Alina Jarmontowicz
Studium trwałości piaskowca w
obiekcie zabytkowym w warunkach
zanieczyszczenia atmosfery
Ochrona Zabytków 51/1 (200), 35-37
Alina Jarm on tow icz
STUDIUM TRWAŁOŚCI PIASKOWCA W OBIEKCIE ZABYTKOWYM
W WARUNKACH ZANIECZYSZCZENIA ATMOSFERY
Piaskowiec był pow szechnie stosow anym kam ie niem w krajow ych obiektach zabytkow ych. Najstarsze zabytki z piaskow ca istnieją na ziemiach polskich od 5 0 0 -7 0 0 lat. M ożna tu w ym ienić kościół i klasztor oo. cystersów w W ąchocku, kościół i ratusz w Lw ów ku, kościół w C hęcinach, gotyckie fragm enty katedry w Strzegom iu, a także wiele innych zabytkowych obiektów w ykonanych z piaskowca.
Dla zachow ania obiektu bardzo duże znaczenie ma trw ałość piaskow ca użytego do jego w ykonania. Trwa łością kam ienia przyjęto określać jego zdolność do niezm iennego utrzym yw ania swych cech i funkcji, w a lorów użytkow ych oraz odporności na zniszczenie lub uszkodzenie. M iarą trw ałości jest czas niezaw odnego użytkow ania obiektu kam iennego. Czas ten jest różny dla poszczególnych odm ian piaskow ca, zależny od b u dowy w ew nętrznej tego kam ienia.
Piaskowce są to skały osadow e zbudow ane z o k ru chów skalnych scem entow anych spoiw em . O krucham i skalnymi są przew ażnie kw arc, rzadziej skalenie bądź węglany w postaci kalcytu i dolom itu.
Spoiw o może zawierać kwarc, krzem ionkę w po sta ci chalcedonu lub opalu, m inerały ilaste, węglany, składniki żelaziste i inne.
Zależnie od rodzaju spoiw a piaskow ce są określane jako kw arcow e, krzem ionkow e, w apniste, m argliste, ilaste, żelaziste lub krzem ionkow o-w ęglanow e, węg- lanow o-ilaste oraz ilasto-żelaziste.
Z aw artość spoiw a w piaskow cach może w ahać się w szerokich granicach. W niektórych piaskowcach spoiw o w ystępuje w ilościach nieznacznych, w innych natom iast jego zaw artość jest duża.
Badania krajow ych piaskow ców pochodzących z różnych rejonów wykazały, że próbki pobrane z re jonu sudeckiego zaw ierały spoiw o w ilości od 2 do 10% masy. W próbkach piaskow ców natom iast p o chodzących z rejonu Bielska-Białej spoiw o stanow iło od 16 do 35% m asy1.
Skład m ineralny poszczególnych odm ian piaskow ca, a także ich cechy strukturalne i teksturalne są b ar dzo zróżnicow ane. Cechy strukturalne obejmują: w iel kość o kruchów i ziaren, stopień obtoczenia okruchów i ziaren oraz ich kształt, a także charakter ich p o w ierzchni.
Cechy teksturalne charakteryzują sposób ułożenia i upakow ania składników okruchow ych, ich orien tac ję, a także w zajem ne proporcje między składnikam i. Zależnie od stopnia zagęszczenia składników o k ru ch o
1. R. K rzyw oblocka-Laurów , A. Jarm ontow icz, J. Lehmann, N isz
czenie kam ienia w architekturze i rzeźbie w rejonach zagrożenia
eko-wych piaskowce mogą być zwięzłe lub porow ate. Zw ię złe są piaskowce o spoiwie kwarcowym, opalowym lub chalcedonow ym . N ajm niej zwięzłe są piaskow ce za wierające spoiw o ilaste, ilasto-żelaziste lub margliste.
Tekstura piaskow ców jest zwykle bezładna. N iekie dy jednak występuje tekstura rów noległa piaskowca, co uw idacznia się tylko pod m ikroskopem . Rodzaj spoiw a i jego ilość, a także cechy stru k tu raln e i tek stu ralne piaskow ca w pływ ają na jego właściwości fizy ko—m echaniczne i trw ałość. N iek tó re składniki, np. piryt, obniżają trw ałość piaskow ca. Piryt bow iem ulega utlenieniu i uw odnieniu, przechodząc w tlenki lub w odorotlenki żelaza. Z aw arta w pirycie siarka ró w nież utlenia się, a jej tlenki przy uw odnieniu tw orzą kwas siarkow y i siarczany. Procesom tym towarzyszą naprężenia w ew nętrzne w strukturze kam ienia, zwią zane ze zm ianą objętości pow stających utw orów w sto sunku do stanu wyjściowego. U tw orzony przy tym lim onit w ystępuje w postaci rudych plam i w ykw itów na pow ierzchniach kam ienia. Piryt m oże znajdow ać się w piaskow cu w postaci większych skupień i w trąceń. Piaskowiec taki użyty byl do w ykonania płyt i elem en tów rzeźbionych grobow ca Potockich w W ilanowie. W trącenia o rudym zabarw ieniu w cokole z piaskow ca w idoczne są także w rzeźbie parkow ej Gladiator, znajdującej się na p ó łn o cn o -zach o d n im tarasie Pałacu na W odzie w Łazienkach Królewskich.
Z aw arta w piaskow cu krzem ionka, jeżeli występuje w stanie dużego rozdrobnienia, także niekorzystnie w pływ a na trw ałość tego kam ienia. Powoduje ona bow iem pow olne i niecałkow ite wysychanie piaskow ca, a w w yniku tego jego stałe zawilgocenie w w a ru n kach zew nętrznych. M inerały ilaste rów nież mogą ob niżać trw ałość kam ienia. Pod w pływ em w ody minerały te pęcznieją, a w konsekwencji osłabiają strukturę ka mienia. Przy dużej zaw artości w piaskow cu (rzędu
20%), m inerały ilaste przy zaw ilgoceniu mogą p o w o dować rozw arstw ienia, a naw et sproszkow anie kam ie nia. Kamienie zawierające większe ilości m inerałów ilastych są stale zaw ilgocone, gdyż tru d n o wysychają. S truktura, a zwłaszcza porow atość piaskowców, ró w nież istotnie w pływ a na ich trw ałość. Porow atość ka m ienia, zaw artość p orów i ich rozkład w edług w ielko ści, a także rozdrobnienie i rozw inięcie pow ierzchni właściwej niektórych m inerałów, wpływają na takie ważne cechy kam ienia, jak nasiąkliwość, kapilarność, higroskopijność i zdolność wysychania, a w konse kwencji na trw ałość.
logicznego. R aport z projektu badawczego finansowanego przez K o m itet Badań N au kow ych w okresie 1 9 9 1 -1 9 9 4 , Warszawa 1994, mpis.
Kamienie w ekspozycji zew nętrznej nasiąkają w odą atm osferyczną, podciągają ją z podłoża i pochłaniają wilgoć z pow ietrza, a oddają ją przy wysychaniu. Czas i wysokość kapilarnego podciągania wody, czas i ilość pochłanianej wilgoci z otoczenia do uzyskania stanu rów now agi, oraz czas wysychania i ilość w ody zatrzy mywanej w kam ieniu w określonych w arunkach, są różne dla różnych kam ieni. W ysokość kapilarnego podciągania w ody zależy od sil kapilarnych, które są tym większe, im mniejsze są pory m ateriału. Duża zdolność sorpcyjna kam ienia związana jest z obecno ścią w ich składzie m inerałów w postaci bardzo roz drobnionej, o silnie rozw iniętej pow ierzchni, np. m i nerałów ilastych czy określonej form y krzem ionki. Czas wysychania i ilość w ody jaka pozostaje w kam ie niu, a nie wysycha w naturalnych w arunkach, p o d o bnie jak higroskopijność, zależą od obecności m inera łów o znacznie rozw iniętej pow ierzchni.
N a trw ałość obiektów kam iennych wpływ ają b ar dzo znacząco także czynniki zew nętrzne. Są to zmiany tem peratury i w ilgotności pow ietrza, m róz, opady d e szczu, śniegu, gradu i szadzi. Siła i kierunek w iatru, ciśnienie pow ietrza oraz czynniki biologiczne — bak terie, pleśnie, grzyby, rośliny, zw ierzęta — rów nież w pływają na trw ałość kam ieniarki. Czynniki te w yw o łują różne zmiany w m ateriale kam iennym . Często są to drobne rysy i spękania, pow stałe w w yniku wpływ u zm iennych czynników klim atycznych, które prow adzą do osłabienia spoistości struktury, a naw et do k ru ch o ści kam ienia. Kam ień staje się bardziej porow aty i ujawniają się jego ubytki. O bserw ow ane zniekształ cenia profili architektonicznych i rzeźb oraz w ystępo wanie raków i bruzd w piaskow cu p ow odow ane jest głów nie działaniem tych czynników.
Znaczne zmiany w m ateriale w yw oływ ane są w pły wem w ody w w yniku procesów fizycznych i chem icz nych. Często są to procesy wzajem nie związane. Z n i szczenia na skutek działania w ody infiltrującej z p o d łoża ujawniają się w postaci pow staw ania pasa o zm ie nionej barw ie kam ienia, zróżnicow anej szerokości i wysokości. Często uwidoczniają się w tym miejscu w ykw ity lub obw ódka w najwyższej części pasa zni szczeń. Powierzchnia kam ienia w pasie zniszczeń jest pokryta tw ardą patyną, która miejscami odstaje w ar stwami o różnej grubości. W arstewka zew nętrzna m o że być spękana, a także m oże rozpadać się na drobne łuski. Łuski odpadając odsłaniają zam ieniony w p ro szek kam ień, który osypuje się. Głębsze w arstw y ka m ienia podlegają działaniu czynników niszczących. Działanie niszczące w ody przew ażnie w spółw ystępuje z niszczącym w pływ em soli rozpuszczalnych i uszko dzeniam i m echanicznym i. W pływy tych czynników ujawniają się najwyraźniej na cokołach różnych obiek tów zabytkow ych. Zaw ilgocenie kam ienia stanow i pierwszy etap jego niszczenia. W oda przenikając do w nętrza m ateriału pow oduje pęcznienie niektórych składników kam ienia, najczęściej m inerałów ilastych.
Stopniow o też rozpuszcza niektóre rodzaje spoiwa w piaskowcach. Przeciekająca w oda przyczynia się do m echanicznego „w ypłukiw ania” — ługow ania ziaren słabiej spojonych.
W czasie zam arzania wody, zamieniającej się w lód, następuje zwiększenie jej objętości o około 9% . Powo duje to znaczny w zrost ciśnienia na otaczający m ate riał. W konsekw encji narusza się zwięzłość struktury, pow stają pęknięcia i oddzielanie się w arstew ek m ate riału kam iennego.
G w ałtow ne osuszenie silnie zaw ilgoconego kam ie nia pow oduje kurczenie się poszczególnych składni ków kam ienia, co prow adzi do pękania, pow staw ania i rozw oju rys, rozw arstw iania, łuszczenia się i odp ad a nia pow ierzchniow ych, a następnie głębszych w arstw m ateriału.
W ilgoć przyczynia się także do rozw oju bakterii, grzybów i roślin mających w pływ na trw ałość zaby tków kam iennych. N iek tó re bakterie pow odują prze kształcanie w ęglanu w apnia w azotany w apnia. Są też bakterie, które przekształcają zaw arte w w odzie de szczowej lub infiltracyjnej siarczany w siarczki lub nad- siarczki. Inne natom iast bakterie utleniają siarczki i nadsiarczki do siarczanów. Proces przekształcania siarczanów w siarczki i nadsiarczki odbyw a się w całej masie kam ienia. N atom iast przem iana tych związków do postaci siarczanów zachodzi głów nie w szczelinach, blisko pow ierzchni kam ieni.
M chy i glony działają na kam ień m echanicznie i chemicznie. Działanie m echaniczne polega na w nika niu cieniutkich korzonków w szczeliny kamienia. Efektem tego jest kruszenie się kam ienia. Chem iczne działanie m chów i glonów związane jest z wydziela niem się kw asów organicznych działających niszcząco na kam ień. Rośliny działają głów nie m echanicznie. Ich korzenie przenikają w pęknięcia i szczeliny w kam ie niu, pow odując rozsadzanie i kruszenie. Powstające w w yniku działań żywych organizm ów kwasy orga niczne w swym działaniu są słabsze od nieorganicz nych, ale podobnie reagują ze składnikam i spoiwa piaskowców. Ługują je, osłabiając tym samym stru k tu rę w ew nętrzną kam ienia.
Obiekty zabytkow e zlokalizow ane w dużych m ia stach lub w ośrodkach przem ysłow ych, czy na terenie nadm orskim , ulegają d o d atk o w o niszczeniu w skutek oddziaływ ania zanieczyszczeń środow iska.
W atm osferze szkodliw ym i zanieczyszczeniami są kurz, pyły, dymy, gazy i pary w ydzielane z kominów, a także zanieczyszczenia pow ietrza spalinam i silników pojazdów m echanicznych.
W w odach pow ierzchniow ych i gruntow ych agre sywne związki chem iczne m ogą pochodzić z ro zp u szczonych gazów znajdujących w pow ietrzu, ze ście ków, z cząstek sadzy i pyłów oraz ze składników za w artych w gruncie i w odzie gruntow ej.
Zanieczyszczenia pow ietrza w ystępują w postaci cząstek stałych, gazowych i ciekłych. Stałymi składni
kami pyłów są: cząstki niespalonego węgla, cząstki smoły i sadzy oraz rozpuszczalne i nierozpuszczalne składniki m ineralne. Zanieczyszczenia pochodzące z węgla pokryw ają obiekt kam ienny ściśle przylegają cą, gąbczastą w arstew ką. Zatrzym uje ona wilgoć i ab sorbuje siarkow odór i dw utlenek siarki, a także inne gazy z zanieczyszczonego pow ietrza. W skład cząstek m ineralnych pyłu w chodzą ziarenka kw arcu i innych m inerałów , okruchy szkliwa oraz różnego rodzaju włókna. Aerozole m ogą zawierać takie same jakościo wo cząstki stałe, lecz drobniejsze, oraz cząstki substan cji agresywnych, głów nie kwasów i soli, takich jak: kwas siarkow y i solny, jedno i dw uzasadow y siarczan am onu i chlorek sodu. Składnikam i zanieczyszczeń gazowych są: tlenek i dw utlenek węgla, tlenki siarki i azotu, kwas azotowy i solny, kwasy organiczne i ozon. Składnikam i ciekłymi zanieczyszczeń pow ietrza są jo ny: w odorow y, am onowy, kwaśny siarkawy, siarkowy, azotynow y i azotow y oraz kwaśny węglanowy.
Zanieczyszczenia środow iska w pływ ają na piaskow ce zależnie głów nie od rodzaju znajdującego się w nich spoiwa. N a przykład w piaskowcach zawierających węglan w apnia pod działaniem kwasu węglow ego, w ystępującego w w odzie, powstaje kwaśny węglan w apnia. R oztw ór tego węglanu infiltruje do pow ierz chni kam ienia, gdzie w trakcie parow ania rekrystali- zuje w postaci bezw odnego w ęglanu w apnia. C harak teryzuje się on mniejszą rozpuszczalnością niż odm iana kw aśna tego w ęglanu. Niszczące działanie dw utlenku węgla polega więc na w yługow aniu z kam ienia p ier w otnego w ęglanu w apnia, a następnie w ytrącenia go jako m ateriału w tórnego w w arstw ach pow ierzchnio wych kamienia.
Inne kwasy zawarte w wodzie również wstępują w re akcje chemiczne ze spoiwem węglanowym piaskowców, prow adząc do dezintegracji struktury tych kam ieni. O prócz typu spoiwa istotna jest także porow atość kam ie nia. Kamienie bardziej porow ate szybciej niszczeją.
O cena trw ałości kam ienia znajdującego się w śro dow isku zanieczyszczonym jest zagadnieniem złożo nym. Z tego w zględu w praktyce m ateriałoznaw czej stosow ane są uproszczone m etody określania trw ałości kam ienia. Jedną z nich jest m etoda podana w Polskiej N orm ie P N -8 4 /B -0 1 0 8 0 . Zgodnie z tą norm ą w yróż nia się piaskowce średnio i m ało o d porne na działanie
zanieczyszczonej atmosfery. D o średnio odpornych za liczono piaskow ce zaw ierające spoiw o krzem ionkow e. N ie ulegają one niszczeniu w środow isku agresywnym charakteryzującym się zaw artością dw utlenku siarki wynoszącą w granicach od 0,5 do 10 m g/m 3. Piaskow ce natom iast o innych typach spoiw a w edług tej norm y klasyfikowane są jako m ało odp o rn e. Piaskowce te nie ulegają niszczeniu w środow isku, w którym zaw artość dw utlenku siarki nie przekracza 0,5 m g/m 3. Jest to jednak bardzo orientacyjna klasyfikacja dotycząca o d porności wszystkich skal w ogóle. Nie daje ona m oż liwości uw zględnienia cechy charakterystycznej pia skowca, jaką jest zm ienna zaw artość w nim spoiwa. M a to istotne znaczenie przy doborze piaskowca odpo wiedniego do potrzeb konserwatorskich. Z tego względu trwałość piaskowca proponuje się oceniać na podstawie nie tylko typu, ale rów nież ilości zaw artego w nim spoiwa. W tym celu m oże być w ykorzystany w skaźnik odporności piaskow ca oparty na ilości zawartych w nim składników rozpuszczalnych w roztw orze w o d nym kwasu solnego. W skaźnik ten oznacza się jako stosunek masy składników piaskow ca rozpuszczalnych w roztw orze w odnym kwasu solnego do masy badanej próbki tego kam ienia. W artość wskaźnika dla krajo wych piaskow ców mieści się w granicach 0,01 do 0,4. Piaskowce o najmniejszych w artościach tego wskaź nika charakteryzują się największą odpornością na dzia łanie kwaśnych zanieczyszczeń atmosferycznych. W mia rę w zrostu podanego w skaźnika odporność piaskowca maleje. N a przykład dla piaskow ca z W artowic, cha rakteryzującego się dużą odpornością, w artość tego w skaźnika wynosi 0,02, a dla piaskow ca z Barwałdu Dolnego o małej odporności, wskaźnik ten wynosi 0,3.
Obserwowane często niszczenie piaskowca w obiek tach zabytkow ych, ujawniające się w postaci dezinte gracji i osypywania się kam ienia, przew ażnie p o w o d o wane jest nakładaniem się różnych czynników niszczą cych. Ustalenie trw ałości tego kam ienia wymaga w szechstronnych badań jego składu i struktury oraz uw zględnienia całokształtu synergicznych oddziały wań czynników niszczących.
N a podstaw ie szczegółowych danych o składzie mi neralnym i podstaw ow ych cechach fizyko-m echanicz- nych piaskow ca m ożliw e jest prognozow anie jego trw ałości w określonych w arunkach środow iska.
A Study on the Durability of Sandstone in a Historical Object and in Conditions of Air Pollution The rapidity of the damage incurred to stone monuments
depends on the resistance of the material and the surroun ding environmental conditions. Polish professional litera ture and conservation practice lack a complex approach to stone material as regards its durability. Global tendencies aim at an all-sided familiarity with the features of the material and the phenomena occurring therein in the course of ex ploitation. The reaction of the stone material in a historical object depends predominantly on its structure and resultant
physical and mechanical properties. The structure and min eral composition of the material decide when and how it should be applied. From the practical point of view, predic tions concerning the reaction of material in the course of time is ascribed considerable meaning.
The author presents the structure and mineral composi tion of examples of domestic sandstones under the impact of air pollution.
