Cathodic Protection of Catholikon Temple of Neas Monis of Chios

Καθοδική Προστασία του Καθολικού του Ναού της Νέας Μόνης Χίου Cathodic Protection of Catholikon Temple of Neas Monis of Chios ΜΠΑΤΗΣ-Γ 1., ΜΟΡΟΠΟΥΛΟΥ-Α 2., ΡΑΚΑΝΤΑ-Ε 3., ΜΟΥΝ ΟΥΛΑΣ-Π. 4, ΑΓΓΕΛΑΚΟΠΟΥΛΟΥ-Ε 5. Λέξεις κλειδιά: Αποκατάσταση, διάβρωση, Καθοδική προστασία, κονιάµατα ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Η παρούσα εργασία αφορά την µελέτη της παθολογίας των φθορών του Καθολικού Ναού της Νέας Μονής Χίου και τον σχεδιασµό της προστασίας του. Η µελέτη της παθολογίας και ο σχεδιασµός της προστασίας του µνηµίου έγινε στα πλαίσια ερευνητικού προγράµµατος το οποίο ανατέθηκε από το Υπουργείο Πολιτισµού στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο στην Σχολή Χηµικών Μηχανικών, Τοµέα Επιστήµης και Τεχνικής των Υλικών. Από την µελέτη της παθολογίας του µνηµείου προέκυψε ότι κύριο πρόβληµα ήταν η διάβρωση του χαλύβδινου σκελετού που είχε προστεθεί στο µνηµείο κατά την επισκευή του στις αρχές του 20 ου αιώνα, όταν η Χίος ήταν υπό την Τουρκική κυριαρχία. Για την αποκατάσταση του µνηµείου έγινε σχεδιασµός συστήµατος καθοδικής προστασίας για την παρεµπόδιση της περαιτέρω διάβρωσης των χαλύβδινων τµηµάτων. ABSTRACT: Nea Moni is one of the most important Byzantine monuments in Greece situated in Chios island that is protected by UNESCO, having been added to the List of World s Heritage Monuments, since 1990. Nea Moni was founded 1 Καθηγητής Ε.Μ.Π, Τοµέας Επιστήµης και Τεχνικής των Υλικών, Σχολή Χηµικών Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. email: gbatis@central.ntua.gr 2 Καθηγήτρια Ε.Μ.Π, Τοµέας Επιστήµης και Τεχνικής των Υλικών, Σχολή Χηµικών Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. email: amoropul@central.ntua.gr 3 Χηµικός Μηχανικός, Τοµέας Επιστήµης και Τεχνικής των Υλικών, Σχολή Χηµικών Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. email: erakanta@central.ntua.gr 4 ρ. Χηµικός Μηχανικός, Τοµέας Επιστήµης και Τεχνικής των Υλικών, Σχολή Χηµικών Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. email: pmoun@central.ntua.g 5 ρ. Χηµικός Μηχανικός, Υπουργείο Πολιτισµού. email: lagela@central.ntua.gr 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 1

in the 11 th century by Byzantine emperor Constantine Monomachos IX. The catholicon (main church) is the most important specimen of the insular octagonal domed type of church, and is lavishly decorated with marble revetments and mosaics. Over the years, the monument came into a state of progressive deterioration from both the original construction practices and its proximity to the sea. The Hellenic Ministry of Culture in collaboration with National Technical University of Athens, School of Chemical Engineering in the framework of a project were retained to renovate and rehabilitate the monument. The restoration and rehabilitation of the monument included the design and the application of cathodic protection system in the dome of catholicon. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Αντικείµενο της παρούσας εργασίας είναι η διαγνωστική µελέτη και η εφαρµογή συστήµατος καθοδικής προστασίας του Καθολικού του Ναού της Νέας Μονής Χίου. Η εκτίµηση αφορά τον χαρακτηρισµό, την παθολογία και την καθοδική προστασία του µνηµείου. Η Ιερά Νέα Μονή είναι το σπουδαιότερο µοναστήρι της νήσου Χίου και µνηµείο διεθνούς σηµασίας. Είναι κτισµένη στο Προβάτειο Όρος της Χίου. Ολόκληρο το µοναστηριακό συγκρότηµα της Νέας Μονής ευρίσκεται µέσα σε πευκόφυτη χαράδρα του Προβάτειου όρους. Αποτελείται από πολυάριθµα κτίσµατα. Στο κέντρο των κτισµάτων ευρίσκεται ελεύθερο από όλες του τις πλευρές το Καθολικό το οποίο άρχισε να κτίζεται στο τέλος του 1042 (Χαλκιά Στεφάνου, Π. 2003). Ο αρχιτεκτονικός του τύπος είναι ελλαδικός, οκταγωνικός και αποτελεί το σπουδαιότερο υπόδειγµα του λεγοµένου νησιώτικου τύπου Ναού, γνωστού µόνο στην Χίο και την Κύπρο. Η στήριξη του τρούλου είναι οκταγωνική, ενώ ο κυρίως Ναός παραµένει τετράγωνος, απλός χωρίς εξωτερικά στηρίγµατα. Στο τετράγωνο της κάτοψης έρχονται να προστεθούν το τριµερές και καµαροσκέπαστο Ιερό Βήµα και οι δύο Νάρθηκες. Ο θόλος είναι αναλογικά πολύ µεγάλος. Η οκταγωνική διάταξη της στήριξής του γίνεται µε τέσσερις αβαθείς κόγχες, που εδράζονται στο πάχος των εξωτερικών τοίχων και τέσσερις άλλες πιο µικρές, που γεφυρώνουν τις γωνίες και σκοπό έχουν να συγκρατούν τον Θόλο. Με την βοήθεια των κογχών ο τετράγωνα χαµηλός χώρος µετατρέπεται υψηλότερα σε οκτάκογχο και µέσω οκτώ σφαιρικών τριγώνων κλείνει προς το τέλος µε την στεφάνη εδράσεως του τρούλου. Γενικά το Καθολικό της Νέας Μονής θεωρείται ότι αποτελεί πρότυπο του οκτάκογχου ναού του 11 ου αιώνα, του δεύτερου χρυσού αιώνα στην ιστορία της βυζαντινής τέχνης και εκτείνεται σήµερα σε συνολικό µήκος 36,70 µέτρων. Το 1512 προσετέθη το παλαιό πυργοειδές κωδωνοστάσιο. Η Νέα Μονή πυρπολήθηκε το 1822 επί τουρκοκρατίας ενώ ακολούθησε και δεύτερη µεγάλη πυρκαγιά το 1828. Όµως η µεγαλύτερη καταστροφή για την Νέα Μονή έρχεται µε τον καταστρεπτικό σεισµό του 1881. Ο σεισµός αυτός ισοπέδωσε το νησί και προκάλεσε τις σηµαντικότερες καταστροφές στο Καθολικό. Οι παλιές και νεότερες πυρκαγιές καθώς και η φθορά από τα όµβρια ύδατα συνετέλεσαν στην µείωση της αντοχής των θόλων του Καθολικού και έτσι δεν άντεξαν στην ισχυρή σεισµική καταπόνηση. Ο αριστουργηµατικός κεντρικός 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 2

τρούλος κατέπεσε. Η ανατολική κόγχη του κυρίως Ναού µαζί µε τα τόξα επίσης κατέπεσαν. Επίσης δηµιουργήθηκαν πολλά ρήγµατα σε όλο το µήκος του Ναού. Προσπάθειες επιδιόρθωσης όλων αυτών των ζηµιών έγιναν στις αρχές του εικοστού αιώνα ενώ ακόµη η Χίος ήταν υπό Τουρκική κατοχή. Έτσι µετά τον σεισµό οι επεµβάσεις προστασίας πραγµατοποιήθηκαν µε τα τότε διαθέσιµα υλικά. Στην προσπάθεια της αύξησης της αντισεισµικότητας της κατασκευής προσετέθη στο τρούλο χαλύβδινος οπλισµός. Με τον καιρό όµως και µε την µεταφορά χλωριόντων από τον άνεµο άρχισε η διάβρωση του οπλισµού µε αποτέλεσµα να προκληθούν λόγω της διόγκωσης των οξειδίων του σιδήρου και νέες ζηµιές. ΕΠΙ ΤΟΠΟΥ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑ ΙΑΓΝΩΣΗ Από την επιθεώρηση του κτιρίου που πραγµατοποιήθηκε στον Καθολικό Νέας Μονής Χίου διαπιστώθηκε: Η τοιχοποιία στον τρούλο χαρακτηρίζεται ως οπτοπλινθοδοµή µε µικρό ποσοστιαίο εύρος από τοπικούς λίθους (Θυµιανούσικη πέτρα.). Οι οπτόπλινθοι από τους οποίους αποτελείται, όπως επίσης και τα κονιάµατα που απαντώνται είναι στην µεγάλη πλειοψηφία τους της περιόδου µετά το 1881, οπότε και ανακατασκευάστηκε ο τρούλος. Από µακροσκοπικής άποψης φαίνεται ότι τα διάφορα υλικά βρίσκονται σε αρµονική συνεργασία µεταξύ τους. Τα όποια προβλήµατα δηµιουργούνται, από την οξείδωση των µεταλλικών στοιχείων περίδεσης στερέωσης τυµπάνου τρούλου, τα οποία καθώς οξειδώθηκαν µε την πάροδο του χρόνου τα δηµιουργούµενα οξείδια του σιδήρου λόγω του µεγαλύτερου µοριακού όγκου που καταλαµβάνουν από αυτόν του σίδηρου, ασκούν πολύ µεγάλες εφελκυστικές τάσεις στα υλικά που βρίσκονται γύρω από αυτά µε αποτέλεσµα να παρατηρούνται ρηγµατώσεις σε όλη την περίµετρο του τρούλου (βλέπε Εικόνα 1). (α)οξειδωµένο δοµικό µεταλλικό στοιχείο (β)αγκύρια ζεύξης σε ηλεκτρική ασυνέχεια µε τους οριζόντιους βραχίονες 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 3

(γ) ιαµήκης κάθετη ρηγµάτωση των οπτόπλινθων της κατασκευής λόγω της δηµιουργίας προϊόντων διάβρωσης των σιδηρών µεταλλικών δοµικών στοιχείων. Τα οξείδια του σιδήρου λόγω του µεγαλύτερου µοριακού όγκου που καταλαµβάνουν (7-12 φορές) από τον σίδηρο ασκούν εφελκιστικές τάσεις µε αποτέλεσµα την ρηγµάτωση και τελική συνέπεια την εκτίναξη του περιβάλλοντος κονιάµατος γύρω από το µεταλλικό δοµικό στοιχείο Εικόνα 1: Επί τόπου διάγνωση της παθολογίας του µνηµείου. Η δειγµατοληψία έγινε µε στόχο να ληφθούν αντιπροσωπευτικά δείγµατα των ιστορικών δοµικών υλικών του µνηµείου, τόσο σε θέσεις στις οποίες βρίσκονται αυθεντικά υλικά, αλλά και σε θέσεις όπου τα υλικά βρίσκονται πλησίον των διαβρωµένων µεταλλικών στοιχείων, έτσι ώστε να σχηµατιστεί µια ολοκληρωµένη εικόνα των χαρακτηριστικών τους και της παθολογίας τους. Ελήφθησαν έτσι δείγµατα κονιαµάτων αρµών, οπτόπλινθων και λίθων. Μεγαλύτερη έµφαση στο χαρακτηρισµό δίνεται στα δείγµατα των κονιαµάτων. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΥΝΑΜΙΚΟΥ ΙΑΒΡΩΣΗΣ Οι µετρήσεις του δυναµικού διάβρωσης πραγµατοποιήθηκαν στον Καθολικό Ναό Νέας Μονής Χίου σε σηµεία όπως αναφέρονται στον πίνακα 1. Οι µετρήσεις του δυναµικού διάβρωσης των µεταλλικών δοµικών στοιχείων πραγµατοποιήθηκαν σύµφωνα µε το πρότυπο ASTM C876-87: «Standard test method for Half Cell Potentials of reinforcing Steel in Concrete». Οι µετρήσεις του δυναµικού διάβρωσης έγιναν µε ηλεκτρόδιο αναφοράς χαλκού/θειϊκού χαλκού και βολτοµέτρου υψηλής εσωτερικής αντίστασης. Τιµές δυναµικού διάβρωσης έως 250 mv δείχνουν ότι ο οπλισµός ευρίσκεται στην παθητική περιοχή µικρή πιθανότητα υπάρχει για να διαβρωθεί. Τιµές µεταξύ 250mV και 350mV δείχνουν ότι ο οπλισµός δεν ευρίσκεται πια στην παθητική κατάσταση και υπάρχει πιθανότητα 50% για διάβρωση. Τιµές ηλεκτροαρνητικότερες των 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 4

350mV δείχνουν ότι ο οπλισµός ευρίσκεται στην ενεργή περιοχή από άποψη διάβρωσης και οι πιθανότητες να διαβρωθεί είναι 95%. Το δυναµικό των οπλισµών δείχνει την κατάσταση στην οποία βρίσκεται ο οπλισµός. Σύµφωνα µε το πρότυπο ASTM C 876-87 δυναµικό οπλισµών µεγαλύτερο της τιµής των 250mV, αποτελεί ένδειξη ότι ο οπλισµός βρίσκεται σε παθητική κατάσταση, δεν διαβρώνεται. Όταν το δυναµικό βρίσκεται µεταξύ των - 250mV και -350mV, τότε η πιθανότητα διάβρωσης είναι 50%. Τιµές δυναµικών µικρότερες των -350mV, τότε ο χαλύβδινος οπλισµός βρίσκεται σε ενεργή κατάσταση και διαβρώνεται. Οι τιµές των δυναµικών διάβρωσης που µετρήθηκαν ευρίσκονται στην τρίτη κατηγορία, στην οποία όλα τα µεταλλικά δοµικά στοιχεία της κατασκευής βρίσκεται στην ενεργή κατάσταση. Στον πίνακα 1 παρατίθενται οι τιµές των δυναµικών διάβρωσης ανά θέση µέτρησης. Πίνακας 1: υναµικά ιάβρωσης Ε(mV) ως προς ηλεκτρόδιο αναφοράς Cu/CuSO 4 Περιγραφή δοµικού υναµικό διάβρωσης Παρατηρήσεις A/A στοιχείου vs. Cu/CuSO 4 (mv) ΕΞΩΤΕΡΙΚΑ ΤΥΜΠΑΝΟΥ Β στάθµη 1 Π5-210 2-245 Οριζόντιος βραχίονας 3 Περιµετρικό αγκύριο Π2* -300 ζεύξης 4-250 Οριζόντιος βραχίονας 5 Π12-300 6 Π11-350 7 Π1-260 8 Π10-1200 9 Π9-650 ΕΞΩΤΕΡΙΚΑ ΤΥΜΠΑΝΟΥ Α στάθµη 13 Π4-150 Περιµετρικό αγκύριο ζεύξης 14 Π5-145 Στεφάνη 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 5

Οριζόντιος βραχίονας: - 245mV Περιµετρικό αγκύριο ζεύξης: -300mV Οριζόντιος βραχίονας: - 250mV Σχήµα 1: Απεικόνιση κατανοµής δυναµικών στον είδη υπάρχων οπλισµό ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ ΟΜΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΤΟΥ ΚΑΘΟΛΙΚΟΥ ΝΕΑΣ ΜΟΝΗΣ ΧΙΟΥ Οι µετρήσεις της ηλεκτρικής αντίστασης των πλίνθων, λίθων και κονιαµάτων αποτελούν ένδειξη της ποσότητας της υγρασίας στους πόρους των παραπάνω δοµικών υλικών, αλλά και του µεγέθους και της κατανοµής αυτής στην κύρια µάζα τους. Επιπρόσθετα η ειδική ηλεκτρική αντίσταση των δοµικών στοιχείων µιας κατασκευής είναι συνάρτηση της ποιότητας του (συγκέντρωση τσιµέντου, αναλογία νερού προς τσιµέντο). Τα χλωριόντα στα κονιάµατα βρίσκονται µέσα σε αυτό υπό υγροσκοπική µορφή διατηρώντας υψηλά επίπεδα υγρασίας και αυξάνοντας την ιοντική αγωγιµότητα. Η µέτρηση της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης έγινε σύµφωνα µε την µέθοδο Wenner (µέθοδος τεσσάρων σηµείων). Η ειδική ηλεκτρική αντίσταση των δοµικών στοιχείων παρατίθεται στον Πίνακα 2. Από τις µετρήσεις της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης παρατηρούνται διαφορετικές τιµές µεταξύ των δοµικών στοιχείων (κονιάµατος, συνδετικής κονίας, λίθων και πλίνθων) που απαρτίζουν το σύνολο της κατασκευής. Η διαφορά αυτή αποτελεί ένδειξη της δηµιουργίας µακρό - στοιχείων στο χαλύβδινο σκολετό της κατασκευής. 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 6

Πίνακας 2: Ειδική Ηλεκτρική αντίσταση κονιαµάτων, λίθων και πλίνθων Ειδική Ηλεκτρική α/α οµικό στοιχείο αντίσταση Παρατηρήσεις kω cm 1 Συνδετικής κονίας πλίνθων 68 Οι µετρήσεις Λίθου (Θυµιανούσικη 2 41 πραγµατοποιήθηκαν κόκκινη) εξωτερικά και στην πάνω Λίθου (Θυµιανούσικη 3 49 πλευρά (Α Στάθµη) του υποκίτρινη) τύµπανου 4 Πλίνθου 47 5 Κονίαµα 67 Οι µετρήσεις 6 Κονία πλίνθος θέση Π11 9,8 πραγµατοποιήθηκαν 7 Κονία θέση Π8 11 εξωτερικά και στην κάτω πλευρά (Β Στάθµη) του τύµπανου ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΚΗ ΕΞΕΤΑΣΗ Για τον προσδιορισµό των µορφολογικών χαρακτηριστικών καθώς και της υφής τους, τα δείγµατα των υλικών εξετάζονται στο εργαστήριο σε οπτικό µικροσκόπιο (στερεοµικροσκόπιο) και επί τόπου σε µικροσκόπιο οπτικών ινών. Μέσω της Μικροσκοπίας Οπτικών Ινών (FOM), λαµβάνονται χαρακτηριστικές εικόνες των δειγµάτων, οι οποίες παρουσιάζονται στη συνέχεια, ανά κατηγορία δείγµατος: Α. ΚΟΝΙΑΜΑΤΑ ΑΡΜΩΝ: Κατά τη µορφολογική εξέταση των δειγµάτων κονιαµάτων αρµών, που προέρχονται από διαφορετικές θέσεις δειγµατοληψίας, µέσω του µικροσκοπίου οπτικών ινών λαµβάνονται χαρακτηριστικές εικόνες, µε βάση τις οποίες σχολιάζονται τα εξής: Τα αδρανή παρουσιάζονται στρογγυλά, και είναι γενικά λεπτόκοκκα. Το χρώµα τους παρουσιάζει αποχρώσεις του γκρι, όµως παρατηρούνται, κατά τόπους, υπόλευκοι και καστανόχρωµοι κόκκοι. Σε ένα από τα δείγµατα παρατηρούνται θραύσµατα κεραµικών σε µικρές διαστάσεις, οµοιόµορφα διεσπαρµένα στη µάζα του κονιάµατος, που παρουσιάζουν πολύ καλή πρόσφυση µε την κονία. Η κονία εµφανίζεται σε χρώµα µπεζ ανοιχτή και κοκκινωπή απόχρωση και µπεζ υποκίτρινη και είναι ιδιαίτερα συνεκτική. Παρατηρούνται συµπαγείς υπόλευκοι γρόµποι συνδετικής ύλης (συσσωµατώµατα ασβέστη ο οποίος δεν έχει αναµειχθεί καλά) µεγάλων διαστάσεων σε σχέση µε τους κόκκους των αδρανών. Παρατηρείται, γενικά, καλή πρόσφυση των αδρανών µε τη συνδετική ύλη και η δοµή των κονιαµάτων εµφανίζεται συνεκτική. Β. ΙΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΚΟΝΙΑΜΑΤΩΝ ΙΑΦΟΡΕΤΙΚΩΝ ΠΕΡΙΟ ΩΝ: Τα υπάρχων κονιάµατα είτε είναι διαφορετικών περιόδων (µετά το 1881) είτε έχουν χρησιµοποιηθεί διαφορετικές κονίες σε αναλογία. Όπως επιβεβαιώνεται και από την Θερµική Ανάλυση των κονιαµάτων υπάρχει ως συνδετικό υλικό το τσιµέντο ακόµη και σε κονιάµατα που από µακροσκοπική άποψη φαίνονται ασβεστιτικά. Αυτό µας οδηγεί στο συµπέρασµα ότι το τσιµέντο έχει χρησιµοποιηθεί σε διαφορετικές αναλογίες µε τον ασβέστη, ο οποίος αποτελεί σε κάθε περίπτωση το βασικό συνδετικό υλικό. Τα διαφορετικά κονιάµατα παρουσιάζουν αρκετά 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 7

µεγάλη συνοχή µεταξύ τους και ο διαχωρισµός τους δεν είναι εύκολος. Όσον αφορά τα αδρανή φαίνεται ότι αυτά είναι κοινά, ακόµη και σε διαφορετικούς τύπους κονιαµάτων, ασβεστιτικά µε κατά τόπους πυριτικά στοιχεία. Γ. ΕΠΙΧΡΙΣΜΑΤΑ:Όσον αφορά τα επιχρίσµατα, οι εικόνες που ελήφθησαν από το µικροσκόπιο οπτικών ινών παρουσιάζουν τις ιδιαιτερότητες κάθε περίπτωσης (εικόνα 2α και 2β). Τα αδρανή είναι λεπτόκοκκα µε ακανόνιστο σχήµα και εµφανίζονται σε αποχρώσεις του γκρι και του καστανού. Σε αρκετές περιπτώσεις παρατηρούνται θραύσµατα κεραµικών. Σε µια περίπτωση, το επίχρισµα εµφανίζεται οµοιόµορφο και πολύ συµπαγές, έτσι ώστε δεν διακρίνονται τα αδρανή από την κονία. Γενικά τα επιχρίσµατα µπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες. Αυτά που εξωτερικά παρουσιάζουν ανάγλυφη και τραχιά επιφάνεια. Σε αυτήν την κατηγορία επιχρισµάτων διακρίνονται τόσο τα αδρανή µε τα θραύσµατα κεραµικών, όσο και τα συσσωµατώµατα ασβέστη ο οποίος δεν έχει αναµειχθεί καλά. Η συνδετική ύλη εµφανίζει κυρίως χρώµα κόκκινο. Η πρόσφυσή της µε τα αδρανή είναι καλή και η δοµή των επιχρισµάτων παρουσιάζεται συνεκτική. Η άλλη κατηγορία είναι αυτή των επιχρισµάτων µε λεία και «αδιαφανή» επιφάνεια. Σε αυτής της κατηγορίας τα επιχρίσµατα δεν είναι ευδιάκριτα τα αδρανή ενώ παρουσιάζουν γριζο καστανό χρώµα. Τα αποτελέσµατα αυτά της µικροσκοπίας οπτικών ινών υποδεικνύει χρήση διαφορετικών συνδετικών υλικών για την παρασκευή επιχρισµάτων. (α) Επίχρισµα Χ25 (β) Επίχρισµα Χ50 Εικόνα 2: Οπτική παρατήρηση επιφάνειας επιχρησµάτων µε µικροσκόπιο οπτικών ινών. ΣΤ. ΟΠΛΙΣΜΟΣ: Στις εικόνες 3α και 3β, οι οποίες ελήφθησαν µε µικροσκόπιο οπτικών ινών, παρουσιάζεται η κατάσταση του οπλισµού. Είναι φανερό από όλες τις εικόνες ότι ο οπλισµός είναι διαβρωµένος, αλλά όχι οµοιόµορφα. Η διάβρωση δεν έχει προχωρήσει σε τέτοιο στάδιο που να επιφέρει δραµατική αλλαγή στην ικανότητα του, αλλά πρέπει να ληφθούν άµεσα µέτρα για την µη περαιτέρω εξάπλωση της διάβρωσης. Το µέγιστο πάχος διάβρωσης εκτιµάται στα 4 mm. 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 8

(α) ιάβρωση Οπλισµού Χ50 (β) ιάβρωση Οπλισµού Χ50 Εικόνα 3: Οπτική παρατήρηση επιφάνειας µεταλλικών στοιχείων µε µικροσκόπιο οπτικών ινών. ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΧΛΩΡΙΟΝΤΩΝ ΣΤΗ ΜΑΖΑ ΤΟΥ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ Ο προσδιορισµός της συγκέντρωσης των χλωριόντων στη µάζα των ιστορικών κονιαµάτων πραγµατοποιήθηκε µε το πρότυπο BRE 13/77 στο εργαστήριο Φυσικοχηµείας και Εφαρµοσµένης Ηλεκτροχηµείας της σχολής Χηµικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου Ε.Μ.Π. Στον πίνακα 3 παρατίθενται τα αποτελέσµατα των χλωριόντων του εργαστηριακού ελέγχου των κονιαµάτων. Πίνακας 3: Συγκέντρωση Cl- στη µάζα των σκυροδεµάτων της δειγµατοληψίας Περιγραφή δοµικού στοιχείου ειγµατοληψία κονιάµατος από την Α στάθµη ειγµατοληπτικός έλεγχος Κονιάµατος από την Β στάθµη Συγκέντρωση χλωριόντων (kg/m 3 Κονιάµατος) 7,5 6,7 ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Από τις επί τόπου διαγνωστικές µετρήσεις στον Καθολικό Νέας Μονής Χίου όσο και από τον εργαστηριακό έλεγχο των υλικών που πραγµατοποιήθηκε στη Σχολή Χηµικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, εντοπίστηκαν προβλήµατα διάβρωσης στα έγκλειστα µεταλλικά δοµικά στοιχεία της κατασκευής. Ο ρυθµός της διάβρωσης αρχικά εξαρτάται από το πορώδες και την αγωγιµότητα των λίθων και του κονιάµατος που βρίσκονται σε επαφή µε τα µεταλλικά δοµικά στοιχεία της κατασκευής. Η κατάσταση αυτή διαφοροποιείται 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 9

όσο το φαινόµενο της διάβρωσης εξελίσσεται και το πάχος των οξειδίων αυξάνει στην επιφάνεια του µετάλλου. Τα προϊόντα της διάβρωσης του σιδήρου τα οξείδια του σιδήρου ή τα υδροξείδια του σιδήρου ασκούν εφελκυστικές τάσεις στα κονιάµατα και τους λίθους προκαλώντας αρχικά τη ρηγµάτωση τους και τελικά την εκτίναξή τους. Η διαδικασία αυτή της διάβρωσης αυξάνει όσο η υγρασία διαπερνά από την εξωτερική επιφάνεια του κτηρίου είτε δια µέσου των πόρων των υλικών κατασκευής ή του κονιάµατος αρµολόγησης ή κατεστραµµένων συστηµάτων αποστράγγισης όµβριων υδάτων αλλά και δια µέσου των σχηµατιζόµενων ρωγµών. Η διάβρωση των µεταλλικών στοιχείων του Καθολικού Νέας Μονής Χίου ξεκινά και επεκτείνεται στα αγκήρια ζεύξης, γωνίες µεταλλικών δοµικών στοιχείων και στεφάνες περίδεσης τυµπάνου - τρούλου. Η διάβρωση των µεταλλικών δοµικών στοιχείων έχει ως αποτέλεσµα την ρηγµάτωση και αποκόλληση οπτόπλιθων και λίθων της κατασκευής. Συγκεκριµένα, η ρηγµάτωση και αποκόλληση των οπτόπλιθων (εξωτερικής πρόσοψης της κατασκευής) και λίθων συµβαίνει από την διόγκωση των µεταλλικών στοιχείων της κατασκευής που προκαλείται από την δηµιουργία των οξειδίων στην επιφάνεια τους. Τα είδος διάβρωσης που παρατηρήθηκε στα µεταλλικά δοµικά στοιχεία της κατασκευής ήταν κατά κύριο λόγο διάβρωση µε βελονισµούς. Η διάβρωση µε βελονισµούς ή εντοπισµένη διάβρωση δεν έχει οδηγήσει ακόµη σε σηµαντική αποµείωση διατοµών των χαλύβδινων δοµικών στοιχείων. Η διάβρωση µε βελονισµούς οφείλεται κατά κύριο λόγο στην διάχυση των χλωριόντων από το εξωτερικό περιβάλλον (µεταφορά ιόντων χλωρίου από την θάλασσα δια µέσω του ανέµου) στους δοµικούς λίθους, πλίνθους και κονιάµατα της κατασκευής. Εάν η συγκέντρωση των χλωριόντων υπερβεί µια συγκεκριµένη τιµή (0,026% κ.β. κονιάµατος) τότε καταστρέφεται τοπικά το παθητικό στρώµα στην επιφάνεια του µετάλλου µε συνέπεια την έναρξη της διάβρωσης. Στην περίπτωση µας η συγκέντρωση των χλωριόντων υπερβαίνει την ανωτέρω τιµή. Τέλος από τις µετρήσεις του δυναµικού διάβρωσης όσο και της αγωγιµότητας (ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης) δοµικών στοιχείων της κατασκευής (πλίνθων, λίθων και κονιαµάτων) εντοπίστηκαν µακρο και µίκρο γαλβανικά στοιχεία διάβρωσης, η δηµιουργία των οποίων εντείνει τους ρυθµούς διάβρωσης και κατά συνέπεια µειώνει το χρόνο ζωής της κατασκευής. Προκειµένου να αντιµετωπισθεί το φαινόµενο της διάβρωσης που οδηγεί στην δηµιουργία οξειδίων επί των µεταλλικών στοιχείων της κατασκευής, η εφαρµογή συστήµατος καθοδικής προστασίας κρίθηκε αναγκαία (Daily, S. 2003) (Bertolini, L. 2003). ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΟΜΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΤΗΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα που προέκυψαν από την διαγνωστική µελέτη των µεταλλικών δοµικών στοιχείων του Καθολικού Νέας Μονής Χίου που διεξήχθη στο Εργαστήριο Φυσικοχηµείας και Εφαρµοσµένης Ηλεκτροχηµείας, της Σχολής Χηµικών Μηχανικών του Ε.Μ.Π προτείνεται ως µέθοδος προστασίας έναντι της διάβρωσης εφαρµογή συστήµατος καθοδικής προστασίας. Η καθοδική προστασία είναι µια µέθοδος προστασίας από την διάβρωση που τεκµηριωµένα ως σήµερα 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 10

έχει αποδειχθεί ότι µπορεί να µηδενίσει την διάβρωση για µεγάλο χρονικό διάστηµα. Επιπρόσθετα προσφέρει προστασία από την διάβρωση για πολύ µεγάλο χρονικό διάστηµα (άνω των 75 χρόνων) χωρίς να αλλοιώνεται η φυσιογνωµία της διατηρητέας κατασκευής (Chess, P. 1998). Στην συγκεκριµένη περίπτωση επιλέχθηκε η καθοδική προστασία λόγω της ύπαρξης των χλωριόντων σε µεγάλες συγκεντρώσεις πλησίον των µεταλλικών δοµικών στοιχείων της κατασκευής. Η κάλυψη της κατασκευής µε επίχρισµα το οποίο θα απέτρεπε την διάχυση νέων ποσοτήτων ιόντων χλωρίου δεν θα είχε κανένα αποτέλεσµα διότι τα ήδη υπάρχοντα χλωριόντα αυτοκαταλύουν την διάβρωση ανασχηµατιζόµενα (Μπατής, Γ., Καρύδης, Π. 1999). Η εφαρµογή των αναστολέων διάβρωσης θα µπορούσε προς το παρόν να απενεργοποίηση την δράση των χλωριόντων, αλλά σε σχετικά σύντοµο χρονικό διάστηµα για τη διάρκεια ζωής ενός µνηµείου, η συγκέντρωση των χλωριόντων θα αποκτούσε τέτοιες τιµές που θα µπορούσε και πάλι να εντείνει το φαινόµενο της διάβρωσης. Αποτέλεσµα όλων των παραπάνω είναι ότι η επιλογή χρήσης των αναστολέων διάβρωσης κρίνεται µη αποτελεσµατική και κατά συνέπεια η εφαρµογή συστήµατος καθοδικής προστασίας κρίνεται αναγκαία (Chess, P. 1998) (Ball, Ch. 2000). Η καθοδική προστασία επιβαλλόµενου ρεύµατος περιλαµβάνει την άµεση επιβολή ρεύµατος χαµηλού δυναµικούαπό την άνοδο προς την επιφάνεια του µετάλλου δια µέσω πηγής (µετασχηµατιστή ανορθωτή). Ως άνοδοι χρησιµοποιούνται άνοδοι τιτανίου (ΜΜΟ Μixed Metal Oxide) είτε σε µορφή πλέγµατος είτε σε µορφή ράβδων όπως αυτές της καθοδικής προστασίας του οπλισµού στο σκυρόδεµα (Daily, S. Kendell, K. 1998). Λόγω των υψηλών απαιτήσεων για µεγάλη διάρκεια ζωής της κατασκευής, η µέθοδος της καθοδικής προστασίας επιβαλλόµενου ρεύµατος συνίσταται τόσο σε κατασκευές Οπλισµένου Σκυροδέµατος όσο και στα διατηρητέα κτήρια, µνηµεία. Η διάρκεια ζωής των ανόδων τιτανίου ΜΜΟ ή και σύνθετων ανόδων από κεραµικό και τιτάνιο, ανάλογα την κατασκευή µπορεί να είναι από 100-500 χρόνια (Pedeferi, P. 1996) (Daily, S. 1998). Ο σχεδιασµός ενός συστήµατα καθοδικής προστασίας επιβαλλόµενου ρεύµατος περιλαµβάνει: Πηγή Συνεχούς Ρεύµατος DC, Άνοδοι από κατάλληλο υλικό όπως πλέγµα ή ράβδοι τιτανίου, ιασφάλιση της Ηλεκτρικής συνέχειας των µεταλλικών στοιχείων της κατασκευής, Καλωδίωση των ανόδων µε τον µετασχηµατιστή/ ανορθωτή, Καλωδίωση των µεταλλικών στοιχείων µε τον µετασχηµατιστή/ ανοθρωτή, Ηλεκτρόδια αναφοράς και Έλεγχο της καλής λειτουργίας του (Gibbs, P. 2000) (Raupach. M., Warkus. J. 2003). Στην παρούσα κατασκευή που λόγω της ιστορικής σηµασίας έχει κριθεί διατηρητέα, το σύστηµα καθοδικής προστασίας το οποίο εφαρµόστηκε ήταν επιβαλλόµενου ρεύµατος. Η καθοδική προστασία επιβαλλοµένου ρεύµατος εφαρµόστηκε µε την βοήθεια 180 διακριτών ανόδων σύνθετης κατασκευής από κεραµικό και τιτάνιο και 6 ηλεκτροδίων αναφοράς αργύρου /χλωριούχου αργύρου. Η καλή λειτουργία της καθοδικής προστασίας ελέγχθηκε µε ηλεκτροχηµικές µετρήσεις σύµφωνα µε τα διεθνή πρότυπα National Association of Corrosion Engineers Standard RP0290. Συγκεκριµένα, χρησιµοποιήθηκαν διακριτές άνοδοι τιτανίου µόνιµης τοποθέτησης (discrete titanium anodes) υψηλής σταθερότητας σε µακροχρόνια χρήση σε πυκνότητες ρεύµατος έως και 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 11

900mA/m^2 (επιφάνειας ανόδου). Η εγκατάσταση των διακριτών ανόδων από κεραµικό και τιτανίο πραγµατοποιήθηκε µέσω διατρήσεων στην τοιχοποιία διαµέτρου 15 mm χιλιοστών και µήκους 160-170 mm. Το υλικό πλήρωσης το οποίο χρησιµοποιήθηκε µετά την εγκατάσταση των ανόδων στις διατρήσεις είχε υψηλή πυκνότητα και αγωγιµότητα (πληρωτική κονία ανόδων η θιξοτροπική κονία υψηλής πυκνότητας και ηλεκτροχηµικής σταθερότητας). Η εγκατάσταση των ανόδων τιτανίου έγινε όσον το δυνατόν κοντύτερα και οµοιόµορφα στην περιοχή των έγκλειστων µεταλλικών στοιχείων της κατασκευής έτσι ώστε να δίνεται η δυνατότητα της οµοιόµορφης κατανοµής ρεύµατος στα µεταλλικά στοιχεία της κατασκευής. Η επιβολή ρεύµατος έγινε µέσω ενός µετασχηµατιστή / ανορθωτή µέγιστης τάσης 12V και ρεύµατος 5Α. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Ball, Ch. Corrosion Mitigation Strategies for FRP composite strengthening systems, ACI Fall Convention, Torondo, Italy, (2000). Bertolini L, Repassivation of steel in carbonated concrete induced by cathodic protection, Materials and Corrosion, 54, (2003) 163-175. Chess P., Cathodic Protection of steel in concrete E&FN SPON, London, (1998). EN 12696-1, Cathodic protection of steel in concrete Part 1: Atmospherically exposed concrete Daily S., Kendell K., Corrosion Protection of new reinforced concrete structures in aggressive enviroments, Paper 644, Corrosion 98-NACE, Houston USA, 1998 Daily S., Somerville S., Using cathodic protection to control corrosion of mansory Claol steel framed buildings, Corrosion 98- NACE paper 645, Houston USA, (1998). Gibbs P., Corrosion of masonry clad steel framed building, Historic Scotland, Technical Conservation Research and Education Division, Technical Advice Note 20, June, (2000). Pedeferi P., Cathodic Protection and Cathodic Prevention, Construction and Building Materials, Vol. 10, No. 5 (1996) 391-402. Raupach M., Warkus J., Cathodic corrosion protection of corroding reinforced concrete structures from the opposite side Model experiments and numerical calculations Material and Corrosion, 54 (2003) 394-403. Μπατής Γ., Καρύδης Π., «Καθοδική προστασία του οπλισµού στο σκυρόδεµα», 13 ο Ελληνικό Συνέδριο Σκυροδέµατος, Ρέθυµνο, Τόµος ΙΙ, (1999) 326-334. Χαλκιά Στεφάνου Π., «Τα µοναστήρια της Χίου», Επτάλοφος Α.Β.Ε.Ε., Αθήνα, (2003) 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 12