Bilagsrapport, som indeholder uddybende baggrundsmateriale samt udførlig beskrivelse af samtlige udførte forsøg.

Transkript

1 Kapitel 1 Forord Nærværende bachelorprojekt Undersøgelser af saltes nedbrydning af natursten er resultatet af et projektarbejde gennemført i perioden fra 1. februar 2008 til 26. juni 2008 på DTU Byg ved Danmarks Tekniske Universitet. Bachelorprojektet er indleveret som led i opfyldelsen af kravene for opnåelse af bachelorgraden i Byggeteknologi på Danmarks Tekniske Universitet. Rapporten repræsenterer 20 ECTS point. Projektet er udarbejdet i fællesskab, og der kan dermed ikke differentieres mellem projektdeltagernes bidrag til rapporten. Udover nærværende rapport består bachelorprojektet af: Bilagsrapport, som indeholder uddybende baggrundsmateriale samt udførlig beskrivelse af samtlige udførte forsøg. Billedkatalog, som indeholder billeder af naturstenenes udvikling gennem udførte Spandforsøg der ikke er medtaget i rapporten. CD-rom, som indeholder dels alle de rå data som ikke er medtaget i bilagsrapporten, dels en samling af bachelorprojektet. Vi vil gerne rette en stor tak til vores vejleder, lektor Kurt Kielsgaard Hansen (DTU Byg) for hans store hjælpsomhed og engagement gennem hele projektets forløb. Ligeledes rettes en tak til vores medvejledere Bent Grelk (Rambøll) og Poul Klenz Larsen for deres vejledning og store indsigt inden for området. Herudover er vi meget taknemmelige for, at følgende personer fra DTU Byg har hjulpet med forskellige praktiske dele af projektet: Ebba Cederberg Schnell, laborant, DTU Byg Erik Christensen, ingeniørassistent i betonstøberiet, DTU Byg Christian Peter Rasmussen, elektronikteknikker, DTU Byg Staffan Svensson, lektor, DTU Byg 1

2 KAPITEL 1. FORORD DTU Byg Danmarks Tekniske Universitet Brovej Bygning Kgs. Lyngby Danmark Ricardo Antonio Barbosa s Sidsel Juhlin s

3 Kapitel 2 Sammenfatning Bachelorprojektet er baseret på laboratorieforsøgene frosttest efter DIN og spandforsøg. Som målemetoder hertil er benyttet resonansfrekvens- og ultralydsmåling, mikroskopi samt bøjetrækforsøg efter EN Disse laboratorieforsøg udføres med henblik på at vurdere forskellige saltes eventuelle nedbrydning af projektets anvendte natursten. Laboratorieforsøgene udføres på følgende natursten: Bateig Azul (kalksten), Bulgarsk Wratza (kalksten), Gotlandsk sandsten, Gotlandsk sandsten-amalienborg, Basalt (vulkansksten) og Basalt2 (minder om en tufsten). Frosttest: I frosttesten fryses de udvalgte naturstenstyper hvorefter halvdelen af disse optøs i 1% natriumkloridopløsning. Tilsvarende optøs den anden halvdel i demineraliseret vand. Til vurdering af naturstenenes holdbarhed over for denne frost-tø påvirkning, tages disse ud af frost-tø forløbet efter hver femte cyklus. De ikke-destruktive målemetoder, resonansfrekvens- og ultralydsmåling, benyttes herefter til at vurdere prøvelegemernes skadesgrad. Efter 30 cykler måles prøvelegemernes trækstyrke ved et bøjetrækforsøg efter EN Resultatet af bøjetrækforsøget sammenlignes efterfølgende med de ikke-destruktive måleresultater. Det konkluderes af frosttest DIN , at nogle naturstenstyper påvirket af 1% natriumklorid-opløsning havde markant flere skader end de tilsvarende naturstenstyper, som blev påvirket af demineraliseret vand. Derudover har der været en klar tendens til, at naturstenstyper med en høj vandmætningsgrad har været mere sårbare over for frost-tø påvirkninger. Den ikke-destruktive målemetode ultralyd viste som udgangspunkt brugbare resultater, da disse har understøttet resonansfrekvens- og brudstyrkemålingerne. Der har kun været problemer med Bateig, da ultralydsmålingerne ligesom resonansfrekvensmålingerne ikke registrerede de skader, der var opstået midt i stenen langs lagdelingen. Resonansfrekvensmålingerne kan som udgangspunkt godt detektere skader. Der findes dog så mange faktorer, der påvirker målingerne, at denne målemetode ikke kan anbefales som eneste målemetode. Spandforsøg: Med spandforsøget ønskes at undersøge, hvordan tre forskellige salte hhv. natriumklorid, natriumsulfat og natriumkarbonat angriber de i projektet anvendte natursten. Spandforsøget foregår således, at hver naturstenstype neddyppes i en spand med hhv. 14% natriumkloridopløsning, 14% natriumkarbonat-opløsning og 14% natriumsulfat-opløsning. Spanden lukkes tæt, hvormed der opstår en høj luftfugtighed nede i spanden. Omkring halvdelen af prøvelegemet er nu nede i spanden, mens resten af prøvelegemet stikker op over spandlåget i en luftfugtighed, der svarer til det klima, spanden er placeret i. Forsøget gennemføres ved hjælp af to identiske sæt spande, hvor den ene halvdel placeres 3

4 KAPITEL 2. SAMMENFATNING i normalt klima (ca. 50% RF), mens den anden halvdel sættes i varierende klima (mellem 50% og 80% RF). Når prøvelegemet sættes i vand, begynder den kapillære opsugning. Prøvelegemerne suger væske op, og når luftfugtigheden falder på vej op gennem prøvelegemet, vil vandet fordampe, og der vil opstå krystallisation. Sker krystallisationen inde i naturstensprøverne, vil der med tiden ske saltspringninger, h- vis stenens trækstyrke ikke er tilstrækkelig høj. Sker krystallisationen derimod uden på naturstensprøven, kan saltet blot skrabes af, og stenen mister ikke styrke. Efter spandforsøgets udførelse kan det konkluderes, at de natursten, der har været påvirket af et normalt klima, hvor den relative luftfugtighed var på ca. 50%, generelt har været mest udsat for krystallisation. Dette skyldes sandsynligvis, at den relative fugtighed ligger under saltes krystallisationspunkt. Dermed vil saltene ofte krystalliseres ved denne klimapåvirkning. I det varierede klima er der i nogle tilfælde observeret anderledes skader end ved det normale klima. Altså kan et varierende klima være mest ødelæggende for nogle naturstenstyper, og det normale klima være mest skadeligt for andre. Natriumsulfat og natriumkarbonat er i dette projekt blevet observeret til at være de mest skadende salte for de anvendte natursten. Dette skyldes sandsynligvis, at disse salte ekspanderer, når de reagerer med vand. Natriumsulfat opnår en volumenforøgelse på 320%, når saltet bindes til 10 vandmolekyler. Volumenforøgelsen ved natriumkarbonat er 260%. Naturstensprøverne, der blev påvirket af natriumklorid-opløsning, har taget mindst skade. Dette var forventet, da natriumklorid ikke ekspanderer på samme måde som natriumsulfat og natriumkarbonat. For at teste om natriumklorid-opløsningen blev suget op i stenen, blev der lavet en mikroanalyse af to natriumklorid-påvirkede stenprøver. Resultatet heraf viste, at der var masser af salt i stenene, og derfor kunne dette ikke svare på den manglende skadesgrad. 4

5 Kapitel 3 Abstract The Bachelor thesis is based on laboratory experiments with a frost test and bucket test. The following measuring methods are used: resonance frequency and ultrasonic waves, a tensile strength test after EN 12372, and microscopy. These laboratory experiments are carried out to assess the various salt decomposition of the natural stones tested in the project. The laboratory experiments are performed in the following natural stone: Bateig Azul (limestone), Bulgarian Wratza (limestone), Gotlandsk sandstone, Gotlandsk sandstone-amalienborg, Basalt (a volcanic stone) and Basalt2 (like a tufstone). Frost test: In the frost test the selected natural stones are frozen. Half of the stones thaw out in 1% sodium chloride solution. The other half is thawed in demineralised water. In order to assess the natural stones sustainability to this frost-thaw effects, they are taken out of frost-thaw process after each five cycles. The non-destructive methods of measurement resonance frequency and ultrasonic measurement are then used to assess the degree of damage to the specimens degree of damage. After 30 cycles the specimens tensile strength are measured in a tensile strength test after EN The result of the tensile strength test is compared to the non-destructive measurements. The conclusion of the frost test after DIN is that some specimens affected by 1% sodium chloride solution had significantly more damage than the corresponding specimen affected by demineralised water. In addition, there was a clear tendency that specimens with high saturation were more vulnerable to frost-thaw effects. The non-destructive measurement ultrasound produced useful results as they supported resonance frequency and tensile strength measurement. There were only problems with Bateig since ultrasonic measurement and resonance frequency did not register the damage that had occurred in the middle of the stone along the stratification. The resonance frequency is able to detect damage. However, so many factors affect the measurements that resonance frequency cannot be recommended as the only method of measurement. Bucket test: The aim of the bucket test was to examine how three different salts, respectively sodium chloride, sodium sulphate and sodium carbonate, attack the natural stones used in the project. In the bucket test each natural stone type is immersed in a bucket containing respectively; a 14% sodium chloride solution, a 14% sodium carbonate solution and a 14% sodium sulphate solution. The bucket cover was closed which generated a high humidity. About half of the specimen is inside the bucket, while the rest protrudes above the bucket cover in a level of humidity which represents the climate that the bucket is placed in. The experiment is conducted in two identical sets of buckets, half of them being placed in 5

6 KAPITEL 3. ABSTRACT normal climate (about 50% RF), while the other half is placed in a varying climate (between 50% and 80% RF). When the specimen is immersed in water the capillarity absorption starts. The specimens absorbs liquid, and when the humidity moves up through the specimen, the water evaporates, and crystallisation takes place. If the crystallisation occurs inside the natural stone, damage will occur over time and stone tensile strength will fall. On the other hand, crystallisation occurs on the outside of the specimen the natural stone will not lose significant tensile strength. Having performed the bucket test it can be concluded that the natural stones affected by a normal climate in which the relative humidity was approximately 50% generally were most prone to crystallisation. This is probably due to the relative humidity being below the salt crystallisation point. In this climate the salts will often crystallize. In the varied climate, damages different to those in the normal climate were in some cases observed. This indicates that while a variable climate can be most devastating for some specimens, a normal climate can be most harmful to others. In this project sodium sulphate and sodium carbonate have been observed to be the most damaging salts for the selected natural stone. This is probably because these salts expand when responding to water. Sodium sulphate achieves a volume of 320% when the salt is bound to 10 water molecules. Sodium carbonate achieves a volume of 260%. The specimens that were placed in a sodium chloride solution were the least damaged. This was as expected since sodium chloride does not expand in the same way as sodium sulphate and sodium carbonate. To test whether the sodium chloride solution was absorbed by the stone a microanalysis was made of two sodium chloride affected specimens. The result showed that there was plenty of salt in the stones, and therefore this could not explain the lack of damage. 6

7 Indhold 1 Forord 1 2 Sammenfatning 3 3 Abstract 5 4 Indledning 9 5 Problemformulering 12 6 Materialer og metoder Naturstens dannelse Bjergarter Anvendte natursten Bateig Azul Bulgarsk Wratza Gotlandsk sandsten Basalt Basalt2 (Tufsten) Grundlæggende forsøg Frosttest efter DIN Ultralyd Resonansfrekvens Bøjetrækforsøg efter EN Spandforsøg Opsugning Ophobet salt

8 INDHOLD INDHOLD Fasediagrammer og krystallisering Volumenændring ved krystallisation Overmættede opløsninger Krystallisation i højden Varierende klima Krystalisationspunkt Laboratorieforsøg Planlægning og udsavning af prøver Grundlæggende forsøg Porøsitet og densitet Kapillarsugning Vandmætningsgrad Frosttest efter DIN Ultralyd Resonansfrekvens Bøjetrækforsøg Spandforsøg Fast klima Varierende klima Mikroskopi, FEI - Quanta Diskussion 72 9 Konklusion Forslag til kommende projekter Litteraturliste 80 8

9 Kapitel 4 Indledning Oprindeligt blev natursten anvendt som bærende vægge og søjler i tidligere tiders konstruktioner, bl.a. kan nævnes grækernes kæmpe bygningsværker udelukkende opbygget af natursten som f.eks. marmor. I nyere tid er man gået over til i stedet at anvende tynde plader (3-6 cm eller tyndere) af natursten som facadebeklædning. Disse tynde plader af natursten hænges uden på bærende vægge af mursten, beton og/ eller stål mv. som klimaskærm. Problemet med benyttelse af natursten som facadebeklædning er, at man de seneste år er begyndt at observere en stigning i antallet af skader på disse [Grelk et. al, 2000]. Natursten kan skades og miste styrke på mange måder, når disse befinder sig i naturen. Nedenfor er listet en række udvalgte eksempler herpå: Temperaturcykler i forbindelse med fugt, herunder frost-tø cykler. Vand kan ophobes i porer og være medvirkende til revnedannelse, afskalning og dermed styrkeforringelse under temperaturcykler. Saltpåvirkning i form af salt fra det omgivende miljø som havsalt og tø-salt. Et salt er opbygget af ionbindinger, som oftest består af en positiv ladet metalion (kation) og en negativt ladet ikke-metalisk ion (anion). Anioner kan være sammensat af flere atomer som f.eks. SO4 2, hvor kun enkelte kationer består af flere atomer. Projektets salte kan deles i følgende par af kationer og anioner: Na + + Cl NaCl 2Na + + SO 2 4 Na 2 SO 4, 2Na + + CO 2 3 Na 2 CO 3 Saltes ph-værdi er som oftest 7 og dermed neutral i fast form. Nogle salte danner syre eller base, når de opløses i vand. Her kan nævnes Na 2 CO 3, der bliver en stærk base ved opløsning i vand [kemibrug]. En anden af saltes egenskaber er, at saltes ioner er i stand til at transporterer ladninger i vandig opløsning. Ligeledes kan opløste salte lede strøm, da en smeltning resulterer i, at iongitteret bliver 9

10 KAPITEL 4. INDLEDNING brudt, og derved opstår der frie ioner, som er i stand til at lede strøm [kemi]. I nærværende projekt benyttes begrebet en mættet saltopløsning. Dette betyder, at opløsningen er i kemisk ligevægt mellem ionerne i opløsningen og de ikke opløste saltkorn, dvs. når en opløsning ikke kan binde flere saltkrystaller. Forurening i form af sur nedbør. Sulfat er en anion, der gør stor skade på de fleste sten og bygningsmaterialer. Sulfaten kan komme i kontakt med bygningsmaterialer ved syreregn. Syreregn er den syreholdige nedbør, der dannes fra en kombination af vand og forurening fra afbrænding af fossile brændstoffer, kul og olie, der afgiver svovldioxid til atmosfæren. Svovldioxiden kan omdannes til svovltrioxid ved oxidation i atmosfæren og igen videre til syreregn. Dannelsen af sur nedbør er illustreret i figur Figur 4.0.1: Dannelsen af sur nedbør (ref. Bent Grelk) Svovlsyren i luften kan reagerer med kalken (CaCO 3 ) i bygningsmaterialer og danne gips. Problemet er, at denne belægning af gips kan give synlige skader i form af revner, misfarvninger, krumninger og forvitring af overfladen. Disse skader kan også forekomme uden tilstedeværelsen af gips, men gipsen fremskynder processen væsentligt [Winkler, 1994]. Hvis skader i natursten på en facade bliver for omfattende, kan det i værste fald være nødvendigt at udskifte hele facaden. Da en udskiftning er meget dyr, er det derfor teknisk og økonomisk interessant at vide mere om de forskellige former for nedbrydning af de forskellige typer natursten. I nærværende projekt ønskes det at undersøge hvilken betydning salt har på natursten, både i form af frost-tø påvirkninger samt saltpåvirkning i normalt og varieret klima. Der ønskes at finde ud af hvordan 10

11 KAPITEL 4. INDLEDNING tre forskellige salte NaCl, Na 2 SO 4 samt Na 2 CO 3 angriber de i projektet anvente natursten, og hvilken betydning et varieret klima har. En mikroanalyse af stenenes grundstofsammensætning skal belyse, i hvor stor grad der er salt i stenens indre. Ydermere ønskes det at undersøge nedbrydningen ved frostpåvirkninger for de anvendte natursten med optøningsfase i hhv. 1% NaCl og demineraliseret vand. Gennem cykler af frost-tø påvirkninger ønskes det undersøgt om der forefindes en regelmæssig nedbrydning. Til at måle denne eventuelle nedbrydning vil der blive benyttet to ikke-destruktive målemetoder; resonansfrekvens og ultralyd. Efter 30 cykler foretages en bøjetræktest for at finde de anvendte naturstens trækstyrke og derved at undersøge, om disse stemmer overens med de ikke-destruktive målinger. Rapporten rundes af med en diskussion samt en opsamlende konklusion. Det skal bemærkes, at samtlige afsnit er beskrevet, diskuteret og illustreret mere omfattende i Bilagsrapporten, og ligeledes kan samtlige mødereferater findes her. Yderligere kan billeder fra Spandforsøget findes i Billedkataloget. 11

12 Kapitel 5 Problemformulering Dansk titel Undersøgelser af saltes nedbrydning af natursten. Engelsk titel Investigation of salt deterioration of natural stone. Formål Formålet med bachelor projektet er at vurdere de anvendte naturstenstype modstandsdygtighed overfor salte. Det ønskes at lave et projekt baseret på laboratorieforsøg hvor her kan nævnes: frosttest, ultralydsmålinger, resonansfrekvensmålinger, spandforsøg og mikroskopi. Baggrund Med øget anvendelse af natursten som facadebeklædning ses der i stigende grad problemer vedrørende disse. Naturstens holdbarhed afhænger af dennes struktur og det omgivne miljø. De problemer, der opstår ved naturstensfacader, er som følge af frost, saltpåvirkninger, fugtændringer og temperaturen. Problemerne forekommer som revner, afskallinger og misfarvninger på naturstensfacaden. Det er dyrt at udskifte en naturstensfacade, der kun har været ophængt i få år. Der fokuseres derfor i nærværende bachelorprojekt, på forskellige saltes angreb på natursten, så dette i fremtiden kan minimeres eller undgås. Indhold Ønsket med nærværende bachelorprojekt er at opbygge rapporten, så det er nemt for læseren at få et overblik over de udførte forsøg samt hvilke natursten der undersøges. Projektet vil derfor blive inddelt i følgende afsnit: Et beskrivende afsnit, hvor målet er at give en gennemgang af de i projektet anvendte naturstenstyper. Dernæst undersøges de grundlæggende egenskaber for de anvendte natursten. Her kan nævnes: Porøsitet og densitet Opsugningsevnen (kapillarsugning) Vandmætningsgrad 12

13 KAPITEL 5. PROBLEMFORMULERING I bachelorprojektet bestræbes der på at undersøge de anvendte naturstenstypers modstandsdygtighed overfor salte. Naturstenen udsættes for følgende nedbrydningsmekanismer: Frostpåvirkninger efter DIN for natursten påvirket af henholdsvis demineraliseret vand og NaCl opløsning. Saltpåvirkninger af henholdsvis: natriumklorid (NaCl), natriumsulfat (Na 2 SO 4 ) og natriumkarbonat (Na 2 CO 3 ). Der undersøges her hvor stor en betydning den relative fugtighed har for et evt. skadesomfang, og hvilket salt naturstenene er mest sårbar overfor. For at klarlægge i hvilket omfang naturstenene er skadet efter frostpåvirkninger, benyttes af følgende ikke-destruktive målemetoder: Resonansfrekvensmålinger Ultralydsmålinger Til at evt. understøtte de ovenstående ikke-destruktive målemetoder benyttes der følgende destruktive prøvningsmetode: Bøjetrækforsøg efter EN Ud fra de fundne målemetoder diskuteres dels målemetodernes anvendelighed, dels de anvendte naturstenstypers modstandsdygtighed overfor frost - og saltpåvirkning. Undersøgelserne udføres på DTU Byg. 13

14 Kapitel 6 Materialer og metoder I afsnittet materialer og metoder gennemgås teorien for projektets forsøg. Indledningsvis beskrives hvordan natursten dannes, samt en beskrivelse af de i projektet anvendte natursten: Basalt, Basalt2 (Tuf), Bateig Azul, Gotlandsk sandsten, Gotlandsk sandsten-amalienborg, og Bulgarsk Wratza. 6.1 Naturstens dannelse Natursten går under den geologiske betegnelse Bjergarter. Geologer kalder alle typer af aflejringer for bjergarter, hvor de fleste ingeniører kalder mange af de løse aflejringer for jord Bjergarter Bjergarter er dannet af mineraler, der igen er kommet af grundstoffer. En Bjergart er en stentype og ikke, som navnet hentyder til, en form for bjerg. Stenmassen er opbygget af et regelmæssigt geometrisk gitter af atomer og består dermed af en blanding af forskellige mineralkorn. Den traditionelle geologiske opdeling af bjergarterne er følgende 3 hovedgrupper som vil blive gennemgået nedenfor: 1. Magmatiske bjergarter 2. Sedimentære bjergarter 3. Metamorfe bjergarter Magmatiske bjergarter Magmatiske bjergarter er dannet ved afkøling af smeltet magma som kommer fra jordens indre. Når magmatiske bjergarter skal inddeles gøres dette bl.a. efter kornstørrelse, farver og kemisk sammensætning. Hovedmassen af magmatiske bjergarter er kemiske forbindelser, som indeholder silicium(si), ilt(o) og normalt et eller flere metaller. Disse kemiske forbindelser kaldes for silikater. 14

15 6.1. NATURSTENS DANNELSE KAPITEL 6. MATERIALER OG METODER De magmatiske bjergarter inddeles oftest i plutoniske(fra underverdens gud, Pluton), vulkanske og gangbjergarter: Plutoniske bjergarter Plutoniske bjergarter er opstået, når magma er størknet ved store dybder. Da de plutoniske bjergarter har haft lang tid til at krystallisere er denne bjergart grovkornet(over 3 mm) og dermed grovkrystalliske. I afkølingsprocessen sker der en sammentrækning i materialet som oftest bevirker, at der opstår en form for lag inddeling af stenmaterialet. Af Plutoniske bjergarter kan nævnes Granit Vulkansk bjergarter Denne vulkanske bjergart er størknet efter at den har nået jordoverfladen. Derfor er den blevet finkrystaliseret(finkornet), og har undertiden huller efter gasudslip. Idet den vulkanske bjergart afkøles, er der tilbøjelighed til, at der vinkelret på afkølingskontakten kan opstå søjledannelse. Søjlebasalt er et godt eksempel på dette. Af vulkanske bjergarter kan nævnes vulkansk basalt. Gangbjergart Gangbjergarten er dannet på vej op mod overfladen, og er derved en mellemting mellem den finkornede vulkanske bjergart og den grovkornede Plutoniske bjergart. Denne mellemgruppe er udkrystalliseret som gange eller mindre legemer adskilt fra et dybtliggende magmakammer. Sedimentære bjergarter Sedimentære bjergarter eller blot sedimenter, er nedbrydninger af klipper og bjerge(magmatiske bjergarter). Nedbrydningsprodukterne transporteres af vand, vind eller is og afrundes herunder. Under transporten bliver stenene sorteret efter størrelse og aflejres som løse lagdelte bjergarter såkaldte mekaniske sedimenter, med de ældste lag nederst og de yngste øverst. Ved vandets sortering bliver det tunge materiale oftest afsat for sig selv, og danner såkaldte tungsandsforekomster, der oftest indeholder mineraler med har økonomisk betydning som f.eks. guld. Med tiden sammenkittes sten og ler til faste bjergarter ved at vand siver gennem og afsætter bindemiddel mellem kornene dette kaldes diagenese. Dette gælder f.eks. sand der hærder til sandsten. Man inddeler sedimenterne i fire grupper: 1. De klassiske sedimenter består af korn, som inddeles efter en kornstørrelsesskala. 2. Organiske sedimenter indeholder mere eller mindre findelte plante- eller dyremateriale. Tørv og gytje er almindelige eksempler på organiske sedimenter. 3. Karbonatsedimenter er bjergarter med tydelig dominans af karbonat. 15

16 6.2. ANVENDTE NATURSTEN KAPITEL 6. MATERIALER OG METODER 4. Evaporitter(indampningsbjergarter) er en slags kemiske sedimenter, som styres af et tørt klima. Metamorfe bjergarter At en bjergart er metamorf betyder, at denne er resultatet af en omdannelse (metamorfe eller forvitring) fra et oprindeligt bjergartsmateriale under ændrede tryk- og temperaturforhold, dog uden at materialet smelter. Metamorfe bjergarter dannes af magmatiske- eller sedimentærebjergarter. Metamorfen bjergarter dannes ved temperaturer over 200 o C og indtil materialets smeltepunkt er nået. Med en normal geotermisk gradient på ca. 30 o C pr. kilometers dybde, foregår denne metamorfose i en dybde af godt 5 kilometer og nedefter i jordskorpen. Normalt inddeles metamorfen i tre hovedområder: 1. Regionalmetamorfose: Denne sker når trykket og temperaturen stiger samtidig. Det kan f.eks. opstå i foldningszoner ved en bjergdannelse. Her opstår materialer som Skifer og gnejs 2. Kontaktmetamorfose: Denne metamorfose opstår ved store temperaturstigninger. Opvarmningen kan f.eks. være forårsaget af magma. Den store varmepåvirkning kan resulterer i en krystallisation af de tilstedeværende mineraler. Bliver en kalksten udsat for kontakt med metamorfe omdannes denne til marmor. 3. Dynamometamorfose: Dynamometamorfose er den mest sjældne af de tre bjergarter, denne findes når der opstår store tryk. [Dam et al., 2008], [Villumsen et al. 2002], [Jessen, 1988] 6.2 Anvendte natursten Der findes utallige naturstenstyper i verden. I det følgende beskrives de fem udvalgte naturstenstyper, det benyttes under projektets forsøg. Aktuelle problemer vedrørende disse sten samt deres forskellige egenskaber har været begrundelse til valget af disse Bateig Azul Bateig Azul (i nærværende projekt blot betegnet Bateig) er en sedimentær bjergart. Den i projektet anvendte Bateig er fra Alicante i Spanien, og er geologisk set en kalksten. Bateig har været anvendt i Danmark til bla. bygningsfacader, som f.eks. Den Sorte Diamants tilbygning Fisken. Anvendelse af Bateig til Fisken, var dog langt fra en succes, idet Bateigs egenskaber ikke stemte overens med de påvirkninger den blev udsat for, og man måtte senere udskifte naturstenene på facaden. 16

17 6.2. ANVENDTE NATURSTEN KAPITEL 6. MATERIALER OG METODER Figur 6.2.1: Øverste: Stenbrud i Alicante, Spanien [Foto: Bent Grelk] - Nederste: Den Sorte Diamant, Fisken [Foto: Ditte, Susanne og Helle] Kalksten er en sedimentær bjergart, der hovedsagelig består af calciumkarbonat (CaCO 3 ) i form af mineralet calcit. Visse typer kalksten kan bestå helt eller delvist af dolomit (CaMg(CO 3 ) 2 ). Kalksten er enten af organisk eller kemisk oprindelse, aflejringer af materialer er opstået ved kemisk udfældning af kalk eller ved biologiske processer. [Eionet] Ved en sådan biologisk proces, opbygges kalkhylstre af mange planktonarter. Disse små kalkskaller synker til havets bund, når organismerne dør, og danner meget tykke lag af kalkslam. Ved at kontinentalpladerne forskydes, kommer det tykke kalkslam under tryk, således at slammet omdannes til forskellige kalksten. Mange kalksten indeholder derfor fossiler, skaller eller rester fra koralrev [Wikipedia K]. Den kemiske formel for kalksten er den samme som for kalk, så længe man ser bort fra urenheder i form af kalciumkarbonat(caco 3 ). Den kemiske formel viser, at kalk er et kalciumsalt af kulsyren, som opstår når kuldioxid opløses i vand. Kulsyre er dermed én af de mest almindelige syrer i naturen. Da kalcium også er meget udbredt, forventes det at kulsyrens forvitring af stenarterne skaber store mængder af kalk, som kan skade kalksten. Kalksten kan indeholde ler, men indholdet udgør som regel altid mindre end 5 %. Kalksten er forholdsvis sårbart overfor regnvand. Dette skyldes at regnvandet ved transport gennem luften optager en lille mængde af kuldioxid fra luften. Kuldioxid omdannes til kulsyre (svag syre), som calcit er sårbar overfor. Geology,[Findstone] I tabel ses de tekniske data for Bateig. 17

18 6.2. ANVENDTE NATURSTEN KAPITEL 6. MATERIALER OG METODER Tabel 6.2.1: Tekniske data for Bateig. [Incom], [Graniteland] Navn Bateig Azul Oprindelse Spanien, Alicante Bjergart (geologisk betegnelse) Kalksten Mineraler Calcit Porøsitet 17 % Vandabsorption 5,2% Densitet ca kg/m 3 Bygninger Den Sorte Diamant, Fisken Bulgarsk Wratza Bulgarsk Wratza (i nærværende projekt blot betegnet Wratza) er geologisk set en kalksten. Den anvendte Wratza er, som navnet viser, fra et stenbrud i Bulgarien. Wratza anvendes i fliser, bordplader og facader. I Danmark er Wratza anvendt i mange bygninger, her kan nævnes Lyngby Kulturhus og Den Jyske Sparekasse i Grinsted. Figur 6.2.2: Øverste: Stenbrud i Bulgarien [Foto: Bent Grelk] - Nederste: Til ventre: Lyngby Kulturhus [Natursten.com] - Til højre: Den Jyske Sparekasse, Grinsted [Natursten.com] Wratza er som Bateig en kalksten, men det ses tydeligt, at disse ikke har samme opbygning og egenskaber. Ved at mærke på Wratzaen, føles denne mindre porøse og dermed mere kompakt end Bateig. Det skal dog nævnes, at vandabsorption for Wratza og Bateig oftest er den samme. Det er derfor vigtigt at undersøge hver stentype, inden denne benyttes til facader eller lignende, da betegnelsen kalksten ikke er 18

19 6.2. ANVENDTE NATURSTEN KAPITEL 6. MATERIALER OG METODER ensbetydende med samme egenskaber. I tabel 6.2.2, ses de tekniske data for Bulgarsk Wratza. Tabel 6.2.2: Tekniske data for Bulgarsk Wratza. [ W - test report : Bent Grelk] Navn Bulgarsk Wratza Oprindelse Wratza, Bulgarien Bjergart (geologisk betegnelse) Kalksten Mineraler Calcit Porøsitet 10,3 % Densitet ca kg/m 3 Vandabsorption 5-6% Bygninger Lyngby Kulturhus Gotlandsk sandsten Gotlandsk sandsten (i nærværende projekt også betegnet Gotland) er en kalkbunden, finkornet sandsten, som geologisk set er en sedimentær bjergart. Den anvendte Gotlandske sandsten er fra et stenbrud på Gotland i Sverige. Sandsten hører til gruppen sedimentære bjergarter bestående af sandkorn med kornstørrelse mellem 0,0625 mm og 2 mm, og indeholder hovedsageligt grundelementerne, feldspat og kvarts. Sandsten dannes, hvor sandet aflejredes på havbund eller flodbund for millioner af år siden. Sandet sammenpresses under stort tryk, ofte hævet op over landjorden, og sammenholdes af forskellige bindemidler, tilført af nedsivende vand, som f.eks. kalk/kalcit/kalkspat, kisel/silikat, ler eller limonit/jernspat. Der findes fire typer sandsten: De kiselbundne, kalkbundne, jernbundne og lerbundne, hvor de lerbundne er svagest og mindst holdbare, de kiselbundne er de stærkeste og de kalkbundne ligger midt imellem. Sandsten kan ligeledes beskrives ud fra deres farve, da det er sandet eller bindemidlet der giver stenen deres farve, som grå, gul, hvid eller rød. Det er netop farven der gør at denne type natursten er meget smuk. Sandstens gullige eller rødlige farve skyldes ofte jernforbindelser i bindemidlet. Sandsten har i mange århundreder været anvendt til bygningsdekorationer, ikke kun på grund af dennes smukke farver, men også af den grund at sandsten er meget lette at bearbejde. Sandsten har desværre ikke en særlig god holdbarhed. 19

20 6.2. ANVENDTE NATURSTEN KAPITEL 6. MATERIALER OG METODER Figur 6.2.3: Vase fra Dehns Palæ i København. Malet med blyhvidt linoliemaling, har sandsten været bevaret i 250 år. [BygBevaring1] Forvitring af sandsten slutter, når bindemidlet i stenen er udvasket, og stenen igen er omdannet til sand. Den kalkbundne sandsten er meget eksponeret for nedbrydning, der skyldes sur nedbør (se nærmere om sur nedbør i indledningen). Det har ikke været muligt at finde tekniske data for Gotlandsk sandsten, kun for den brede betegnelse sandsten derfor laves ikke en tabel men henvises til afsnit densitet og porøsitet. [Padedesign] [BygBevaring1] [BygBevaring2][ Geology ][Wikipedia S] I nærværende projekt benyttes der to typer gotlandsk sandsten. Den første sten er modtaget direkte fra et stenbrud, hvorimod den anden type har været udsat for naturens påvirkninger gennem mange år, da denne har været en del af facaden på Frederik den 9. palæ -Amalienborg (denne betegnes i nærværende projektet som Gotland2-Amalienborg) Basalt Basalt er en magmatisk bjergart bestående af størknet magma. Hvis magmaen størkner hurtigt er der blevet dannet en finkornet basalt, og en langsom størkning resulterer oftest i en grovkornet gabbro. Basalt består af en mængde silikater, her kan bl.a. nævnes: Olivin, pyroxen, amfibol og anorthit (Ca-rig feldspat). Basalt er den hyppigst forekommende bjergart på jordens overflade, og findes som oftes på havbunden under de sedimentære aflejringer. Normalt anvendes basalt som underlag til vejbelægning og som skærver under togspor. I Danmark er basalt, under betegnelsen Black Diamond endvidere benyttet som gulve og facader, f.eks. i Lyngby Kulturhus og Holbæk seminarium[wikipedia B]. Basalt forekommer også under betegnelsen Olivingabbro [ref. Bent Grelk]. 20