ING. CLIM (căs. PEGESCU- CLIM) DIANA- ANDREEA [304731]

UNIVERSITATEA TEHNICĂ “GHEORGHE ASACHI” DIN IAȘI

FACULTATEA DE CONSTRUCȚII ȘI INSTALAȚII

RAPORT DE CERCETARE I

PENTRU ȘCOALA DOCTORALĂ

CONDUCĂTOR DE DOCTORAT:

PROF. UNIV. DR. ING. LIVIU GROLL

DOCTORAND: [anonimizat]. CLIM (căs. PEGESCU- CLIM) DIANA- ANDREEA

TITLUL PROIECTULUI

“Contribuții privind diagnosticarea și reabilitarea higrotermică a clădirilor istorice”

DATE PERSONALE ALE DOCTORAND: [anonimizat]: Clim (căs. Pegescu- Clim) Diana- Andreea

An naștere: 1987

Studii:

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” [anonimizat], Master – [anonimizat], promoția 2013 -2015;

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” [anonimizat], [anonimizat], promoția 2008-2013;

Liceul Teoretic “Dimitrie Cantemir” [anonimizat] 2002-2006.

CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC:

Prof. Univ. Dr. Ing. [anonimizat]/COD:

INGINERIE CIVILĂ ȘI DE INSTALAȚII

TERMENI CHEIE CARE DEFINESC CEL MAI BINE DOMENIUL DE CERCETARE

Umiditate;

Ascensiune capilară;

Clădiri istorice;

Zidărie de cărămidă;

Analiză higrotermică;

Modernizare higrotermică.

DURATA PROIECTULUI – 2 ani

REZUMAT

Conservarea clădirilor istorice reprezintă o prioritate, [anonimizat]. Este cunoscut faptul că patrimoniul construit al României cuprinde opere de o [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat].

[anonimizat] a comunității culturale este conservarea patrimoniului construit. [anonimizat] a [anonimizat].

Din literatura de specialitate reiese faptul că principala cauză a degradării clădirilor vechi este umiditatea. [anonimizat], datorită elementelor artistice care se degradează. [anonimizat] a hidroizolației și de stopare a ascensiunii capilare trebuie să fie de calitate superioară și să aibă o durată de viața cât mai mare. [anonimizat], [anonimizat] a structurii, apariția mucegaiului și a igrasiei.

[anonimizat], o metodă sigură de hidrofobizare a zidăriilor și de împiedicare a ascensiunii capilare nu este garantată. [anonimizat], metoda de punere în operă nu este întotdeauna optimă. [anonimizat].

[anonimizat]. [anonimizat] a clădirilor protejate. În acest sens au fost elaborate obiective și strategii care să conducă la rezultate clare în ceea ce privește investigarea și diagnosticarea corectă a fenomenelor, dar și măsuri fezabile pentru o comportare higrotermică durabilă. Tema studiată constituie o provocare la nivel mondial, deoarece, în numeroase studii de caz, s-a constatat că metodele și soluțiile aplicate nu au fost pe deplin înțelese, fapt care a condus la nefuncționarea lor.

CUPRINS

Introducere

Capitolul 1: Investigarea fenomenelor de umiditate la clădirile istorice

Stadiul actual al cunoașterii (State-of-the-art)

Umiditatea- principala cauză a degradării clădirilor istorice

Acțiunea apei în elementele de construcție ale clădirilor istorice. Mecanisme de degradare

Studiu de caz- Clădirea Kieser Iași

Direcții viitoare de cercetare

Capitolul 2: Influența cristalizării sărurilor solubile asupra caracteristicilor fizice și mecanice ale elementelor ceramice pentru zidărie

Stadiul actual al cunoașterii (State-of-the-art)

Influența cristalizării sărurilor solubile asupra caracteristicilor fizice ale elementelor ceramice pentru zidărie

Metodologia cercetării

Rezultate și concluzii

– Influența cristalizării sărurilor solubile asupra caracteristicilor mecanice ale elementelor ceramice pentru zidărie

Experiment Faza I

Metodologia cercetării- Faza I

Rezultate și concluzii- Faza I

Experiment Faza II

Metodologia cercetării- Faza II

Rezultate și concluzii- Faza II

INTRODUCERE

Conservarea și restaurarea clădirilor istorice reprezintă, pe plan mondial, preocupări majore în rândul comunității culturale. Numeroase construcții valoroase se degradează datorită schimbărilor climatice, a dezvoltării urbane intensive sau a factorilor agresivi din mediul înconjurător. Ideea de conservare a unui edificiu constă în păstrarea nealterată a caracteristicilor elementelor și materialelor de construcție, prin aplicarea de măsuri ce au ca scop protejarea clădirii de acțiunea factorilor agresivi. În ceea ce privește conceptul de restaurare, acesta are la bază trei principii fundamentale: autenticitate, intervenție minimă și reversibilitate [1]. Normele de restaurare impun respectarea acestor principii, prin utilizarea de materiale recreate istoric, compatibile cu cele autentice, prin adoptarea de soluții și tehnologii de investigare și restaurare non-invazive și prin asigurarea caracterului de reversibilitate a oricărei măsuri de restaurare adoptate.

Patrimoniul arhitectural al României cuprinde o varietate impresionantă de edificii. Fie că ne referim la biserici fortificate, mănăstiri, cetăți, conace boierești, schituri, palate domnești sau simple case țărănești [2], toate au o contrubuție importantă în descrierea evoluției societății. Degradarea patrimoniului construit se datorează, în principal, prezenței umidității în elementele de construcție [3]. Fenomenele de degradare, cauzate de umiditate, produse asupra edificiilor vechi s-au manifestat, de-a lungul timpului, cu precădere în Europa (în special Franța și Italia), datorită utilizării materialelor de construcție poroase, cum ar fi cărămida din argilă arsă, solidarizată cu mortar de var și nisip sau piatră calcaroasă. Aspectele legate de mecanismele de producere a degradărilor, deși aparent ușor de descifrat, s-au dovedit a fi o provocare [3] pentru oamenii de știință. Înțelegerea parțială a acestor fenomene conduce la incapacitatea de a stabili un diagnostic și de a adopta măsuri de intervenție fiabile, privind restaurarea clădirilor istorice.

Obiectivele principale ale acestei lucrări sunt identificarea factorilor ce influențează degradarea construcțiilor istorice, determinarea mecanismelor de degradare și propunerea unor soluții de reducere a umidității din elementele de construcție.

CAPITOLUL 1. INVESTIGAREA FENOMENELOR DE UMIDITATE LA CLĂDIRILE ISTORICE

Stadiul actual al cunoașterii (State-of-the-art)

Preocuparea oamenilor de știință în ceea ce privește aspectele legate de umiditatea clădirilor vechi a apărut la sfârșitul secolului al XIX- lea [4], ca urmare a degradării elementelor de construcție ale edificiilor existente. Pe de altă parte, medicii acelei perioade au constatat că anumite afecțiuni respiratorii puteau fi asociate condițiilor insalubre determinate de igrasie și mucegai, frecvent întalnite în cazul clădirilor vechi. Numeroase cercetări s-au realizat în Europa, în special în Franța și Italia, unde fenomenele de degradare s-au manifestat intens, datorită punerii în operă la clădirile istorice a materialelor de construcție poroase, cum ar fi elementele ceramice pentru zidării, piatra de natură calcaroasă și mortarul de var sau ciment. Metodele de investigare din acea perioadă erau aproximative, bazată, în mare parte, pe analiza vizuală a elementelor de construcție afectate de umiditate. Această metodă este aproximativă, întrucât nu poate surprinde toate aspectele fenomenelor de degradare, precum conținutul de umiditate, diagrama secțiunilor umede, sursa umidității etc. Ca o metoda complementară, se practica adesea prelevarea de carote din pereții sau fundațiile edificiilor, cu scopul de a determina conținutul de umiditatea în laborator. Aceasta metoda are un grad mai ridicat de precizie, însă este invazivă, afectând atât integritatea elementelor de construcție, cât și caracterul estetic al acestora. În cazul pereților care conțin picturi sau elemente decorative, metoda prelevării de carote nu poate fi utilizată.

Având în vedere aspectele enunțate anterior și principiul confom căruia orice intervenție asupra clădirilor istorice trebuie să fie revesibilă [1], se întrevede necesitatea conceperii unor tehnici noninvazive de investigare a umidității clădirilor vechi, care să aibă un grad ridicat de precizie și care să se poată utiliza la cât mai multe tipuri de clădiri.

Tehnici noninvazive de investigare a umidității

În trecut, intervențiile de reabilitare asupra clădirilor istorice se bazau pe experiența dobândită anterior de către specialiși, fapt ce a condus la adoptarea unor soluții care au generat degradarea și mai accentuată a edificiilor reabilitate. Acest aspect conduce la ipoteza că fiecare caz trebuie studiat separat, pentru a stabili mecanismul de degradare. Acesta este compus din două tipuri de indicatori: macroindicatorii, care determină tipul degradării și microindicatorii, responsabili pentru stabilirea ratei degradării și a caracteristicilor termodinamice ale elementelor de închidere [9]. Pentru determinarea ambelor tupuri de indicatori se pot folosi tehnici non- invazive de investigare, întrucât adoptarea soluțiilor de intervenție trebuie fundamentată prin studii asupra compatibilității materialelor autentice cu cele propuse, durata de viață a materialelor și soluțiilor adoptate și impactul socio- economic al reabilitării.

Pentru stabilirea unui diagnostic, trebuie investigate aspecte prezentate în Fig. 1:

Fig. 1. Aspecte de studiat pentru diagnosticarea degradărilor cauzate de umiditate

DIP (Digital Image Processing)

Acest tip de investigare presupune fotografierea elementelor supuse analizei și interpretarea acestora cu ajutorul unui software care, procesând imagini digitale, permite clasificarea și identificarea materialelor supuse testării. Metoda are la bază principul că fiecare material reflectă și difuzează lumina în mod diferit, ceea ce permite clasificarea acestora, prin compararea lor cu caracteristicile altor materiale conținute în baza de date a software-ului utilizat [9]. De asemenea, cu ajutorul tenhicii DIP se pot descoperi degradări sau discontinuități în structura materialelor de construcție (Fig. 2).

Fig. 2. Zonă degradată investigată cu tehnica DIP [9]

În numeroase cazuri de reabilitare sau restaurare au fost utilizate metode, tehnologii sau materiale incompatibile cu cele autentice, fapt ce a condus la accelerarea proceselor de degradare a edificiilor. Cu ajutorul metodei DIP se poate determina în mod clar compatibilitatea între materialele puse în operă [9] și se pot identifica măsurile de intervenție aplicate anterior.

IRT (Infrared Termography)

Tehnica noninvazivă IRT este utilizată frecvent, având la bază principiul conform căruia fiecare material emite radiații în infraroșu în mod diferit, putând fi astfel identificate materialele, fisurile, degradările, discontinuitățile de material, conținutul de umiditate [9] (Fig. 3). În practica curentă există două tipuri de măsurători: termografia pasivă, se utilizează pentru investigarea degradărilor sau a defectelor și cea activă, pentru investigarea transferului de căldură.

În cadrul unui studiu efectuat pe pereți din zidărie de cărămidă [10], s-au obținut rezultate concrete în ceea ce privește relația între conținutul de apă din material și conductivitatea termică a acestuia: odată cu creșterea cantității de apă din probe, conductivitatea termică se majorează de aproximativ 3 ori, datorită înlocuirii aerului din pori cu apă.

Fig. 3. Imagine în infraroșu realizată la un lăcaș de cult [12]

Având în vedere că tehnicile invazive de investigare a clădirilor de patrimoniu trebuie evitate, pentru a păstra integritatea structurală și arhitecturală a acestora, se impune utilizarea termografiei în infraroșu pentru determinarea stării de degradare a clădirilor istorice. Tehnica IRT este non-invazivă, are un cost scăzut și rezultatele obținute au un grad mare de încredere. Coroborat cu tehnica IRT, trei aspecte fundamentale pentru stabilirea măsurilor de intervenție trebuie luate în considerare: analiza istorică (presupune înțelegerea conceptului, a tehnicilor utilizate în execuția lucrărilor de construcție și investigarea evenimentelor ce au produs degradări în elementele de construcție, de-a lungul timpului), analiza calitativă (presupune examinarea in-situ a edificiilor, a degradărilor, cu scopul determinării mecanismelor de degradare și pentru încadrarea clădirii într-o clasă de risc) și analiza cantitativă (se referă la determinarea caracteristicilor fizice, chimice și mecanice ale materialelor de construcție) [11].

GRP (Ground Penetrating Radar)

Această tehnica a fost îndelung utilizată în arheologie, pentru a descoperi vestigii sau situri îngropate. Tehnica GRP este noninvazivă și utilizează radiațiile electromagnetice pentru a se descoperi discontinuități de material, defecte în structuri, fisuri (Fig. 4), straturile interioare de materiale, prezența apei, conținutul de umiditate, eficiența soluțiilor de reabilitare adoptate [9]. Pentru o interpretare corectă, această metodă de investigare trebuie coroborată cu o metodă analitică sau altă metodă non-invazivă.

Fig. 4. Zonă dintr-un perete de zidărie de cărămidă investigată cu tehnica GRP [9]

US (Ultrasonic Testing)

Tehnica de investigare US este noninvazivă și utilizează undele sonore de înaltă frecvență, pentru a descoperi defecte de material, discontinuități în volumul elementului investigat. Principiul de funcționare se bazează pe faptul că undele traversează straturile de material și sunt reflectate de orice suprafața întâlnită. Pentru determinarea conținutului de umiditate dintr-un element de construcție, principiul este acela că viteza de propagare a undelor este invers proporțională cu cantitatea de apă conținută [9].

Tehnica US se folosește la clădirile istorice pentru determinarea constantelor elastice a materialelor vechi și pentru evaluarea aderenței între materialele autentice și cele utilizate la reabilitare sau restaurare [9].

FOM (Fibre Optique Microscopy)

Tehnica FOM este o metodă de investigare ce utilizează un sistem cu microscop integrat, care poate fi folosit in-situ pentru identificarea materialelor de construcție utilizate, investigarea degradărilor acestora (Fig. 5), determinarea eficienței soluțiilor aplicate (Fig. 6), stabilirea compatibilității între materiale și identificarea naturii degradărilor [9].

Fig. 5. Degradări de natură fizică (prima imagine din partea stângă- fisuri ale materialului) și biologică (imaginile din mijloc și din partea dreaptă) investigate cu tehnica FOM [9]

Fig. 6. Evaluarea măsurilor de intervenție investigate cu tehnica FOM (stânga- zonă netratată, mijloc și dreapta- zone tratate cu soluții pentru diminuarea porozității) [9]

Dispozitivul poate mări imaginile de 600 de ori și este prevăzut cu o memorie internă, unde le stochează, pentru o accesare ulterioară [9]. Aceasă tehnică poate identifica degradările cauzate de acțiunea apei în elementele de construcție, cum ar fi prezența eflorescențelor, a microorganismelor sau a fisurilor produse de gelivitate.

NMR (Nuclear Magnetic Resonance)

Întrucât monumentele istorice sunt obiective dificil de reabilitat din punct de vedere higrotermic, sunt mari consumatoare de energie, necesitatea conceperii unor sisteme de monitorizare și investigare a comportării acestora devine imperativă [13].

Investigarea conținutului de apă și de săruri solubile dintr-un element de construcție se poate realiza cu ajutorul tehnicii non-invazive NMR [14]. În cazul edificiilor protejate, pe pereții cărora sunt pictate opere valoroase, singura metodă de investigare higrotermică este Nuclear Magnetic Resonance. Intensitatea semnalului detectat de acest dispozitiv este direct proporțional cu cantitatea de apă conținută, putându-se trasa diagrame care relevă conținutul de apă aferent fiecărei suprafețe a elementului de construcție investigat [14].

LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic)

În cazul clădirilor istorice reabilitate sau restaurate, este extrem de importantă monitorizarea surselor care pot produce degradări, așa cum este conținutul de umiditate din elementele de construcție. În acest scop se propune utilizarea unui senzor LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramic) pentru monitorizarea umidității clădirilor vechi. Senzorul este alcătuit dintr-un inductor și un condensator intergrat și poate avertiza depășirea valorilor de siguranță ale parametrilor de microclimat, fapt ce poate conduce la prevenirea degradărilor [15]. Caracteristicile senzorului LTCC sunt: sensibilitate însemnată la prezența apei, răspuns rapid prin wireless, rezistență la acțiunea factorilor agresivi, durabilitate, concept simplu, cost scăzut, adaptabilitate la orice sistem de construcție, vechi sau nou [15].

Aceasta metodă de monitorizare a clădirilor istorice este foarte utilă, deoarece poate avertiza în timp scurt depășirea parametrilor de siguranță și poate facilita astfel măsurile de intervenție adoptate.

Deși tehnicile moderne de investigare noninvazivă au un grad ridicat de precizie și nu afectează integritatea elementelor de construcție studiate, trebuie coroborate cu analize efectuate în laborator, cu analize numerice sau cu alte tehnici de investigare in situ, pentru ca datele obținute să fie validate.

Umiditatea- principala cauză a degradării clădirilor istorice

Deoarece importanța conservării clădirilor istorice, reprezintă o prioritate, atât investigarea cauzelor ce stau la baza producerii degradărilor, cât și stabilirea mecanismelor de degradare. În acest sens, sunt sintetizate cauzele, efectele și mecanismele de producere a degradării frecvent întâlnite la edificiile vechi.

Surse de umiditate

Prezența umidității în elementele de construcție ale edificiilor vechi poate avea mai multe cauze:

Colectarea și evacuarea defectuoasă a apelor meteorice și lipsa unei sistematizări verticale eficiente (Fig. 7, Fig. 8);

Fig. 7 (stânga) – Lipsa sistematizării verticale, Fig. 8 (dreapta)- Defecțiuni la elementele de colectare și evacuare a apelor pluviale

Infiltrarea apelor subterane, datorate ascensiunii capilare și forțelor electro-osmozei (Fig. 9, Fig. 10);

Fig. 9, Fig. 10 – Umiditate provenită din ascensiunea capilară a apei în elementele de construcție [16]

Condensarea vaporilor de apă din aer și din porii materialelor de construcție (Fig. 11);

Acțiuni accidentale, precum defectarea sistemelor de instalații sau colmatarea drenurilor (Fig. 12);

Fig. 11 – Umiditate provenită din condens [16]; Fig. 12 – Inundarea unui subsol din cauze accidentale [17]

Prezența apei rezultate din procesele umede de consolidare (cămășuieli, subturnări). În elementele de construcție ale clădirilor istorice, umiditatea poate proveni atât din ridicarea nivelului hidrostatic a apelor subterane și pătrunderea acesteia prin capilare, din condensarea vaporilor de apă din aer, cât și din infiltrarea apelor meteorice [4] (Fig.13).

Fig. 13 – Sursele umidității [18]

Un factor ce favorizează în mod semnificativ pătrunderea și stagnarea apei în elementele de construcție este higroscopicitatea materialelor. Conform literaturii de specialitate, cauza principală a prezenței umidității în zidăriile edificiilor istorice este ascensiunea capilară, fenomen influențat de structura internă a materialelor pe care le traversează. Degradările sunt cu atât mai severe cu cât cantitatea de săruri solubile transportată de apă este mai mare. Sărurile pot proveni din materialele de construcție, din sol sau din atmosferă și sunt antrenate de umiditate în sens ascendent, fapt care generează, datorită fenomenului de cristalizare, apariția eflorescențelor [19]. In cazul lăcașelor de cult, ai căror pereți conțin picturi murale, umiditatea deteriorează în mod ireversibil aceste opere de artă (Fig. 14, Fig. 15).

Fig. 14, Fig. 15 – Efectele umidității în cazul picturilor murale interioare [16]

În opinia arhitectului responsabil cu monitorizarea sitului “Biserici din Moldova”, din partea UNESCO, factorii principali care contribuie la degradarea monumentelor sunt “preluarea deficitară a apelor meteorice și prezența umidității de capilaritate în pereți, care afectează atât pictura interioară, cât și pe cea exterioară” [20] (Fig. 16, Fig. 17).

Fig. 16 , Fig. 17 – Efectele umidității în cazul picturilor murale exterioare [19]

Acțiunea apei afectează majoritatea bisericilor realizate cu pereți din zidărie de cărămidă de pe teritoriul României, în unele cazuri umiditatea putând atinge valori de 75 % [12].

Degradări ale elementelor de construcție, cauzate de umiditate

Majoritatea degradărilor produse la clădirile istorice se datorează prezenței umidității în structura materialelor de construcție, asociate cu diferite acțiuni de natură fizică, chimică și biologică [19].

Degradări de natură fizică

În categoria degradărilor cauzate de acțiuni fizice intră:

exfolieri sau expulzări ale tencuielilor exterioare, datorate ineficienței sistemelor de colectare și dirijare a apelor pluviale (Fig. 18);

eroziuni produse de acțiunea vântului, care antrenează microparticule solide, ce macină suprafața elementelor expuse [19] (Fig. 19);

pătarea tencuielilor sau a zugrăvelilor exterioare, cauzate de pătrunderea apei din precipitații (Fig. 20);

expulzări ale tencuielilor exterioare, produse de gelivitate (Fig. 21, Fig. 22);

umflări ale zugrăvelilor, ca urmare a permeabilității scăzute la vapori;

măcinarea și expulzarea straturilor exterioare ale elementelor pentru zidărie, datorate stagnării apei în elementele de construcție (Fig. 23);

Fig. 18 – Exfolieri ale tencuielii; Fig. 19- Eroziuni produse de acțiunea vântului [21]

Fig. 20 – Tencuială pătată; Fig. 21, Fig 22- Expulzări ale tencuielii exterioare

Fig. 23– Măcinarea elementelor de construcție

Degradări de natură chimică

Principalii factori care contribuie la producerea degradărilor de natură chimică sunt prezența sărurilor solubile în materialele de construcție și ascensiunea apei prin porii acestora. În aceeași măsură, poluarea mediului înconjurător favorizează degradarea clădirilor istorice. Compușii chimici adesea responsabili pentru modificarea caracteristicilor materialelor sunt: clorurile, sulfații, azotații și carbonații [19].

a) Poluarea mediului urban, prin creșterea numărului de autovehicule, contribuie la deteriorarea construcțiilor vechi, prin reacțiile produse între sulfați și carbonați. Efectele acestor reacții chimice sunt variațiile de volum ale tencuielilor, datorate cristalizării sulfaților, care, în timp, se sfărâmă, se desprind și permit pătrunderea apei din mediul exterior (Fig. 24);

Fig. 24 – Degradare tencuieli

b) Eflorescențele sunt depuneri pulverulente, care apar sub formă de pete sau benzi, vizibile pe suprafața elementelor de construcție, datorită migrării sărurilor din structura acestora, sub acțiunea fenomenelor de dizolvare, transport și evaporare a apei [22] (Fig. 25, Fig. 26). Cauza apariției eflorescențelor este umiditatea ascensională, care transportă sulfați de magneziu, respectiv sulfații de calciu sau cei de sodiu [17].

Pe lângă aspectul inestetic produs de eflorescențe pe paramentele construcțiilor vechi, conținutul de săruri solubile are o influență negativă asupra performanțelor mecanice ale elementelor de construcție. Aceste modificări apar după numeroase cicluri de hidratare și deshidratare a sărurilor, când petele nu mai sunt atât de evidente, modificându-și culoarea din alb, în culori asemănătoare materialelor pe care se formează [23];

Fig. 25- Eflorescențe [21]; Fig 26- Săruri cristalizate [24]

c) Clorurile afectează clădirile istorice amplasate în mediu marin (Fig. 27), unde clorura de sodiu precipită într-o soluție saturată, care ocupă un volum mai mare în porii materialului și, după numeroase cicluri de expunere, se produce desprinderea tencuielii sau a materialului expus [19];

Fig. 27- Construcție degradată, amplasată pe malul mării

d) Altă cauză a degradării edificiilor vechi este carbonatarea materialelor de construcție. Acest fenomen apare atunci când bicarbonatul de calciu se descompune în carbonat de calciu și acid carbonic, consecința acestui fenomen chimic fiind eroziunea de tip carstic [25];

e) Alte tipuri de coroziune sunt cele provocate de nitrați, atunci când nitratul de calciu cristalizează și produce daune în elementele de construcție pe care le întâlnește [25].

Procesele de degradare care au la bază acțiuni de natură chimică au efecte atât în ceea ce privește caracteristicile estetice, cât și cele mecanice. Studiile au arătat că, atunci când elementele de construcție (elemente ceramice solidarizate cu mortar) ajung la umiditatea de saturație, rezistențele mecanice se diminuează cu aproximativ 50 %, iar fenomenele de cristalizare a sărurilor au un impact major asupra performanțelor structurale ale elementelor de construcție [24].

Degradări de natură biologică

Prezența umidității în pereții clădirilor istorice are un rol semnificativ în degradarea de natură biologică a acestora, întrucât crează mediul ideal pentru dezvoltarea fungilor și a microorganismelor.

a) Manifestările comune ale atacului biologic sunt reprezentate de apariția unor cruste de culoare neagră, pe fața expusă mediului exterior a peretelui. Cercetările au arătat că aceste cruste se datorează conținutului de materiale organice din agregate sau ciment. Acest tip de degradare este întâlnit frecvent la construcțiile vechi, afectând atât aspectul exterior al paramentelor, cât și integritatea structurală a materialelor de construcție, prin deteriorarea și desprinderea straturilor exterioare ale acestora (Fig. 28, Fig 29);

Fig. 28- Construcție expusă atacului biologic; Fig. 29- Zidărie afectată de prezența microorganismelor [26]

b) Un tip de degradare rar întalnit este atacul biologic asupra tencuielilor pe bază de mortar de var, numit în literatura de specialitate “Flos Tectorii” (Fig. 30). Responsabilă pentru acest tip de degradare este o Actinobacterie, care se găsește, de regulă, în rocile calcaroase și are un aspect vizual particular, datorat coloniilor de bacterii și prezenței sărurilor solubile [27].

Fig. 30- Clădiri afectate de Flos Tectorii [27]

Acțiunea apei în elementele de construcție ale clădirilor istorice. Mecanisme de degradare

Încă din cele mai vechi timpuri este cunoscut faptul că apa are un rol important în realizarea și exploatarea construcțiilor. Dacă ne referim la apa necesară procesului de constituire a materialelor, adică apa legată chimic, care participă la formarea structurii materialelor și la apa de hidratare, care participă la cristalizarea unor compuși chimici, în aceste condiții, apa are un rol benefic. Pe de altă parte, apa higroscopică, absorbită sau adsorbită la nivel de capilare [28] sau la apa liberă, reținută mecanic, pot avea un impact negativ asupra elementelor de construcție.

Datorită faptului că cea mai mare parte a materialelor de construcție au o structură poroasă, apa pătrunde în pori și poate conduce la degradarea structurii materialului. Apa în stare lichidă poate ajunge în structura capilară prin infiltrații din teren sau datorită preluării deficitare a apelor meteorice. Apa în stare gazoasă, prezentă în clădiri datorită proceselor de exploatare ce majorează umiditatea relativă a aerului interior, tranzitează straturile elementelor de construcție, în vederea realizării unui echilibru. Apa în stare solidă este o fracțiune din apa în stare lichidă, absorbită, care nu s-a evaporat din pori în sezonul cald și care a înghețat, distrugând structura materialelor, datorită variațiilor de volum.

În procesele de umezire- uscare, doar apa legată fizic și cea liberă variază, însă, indiferent de fazele în care se găsește, lichidă, solidă sau gazoasă, apa poate produce avarii grave în elementele de construcție.

Mecanisme de degradare

În cazul materialelor de construcție cu porozitatea deschisă, mecanismele de acumulare a umidității în masa acestora sunt absorbția vaporilor de apă din mediul exterior, condensul, produs după atingerea presiunii de saturație a vaporilor de apă și ascensiunea apei din sol, prin intermediul capilarelor.

Umiditatea unui material este determinată ca fiind rapotul înre masa de apă liberă conținută și masa materialului în stare uscată. În cazul materialelor permeabile la vapori, există o interdependență între umiditatea lor și cea relativă a mediului exterior, pentru a menține un echilibru.

Fenomenul de umezire a unui material prin absorbție și adsorbție se manifestă atunci când presiunea parțială a vaporilor de apă din mediul exterior este mai mare decât presiunea de saturațiea, în caz contrar, materialul fiind cel care cedează umiditatea, sub formă de vapori [28]. Acest fenomen se manifestă în cazul materialelor higroscopice și poartă denumirea de umiditate de echilibru higroscopic. Factorii care influențează cantitatea de apă prezentă în materialele de construcție sunt natura constituienților acestora, densitatea, dimensiunea și organizarea porilor în structura materialului, interacțiunile fizico – chimice între fazele lichidă, solidă, gazoasă și condițiile la care sunt expuse materialele [28].

Transferul de masă reprezintă transportul umidității din zonele în care concentrația este ridicată, spre cele cu o concentrație scăzută, pentru a realiza un echilibru [28]. Transferul de masă se poate realiza prin două mecanisme, difuzie moleculară, datorată tendinței de reducerea a diferenței de concentrație într-un fluid și difuzie turbulentă, dependentă de proprietățile de transport ale fluidului [28]. Fenomenul transferului de masă este influențat de presiunea parțială a vaporilor de apă din aer, de cantitatea de apă depusă prin condens, de coeficienții de conductivitate și difuzie a vaporilor, de temperatura absolută și de rezistența materialului la difuzia vaporilor.

Pe lângă fenomenele fizice de tranfer de masă, în elemetele de construcție se manifestă o serie de mecanisme de degradare, cauzate de interacțiunea între caracteristicile materialului și acțiunea factorilor exteriori. Aceste fenomene sunt ascensiunea capilară a apei din sol, gelivitatea, cristalizarea sărurilor solubile și acțiunea agresivă a micro-organismelor și fungilor.

Ascensiunea capilară

În unele cazuri, elementele de construcție de la nivelul infrastructurii sunt în contact direct cu apa subterană, datorită unor cauze accidentale sau modificării nivelului hidrostatic al pânzei freatice, însă de cele mai multe ori, apa ajunge la elementele structurale prin acțiunea forțelor capilare, care sunt invers proporționale cu diametrul porilor.

Conform literaturii de specialitate, cauza principală a prezenței umidității în elementele de construcție este ascensiunea apei din sol, prin capilarele unui material. Datorită porozității materialelor de construcție, apa urca prin pori și umezește zonele din imediata vecinătate cu terenul, modificându-le caracteristicile fizice și mecanice. O ipoteză referitoare la menținerea umidității în zidării este aceea că, datorită diferenței de potențial electric din zidărie și sol, cantitatea de apă care se poate evapora din zid, prin diferite procese de uscare, aceeași cantitate poate pătrunde din sol, zidurile menținându-se mereu umede [19].

În cazul bisericii San Bernardo din Roma, unde pereții au 4 m grosime, umiditatea de capilaritate ajunge la 5,3 m înălțime, iar în elementele de construcție ale bisericii San Marco din Veneția, cu grosime pereților variind între 0,7 m și 2 m, apa pătrunde prin capilare până la 6 m înălțime [4].

Studiile experimentale au demonstrat creșterea liniară a coeficientului de absorbție capilară, odată cu creșterea temperaturii [29].

Gelivitatea

Gelivitatea este proprietatea unor materiale de a se degrada sau distruge sub acțiunea înghețului sau a dezghețului. Majoritatea materialelor tradiționale de construcție sunt gelive, însă efectele acestui fenomen se manifestă în mod diferit, în funcție de caracteristicile fiecărui material. De exemplu, testele experimentale realizate pe specimene din zidărie au arătat că, după numeroase cicluri de îngheț – dezgheț la care au fost supuse, elementele ceramice și-au sporit permeabilitatea la vapori, datorită creșterii diametrului porilor și apariției de noi microfisuri [30]. În cazul pietrei naturale, acțiunea repetată a acestui fenomen nu a produs modificări semnificative asupra permeabilității la vapori.

Interacțiunea fenomenului de îngheț – dezgheț cu ascensiunea capilară a apei are un rol fundamental în degradarea zidăriilor din elemente ceramice [26] și a tencuielilor pe bază de mortar, producănd exfolieri, dislocări, măcinări.

Cristalizarea sărurilor solubile

Sărurile solubile se găsesc în structura materialelor de construcție datorită apei din sol care le transportă prin porii capilari, datorită prezenței diferiților compuși chimici în compoziția mineralogică a materialelor sau datorită poluării mediului înconjurător.

Degradările cauzate de prezența sărurilor sunt determinate de presiunea de cristalizare, deoarece, în porii materialelor se produc importante variații de volum, fapt ce conduce la distrugerea structurii materialului și la apariția eflorescențelor (Fig. 31). Acestea sunt depuneri pulverulente, care apar sub formă de pete sau benzi, vizibile pe suprafața elementelor de construcție, datorită migrării sărurilor din structura acestora, sub acțiunea fenomenelor de dizolvare, transport și evaporare a apei [22]. Cauza apariției eflorescențelor este umiditatea ascensională, care transportă sulfați de magneziu, care sunt și cei mai solubili în apă, sulfați de calciu sau cei de sodiu.

Fig. 31. Microstructura eflorescențelor [26]

Pe lângă aspectul inestetic produs de eflorescențe pe paramentele construcțiilor vechi, conținutul de săruri solubile are o influență negativă asupra performanțelor mecanice ale elementelor de construcție [23].

Clorurile afectează clădirile amplasate în mediu marin (Fig. 32), unde clorura de sodiu precipită într-o soluție saturată, care ocupă un volum mai mare în porii materialului și, după numeroase cicluri de expunere, se produce desprinderea tencuielii sau a materialului expus [19].

Fig. 32. Cristale de clorură de sodiu [23]

Degradări de natură biologică

Prezența umidității în pereții clădirilor vechi are un rol semnificativ în degradarea de natură biologică, creând mediul propice dezvoltării micro-organismelor și ciupercilor (Fig. 33).

Fig. 33. Microorganisme pe suprafața materialelor [26]

Manifestările comune ale atacului biologic sunt reprezentate de apariția unor cruste de culoare neagră, pe fața expusă mediului exterior a peretelui. Cercetările au arătat că aceste pelicule se datorează conținutului de materiale organice din agregate sau ciment. Acest tip de degradare este întâlnit frecvent la construcțiile vechi, afectând atât caracterul estetic al paramentelor, cât și integritatea structurală a materialelor de construcție, prin deteriorarea și desprinderea straturilor exterioare ale acestora.

Caracteristicile structurale ale materialelor de construcție

Atât în cazul construcțiilor noi, cât și în cazul celor vechi, umiditatea poate avea efecte negative asupra elementelor de construcție. Clădirile vechi, datorită expunerii îndelugate la acțiunea factorilor climatici și datorită îmbătrânirii materialelor, sunt mai sensibile la acțiunea apei, decât clădirile noi.

Edificiile vechi sunt realizate, în mare parte, din zidărie realizată cu piatră naturală, zidărie din elemente ceramice din argilă arsă sau zidărie mixtă, piatră naturală – elemente ceramice, solidarizate cu mortar de var [25]. Toate aceste materiale sunt influențate de umiditate și suferă degradări, în funcție de proprietățile fizice intrinseci, de compoziția mineralogică și de factorii climatici la care sunt expuse [31].

Elemente ceramice pentru zidărie

În cazul elementelor ceramice pentru zidărie, factorii care influențează degradările produse de acțiunea apei sunt porozitatea, capacitatea de absorbție a apei, permeabilitatea la vapori și prezența sărurilor solubile [25].

Structura elementelor ceramice, în principal dimensiunile și distribuția porilor în masa materialului, este determinată atât de tipul de argilă utilizat, cât și de temperatura și timpul de ardere.

Datorită porozității deschise a elementelor ceramice, apa absorbită stagnează în pori și, după numeroase cicluri de îngheț – dezgheț, se produc degradări în masa materialului (Fig. 34). Prezența sărurilor solubile se datorează, fie compoziției mineralogice a argilei din care sunt realizate elementele ceramice sau mortarul de solidarizare, fie acțiunii capilare ce transportă apa încărcată cu săruri din sol. Cristalizarea acestora produce tensiuni mari în structura materialului, conducând la degradarea acestuia.

Fig. 34. Microstructura unui element ceramic degradat [26]

O degradare importantă a zidăriilor ceramice este apariția eflorescențelor, datorată cristalizării sărurilor la suprafața elementului și apariția subflorescențelor, fenomenul de cristalizare producându-se în masa acestuia [32] .

Piatra naturală

Zidăriile din piatră naturală sunt frecvent întalnite, datorită faptului că acest material era accesibil de pe plan local, de către meșterii zidari.

Cele mai utilizate tipuri de piatră naturală pentru realizarea elementelor de construcție sunt de natură silicoasă, granit și gresii, sau de natura calcaroasă [25]. De regulă, materialele cu porozitate mare, fiind eficiente energetic, sunt întâlnite la nivelul suprastructurii, iar materialele compacte, puțin permeabile, le regăsim la nivelul infrastructurii [25]. În cazul pietrei naturale, degradările sunt cauzate de acțiuni fizice și biologice, având ca principală cauză prezența umidității în masa materialului. Factorii intrinseci care determină deteriorarea structurii sunt porozitatea și compoziția mineralogică a pietrei.

Altă cauză a degradării zidăriilor din piatră naturală este expunerea îndelungată la acțiunea factorilor climatici. Datorită gelivității, se pot produce fisuri în structura materialului, care contribuie la creșterea permeabilității. Așadar, fenomenul de degradare devine continuu, avariile suferite fiind mai severe, cu fiecare ciclu de îngheț – dezgheț.

Apariția eflorescențelor pe suprafața zidăriilor din piatră naturală este datorată, în principal, acțiunii apei care transportă prin capilare săruri solubile din sol [25].

Mortarul pentru zidărie și tencuială

Cel mai utilizat tip de mortar, în cazul clădirilor vechi, este mortarul de var și nisip. Proprietățile fizice ale mortarului de var sunt determinate de cantitatea de liant și de cantitatea de apă de amestecare, permeabilitate la vapori variind direct proprțional cu acestea [25]. În cazul mortarelor utilizate la tencuieli exterioare, permeabilitatea are un aspect benefic, datorită faptului că permite elementelor de construcție sa redea în atmosferă umiditatea absorbită, facilitând astfel uscarea zidăriei.

Capacitatea de absorbție a zidăriilor din piatră naturală este determinată de porozitatea mortarului de solidarizare [30], întrucât acesta permite apei din sol să pătrundă în zidărie prin structura capilară.

Degradările mortarului (Fig. 35) sunt cauzate de acțiuni de natură fizico-chimică, cum ar fi gelivitatea, cristalizarea sărurilor prin evaporarea apei în straturile superficiale și de natură biologică. Efectele produse de aceste acțiuni sunt producerea de fisuri, măcinari și dislocări ale tencuielilor, apariția eflorescențelor, pătarea zidăriilor, datorită agenților biologici agresivi.

Fig. 35. Microstructura unui mortar degradat [26]

Conform cercetărilor efectuate, mecanismele de degradare generate de prezența umidității, în cazul clădirilor vechi, sunt extrem de variate. Acestea depind atât de caracteristicile fizico – chimice ale materialelor, cât și de factorii externi, de natură fizică, chimică sau biologică. Indiferent de natura lor, degradările produse asupra elementelor de construcție au un impact negativ asupra aspectului estetic și a performanțelor mecanice.

Pentru stabilirea unui diagnostic corect, în ceea ce privește natura degradările unui edificiu, trebuie investigate particularitățile mecanismelor de degradare, deoarece nu există un comportament general valabil pentru toate construcțiile de un anumit tip.

Studiu de caz- Clădirea Kieser Iași

Principalul obiectiv al investigațiilor in-situ și în laborator este acela de a stabili un diagnostic corect, care să genereze măsurile de intervenție adecvate fiecărui obiectiv. Pentru aceasta, trebuie evaluați o serie de parametri, cum ar fi:

condițiile climatice, geografice, specifice amplasamentului;

caracteristici volumetrice și de amplasament;

examinarea vizuală a elementelor expuse;

evaluarea stării de degradare;

surse/ cauze ale degradărilor;

măsurarea parametrilor de microclimat interior/ exterior;

măsurarea umidității elementelor de construcție in-situ, utilizând tehnici non-invazive;

prelevare probe și efectuarea determinărilor de umiditate în laborator;

interpretarea rezultatelor și stabilirea diagnosticului.

Pentru înțelegerea fenomenelor de degradare cauzate de umiditate, s-a investigat, in- situ și în laborator, starea unei clădiri istorice din Municipiul Iași- Casa Kieser (Fig. 36). Acest edificiu a fost construit la începutul anilor 1880, de către F.M. Kieser și figurează în prezent pe Lista Monumentelor Istorice ale Județului Iași [33]. Conform arhivelor, clădirea nu a suferit nicio intervenție structurală sau arhitecturală, păstrându-se stilul originar de la începutul secolului al XIX- lea.

Fig. 36- Clădirea Kieser

Determinări in-situ

Clădirea studiată are regimul de înălțime S+P+3E, a îndeplinit funcțiunea de locuință, iar în prezent este în curs de refuncționalizare. Structura de rezistență a construcției este realizată din pereți structurali din zidărie de cărămidă plină (Fig. 37, Fig. 38), având planșeele din beton armat sau lemn și fundații din zidărie de piatră naturală și cărămidă plină.

Fig. 37, 38- Pereți din zidărie de cărămidă plină

Aspectul estetic al edificiului este dezolant, datorită multiplelor degradări cauzate de umiditate și de acțiunea factorilor agresivi. Tencuiala exterioară prezintă semne ale degradării de natură chimică și biologică (Fig. 39), fiind în numeroase locuri expulzată (Fig. 40), datorită numeroaselor cicluri de îngheț- dezgheț la care a fost supusă.

Elementele de colectare și evacuare a apelor pluviale sunt defecte, permițând scurgerea acestora direct pe fațade, fapt ce produce degradări severe (Fig. 41). Deteriorarea trotuarelor perimetrale permite pătrunderea și stagnarea apei în zona de soclu, favorizând apariția mușchilor și lichenilor (Fig. 42). Eflorescențele se pot observa la intradosul planșeelor exterioare (Fig. 43) și pe pereții exteriori, în treimea inferioară ( Fig. 44).

Fig. 39- Zone afectate de atac biologic; Fig. 40- Tencuială expulzată

Fig. 41- Sisteme de colectare a apei pluviale defecte; Fig 42- Zona de soclu afectată de prezența microorganismelor

Fig. 43- Eflorescențe la intradosul planșeului exterior; Fig. 44- Zona de soclu afectată de prezența eflorescențelor

Determinări în laborator- metodologia cercetării

Pentru determinarea umidității la nivelul pereților de subsol s-au prelevat mostre de cărămidă, mortar și piatră naturală de la înălțimi diferite: 0,50 m, 1,00 m, respectiv 1,50 m față de cota pardoselii de la nivelul subsolului (realizată din pământ compactat). Probele au fost depozitate în recipiente închise etanș, pentru a împiedica evaporarea apei (Fig. 45).

Fig. 45- Perete din zidărie de cărămidă plină de la nivelul subsolului- zona de prelevare probă

Imediat după prelevare, mostrele au fost cântărite, înregistrându-se masa acestora, apoi au fost uscate la masă constantă în etuva ventilată, la 105°C. După uscare, eșantioanele s-au cântărit din nou și s-au înregistrat valorile obținute, stabilindu-se cantitatea de apă pierdută în urma procesului termic. Astfel s-a putut determina umiditatea elementelor de construcție, cu Relația 1:

U= cantitatea de apă conținută, exprimată procentual;

Mf= masa probei, după uscare la masă constantă;

Mi= masa inițială a probei.

Valorile obținute, înscrise în Tabelul 1. și reprezentate în Graficul 1., confirmă ipoteza că elementele de construcție sunt expuse fenomenului de ascensiune capilară a apei din sol, întrucât probele 5, 10, 11, 12, 16, 17, 18 și 19, care conțin cea mai mare cantitate de apă au fost prelevate de la cota 0,50 m.

Tabel 1- Valorile maselor inițiale, respectiv finale și determinarea umidității probelor testate

Grafic 1- Determinarea umidității

Valorile umidității conținute de elementelor de construcție studiate variază între 1,08% și 17,19 %, având valoarea medie de 6,31 %. Se poate observa că edificiul studiat este afectat de umiditate, cu precădere ascensională, în ciuda valorilor scăzute obținute. Este de menționat faptul că, deși probele au fost prelevate în luna februarie, într-o perioadă secetoasă, iar subsolul este prevăzut cu orificii de aerisire pentru realizare ventilării naturale, s-au identificat porțiuni de ziduri cu umiditate ridicată, valorile fiind cuprinse între 15,21 % și 17,19 %.

În ciuda stării de degradare a acestei clădiri istorice, casa Kieser are un potențial impresionant de restaurare, datorită unicității elementelor de arhitectură, aparținând stilului secolului al XIX- lea și datorită încadrării edificiului în zona istorică a Municipiului Iași.

Direcții viitoare de cercetare

În ceea ce privește investigarea umidității la clădirile istorice, se pot trasa o serie direcții de cercetare, între care:

Stabilirea unei interdependențe clare, empirice, între cantitatea eșantionul prelevat, cantitatea de apă conținută de acesta și extrapolarea valorilor la întreg elementul de unde s-a prelevat proba;

Realizarea unor standarde/ îndrumare, cu metodologii precise pentru determinarea umidității clădirilor istorice.

CAPITOLUL 2. INFLUENȚA CRISTALIZĂRII SĂRURILOR SOLUBILE ASUPRA CARACTERISTICILOR FIZICE ȘI MECANICE ALE ELEMENTELOR CERAMICE PENTRU ZIDĂRIE

2.1. Stadiul actual al cunoașterii (State-of-the-art)

Prezența umidității în elemetele de construcție are un rol semnificativ în degradarea acestora, fapt dovedit, în special în cazul clădirilor vechi, unde materialele de construcție utilizate au o porozitate deschisă mare și au fost supuse timp îndelungat acțiunii factorilor climatici. Elementele ceramice pentru zidării sunt extrem de sensibile la acțiunea apei, datorită naturii constituienților [19] și a dimensiunilor, respectiv distribuției porilor în structura materialului. Factorii care influențează modificarea caracteristicilor fizice ale elementelor ceramice, datorită acțiunii apei, sunt porozitatea, permeabilitatea la vapori, capacitatea de absorbție a apei și prezența sărurilor solubile [25]. Datorită presiunii exercitate de cristalizarea sărurilor în porii materialului, se produc microfisuri în scheletul acestuia, accelerând astfel procesul de degradare. Presiunea de cristalizare este presiunea care trebuie suportată de matricea materialului, pentru a împiedica cresterea cristalelor de sare în pori [34]. Acest mecanism este foarte agresiv și, combinat cu efectele gelivității, are un impact devastator asupra structurii materialelor de construcție. Prezența acestor săruri se datorează, fie datorită apei din sol care le trasportă prin porii capilari ai materialelor, fie datorită constitienților ce compun elementele de construcție. Frecvent întălnite sunt clorurile, în special clorura de sodiu și sulfații de magneziu, de calciu sau de sodiu [19].

În literatura de specialitate este prezentată neclar și ambiguu influența sărurilor cristalizate în porii materialelor, asupra caracteristicilor fizice și a rezistențelor mecanice [32, 35] ale acestora. Cercetătorii atrag atenția, în special, asupra caracterului inestetic produs de eflorescențe (cristalizarea sărurilor pe suprafața materialului), neglijând efectele distructive ale apariției subflorescențelor [24] (Fig. 46). Numeroase studii subliniază modificarea caracteristicilor fizice ale materialelor de construcție, datorită acțiunii sărurilor, însă nu sunt precizate concret variațiile care se produc și parametrii care le influențează. În acest scop, am realizat un studiu experimental care are ca obiectiv stabilirea influenței cristalizării sărurilor solubile asupra caracteristicilor fizico-mecanice ale elementelor pentru zidărie.

Fig. 46 – Cristalizarea sărurilor în porii materialului- imagine microscop x20

Influența cristalizării sărurilor asupra caracteristicilor fizice ale materialelor

Metodologia cercetării

Studiul experimental s-a realizat pe 9 epruvete extrase din elemente ceramice pentru zidărie, având latura de aproximativ 63 mm. Epruvetele au fost uscate la masă constantă (conform SR EN 772:2005 [36]) în etuva ventilata la +105°C ± 5°C, apoi s-au distribuit trei epruvete pentru soluția de clorură de calciu, având concentrația de 10%, alte trei epruvete pentru soluția de clorură de calciu de concentrație 20%, iar ultimele trei s-au păstrat ca probe de referință. Toate epruvetele au fost măsurate și cântărite, înregistrându-se datele inițiale (Fig. 47, Fig. 48).

Fig. 47, Fig. 48 – Măsurarea și cântărirea epruvetelor

Apoi s-au pregătit două recipiente cu soluție de clorură de calciu (Fig. 49), având concentrațiile de 10%, respectiv 20%. Câte trei cuburi au fost poziționate pe suporți, în fiecare recipient, adăugându-se soluție până la ¼ din înălțimea epruvetelor. Acestea au fost lăsate în soluție 24 h, după care s-a completat nivelul soluției până la ½ din înălțimea probelor. După alte 24 h, nivelul soluției a fost completat până a depășit înălțimea epruvetelor cu 2 cm (Fig. 50). Acest procedeu, de imersare progresivă, asigură înlocuirea aerului din porii materialului cu soluție de clorură de calciu, asigurându-se saturarea probelor.

Fig. 49– Clorură de calciu (stânga), Fig. 50- Epruvete în soluție de clorură de calciu

Epruvetele au fost lăsate în soluție 48 h, în condiții de laborator, după care au fost scoase, s-a îndepărtat surplusul de soluție prin ștergere cu o cârpă umedă și s-a înregistrat masa probelor în stare saturată. Apoi epruvetele au fost uscate la masă constantă, în etuva ventilată (Fig. 51) la temperatura de +105°C ± 5°C, timp de 24 h. După ce s-a înregistrat masa probelor în stare uscată, acestea au fost lăsate să se răcească în laborator, după care procedeul de imersare s-a reluat. S-au realizat 8 cicluri complete de uscare-saturare, cuprinzând 9 etape de uscare și 8 de saturare cu soluție de clorură de calciu.

Fig. 51– Etuvă ventilată

După ce s-a înregistrat masa finală a epruvetelor, în stare uscată, s-au determinat următoarele caracteristici fizice: densitatea aparentă, porozitatea aparentă și absorbția de apă.

a) Densitatea aparentă reprezintă masa pe unitatea de volum aparent, după uscare la masa constantă [36] și se determină cu relația:

[kg/m3], [36] (2)

= masa elementului, în stare uscată, (g);

= volum aparent, (mm3);

= densitatea probei, în stare uscată, (kg/ m3).

b) Porozitatea aparentă reprezintă volumul de pori raportat la volumul aparent al epruvetei [37] și se determină cu relația:

. .100 [%], [37] (3)

= masa elementului, în stare saturată, (g);

= masa elementului, în stare uscată, (g);

= volum aparent, (mm3);

= densitatea lichidului, (kg/cm3).

c) Capacitatea de absorbție de apă a elementelor ceramice pentru zidărie se determină conform SR EN 771-1:2003/Anexa C. Epruvetele, uscate la masa constantă și răcite la temperature ambiantă, se introduce într-un bazin cu apă, pe suporți, avându-se în vedere că toate fețele epruvetelor trebuie să fie în contact cu apa. După 20 h, probele se scot, se șterg cu o cârpă umedă pentru îndepărtarea surplusului de apă și se cântăresc. Capacitatea de absorbție de apă se determină cu relația 4, având o precizie de 1%.

x100 [%], [38] (4)

= masa elementului, în stare saturată, (g);

= masa elementului, în stare uscată, (g);

= capacitatea de absorbție de apă.

Rezultate și concluzii

Variația masei epruvetelor pe parcursul ciclurilor de saturare- uscare

Se constată o variație liniară, în sens ascendent a masei epruvetelor supuse ciclurilor de saturare- uscare (Fig. 52- Fig. 58). Acest fapt se datorează cristalizării sărurilor solubile în porii materialelor. O parte din soluția cristalizată rămâne în pori, de la un ciclu la altul și se reduc dimensiunile acestora. Astfel, masa finală medie a probelor din soluția de concentrație 10% crește cu 5,58%, iar cea a epruvetelor din soluția de concentrație 20%, crește cu 9,04%.

Fig. 52- Fig. 58. Variația masei epruvetelor supuse ciclurilor de cristalizare a soluției de clorură de calciu

Densitate aparentă

Se constată creșterea cu 2,81% a densității aparente medii pentru probele imersate în soluție de clorură de calciu de concentrație 10% și o creștere cu 9,94%, în cazul epruvetelor imersate în soluție de clorură de calciu de 20% concentrație, față de epruvetele de referință (Fig. 59).

Fig. 59. Densitate aparentă

Porozitate aparentă

În urma prelucrării datelor, a rezultat o scădere medie cu 18,37% a porozității aparente pentru probele imersate în soluție de clorură de calciu, având concentrația de 10%, respectiv 33,80%, pentru cele saturate cu soluție de concentrație 20 %(Fig. 60, Fig. 61).

Fig. 60, Fig. 61. Porozitate aparentă

Absorbție de apă

Se constată o scădere a absorbției de apă medii cu 20,55% pentru probele imersate în soluție de clorură de calciu, de concentrație 10%, respectiv 39,75%, pentru cele saturate cu soluție de concentrație 20% (Fig. 62, Fig. 63).

Fig. 62, Fig. 63. Absorbție de apă

Discuții

Conform obiectivelor stabilite în planul experimental, s-a constatat că prezența sărurilor solubile, în special cristalizarea acestora în porii materialelor, are o influență majoră în ceea ce privește modificarea caracteristicilor fizice ale elementelor ceramice pentru zidărie.

Se poate observa că, de la un ciclu de saturare- uscare, la altul, în porii materialului rămâne clorură de calciu, sub formă cristalizată, masa epruvetelor variind liniar și ascendent. Acest fenomen, deși aparent nesemnificativ, poate avea efecte extrem de negative, întrucât, odată cu creșterea concentrației soluției, crește și presiunea de cristalizare, favorizând fisurarea matricei materialului.

Un alt aspect de menționat este scăderea semnificativă a capacității de absorbție de apă. Acest aspect ar putea părea favorabil materialelor de construcție, însă, odată cu scăderea capacității de absorbție de apă, se diminuează și permeabilitatea la vapori, astfel încât este favorizată apariția condensului.

Așadar, conform datelor obținute în cadrul experimentului, fenomenul de cristalizare a sărurilor solubile influențează semnificativ caracteristicile fizice ale elementelor ceramice pentru zidărie. În studiile viitoare urmează a se stabili dacă prezența sărurilor solubile are un impact pozitiv sau negativ asupra caracteristicilor mecanice ale elementelor ceramice.

Influența cristalizării sărurilor asupra caracteristicilor mecanice ale materialelor

Experiment Faza I

Metodologia cercetării- Faza I

Studiul s-a efectuat pe 18 epruvete extrase din elemente ceramice pentru zidărie, având latura de 63 mm. Epruvetele au fost uscate la masă constantă (conform SR EN 772:2005 [36]) în etuva ventilata la +105°C ± 5°C, apoi s-au distribuit astfel:

* trei epruvete pentru imersat în soluția de clorură de sodiu, având concentrația de 10%;

* trei epruvete pentru soluția de clorură de sodiu de concentrație 20%;

* trei epruvete pentru soluția de clorură de sodiu de concentrație 30% (Fig. 64);

Fig. 64. Epruvete pentru imersat în soluția de NaCl

* trei epruvete pentru soluția de clorură de calciu de concentrație 30% (Fig. 65);

Fig. 65. Epruvete pentru imersat în soluția de CaCl2 30%

* trei epruvete pentru un amestec de soluție de clorură de sodiu de concentrație 5% și soluție de clorură de calciu de concentrație 5%;

* ultimele trei s-au păstrat ca probe de referință (Fig. 66). Toate epruvetele au fost măsurate și cântărite, înregistrându-se datele inițiale.

Fig. 66. Epruvete de referință

Apoi s-au pregătit cinci recipiente după cum urmează:

* trei recipiente cu soluție de clorură de sodiu, având concentrațiile de 10%, 20 %, respectiv 30%;

* un recipient cu clorură de calciu, de concentrație 30 %;

* un recipient cu un amestec de soluție de clorură de calciu 5 % și clorură de sodiu 5%.

Câte trei cuburi au fost poziționate pe suporți, în fiecare recipient, adăugându-se soluție până la ¼ din înălțimea epruvetelor. Acestea au fost lăsate în soluție 24 h, după care s-a completat nivelul soluției până la ½ din înălțimea probelor. După alte 24 h, nivelul soluției a fost completat până a depășit înălțimea epruvetelor cu 2 cm. Acest procedeu, de imersare progresivă, asigură înlocuirea aerului din porii materialului cu soluție de clorură de calciu, asigurându-se saturarea probelor.

Epruvetele au fost lăsate în soluție 48 h, în condiții de laborator, după care au fost scoase, s-a îndepărtat surplusul de soluție prin ștergere cu o cârpă umedă și s-a înregistrat masa probelor în stare saturată (Fig. 67). Apoi epruvetele au fost uscate la masă constantă, în etuva ventilată la temperatura de +105°C ± 5°C, timp de 24 h. După ce s-a înregistrat masa probelor în stare uscată, acestea au fost lăsate să se răcească în laborator, după care procedeul de imersare s-a reluat. S-au realizat 8 cicluri complete de uscare-saturare, cuprinzând 9 etape de uscare și 8 de saturare.

Fig. 67. Cântărire probe

După ce s-a înregistrat masa finală a epruvetelor, în stare uscată (Fig. 68, Fig. 69), s-a determinat rezistența la compresiune (Fig. 70- 73).

Fig. 68., Fig. 69. Epruvete după uscare

Fig. 70.-73. Determinare rezistență la compresiune

Rezultate și concluzii- Faza I

Variația masei epruvetelor pe parcursul ciclurilor de saturare- uscare

Se constată o variație liniară, în sens ascendent a masei epruvetelor supuse ciclurilor de saturare- uscare. Acest fapt se datorează cristalizării sărurilor solubile în porii materialelor, o parte din soluția cristalizată ramânând în pori, de la un ciclu la altul și reducând dimensiunile acestora.

Astfel, masa finală medie a probelor:

* din soluția de clorură de sodiu, de concentrație 10%, crește cu 12,66% (Fig. 74);

Fig. 74. Variația medie a masei probelor imersate în soluție de clorură de sodiu 10%

* din soluția de clorură de sodiu, de concentrație 20%, crește cu 18,52% (Fig. 75);

Fig. 75. Variația medie a masei probelor imersate în soluție de clorură de sodiu 20%

* din soluția de clorură de sodiu, de concentrație 30%, crește cu 23,01% (Fig. 76);

Fig. 76. Variația medie a masei probelor imersate în soluție de clorură de sodiu 30%

* din soluția de clorură de calciu, de concentrație 30%, crește cu 13,87% (Fig. 77);

Fig. 77. Variația medie a masei probelor imersate în soluție de clorură de calciu 30%

* din soluția de clorură de calciu, de concentrație 5% și clorură de sodiu 5%, crește cu 9,97 % (Fig. 78);

Fig. 78. Variația medie a masei probelor imersate în soluție de clorură de calciu 5% și clorură de sodiu 5%

Determinarea rezistenței la compresiune pentru epruvetele ceramice supuse cristalizării sărurilor solubile în porii materialelor

În urma testelor experimentale, s-a constat că rezistențele la compresiune, în cazul epruvetelor ceramice supuse cristalizării sărurilor solubile în porii materialelor, suferă modificări (Tabel 2., Grafic 2.), după cum urmează:

* în cazul epruvetelor imersate în soluție de clorură de sodiu, 10 % concentrație, se constată o creștere a valorii medii a rezistenței la compresiune cu 3,95 %, față de valoarea de referință;

* în cazul epruvetelor imersate în soluție de clorură de sodiu, 20 % concentrație, se constată o scădere a valorii medii a rezistenței la compresiune cu 7,07 %, față de valoarea de referință;

* în cazul epruvetelor imersate în soluție de clorură de sodiu, 30 % concentrație, se constată o scădere a valorii medii a rezistenței la compresiune cu 49,01 %, față de valoarea de referință;

* în cazul epruvetelor imersate în soluție de clorură de calciu, 30 % concentrație, se constată o scădere a valorii medii a rezistenței la compresiune cu 5,73 %, față de valoarea de referință;

* în cazul epruvetelor imersate în soluție de clorură de sodiu, 5 % concentrație și clorură de calciu 5 %, se constată o scădere a valorii medii a rezistenței la compresiune cu 10 %, față de valoarea de referință.

Grafic 2. Valori obținute pentru rezistența la compresiune a epruvetelor testate

Discuții

Obiectivul principal al acestei etape experimentale a fost determinarea influenței cristalizării sărurilor solubile în porii elementelor ceramice asupra caracteristicilor mecanice, întrucât numeroase clădiri istorice afectate de umiditate sunt realizate din zidărie de cărămidă plină.

O serie de producători de soluții de hidrofobizare și asanare a zidăriilor susțin că apariția eflorescențelor, datorită cristalizării sărurilor în porii materialelor, au doar un efect inestetic, neafectând caracteristicile fizice și mecanice ale elementelor. Scopul acestui studiu a fost acela de a determina prin metode științifice, că sărurile solubile cristalizate, au un efect negativ important asupra caracteristicilor materialelor, amplificat odată cu creșterea concentrației soluției.

În concluzie, ce determină diminuarea rezistenței la compresiune a elementelor ceramice: cristalele sărurilor aflate în porii materialelor sau degradările, microfisurile, produse de acestea matricii minerale? Acest aspect este subiectul următoarei etape experimentale- Faza II.

Experiment Faza II

Metodologia cercetării- Faza II

Studiul s-a efectuat pe 12 epruvete (Fig. 79) extrase din elemente ceramice pentru zidărie, având latura de 63 mm. Epruvetele au fost uscate la masă constantă (conform SR EN 772:2005 [36]) în etuva ventilata la +105°C ± 5°C, apoi 9 dintre ele s-au imersat în soluție de clorură de sodiu, având concentrația de 20 %, iar 3 probe s-au păstrat ca referință.

Fig. 79. Epruvete extrase din elemente ceramice pentru zidărie

Apoi s-a pregătit o soluție de clorură de sodiu, având concentrația de 20 %, iar 9 probe au fost poziționate pe suporți, într-un recipient, adăugându-se soluție până la ¼ din înălțimea epruvetelor. Acestea au fost lăsate în soluție 24 h, după care s-a completat nivelul soluției până la ½ din înălțimea probelor. După alte 24 h, nivelul soluției a fost completat până a depășit înălțimea epruvetelor cu 2 cm. Acest procedeu, de imersare progresivă, asigură înlocuirea aerului din porii materialului cu soluție de clorură de calciu, asigurându-se saturarea probelor.

Epruvetele au fost lăsate în soluție 48 h, în condiții de laborator (Fig. 80), după care au fost scoase, s-a îndepărtat surplusul de soluție prin ștergere cu o cârpă umedă și s-a înregistrat masa probelor în stare saturată. Apoi epruvetele au fost uscate la masă constantă, în etuva ventilată la temperatura de +105°C ± 5°C, timp de 24 h. După ce s-a înregistrat masa probelor în stare uscată, acestea au fost lăsate să se răcească în laborator, după care procedeul de imersare s-a reluat. S-au realizat 6-7 cicluri complete de uscare-saturare.

În etapa premergătoare determinărilor de rezistență, 3 probe din soluție au fost uscate la masă constantă- cu săruri- uscate, alte 3 probe au fost lăsate în soluție- cu săruri- ude, iar 3 probe au fost ținute 24 h în apă, după care au fost uscate la masă constantă- spălate uscate.

Fig. 80. Epruvete în soluție de NaCl 20%

După aceste procese, s-a înregistrat masa finală a epruvetelor (Fig. 81) și s-a determinat rezistența la compresiune (Fig. 82).

Fig. 81. Epruvete în stare uscată

Fig. 82. Determinarea rezistenței la compresiune

Rezultate și concluzii- Faza II

Variația masei epruvetelor pe parcursul ciclurilor de saturare- uscare

Se constată o variație liniară, în sens ascendent a masei epruvetelor supuse ciclurilor de saturare- uscare. Acest fapt se datorează cristalizării sărurilor solubile în porii materialelor, o parte din soluția cristalizată ramânând în pori, de la un ciclu la altul și reducând dimensiunile acestora. Astfel, masa finală medie a probelor din soluția de clorură de sodiu, de concentrație 20 %, crește cu 21,35 % (Fig. 83).

Fig. 83. Variația medie a masei probelor imersate în soluție de clorură de sodiu 20 %

Determinarea rezistenței la compresiune pentru epruvetele ceramice supuse cristalizării sărurilor solubile în porii materialelor- Faza II

În urma testelor experimentale, s-a constat că rezistențele la compresiune, în cazul epruvetelor ceramice supuse cristalizării sărurilor solubile în porii materialelor, suferă modificări (Tabel 3., Grafic 3.), după cum urmează:

* în cazul epruvetelor imersate în soluție de clorură de sodiu, 20 % concentrație, uscate- cu săruri, se constată o scădere a valorii medii a rezistenței la compresiune cu 40,97 %, față de valoarea de referință;

* în cazul epruvetelor imersate în soluție de clorură de sodiu, 20 % concentrație, ude, cu săruri, se constată o scădere a valorii medii a rezistenței la compresiune cu 0,41 %, față de valoarea de referință;

* în cazul epruvetelor imersate în soluție de clorură de sodiu, 20 % concentrație, spălate de săruri- uscate, se constată o creștere a valorii medii a rezistenței la compresiune cu 13,77 %, față de valoarea de referință.

Grafic 3. Valori obținute pentru rezistența la compresiune a epruvetelor testate

Discuții

Acest experiment demonstrează că sărurile cristalizate în pori reduc semnificativ rezistența la compresiune a elementelor ceramice pentru zidărie. Așa cum s-a arătat în studiul efectuat, dacă sărurile sunt eliminate, caracteristicile mecanice revin la parametrii anteriori.

Concluziile testelor sunt limitate, neputându-se extrapola rezultatele la situațiile in-situ, întrucât în cazul clădirilor existente, fenomenul de cristalizare a sărurilor în porii materialelor este însoțit de gelivitate, de îmbătrânirea materialelor, de eroziuni și degradări cauzate de intemperii, de amestecuri de soluții ce cristalizează, o parte provenite din pânza freatică, altă parte din apele pluviale sau din poluarea mediului înconjurător. Astfel, in- situ, situația e mult mai complexă decât cea studiată în laborator. Însă, pe baza studiului realizat, se pot crea noi direcții de cercetare, care să ajute la conceperea unor soluții și tehnici de eliminare a umidității potrivite clădirilor istorice.

Lucrări publicate

BIBLIOGRAFIE

[1] ***Carta de la Verneția 1964;

[2] A. Ichim, Restaurarea și conservarea monumentelor istorice- Rolul și importanța conservării., [online] www. monumentul.ro;

[3] Elisa Franzoni, Rising dump removal from historical masonries: A still open challenge, Construction and Building Materials 54/ 2014, p. 123-136;

[4] G. Massari, Batiments humides et insalubres pratique de leur assainissement, Editions Eyrolles, Paris, 1971;

[5] H.E. Silva, F.M.A. Hendruques, Microclimatic analysis of historic buinldings: A new methodology for temperate climates, Building and Environment 82/ 2014, p. 381-387;

[6] G. Litti, S. Khoshdel, A. Audenaert, J. Braet, Hygrothermal performance evaluation of traditional brick masonry in historic buildings, Energy and Building 105/ 2015, p. 393-411;

[7] S.R. Duverne, P. Baker, Research into the thermal performance of traditional brick walls, English Heritage Report 2013;

[8] N.M.M. Ramos, J.M.P.Q. Delgado, E.Barreira, V.P. De Freitas, Hygrothermal Numerical Simulation: Application in Moisture Damage Prevention, 2007;

[9] A. Moropoulou, K.C. Labropoulos, E.T. Delegou, M. Karouglou, A. Bakolas, Non- destructive techniques as a tool for the protectioan of built cultural heritage, Construction and Building Materials 48/ 2013, p. 1222-1239;

[10] S.R. Duverne, P. Baker, Research into the thermal performance of traditional brick walls, English Heritage Report 2013;

[11] D. Paoletti, D. Ambrosini, S. Sfarra, F. Bisegna, Preventive thermographic diagnosis of historical buildings for consolidation, Journal of Cultural Heritage 14/ 2012, p. 116-121;

[12] L. Soveja, M. Budescu (2015), Structural and damage assessment of an historical masonry church, Buletinul Institutului Politehnic Iași, t. LXI, Fasc. 1, 2015, Construcții. Arhitectură;

[13] G. Litti, S. Khoshdel, A. Audenaert, J. Braet, Hygrothermal performance evaluation of traditional brick masonry in historic buildings, Energy and Building 105/ 2015, p. 393-411;

[14] D. Capitani, V. Di Tullio, N. Proietti, Nuclear Magnetic Resonance to Characterize and monitor Cultural Heritage, Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 64/ 2012, p. 29-69;

[15] M. Maksimivic, G.M. Stojanovic, M. Radovanivic, M. Malesev, V. Radonjanin, G. Radosavljevic, W. Smetana, Application of LTCC sensor for measuring moisture content of building materials, Construction and Building Materials 26/ 2012, p. 327-333;

[16] Georgiana Zaharea, 2011, Materiale necorespunzătoare folosite pentru conservarea patrimoniului, [online] acs.org.ro/ro/sos-patrimoniu;

[17] Hidroizolații la construcții, [online] http://www.hidroizolatii-constructii.eu/category/lucrari/page/3/;

[18] Tim Hutton, Rising damp, [online] www.buildingconservation.com;

[19] Prof. dr. ing. A. Frattari; Lect. dr. ing. R. Albatici; trad. Prof. dr. ing. Mariana Brumaru; Asist. ing. S. Palacean, Umiditatea în elementele de zidarie- Modul de curs nr. 2, Universitatea Tehnică din Cluj- Napoca, 2005;

[20] Arh. Anca Filip, Raport de monitorizare a sitului biserici din Moldova, înscris în lista Patrimoniului Mondial UNESCO, COD 598 BIS”;

[21] M. Korkane, Deterioration on different stones used in historical buildings within Nigde provine, Cappadocia, Construction and Building Materials 48/ 2013, p. 789-803;

[22] Ghid Reabilitarea subsolurilor și a elementelor subterane hidroizolate la constrcții-Faza 1/2012, INCD URBAN- INCERC București;

[23] A. Fragata, M.R. Veiga, A. Velosa, Substitution ventilated render systems for historic masonry: Salt crystalisation tests evaluation, Construction and Building Materials 102/ 2016, p. 592-600;

[24] C. Gentilini, E. Franyoni, S. Bandini, L. Nobile, Effect of salt cristalisation on the shear behavoir of masonry walls: An experimental study, Construction and Building Materials 37/ 2012, p. 181-189;

[25] M. Niculiță; Liviu Groll, Consolidarea clădirilor de patrimoniu, Editura Societații Academice “Matei- Teiu Botez”, Iași, 2007;

[26] T. Strzsyewska, S. Kanka, A. Zydzik- Bialek, Research methods adopted for evaluation on the condition of the building materials used in construction of the masonry structures on the site of the Auschwity- BirKenau State Museum in Oswiecim, Procedia Engineering 108/2015, p. 93-101;

[27] L. Randazzo, G. Montana, R. Alduina, P. Quatrini, E. Tsantini, B. Salemi, Flos Tectorii degradation of mortars: An exemple of synergistic action between soluble salts and biodeteriogens, Journal og Cultural Heritage 16/2015, p. 838-847;

[28] Velicu C., Avram C.: Îndrumător de laborator pentru fizica construcțiilor (Guide for building physics laboratory), Editura Societății Academice “Matei – Teiu Botez” Iași, 2010;

[29] Fong. C., Janssen H.: Hygric properties of porous building materials (II): Analysis of temperature influence, Building and Enviromment 99, 2016, p. 107-118;

[30] Groves D, Savidge C. et al.: Surface permeabilitz of natural and engineered porous building materials, Construction and Building Materials 112, 2016, p. 1088-1100;

[31] Lopez – Arce P., Garcia – Guinea J.: Weathering traces in ancient bricks from historic buildings, Building and Enviromment 40, 2005, p. 929-947;

[32] Cobîrzan N., Balog A.: Analysis of rendering mortars decaz due to salt attack, Journal of Applied Engineering Science 3 (16), 2013, p. 21-26;

[33] N. Păunescu, Restaurarea istorică a casei Kieser, [online] www.ziarulevenimentul.ro, 20,02,2016;

[34] Michael Seiger, Sonke Armussen, Crystallization of sodium sulfate phasses in porous materials:The phase diagram Na2SO4-H2O and the generation of strss, Geochimica et Cosmochimica Acta 72/2008, p. 185-203;

[35] Paolo Foraboschi; Alessia Vanin, Experimental investigation on bricks from historical Venetian buildings subjected to moisture and salt crzstallization, Engineering Failure Analysis 45/2014, p. 4291-4306;

[36] SR EN 772-13:2005:

[37] Dănuț Babor, Diana Plian, Încercarea materialelor de construcție, Vol. I, Editura Karro, Iași, 2009;

[38] SR EN 771-1:2003/Anexa C.