλικού κατά την τοποθέτηση, σε σεισμικές καταπονήσεις, σε θερμοκρασιακές μεταβολές, παγετό ή εξωτερικά μηχανικά αίτια Περικρυσταλλικές ρηγματώσεις Οφείλονται σε κόπωση του λίθου λόγω συνεχών κύκλων συστολο-διαστολών. Οι ρηγματώσεις επιδεινώνονται από την όξινη προσβολή αέριων ρυπαντών Ζαχαροειδής φθορά Εμφανίζεται κυρίως στα μάρμαρα. Οφείλεται σε διακρυσταλλική αποσάθρωση που οδηγεί στην εκλεκτική αποκόλληση κόκκων μεταβάλλοντας την υφή της επιφάνειας με αποτέλεσμα αυτή να προσομοιάζει κόκκους ζάχαρης

47 ΓΕΝΙΚΕΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΣΥΧΝΟΤΕΡΑ ΣΥΝΑΝΤΟΜΕΝΩΝ ΜΟΡΦΩΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΦΘΟΡΑΣ Αποπλυμένες επιφάνειες Είναι αποτέλεσμα διαδοχικής έκπλυσης / διάλυσης του ασβεστίτη από την όξινη βροχή γεγονός που συνεπάγεται απώλεια αυθεντικού υλικού. Συνήθης η παρουσία μικρορηγματώσεων και απολέπισης, τραχιάς επιφάνειας σε πλήρως απροστάτευτες επιφάνειες (πιθανή η παρουσία γύψου σε μικρές ή μεγάλες ποσότητες ανάλογα με το βαθμό προστασίας της επιφάνειας) Ανθρακικές κρούστες (συνήθως λευκές), Οφείλονται σε διαδοχική διάλυση του ασβεστίτη από την όξινη βροχή όπου λόγω περιβαλλοντικών συνθηκών (θερμοκρασία, σχετική υγρασία κ.α.) σχηματίζεται ανακρυσταλλωμένος ασβεστίτης CaCO3 (s) + H2O (l) + CO2 (g) Ca(HCO3)2 (aq)

48 ΓΕΝΙΚΕΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΣΥΧΝΟΤΕΡΑ ΣΥΝΑΝΤΟΜΕΝΩΝ ΜΟΡΦΩΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΦΘΟΡΑΣ Φαιόμαυρες ή μαύρες κρούστες Είναι αποτέλεσμα γυψοποίησης της ασβεστιτικής επιφάνειας και προσρόφησης μαύρων σωματιδίων αιθάλης, Η/C κ.ά. σωματιδίων ατμοσφαιρικής προέλευσης που δρουν ως ενεργοί καταλύτες του μετασχηματισμού του ασβεστίτη σε γύψο. Οι επιφάνειες των φαιόμαυρων κρουστών είναι προστατευμένες άμεσης έκπλυσης από το νερό της βροχής Φαιοκάστανες κρούστες Είναι κρούστες με πλούσια περιεκτικότητα σε οξείδια και υδροξείδια του σιδήρου (έντονη γκριζοκάστανη ή/και πορτοκαλοκάστανη χροιά) τα οποία πολλές φορές είναι θωρακισμένα πίσω από ομοιογενές και συμπαγές στρώμα αργιλοπυριτικών διαδοχική διάλυση του ασβεστίτη από την όξινη βροχή όπου λόγω περιβαλλοντικών συνθηκών (θερμοκρασία, σχετική υγρασία κ.α.) σχηματίζεται ανακρυσταλλωμένος ασβεστίτης

49 ΓΕΝΙΚΕΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΣΥΧΝΟΤΕΡΑ ΣΥΝΑΝΤΟΜΕΝΩΝ ΜΟΡΦΩΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΦΘΟΡΑΣ Χρυσές πάτινες / πάτινες στο χρώμα της σκουριάς Οφείλονται σε διάχυση ιόντων σιδήρου του μαρμάρου από το εσωτερικό προς την εξωτερική επιφάνεια και οξείδωσή τους (πρσδίδοντας έντονη πορτοκαλοκάστανη χροιά) Αλκαλοπυριτικές (τσιμεντιτικές) κρούστες Πρόκειται για σκληρό στρώμα ένυδρου πυριτικού ασβεστίου το οποίο καλύπτει τη λίθινη επιφάνεια, ενώ παρουσιάζονται συνήθως πολλές κοιλότητες και ρηγματώσεις Προσανατολισμένα χαράγματα Πρόκειται για κατευθυνόμενες προσανατολισμένες γραμμές από παλαιότερες ασύμβατες επεμβάσεις συντήρησης από μεταλλικές βούρτσες και σβουράκια

50 ΓΕΝΙΚΕΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΣΥΧΝΟΤΕΡΑ ΣΥΝΑΝΤΟΜΕΝΩΝ ΜΟΡΦΩΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΦΘΟΡΑΣ Επικαθήσεις σκόνης Πρόκειται για αποθέσεις μη συνεκτικά συνδεδεμένες με το υπόστρωμα αργιλοπυριτικής σύστασης Μαύρες επικαθήσεις Αποθέσεις μη συνεκτικά συνδεδεμένες με το υπόστρωμα συνήθως αργιλοπυριτικής σύστασης έντονου μαύρου χρώματος λόγω σωματιδίων αιθάλης και Η/C (μπορεί να επικαλύπτουν περιοχές κρουστών) Γκρίζα περιοχή - κρούστα Σκόνη και ξηρές θωρακισμένες αποθέσεις συσσωρευμένες για πολύ χρόνο. Σχηματισμός συμπαγούς στρώματος που περιέχει και ανακρυσταλλωμένο ασβεστίτη σε περιοχές που δε διαβρέχονται καθόλου από νερό Ανθρακική κρούστα Σχηματίζεται λόγω διάβρωσης ασβεστολιθικών πετρωμάτων σε φυσικό περιβάλλον

51 ΓΕΝΙΚΕΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΣΥΧΝΟΤΕΡΑ ΣΥΝΑΝΤΟΜΕΝΩΝ ΜΟΡΦΩΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΦΘΟΡΑΣ Στρώμα γύψου Σχηματίζεται σε επιφάνειες ασβεστιτικών λίθων προστατευμένων από το νερό της βροχής Απομειώσεις επιφανειών Εμφανίζονται λόγω χημικής διάλυσης ή αιολικής φθοράς Φθορά με απόσπαση κόκκων ή κρυστάλλων Εμφανίζεται λόγω δράσης αλάτων ή περικρυσταλλικής χημικής προσβολής Απολέπιση Συμβαίνει λόγω δράσης αλάτων, όξινης προσβολής και θερμοκρασιακών μεταβολών

52 ΓΕΝΙΚΕΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΣΥΧΝΟΤΕΡΑ ΣΥΝΑΝΤΟΜΕΝΩΝ ΜΟΡΦΩΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΦΘΟΡΑΣ Κυψέλωση Συμβαίνει λόγω δράσης διαλυτών αλάτων σε πορώδεις λίθους και λόγω όξινης προσβολής ή βιολογικών δράσεων σε συμπαγείς λίθους Συμπαγής κρούστα διαλυτών αλάτων Βιολογική κρούστα Ανάπτυξη μικροοργανισμών ανάλογα με τις συνθήκες του μικροκλίματος Χρωματικές αλλοιώσεις Εμφανίζονται από αλλοιώσεις διαφόρων φάσεων του λίθου και από οξείδια μετάλλων

53 ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΦΘΟΡΕΣ ΙΕΡΟ ΤΗΣ ΔΗΜΗΤΡΑΣ - ΕΛΕΥΣΙΝΑ A. Moropoulou et al. Origin and growth of weathering crusts on ancient marbles in industrial atmosphere Atmospheric Environment 32 [6] (1998) Αποκολλήσεις (κοκκώδης αποσάθρωση), παρουσία πάτινας στο χρώμα της σκουριάς

54 ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΦΘΟΡΕΣ ΙΕΡΟ ΤΗΣ ΔΗΜΗΤΡΑΣ - ΕΛΕΥΣΙΝΑ A. Moropoulou et al. Origin and growth of weathering crusts on ancient marbles in industrial atmosphere Atmospheric Environment 32 [6] (1998) Πάτινες στο χρώμα της σκουριάς σε αποπλυμένες επιφάνειες και όπου παρατηρούνται φαινόμενα αναπήδησης νερού

55 ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΦΘΟΡΕΣ ΙΕΡΟ ΤΗΣ ΔΗΜΗΤΡΑΣ - ΕΛΕΥΣΙΝΑ A. Moropoulou et al. Origin and growth of weathering crusts on ancient marbles in industrial atmosphere Atmospheric Environment 32 [6] (1998) Ε6 Ε6Β Ε5 Κοιλότητα της μαρμάρινης επιφάνειας η οποία έχει καλυφθεί από τσιμεντιτική κρούστα (Ε5), ενώ στην άλλη άκρη σχηματίζεται γκρι-κίτρινη κρούστα (Ε6) η οποία συνεχίζει στην αποπλυμένη επιφάνεια (Ε6Β)

56 ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΦΘΟΡΕΣ ΙΕΡΟ ΤΗΣ ΔΗΜΗΤΡΑΣ - ΕΛΕΥΣΙΝΑ A. Moropoulou et al. Origin and growth of weathering crusts on ancient marbles in industrial atmosphere Atmospheric Environment 32 [6] (1998) Μαύρη κρούστα με την μορφή χαλαρών αποθέσεων

57 ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΦΘΟΡΕΣ ΙΕΡΟ ΤΗΣ ΔΗΜΗΤΡΑΣ - ΕΛΕΥΣΙΝΑ A. Moropoulou et al. Origin and growth of weathering crusts on ancient marbles in industrial atmosphere Atmospheric Environment 32 [6] (1998) Μαύρη-γκρι κρούστα ισχυρά συνδεδεμένη στην επιφάνεια

58 ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΠΑΡΑΓΟΝΤΩΝ ΦΘΟΡΑΣ ΓΙΑ ΑΣΒΕΣΤΟΛΙΘΙΚΑ ΥΛΙΚΑ

59 IV-Α.2 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΘΕΙΟΥ CaCO ΓΥΨΟΠΟΙΗΣΗ 3 SO2 H2O 1 2O2 CaSO H O CO 2 2 Ο γύψος που σχηματίζεται απομακρύνεται (αποπλένεται) πολύ ευκολότερα από την επιφάνεια της πέτρας καθώς έχει αρκετά μεγαλύτερη διαλυτότητα σε σχέση με το CaCO 3, συγκεκριμένα, 2.4 g/l και g/l αντίστοιχα Παρόλο που τα αρχικά συστατικά και τα τελικά προϊόντα είναι γνωστά, τα ενδιάμεσα στάδια της παραπάνω συνολικής αντίδρασης δεν έχουν αποκαλυφθεί πλήρως και προτείνονται διάφοροι μηχανισμοί, όπως οι ακόλουθοι: Ετερογενής οξείδωση του SO 2 σε υγρή φάση που πραγματοποιείται είτε στην ατμόσφαιρα είτε στην επιφάνεια της πέτρας SO ύ 2( g) 1/ 2O2( g) SO3( g) CaCO 3( s) SO3( g) 2H 2O( g) CaSO 4 2H 2O( s) CO2( g)

60 IV-Α.2 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΘΕΙΟΥ Εν ξηρώ απόθεση του SO 2 και απευθείας προσβολή της πέτρας CaCO 3( s) SO 2( g) CaSO CaSO 3 3 1/ 2H 2O 2H 2O CO 2 CaSO CaSO 3 3 1/ 2H2O 2H O 2 1/ 2O 2 ύ, 2 CaSO 4 2H 2 O Προτεινόμενο μοντέλο γυψοποίησης του ανθρακικού ασβεστίου και των μαρμάρων γενικότερα με βάση τη θεωρία του Wagner (ηλεκτροχημικό δυναμικό)

61 IV-Α.2 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΘΕΙΟΥ ΜΑΥΡΕΣ ΚΡΟΥΣΤΕΣ Οι "μαύρες κρούστες" είναι η πιο διαδεδομένη μορφή φθοράς των επιφανειών των μνημείων και μαρμάρινων κατασκευών σε ρυπασμένη ατμόσφαιρα. Οι κρούστες αυτές δημιουργούνται σε κάθετες επιφάνειες προφυλαγμένες από τη συνεχή ροή του νερού. Η επαφή του νερού με το μάρμαρο θα πρέπει να είναι τέτοια, ώστε να υποκινήσει την αντίδραση μεταξύ της επιφάνειας και του διαβρωτικού περιβάλλοντος χωρίς να παρασύρει τα προϊόντα ξεπλένοντας την επιφάνεια

62 IV-Α.2 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΘΕΙΟΥ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΓΥΨΟΥ ΧΑΛΑΡΕΣ ΑΠΟΘΕΣΕΙΣ

63 IV-Α.2 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΘΕΙΟΥ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΓΥΨΟΥ ΧΑΛΑΡΕΣ ΑΠΟΘΕΣΕΙΣ

64 IV-Α.2 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΘΕΙΟΥ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΓΥΨΟΥ ΧΑΛΑΡΕΣ ΑΠΟΘΕΣΕΙΣ

65 IV-Α.3 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ Το CO 2 διαλύεται στο βρόχινο νερό σύμφωνα με την αντίδραση: CO2 gas H 2O liquid CO2 H 2 Στη συνέχεια, το ανθρακικό οξύ, CO 2.H 2 O (φυσικά διαλυμένο CO 2 ), διασπάται σύμφωνα με τις ακόλουθες αντιδράσεις O liquid CO2 HCO HCO H 2O H 3 H 2 3 CO 3 Το ασθενές όξινο διάλυμα που παράγεται από την διάλυση του CO 2 στο βρόχινο νερό διαλύει το ανθρακικό ασβέστιο και ανθρακικό μαγνήσιο που βρίσκονται στους ασβεστόλιθους, το δολομιτικό μάρμαρο, τα ασβεστοκονιάματα και επιχρίσματα με ασβέστη, καθώς παράγονται ευδιάλυτες όξινες ανθρακικές ενώσεις CaCO MgCO CO2 H 2O Ca HCO 3 CO2 H 2O Mg HCO

66 IV-Α.3 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ ΑΠΟΠΛΥΜΕΝΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΕΣ

67 IV-Α.3 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ ΑΠΟΠΛΥΜΕΝΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΕΣ

68 IV-Α.3 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ ΑΠΟΠΛΥΜΕΝΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΕΣ

69 IV-Α.4 ΚΙΤΡΙΝΕΣ ΚΡΟΥΣΤΕΣ ΚΙΤΡΙΝΕΣ ΚΡΟΥΣΤΕΣ (ΠΑΤΙΝΕΣ)

70 ΚΙΤΡΙΝΕΣ ΚΡΟΥΣΤΕΣ (ΠΑΤΙΝΕΣ) IV-Α.4 ΚΙΤΡΙΝΕΣ ΚΡΟΥΣΤΕΣ

71 IV-Α.5 ΓΚΡΙΖΟΜΑΥΡΕΣ ΚΡΟΥΣΤΕΣ ΓΚΡΙΖΟΜΑΥΡΕΣ ΚΡΟΥΣΤΕΣ

72 ΓΚΡΙΖΟΜΑΥΡΕΣ ΚΡΟΥΣΤΕΣ IV-Α.5 ΓΚΡΙΖΟΜΑΥΡΕΣ ΚΡΟΥΣΤΕΣ

73 ΓΚΡΙΖΟΜΑΥΡΕΣ ΚΡΟΥΣΤΕΣ IV-Α.5 ΓΚΡΙΖΟΜΑΥΡΕΣ ΚΡΟΥΣΤΕΣ

74 IV-Α.6 ΤΣΙΜΕΝΤΙΤΙΚΕΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ ΤΣΙΜΕΝΤΙΤΙΚΕΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ

75 ΤΣΙΜΕΝΤΙΤΙΚΕΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ IV-Α.6 ΤΣΙΜΕΝΤΙΤΙΚΕΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ

76 ΤΣΙΜΕΝΤΙΤΙΚΕΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ IV-Α.6 ΤΣΙΜΕΝΤΙΤΙΚΕΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ

77 Η επίδραση του νερού και των αλάτων

78 IV-Β. Η ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΟΥ ΠΟΡΩΔΟΥΣ Το πορώδες ορίζεται ως ο λόγος (%) του όγκου των κενών χώρων, V p, προς τον συνολικό όγκο, V, του δείγματος P V V p x100 Κλειστοί Νεκρού άκρου Iζηματογενές υλικό Πορώδες % Iζηματογενές υλικό Πορώδες % Τύρφη Μίγμα λεπτόκοκκης - μεσόκοκκης άμμου Εδάφη Χαλίκια Άργιλος Χαλίκια και άμμος Λάσπη Ψαμμίτης Μίγμα μεσόκοκκης - χονδρόκοκκης άμμου Μάρμαρο 1-10 Ομοιόμορφη άμμος Ασβεστόλιθος 1-10 Τηλεσκόπια Μελανοδοχεία Κανάλια

79 IV-Β.1 ΠΗΓΕΣ ΥΓΡΑΣΙΑΣ Από τα ατμοσφαιρικά κατακρημνίσματα Με τη συμπύκνωση της ατμοσφαιρικής υγρασίας Με την τριχοειδή αναρρίχηση του εδαφικού νερού Με την απ ευθείας μεταφορά σταγονιδίων από τη θάλασσα Από τη χρήση νερού κατά τη διαδικασία καθαρισμού Από τις διαρροές των δικτύων αποχέτευσης και Palazzo Dorio, Venice παροχέτευσης

80 IV-Β.2 Ο ΡΟΛΟΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ Ελέγχει τη μεταφορά, κρυστάλλωση, ανακρυστάλλωση και ενυδάτωση των αλάτων στα δομικά υλικά ενώ παράλληλα ευθύνεται για την ανάπτυξη ισχυρών οσμωτικών πιέσεων όταν υπάρχουν οι κατάλληλες προϋποθέσεις Οι αέριοι ρύποι μεταφέρονται στο νερό με τη βροχή ή με συμπύκνωση για να σχηματίσουν όξινα διαλύματα ιδιαίτερα επικίνδυνα για τις πέτρες ανθρακικής σύστασης Πολλές αντιδράσεις στην επιφάνεια και στο εσωτερικό της πέτρας μπορούν να λάβουν χώρα μόνο παρουσία νερού (ιονεναλλακτική εξαλλοίωση ορυκτών, υδρόλυση κ.α.). Οι δράσεις αυτές είναι κρίσιμες για τη διάβρωση των αργιλο-πυριτικών πετρωμάτων

81 IV-Β.2 Ο ΡΟΛΟΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ Μια μεγάλη κατηγόρια διαβρωτικών φαινομένων ερμηνεύεται μέσω των κυκλικών μεταβολών της ατμοσφαιρικής υγρασίας, ιδιαίτερα παρουσία διαλυτών αλάτων. Επίσης η θιξοτροπία και η διόγκωση του πλέγματος ορισμένων αργίλων είναι φαινόμενα που σχετίζονται με τις αλλαγές της ατμοσφαιρικής υγρασίας Το νερό προκαλεί μηχανική φθορά όταν η θερμοκρασία είναι χαμηλότερη από 0 ο C, ένα φαινόμενο αρκετά περίπλοκο και ιδιαίτερα σοβαρό όσο η συχνότητα των κύκλων αυξάνει Φθορά μπορεί να προκληθεί επίσης και από ισχυρές καταιγίδες και χαλαζοπτώσεις Το σύνολο σχεδόν των βιολογικών δράσεων συμβαίνει μόνο παρουσία υγρασίας

82 IV-Β.3 Η ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΣΕ ΠΟΡΩΔΗ ΜΕΣΑ Η μεταφορά του νερού λαμβάνει χώρα τόσο οριζόντια (π.χ. μεταφορά υγρασίας από το εξωτερικό τοιχοποιίας στο εσωτερικό της), όσο και κατακόρυφα (π.χ. αναρρίχηση υγρασίας από το έδαφος). Η οριζόντια μετακίνηση του νερού υπολογίζεται ως εξής: x A t όπου x είναι η οριζόντια μετακίνηση (m), Α, είναι η διαπερατότητα του υλικού στο υγρό (m/s 1/2 ), και t, είναι ο χρόνος μέτρησης. Η διαπερατότητα του υλικού υπολογίζεται ως εξής: A r 2 όπου γ είναι η επιφανειακή τάση (Ν/m), r, η διάμετρος των τριχοειδών (m), και η, το δυναμικό ιξώδες (Νs/m 2 )

83 IV-Β.3 Η ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΣΕ ΠΟΡΩΔΗ ΜΕΣΑ Σε κατακόρυφη μετακίνηση, επιδρά επιπλέον η βαρύτητα και σε κατάσταση ισορροπίας (όταν δεν επιδρούν άλλοι παράγοντες όπως η εξάτμιση), το μέγιστο ύψος που μπορεί να φθάσει το νερό σε σχέση με το επίπεδο δεξαμενής υπολογίζεται από τον νόμο του Jurin, και είναι: h 2 cos g r όπου, γ είναι η επιφανειακή τάση, r, η διάμετρος των τριχοειδών, ρ, είναι η πυκνότητα του υγρού, g, η επιτάχυνση της βαρύτητας, και θ, η γωνία επαφής του υγρού με το υλικό

84 IV-Β.3 Η ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΣΕ ΠΟΡΩΔΗ ΜΕΣΑ Υδρόφοβη επιφάνεια θ θ Υδρόφιλη επιφάνεια Υδρόφοβο τριχοειδές Υδρόφιλο τριχοειδές Δεξαμενή υγρού Η γωνία επαφής για υδρόφοβα και υδρόφιλα υλικά

85 IV-Β.3 Η ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΣΕ ΠΟΡΩΔΗ ΜΕΣΑ Το μέγιστο ύψος της τριχοειδούς αναρρίχησης είναι συνήθως μικρότερο από αυτό που υπολογίζεται θεωρητικά, καθώς: Ο υπολογισμός του μέγιστου ύψους αναρρίχησης σε μια τοιχοποιία είναι δύσκολος γιατί η τοιχοποιία είναι ένα ανομοιογενές σύστημα από διαφορετικά υλικά. Η χρήση του κυλινδρικού μοντέλου των πόρων είναι πολύ απλοποιημένη και δεν λαμβάνει υπόψη της το σχήμα, την τραχύτητα και την κατανομή μεγέθους πόρων Η εξάτμιση του νερού κατά της διάρκεια της ανύψωσης οδηγεί σε μείωση του συνολικού ύψους, μέχρι σε ένα σημείο όπου η αναρρίχηση σταματά γιατί η εξάτμιση κυριαρχεί επί της αναρρίχησης, ακόμη και σε τοιχοποιίες με υψηλό περιεχόμενο υγρασίας.

86 IV-Β.4 ΚΡΥΣΤΑΛΛΩΣΗ ΑΛΑΤΩΝ Ο κυριότερος και πιθανά ο καταστροφικότερος παράγοντας φθοράς για τα πορώδη υλικά Επιδρά σε όλα τα πορώδη υλικά ανεξάρτητα από την χημική τους σύσταση και ενισχύει τους υπόλοιπους παράγοντες φθοράς Συμβαίνει λόγω δημιουργίας υπέρκορων διαλυμάτων και καθίζησης αλάτων στο εσωτερικό της πέτρας κατά τη φάση της ξήρανσης. Τα σημεία της τοιχοποιίας εσωτερικά ή εξωτερικά - όπου θα αναπτυχθούν κρύσταλλοι αλάτων είναι σε συνάρτηση με τις ατμοσφαιρικές συνθήκες Η πίεση κρυστάλλωσης που αναπτύσσεται, είναι πιθανό να οδηγήσει σε ρήξη των τοιχωμάτων πόρων όταν είναι μεγαλύτερη από τη θλιπτική αντοχή της πέτρας

87 IV-Β.4 ΚΡΥΣΤΑΛΛΩΣΗ ΑΛΑΤΩΝ Μικρογραφία SEM που παρουσιάζει το εσωτερικό πόρων λίθου. Το διάγραμμα άνω-δεξιά δείχνει το φάσμα ακτίνων X (EDX) που καταγράφεται στο εσωτερικό του πόρου στα αριστερά. Είναι φανερή η ύπαρξη NaCl.

88 IV-Β.4 ΚΡΥΣΤΑΛΛΩΣΗ ΑΛΑΤΩΝ Εξανθήσεις αλάτων Ανάπτυξη και απόθεση κρυστάλλων στην εξωτερική επιφάνεια του πορώδους υλικού [Ρυθμός μεταφοράς διαλύματος αλάτων προς το εξωτερικό > ρυθμός ξήρανσης] Κρυπτο-εξανθήσεις αλάτων Ανάπτυξη κρυστάλλων στο εσωτερικό (πόροι) του λίθου με απόθεση διαλύματος αλάτων μέσα στους πόρους [Ρυθμός μεταφοράς διαλύματος αλάτων προς το εξωτερικό < ρυθμός ξήρανσης] Επικίνδυνη κατάσταση, καθώς μπορεί να οδηγήσει σε ανάπτυξη πιέσεων, που εξαρτώνται από τον τύπο των αλάτων, και το μέγεθος και κατανομή των πόρων

89 IV-Β.4 ΕΝΕΡΓΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Αναγκαία συνθήκη για κορεσμό ή υπερκορεσμό του διαλύματος αλάτων μέσα στους πόρους: Σχετική υγρασία της ατμόσφαιρας, RH atm < Σχετική υγρασία ισορροπίας μεταξύ του κρυστάλλου και του διαλύματός του, RH eq Καθίζηση ενός κρυστάλλου από διάλυμα ΔG n = ΔG bulk + ΔG surf where: ΔG n = ελεύθερη ενέργεια σχηματισμού του κρυστάλλου ΔG bulk = -n R T ln( IAP / K ) ΔG surf = Συνεισφορά της αλλαγής της επιφάνειας στην ελεύθερη ενέργεια σχηματισμού του κρυστάλλου IAP = [Na + ] [Cl - ] : Γινόμενο ιονικής ενεργότηταςστο αρχικό υπέρκορο διάλυμα που καθορίζει αν ένα άλας μπορεί να καθιζάνει ή όχι: IAP K συνθήκη για υπερκορεσμό K = Τιμή ισορροπίας του γινομένου ιονικής ενεργότητας n = αριθμός moles που έχουν καθιζάνει

90 IV-Β.4 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΡΥΣΤΑΛΛΩΝ Μεταφορά ιόντων στην επιφάνεια του κρυστάλλου Διάφορες επιφανειακές αντιδράσεις (ρόφηση, επιφανειακή πυρήνωση, επιφανειακή διάχυση, αφυδάτωση, ιοντοανταλλαγή) Ενσωμάτωση των ιόντων στο κρυσταλλικό πλέγμα Ανάπτυξη κρυστάλλου

91 IV-Β.4 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΡΥΣΤΑΛΛΩΝ

92 IV-Β.4 ΠΙΕΣΗ ΚΡΥΣΤΑΛΛΩΣΗΣ Όσο αναπτύσσονται οι κρύσταλλοι, προκαλούν πιέσεις στα τοιχώματα των πόρων: P i 2 V V R r 1 ri i 1 R Όπου: σ = Διεπιφανειακή τάση μεταξύ κρυστάλλου άλατος και διαλύματος r i = ακτίνα μικρού πόρου i R = ακτίνα μεγάλου πόρου V ri = % όγκος των πόρων ακτίνας r i V R = % όγκος των μεγάλων πόρων με ακτίνα R ΥΨΗΛΟΣ ΛΟΓΟΣ ΜΙΚΡΩΝ / ΜΕΓΑΛΩΝ ΠΟΡΩΝ Ανάπτυξη υψηλών πιέσεων

93 IV-Β.4 ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΟΙ ΤΡΟΠΟΙ ΕΞΕΛΙΞΗ ΚΡΥΣΤΑΛΛΩΣΗΣ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ 2 (Συνέχιση της ανάπτυξης κρυστάλλων) Μετά την πλήρωση των μεγάλων πόρων με κρυστάλλους, υπάρχουν δύο δυνατότητες: 1. Ανάπτυξη τάσεων στα τοιχώματα των πόρων ικανές να διαρρήξουν τα τοιχώματα και να επιτρέψουν την περαιτέρω ανάπτυξη κρυστάλλων: ΔG 1 = ΔG bulk + ΔW όπου ΔG bulk = ελεύθερη ενέργεια κρυστάλλου ΔW = έργο που απαιτείται για διάρρηξη των τοιχωμάτων των πόρων ΔW= ½ σ c ΔV (συμπίεση) ή ΔW = ½ σ t ΔV (εφελκυσμός) ΔV = μεταβολή όγκου όταν ο λίθος υπόκειται σε τάση ίση με την αντοχή του σε συμπίεση, σ c, ή την αντοχή του σε εφελκυσμό, σ t σ c = αντοχή σε συμπίεση = αντοχή σε εφελκυσμό σ t 2. Διάδοση των κρυστάλλων διαμέσου των τριχοειδών μετά την πλήρωση των μεγάλων πόρων: ΔG 2 = ΔG bulk + ΔG surf

94 IV-Β.4 ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΟΙ ΤΡΟΠΟΙ ΕΞΕΛΙΞΗ ΚΡΥΣΤΑΛΛΩΣΗΣ Εκτίμηση του πιθανότερου θερμοδυναμικά σεναρίου ΔG 1 ΔG 2 = (ΔG bulk + ΔW ) (ΔG bulk + ΔG surf ) = ΔW - ΔG surf ΔG 1 = Μεταβολή στην ελεύθερη ενέργεια που αντιστοιχεί στην σταδιακή διόγκωση των κρυστάλλων, που ξεκινά στους μεγάλους πόρους, συνεχίζει με ανάπτυξη μηχανικών τάσεων και οδηγεί σε μηχανική αστοχία ΔG 2 = Μεταβολή στην ελεύθερη ενέργεια που αντιστοιχεί στην διάδοση των κρυστάλλων διαμέσου των τριχοειδών, μετά την πλήρωση των μεγάλων πόρων ΔW > ΔG surf ΔΙΑΔΟΣΗ ΤΩΝ ΚΡΥΣΤΑΛΛΩΝ ΔΙΑΜΕΣΟΥ ΤΩΝ ΤΡΙΧΟΕΙΔΩΝ ΚΑΙ ΣΤΑΔΙΑΚΗ ΠΛΗΡΩΣΗ ΤΩΝ ΠΟΡΩΝ ΔW < ΔG surf ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΩΝ ΚΡΥΣΤΑΛΛΩΝ ΣΤΟΥΣ ΜΕΓΑΛΟΥΣ ΠΟΡΟΥΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΑΣΤΟΧΙΑ

95 IV-Β.5 ΖΩΝΗ ΕΞΑΤΜΙΣΗΣ Ορίζεται ζώνη εξάτμισης παράλληλα με την ζώνη κρυστάλλωσης αλάτων Τρόποι ανάπτυξης κρυστάλλων κατά την διαδικασία εξάτμισης μέσα στους πόρους της τοιχοποιίας

96 IV-Β.6 ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΘΟΡΑΣ ΛΟΓΩ ΚΡΥΣΤΑΛΛΩΣΗΣ ΑΛΑΤΩΝ Μοντέλο διαδικασίας φθοράς της τοιχοποιίας λόγω κρυστάλλωσης αλάτων NaCl στους πόρους βιοκαλκαρενίτη

97 Χρηματοδότηση Το παρόν υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.