Υλικά επεµβάσεων σε Ιστορικά κτίρια:

Τεχνικό Επιµελητήριο Ελλάδας Ηµερίδα: «Ενίσχυση Κτιρίων µε σύγχρονα υλικά» Αθήνα, Τρίτη 6 Νοεµβρίου 2007 Υλικά επεµβάσεων σε Ιστορικά κτίρια: Σχεδιασµός και κριτήρια επιλογής Ιωάννα Παπαγιάννη Καθηγήτρια Α.Π.Θ. ιευθύντρια Εργαστηρίου οµικών Υλικών

Αναγκαιότητα Σχεδιασµού Υλικών Επέµβασης Ενώ στις σύγχρονες κατασκευές το κόστος των υλικών είναι κατά προσέγγιση 20-30% του συνολικού κόστους του έργου, σε έργα επισκευών µνηµειακών κατασκευών αυτό είναι σηµαντικά µεγαλύτερο λόγω: - ειδικών απαιτήσεων που πρέπει να πληρούνται -µηδιαθεσιµότητας στην αγορά (παραγωγή κατά παραγγελία) Επιπλέον πολύ συχνά παρατηρούνται αστοχίες µετά την επισκευή που δεν συνδέονται πάντα µε το υλικό καθ αυτό αλλά µε τον τρόπο που εφαρµόσθηκε το υλικό ή από δευτερογενή προβλήµατα που δηµιουργήθηκαν εν σχέσει µε τοφορέα/ υπόβαθρο στο οποίο εφαρµόσθηκε ή από την έλλειψη πρόβλεψης της συµπεριφοράς του υλικού στις συγκεκριµένες συνθήκες (περιβάλλοντος του µνηµείου).

- Ο σχεδιασµός των υλικών επέµβασης αποτελεί ορθολογική απαίτηση για τη βελτίωση της ποιότητας των έργων αποκατάστασης που έχει ως επακόλουθο τη µείωση του ολικού κόστους.

Οσχεδιασµός υλικών επέµβασης σε µνηµειακές κατασκευές (το θέµα αντιµετωπίζεται κυρίως σε κατασκευές από τοιχοποιία) αποτελεί πρόβληµα γιατί: - Τα υλικά επέµβασης δεν πρέπει µακροπρόθεσµα να επιδεινώνουν τα προβλήµατα φθοράς ή βλαβών για την αποφυγή των οποίων έγινε η επέµβαση ή να προκαλούν νέα άλλου τύπου. - Θα πρέπει στο σχεδιασµό ναλαµβάνεται υπόψη η διατήρηση των αξιών του µνηµείου όπως είναι π.χ. τα αισθητικά στοιχεία. - Αυτά αναφέρονται ή υπονοούνται και στις ιεθνείς Συµβάσεις ή ιακηρύξεις (Χάρτες) που έχουν ισχύ για τέτοιου είδους επεµβάσεις.

Αυτές οι αρχές που συνοψίζονται στον όρο «συµβατότητα» των Χαρτών δεν υλοποιούνται εύκολα γιατί δεν έχουν εκφρασθεί µε τεχνικούς όρους. Για να γίνει αυτό και να τεθεί το θέµα τουσχεδιασµού των υλικών σε επιστηµονική βάση απαιτείται: - Πολύ καλή γνώση των χαρακτηριστικών και της συµπεριφοράς των παλαιών υλικών και της ιστορικής τοιχοποιίας ως δοµικό στοιχείο. - Γνώση των ιδιοτήτων (και των σχέσεων που τις διέπουν) των υλικών που παράγονται σήµερα και χρησιµοποιούνται σε τέτοιες επεµβάσεις).

Προβλήµατα που συναντώνται στα έργα αποκατάστασης µνηµείων - Μη πρόβλεψη ή διάθεση περιορισµένου προϋπολογισµού για την τεκµηρίωση της υπάρχουσας κατάστασης. - Έλλειψη εξειδικευµένων εργολάβων /κατασκευαστών. - Έλλειψη εξειδικευµένων τεχνιτών. - υσκολία εύρεσης κατάλληλων υλικών στη σύγχρονη αγορά. - υσκολία ελέγχου της καταλληλότητας υλικών. - Σχετικά µεγάλο κόστος των «παραδοσιακών υλικών».

Οι τοιχοποιίες των ιστορικών κατασκευών χαρακτηρίζονται από τη χαµηλή θλιπτική αντοχή εν σχέση µε το σκυρόδεµα (25-50kg/cm 2 ) γι αυτό και έχουν µεγάλα πάχη -Την αδυναµία µεταφοράς οριζόντιων τάσεων Μεταφέρουν κυρίως θλιπτικά φορτία και η αντοχή εξαρτάται από το πάχος των αρµών - Τη σχετικά καλή συνάφεια πλίνθου κονιάµατος που επηρεάζει την εφελκυστική αντοχή της τοιχοποιίας Οι παλαιοί οικοδόµοι λόγω της έλλειψης ισχυρών υδραυλικών κονιών στοχεύανε στη δηµιουργία δοµικού ιστού που να µη συγκρατεί το νερό αλλά να επιτρέπει την ελεύθερη αναπνοή και ταχεία ξήρανση. Αυτό αποτελεί στοιχείο της παλαιάς φιλοσοφίας δόµησης το οποίο πρέπει να λαµβάνεται υπόψη σε κάθε επέµβαση σε ιστορικό κτίσµα και να καθορίζει τη συµβατότητα παλαιού νέου υλικού

Τα κυριότερα προβλήµατα που συναντάµε στις ιστορικές τοιχοποιίες είναι: - Ρηγµατώσεις (συνήθως διαµπερείς) λόγω υπερφορτίσεων, διαφορικών καθιζήσεων σεισµών - Αποκολλήσεις τµηµάτων ή αποκλίσεις από την κατακόρυφο συνήθως σε µεγάλου ύψους τοιχοποιίες λόγω σεισµών ή κατολισθήσεων ή ανεπαρκούς αντιστήριξης

- Φθορά λόγω του χρόνου (από θερµοϋγρασιακές µεταβολές). Εµφανίζονται µικρορωγµές στα υλικά και έλλειψη σταθερότητας όγκου µε απώλεια µάζας, χαλάρωση συνδετικού υλικού - Φθορά λόγω µηχανισµού κρυστάλλωσης αλάτων κυρίως κοντά στην επιφάνεια της τοιχοποιίας. Φαινόµενα εξάνθισης

Οι πιο συχνές επεµβάσεις επισκευής αφορούν: - Αρµολογήµατα - Ανακατασκευές - Ενισχύσεις τοιχοποιιών µε ενέµατα πλήρωσης µε και χωρίς ελκυστήρες ή ραφές - ιαµορφώσεις δαπέδων - Επιχρίσεις (εσωτερικά ή εξωτερικά) - Προσθήκη νέων στοιχείων (σε συνεργασία µε υφιστάµενα)

Τα υλικά που απαιτούνται είναι: - λιθοσώµατα (λίθοι, ωµόπλινθοι, οπτόπλινθοι, που χρησιµοποιούνται στις ανακατασκευές ή συµπληρώσεις) - κονιάµατα - Οι πλίνθοι παράγονται σε βιοτεχνίες ή βιοµηχανίες κυρίως βάσει των µορφολογικών στοιχείων και της χρωµατικής απόχρωσης. -Τα κονιάµατα παρασκευάζονται επί τόπου στο εργοτάξιο που στήνεται στο έργο βάσει των αναλογιών αναµίγµατος που έχουν προκύψει από το σχεδιασµό του κονιάµατος. Το πρόβληµα λοιπόν, σχεδιασµού υλικών επέµβασης επικεντρώνεται στα κονιάµατα.

Χαρακτηριστικά των παλαιών κονιαµάτων που βασίζονται στην άσβεστο - Χαµηλό φαιν. ειδ. βάρος (1,4 1,6) - Υψηλό πορώδες (25-40%) - Μικρή συγκρατησιµότητα νερού Ταχεία ξήρανση - Υψηλό βαθµό συµπύκνωσης (Πολύ καλή συνάφεια αδρανών συνδετικής κονίας) - Καλά κρυσταλλωµένη συνδετική κονία Η χρήση της πουζολάνης µαζί µε άσβεστο εµφανίζεται στον ελληνικό χώρο από την ελληνιστική περίοδο (δάπεδα ψηφιδωτών) αλλά εξαπλώνεται η χρήση της στη Ρωµαϊκή εποχή. Μέχρι το τέλος του 19ου αιώνα τα ασβεστοπουζολανικά κονιάµατα κυριαρχούν στην κατασκευή έργων λόγω της ανθεκτικότητάς του σε υγρό περιβάλλον

Προβλήµατα τοιχοποιιών από την εφαρµογή ακατάλληλων υλικών Η χρησιµοποίηση ισχυρών υδραυλικών κονιών, όπως είναι το τσιµέντο, για την παρασκευή κονιαµάτων, διαταράσσει τη συµπεριφορά της παραδοσιακής τοιχοποιίας. Η υγρασία µπλοκάρεται µέσα στη µάζα της τοιχοποιίας και δηµιουργούνται πολλά δευτερογενή προβλήµατα φθοράς. Byzantine City Walls in Constantinople

Προβλήµατα τοιχοποιιών από την εφαρµογή ακατάλληλων υλικών Byzantine Church in Veria

Προβλήµατα τοιχοποιιών από την εφαρµογή ακατάλληλων υλικών Rich in soluble salts raw materials, such as traditional bricks, create efflorescence phenomena and destroy bricks and mortars recently applied.

Προβλήµατα τοιχοποιιών από την εφαρµογή ακατάλληλων υλικών Early cracking of repointing mortars or renderings due to wrong proportioning and lack of right curing period of fresh mortar City walls of Thessaloniki - Eptapyrgion

Προβλήµατα τοιχοποιιών από την εφαρµογή ακατάλληλων υλικών Frost damaged of mortars and bricks due to low resistance to freezing

Προβλήµατα τοιχοποιιών από την εφαρµογή ακατάλληλων υλικών Loss of the mortar of the repaired joints due to unsuitable binding system (for example: hydrated lime for places suffered from moisture presence) Dion, Sunctury of Isis (4 th cent. BC)

Σχεδιασµός ασβεστοκονιαµάτων επέµβασης συµβατών µε την υπάρχουσα κατάσταση Τι επιζητείται µε την επισκευή; - Ησυντήρησηκαιπαρεµπόδιση των µηχανισµών φθοράς του χρόνου - Ηενίσχυσητουδοµικού συστήµατος για επανάχρηση - Ποιος θα είναι ο ρόλος του κονιάµατος επισκευής Ποια χαρακτηριστικά / ιδιότητες καθορίζουν τη συµβατότητα παλαιού νέου υλικού που καλούνται να συνεργαστούν

Οσχεδιασµός κονιαµάτων για επέµβαση σε µνηµεία και ιστορικάκτίριααποτελείακόµη έναπρόβληµα. Αυτό γενικά µπορεί να αποδοθεί στο ότι το όλο θέµα δεν έχει τεθεί σε επιστηµονική βάση και βέβαια αυτό έχει άµεση σχέση µε την ποιότητα και το κόστος των εργασιών συντήρησης, στερέωσης και αποκατάστασης των µνηµείων.

Μακρόχρονη εµπειρία βασισµένη σε έρευνα SfS GR Restoration Project 1993-1999 και σε εφαρµογές σε έργα, µας οδήγησε στην άποψη ότι: Η συµβατότητα των κονιαµάτων καθορίζεται από: - τα αισθητικά χαρακτηριστικά του (χρώµα, υφή, τραχύτητα) - τη σύσταση (τύπο συνδετικής κονίας, κοκκοµετρία αδρανών) - το επίπεδο αντοχής (θλιπτικής και εφελκυστικής) - το πορώδες (κατανοµή πόρων) - το συντελεστή θερµικής διαστολής

Ο σχεδιασµός συµβατών κονιαµάτων επέµβασης σε ιστορικά κτίρια παρουσιάζει δυσκολίες επειδή: - Η αρχή της συµβατότητας δεν έχει εκφρασθεί µε τεχνικούς όρους - εν υπάρχουν κριτήρια επιλογής για την καταλληλότητα των πρωτογενών υλικών - εν είναι τα διαθέσιµα υλικά στην αγορά πάντα κατάλληλα - εν υπάρχουν νοµογραφήµατα ή καταστατικοί νόµοι πάνω στους οποίους να βασισθεί ο σχεδιασµός των ασβεστοκονιαµάτων - εν υπάρχουν κατάλληλες οδηγίες για την εφαρµογή και συντήρηση των κονιαµάτων

ΟΛΙΣΤΙΚΗ ΜΕΘΟ ΟΣ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΥ ΚΟΝΙΑΜΑΤΩΝ ΕΠΕΜΒΑΣΗΣ Πορώδες Κατανοµή πόρων Απορροφητικότητα Κοκκοµετρία Μικροσκοπική ανάλυση Τύπος αδρανών Ρηγµάτωση Παρουσία αλάτων Χηµική και Αντοχή Ορυκτολογική Ανάλυση KATANΟΗΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΚΑΙ ΤΟΥ ΒΑΘΜΟΥ ΦΘΟΡΑΣ Πληροφορίες σχετικά µε την τεχνολογία ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΜΙΓΜΑΤΟΣ οκιµαστικά µίγµατα Έλεγχος ιδιοτήτων Βελτίωση σύνθεσης Συνθήκες Ιδιότητες Απαιτήσεις σύγχρονου περιβάλλοντος ιαθέσιµων Υλικών Αγοράς τρόπου δόµησης (Εργασιµότητα Πρόοδος εργασίας Κόστος)

Παράµετροι που επηρεάζουν την ποιότητα και την ανθεκτικότητα των κονιαµάτων επέµβασης που βασίζονται στην άσβεστο - Ο τύπος της συνδετικής κονίας ή ο συνδυασµός των συνδετικών κονιών

Επιρροή του τύπου της συνδετικής κονίας στην ανάπτυξη αντοχής κονιαµάτων Type of hydrated Ca(OH) 2 Proportions L= Lime S= Sand (0-4 mm) S 2 =Sand 80%+gravel 20% Compressive strength, kg/m 2 28-d 60-d putty L / S 1 1 : 2.5 3.20 7.5 dry powder L / S 1 1 : 2.5 2.80 5.9 hydraulic putty L / S 1 1 : 2.5 4.2 12.2 (CaO 83%, Clay 15%) putty L / S 2 1 : 2.5 5.5 12.8 dry powder L / S 2 1 : 2.5 2.5 10.2 hydraylic putty L / S 2 1 : 2.5 6.5 15.0

Επιρροή του συστήµατος συνδετικών κονιών στην αντοχή και πορώδες των κονιαµάτων Strength, Mpa Binding System 7-d 28-d 90-d Porosity % Proportions Comp. / Flex. Comp. / Flex. Comp. / Flex. 28-d 90-d L - 0.52/0.26 0.63/0.38-21 L:P = 1:1 0.49/0.25 2.26/0.97 3.8/1.1 19.3 19 L:P:B = 1:0.5:0.5 0.21/- 1.0/0.42 2.9/0.98 18.9 17.4 L:P:C = 1:1:0.2 1.2/0.4 2.6/1.0 3.8/0.9 18 17 L:P:C = 1:1:0.4 1.3/0.4 3.4/0.8 4.9/1.4 17.8 16.7 L:P:C = 1:0.8:0.2 1.4/0,3-5.4/1.4-16 L:P:C = 1:0.6:0.4 1.5/0.5-8.9/1.5-15 C 17.1/4.1 24.2/6.9 31.6/8.3 11 10

Η λεπτότητα άλεσης του πουζολανικού υλικού Compressive Strength, MPa 7 6 5 4 3 2 1 0 Binding system : L:P = 1:1 L= Ca(OH) 2 dry powder P 1 : pozzolan, 40% residue on 45µm sieve P 2 : pozzolan, 20% residue on 45 µm sieve P 3 : pozzolan, 10% residue on 45 µm sieve 28-d 90-d L L+P1 L+P2 L+P3 Binder type Effect of fineness of pozzolan on the strength of lime based mortar.

Η δραστικότητα της ασβέστου

Ο λόγος Νερού / κονίας 28d Θλιπτική αντοχή ΜΡα 28d Θλιπτική αντοχή ΜΡα

Η προσθήκη ελάχιστης ποσότητας κατάλληλων ρευστοποιητών Proportions L= Lime P= Pozzolana S= Sand (0-4 mm) SP= Superplasticizer Strength, kg/cm2 Compressive Flexural 28-d 180-d 28-d 180-d Shrinkage at 150-d strain L:S= 1 : 2.5 4.8 7.3 2.4 5.1 5500-18% L:S:SP= 1 : 2.5 : 0.02 6.8 9.4 4.3 7.1 4120 L:P:S= 1 : 1 : 5 5.7 9.2 2.0 5.8 4990-29% L:P:S:SP= 1 : 1 : 5 : 0.02 7.2 11.1 3.2 7.5 3510

Η σχέση αντοχής πορώδους σε άσβεστο-πουζολανο κονιάµατα CORRELATION OF POROSITY WITH STRENGTH LIME- P OZZOLAN MORTARS WITH S TANDARD S AND 6 STRENGTH (MPa 5 4 3 2 y = 37,884x 12,06 R 2 = 0,8837 1 0 0,8 0,805 0,81 0,815 0,82 0,825 0,83 0,835 0,84 0,845 1-P

Η σχέση αντοχής πορώδους σε άσβεστο-πουζολανο κονιάµατα

Η εξέλιξη του πορώδους των ασβεστοκονιαµάτων EVOLUTION OF OPEN POROSITY OF POZZOLANIC MORTAS 25 20 20,9 18,99 18,07 17,32 17 % 15 10 5 0 28 90 180 360 730 DAYS

Ποιος είναι ο ρόλος των αδρανών στα ασβεστοκονιάµατα 0,02 0,018 0,016 Volume change dv/v 0,014 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0,002 0 0 10 20 30 40 50 60 DAYS 2-R1 2-R2 2-R3 Αδρανή R1 R2 R3 Άµµος (0-4mm) 6 3.6 3 Χονδρ. αδρανή (4-8mm) - 2.4 1.2 Χονδρ. αδρανή (8-12mm) - - 1.8

Ερπυστικές παραµορφώσεις ασβεστοκονιαµάτων (Υδράσβεστος/Πουζολάνη:: 1/1) 10000 8000 µstrain x 10-6 6000 4000 2000 0 0 10 20 30 40 50 60 DAYS 2-R1 2-R2 2-R3 Αδρανή R1 R2 R3 Άµµος (0-4mm) 6 3.6 3 Χονδρ. αδρανή (4-8mm) - 2.4 1.2 Χονδρ. αδρανή (8-12mm) - - 1.8

Η συντήρηση των κονιαµάτων για την ωρίµανσή τους και ανάπτυξη αντοχών αποτελεί κρίσιµο θέµα για την ανθεκτικότητα των κονιαµάτων στο χρόνο

Παράδειγµα σχεδιασµού κονιάµατος επέµβασης Α. Πληροφορίες που λαµβάνονται από την ανάλυση των παλαιών κονιαµάτων -Τύπος συνδετικής κονίας -Τύπος αδρανών-κοκκοµετρία -Πορώδες -Εκτίµηση αντοχής Β. Αποφασίζουµε για το συνδετικό υλικό και τα αδρανή λαµβάνοντας υπόψη τις σύγχρονες συνθήκες λειτουργίας του κτιρίου Προσδιορίζεται ο λόγος Ν/Κ ανάλογα µε τη χρήση του κονιάµατος (επιθυµητή εργασιµότητα) και µε οδηγό σχετικά διαγράµµατα

Παράδειγµα σχεδιασµού κονιάµατος επέµβασης Γ. Ελέγχεται η καταλληλότητα των πρώτων υλών ραστικότητα ασβέστου Πουζολανικότητα Λεπτότητα Άλεσης. Παρασκευάζονται δοκιµαστικά µίγµατα και γίνονται οι βελτιώσεις (κυρίως χρώµατος). Ελέγχεται η αντοχή σε θλίψη-κάµψη και το πορώδες. Πολλές φορές κάνουµε εφαρµογή επί τόπου Στ. ίδεται τεχνική περιγραφή των υλικών και οδηγίες εφαρµογής.

100.00 10.00 80.00 8.00 60.00 6.00 ------: Mortar No 83 40.00 4.00 ------: New composition 20.00 2.00 0.00 0.01 0.10 1.00 10.00 100.00

Case Study: Μονή Λαζαριστών (Θεσσαλονίκη 18ος αιώνας µ.χ.) Χαρακτηριστικά παλαιού κονιάµατος Θέση: οµικό Κονίαµα Χρώµα: Λευκό Γκρι Κονίες Ca(OH) 2 : 40-50% Παρουσία: αργιλλοπυριτικού υλικού Αναλογία ~ Άσβεστος αργιλλοπυρ. 1:1 Aδρανή : ποτάµια ιαβάθµιση: 0-8mm (72% 0,25-4mm) Πορώδες: 19-21% Αντοχή υγιούς δείγµατος 13-15kg/cm 2 Aντοχή δείγµατος από προβληµατική περιοχή: 5kg/cm 2 Kονία / Αδρανή: 1:2,8 Mετά από δοκιµαστικά µίγµατα αποφασίστηκε η παρακάτω σύνθεση: 1 µέρος υδρασβέστου κονίας 1 µέρος θηραϊκής γης αλεσµένης 6 µέρη άµµου ποταµού 75%, 0-4mm + 25% 4-8mm 1.3 µέρη βάρους νερού (απαιτούµενου για 15± 1cm εξάπλωση) 0,03 µέρη ρευστοποιητού πολυκαρβονικής βάσης Ο έλεγχος σε 28 ηµ. έδειξε: Αντοχή σε θλίψη 10MPa Πορώδες 19-20% Αποδεκτό

Παράδειγµα: Moνή αφνίου, 11ος µ.χ. Χαρακτηριστικά παλαιού δοµικού κονιάµατος Χρώµα: Λευκό Ροζ Ποσοστό Ca(OH) 2 : 45-50% Παρουσία: πουζολανικού υλικού Αναλογία ~ Άσβεστος/πουζολάνης 1:0,5 Aδρανή : περιοχής ιαβάθµιση: 0-6mm (85% 0,25-4mm) Πορώδες: 25-28% Αντοχή υγιούς δείγµατος: 13-15kg/cm 2 Aντοχή µη υγιούς: 11 kg/cm 2 Kονία / Αδρανές: 1:1,5 Mετά από δοκιµαστικά µίγµατα αποφασίστηκε η παρακάτω σύνθεση: 1 µ.β. υδρασβέστου κονίας 0,5 µ.β. µηλαϊκής γης αλεσµένης 0,5 µ.β. κεραµάλευρου 4 µ.β. αδρανή ποταµού (85% 0-4mm+15% 4-6mm) 1 µ.β θραυστό κεραµικό (0,25 5mm) 1,4 µ.β. νερού απαιτούµενου για εξάπλωση 15± 1cm) 0,01 µέρη ρευστοποιητού Ο έλεγχος έδειξε: 28 ηµ. αντοχή σε θλίψη 1,5MPa Πορώδες 25% Αποδεκτό

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ - Είναι προφανές στο χώρο αυτό ότι η έλλειψη κανoνιστικού πλαισίου κοστίζει σε χρόνο και χρήµα. - Θέµατα όπως η καταλληλότητα των πρώτων υλών πρέπει να ενταχθούν σε πλαίσιο και να εξοπλισθούν τα κατά τόπους δηµόσια εργαστήρια για τον έλεγχό τους. Παράδειγµα Πουζολάνες: υνατότητα άλεσης είκτης πουζολανικότητας Υδράσβεστος: Περιεκτικότητα σε Ca(OH) 2

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Έλεγχοι σε κονιάµατα επεµβάσεων -Αντοχή -Πορώδες -Συνάφεια Μέτρα που πρέπει να λαµβάνονται κατά την εφαρµογή - Συντήρηση - Αρµοί - Παρακολούθηση Συµπεριφοράς