Ny viden om kalk og kalkmørtler

Transkript

1 Ny viden om kalk og kalkmørtler Dansk Selskab for Materialprøvning og -forskning (DSM ) Danish Society for Materials Testing and Research (DSM ) Copenhagen 1999

2

3 Ny viden om kalk og kalkmørtler Kalk og kalkmørtel er et meget gammelt byggematerialer i dans k bygningskultur, lidt ældre end de brændte teglsten, idet 1000-årene s frådstenskirker er muret op i kalkmørtel. Teglstene blev som bekend t "først" introduceret i 1160-erne ved bygningen af Valdemar Sejr s Dannevirke og Forsvarstårnet på Sprogø. Kridtsten findes jo næsten overalt i landet og det, der gør denne ste n så unik er, at hvis man "brænder" den i en lille skaktovn - ente n under jorden eller over - hvorved der opnås en højere temperatu r (ca. 900 grader) end i et almindeligt bål, bliver den ekstrem t vandsugende, og når den har suget vand bliver den til en ganske blød masse. Denne masse kan derefter fortyndes med vand til en tynd væske, eller den kan blandes med andre materialer, primært sand eller grus, hvorefter den kan formes frit og endelig kan den, i begge former, som væske eller som tykkere, blød masse, klæbe hårdt til visse andre materialer, bl.a. frådsten. Det virkelig interessante indtræffer derefter efter et stykke tid : De n bløde masse eller væske omdannes igen til den faste kridtsten. Trods sine 1000 år på "bagen" her i landet, og formentlig over 1000 år mere, idet jernalderens og vikingetidens lerklinede huse også va r kalkede, er denne proces stadigvæk mere eller mindre gådefuld. Baggrunden herfor er, at såvel brændingen, læskningen og hærdningen (karbonatiseringen) af kalken er kemiske processer, der ofte forløber ret forskelligt fra gang til gang, afhængig af kridten s beskaffenhed, temperaturen, tempo (hurtighed), klimatiske forhol d (fugtighed - tæthed), tilslagsmaterialerne (sand, grus, m.m.) sam t ikke mindst den håndværksmæssige udførelse. Det man oplever, er at kalken opfører sig meget forskelligt fra gan g til gang med hensyn til styrke, indre struktur (porestruktur), fugtegenskaber, skader, holdbarhed osv. Ud over rituelle besværgelser har modtrækkene, fra producentern e og håndværkerne gået i to retninger, både tilbage i historien og i vo r tid : Man har "speeded" hærdningshastigheden op på forskellig vis, bl.a. via de såkaldt hydrauliske tilslag i kalkmørtler (Roma n Cement, Cement, Hydraulisk Kalk), der både har gjor t 3

4 anvendelsen af kalkmørtelen mindre besværlig og øge t styrken. Man har forsøgt at gøre materialerne og processerne mer e "rene" og ensartede ved at elliminere forskelligheder (bl.a. sandets kornstørrelser), styre fremstillingen bedre, elle r erstatte håndkraft med maskiner. Alligevel er anvendelsen af kalkmørtel, kalkpuds og kalkfarver i da g langt fra problemfri. Vi kan stadig konstatere mange uacceptable fej l i såvel udførelsen af nyt murværk eller ny kalkning som ve d reparationer på ældre murværk : Vedhæftning Afsmitning - Uensartethed i farven ("skjolder" ) - Saltudblomstringe r - For ringe holdbarhed (hyppig vedligeholdelses-, reparations - arbejder) mm. Derfor arbejder forskellige firmaer og institutioner på at forbedre disse forhold på forskellig måde : 1 Undersøge og studere de kemiske processer, bl.a. for a t forklare og måske forbedre dem. Herunder forskellig e materialesammensætninger, produkttyper osv. 2 Undersøge og studere de mest typiske skader, fejl elle r problemer på ældre og nyt murværk, herunder den naturlig e nedbrydning, de praktiske produktionsforhold osv. 3 Undersøge og studere de historiske kilder, først og fremmest historisk murværk med originale kalkmørtel eller puds, dernæst litteratur samt den "levende tradition" (bl.a. håndværkere, kalkværker m.fl.) 4 Undersøge og studere de konkrete fysiske og konstruktiv e forhold i murværket, bl.a. opmuringsmørtler, bundens beskaffenhed, udkastmørtler, finpudsningsmørtler, hvidtekalk og kalkfarver. 5 Undersøge og studere den nutidige håndværksmæssig e udførelse og de nutidige håndværksmæssige erfaringer. 4

5 Nærværende nummer af MATERIALENYT bringer to interessante artikler med ny viden indenfor område 1 og 2, kemi o g undersøgelsesmetoder, der blev præsenteret på et møde i DSM - Dansk Selskab for Materialeprøvning og Forskning, i septembe r Som indledning til samme møde fortalte undertegnede lidt o m Raadvad-Centerets planer og aktiviteter indenfor de de 3 andr e områder, historiske kilder, konstruktive forhold og d e håndværksmæssige erfaringer, bl.a. gennem et nordisk tværfaglig t forsknings-samarbejde. Endelig fortalte undertegnede også om Raadvad-Centerets planer o m at danne et Nordisk Kalk Forum, som et forsøg på at samarbejd e mere på dette område på nordisk plan. Specielt i Norden, har der nemlig gennem adskillige år været mange aktiviteter på dette område. Men på det sidste er "vi" ved at bliv e distanceret godt og grundigt af en række meget aktive nabolande. Nordisk kalk Foru m Danmark står nemlig langt fra ene med disse probelemer og ønske r om bedre viden og kunnen. Stort set alle lande arbejder på een eller anden måde med dette, men på det sidste har specielt England o g Skotland markeret sig meget kraftigt gennem oprettelsen a f organisationen "Building Limes Forum" i I dette "Forum " mødes producenter, brugere, forskere m.fl. til et årligt møde ee n gang om året, hvor der både er praktiske og teoretiske indlæg, diskussioner og demonstrationer - plus naturligvis, almindeligt samvær og "læren hinanden at kende". Derudover udgiver "Building Limes Forum" et årsskrift o g forskellige publikationer med artikler med ny viden om kalk. Een af hovedaktiviteterne gennem disse 10 år har også været forsø g på stedet med brænding og læskning af lokal kalk. Inspireret af dette, bl.a. efter et besøg på eet af møderne i England, har Raadvad-Centeret nu bygget sin egen lille forsøgs-kalkovn, og der med denne udført en række vellykkede kalkbrændings- o g læskningsforsøg. 5

6 opjr 1t r/ L-JN/r/,-fj7,tt~Y ~øa~ ye+ PRC 3E!(ALKRÆNLI~idN / lr,yp.vtn/ifi M.%Ttwn. Jn ii wiil, '3~o ~~ / r.t UCiF~6F~ Figur 1. Raadvad- Centerets forsøgs-kalkovn, der kan brænde ca. 1 0 kg kalk og producere ca 10 liter kulekalk per brænding. Tegning: Arkitekt m. a. a. Peter Wolfsberg, der er Centerets kalkbrændingsmester. 6

7 Det er bl.a. gjort ud fra den hypotese, at de ovenfor nævnte 2 bestræbelser på at gøre kalken og tilslagsmaterialerne mer e ensartede, samt på at gøre kalken mere hurtigthærdende og stærkere (cement og hydraukisk tilslag), måske i virkeligheden gør mer e skade end gavn. Studier af historiske kalkmørtler, der tilsyneladend e har opfyldt deres formål temmeligt godt, viser i hvert fald, en mege t uensartet kalk og meget uensartede tilslagsmaterialer. De to tekniske artikler i dette nummer af MATERIALENYT, kan godt læses som en indirekte bekræftelse på dette. Den anden del af hypotesen er som følge heraf, at det er unde r anvendelsen af kalkmaterialerne, bl.a. den håndværksmæssige opbygning og udførelse, samt de klimatiske og de fugt- o g temperaturmæssige forhold under dette, visse af fejlene sker. For at drøfte disse erfaringer og andre ting, vil Raadvad-Centere t derfor tage initiativ til at etablere et Nordis Kalk Forum efter engelsk forbillede i Formå l Formålet med et Nordisk Kalk Forum er at samle producenter, håndværkere, rådgivere, forskere og andre kendere, brugere o g interesserede i kalk i byggeriet til et årligt seminar, hvor man kan : udveksle erfaringe r afdække behov - producenter, håndværkere, rådgivere osv. høre om og se nye produkter eller forskningsresultate r - præsentere ideer, nye projekter, ny vide n Emne r De emner, der kan drøftes på et NORDISK KALK FORUM e r f.eks. : Fremstilling Traditionel/ industrie l Anvendelse Restaurering/ nybygger i - Udførelse Håndværket/ normer og specificationer - Egenskaber Tekniske/ miljømæssig e Holdbarhed Naturlig forvitring/ reparation og vedligeholdelse 7

8 Erfaringer Producenter/rådgivere, håndværker e Derudover kan der være produkt eller andre praktiske demonstrationer, f.eks. brænding og læskning af kalk m.m. Organiserin g Da der findes meget lange og massive erfaringer med byggekalk i alle de nordiske lande, er det oplagt at forsøge at opbygge dett e "erfarings-forum" på nordisk plan. Det er endvidere tanken, at afholde seminaret een gang om året, p å skift i de nordiske lande, på steder, hvor der produceres, bruges eller forskels i byggekalk. Interesserede deltagere tilmelder sig NORDISK KALK FORUM og betaler et årligt kontingent, for at modtage NYHEDSBREVE, indbydelser og andre informationsmaterialer. Der kommunikeres endvidere via internettet. Raadvad-Centeret tilbyder at være sekretariat, der føre r medlemskartotek, udsender indbydelser, NYHEDSBREVE, meddelelser over internettet osv. Hvornå r Det første Nordiske Kalk Forum afholdes Fredag-lørdag, den april 1999 på Raadvad-Centeret. Nærmere program vil bliv e udsendt. Ellers så ring eller skriv. Med dette nummer af MATERIALENYT har DSM taget det først e vigtige skridt, både i forhold til at etablere et nærmere samarbejd e om kalk på nordisk plan og i forhold til at samle viden fra et meget bredt og tværfagligt spektrum - samt, ikke mindst, at lægge dett e frem til diskussion. Januar Centerleder, arkitekt m.a.a. Søren Vadstru p RAADVAD, Nordisk Center til bevarelse af Håndvær k 8

9 Bruk för restaurering - teori och praxi s TU 2 E I D A Thorborg von Konow, F D Nyröjarvägen 1 7 FIN Helsingfors, Finland tel + fax Artikeln är ett kort sammandrag ur mi n doktorsavhandling: "Restaurering oc h reparation med puts- och murbruk" Ab o Akademis förlag, Vammala 1997, 127 s. + bilagor med mikroskopbilder 28 s. Den korta beskrivningen av bruke n använda vid olika restaureringar ligge r delvis utanför avhandlingen Bruk för restaurering - teori och praxi s Utan skötsel och underhåll kan ingenting bevaras. Inte ens vår a gamla kulturhistoriska byggnader, en gång byggda av granitstensblock och med välbrända tegel i de massiva murarna. Byggnader som står ute i det fria är alltid utsatta för fukt och regn, för vind och köld, vilka påskyndar den naturliga vittringen och äventyrar murarnas och murfogarnas beständighet. Därtill finn s alger, mossor och växtrötter, och flera olika salter, vilka alla på sit t egenartade sätt bidrar till vittringsprocessen. De höjer muren s fukthalt, använder kalken i bruket som näring, bakterier utsöndra r svavel- och salpetersyra och salterna belastar fogytor, men speciell t påverkas det intill-liggande teglet. Dessa processer känner man bar a delvis till. Hur ett poröst byggnadsmaterial, ett murbruk elle r putsbruk bryts ner och hur man med säkerhet kan förebygg a vittringen, vet man däremot inte. Vi lever under en civilisationsperiod, där effektiviteten oc h marknadsföringen står högst i kurs, och det mesta vi utför, gör s under stress och med strama tidtabeller. Under sådan a 9

10 omständigheter kan de gamla, halvt vittrande murarna och flerahundra åriga byggnaderna anses som något man inte direkt ha r tid med och inte behöver befatta sig med, annat än som pittoreska kurscentra, turistattraktioner eller hotell och restauranger. För underhåll av sådana byggnader räcker att de repareras så att de int e läcker och så att de ser trevliga ut. Men detta räcker inte för at t bevara hela vår kulturtradition, vår byggnadskultur med dess histori a i en vidare mening, och ännu mindre för att bevara de material byggnaderna ursprungligen blivit byggda ay. Brukforskning i allmänhet har under de senaste åren, åtminstone i Finland, haft en låg profil. Detta har lett till, att ma n kritiklöst använt sig av ideer och åsikter om vad som är rätt och va d som är fel. Marknaden för utländska material står öppen både på gott och ont. Men restaureringsbruk vilka används i Mellaneuropa är int e utvecklade för våra nordliga vinterförhållanden. Myter och trosuppfattningar om den gamla "goda" kalken, den s.k. gravkalken har starkt slagit igenom, på bekostnad av ett mera förnuftig t ställningstagande till vad som egentligen önskas av ett bruk, både u r teknisk och restaureringsfilosofisk mening. Kalken och ballasten Bruket är utan tvivel en av de få byggnadsmaterial som genomgå r den längsta förädlingsprocessen, innan det som färdigt bruk med mursleven kan slås på teglen. Och därför är det också komplicera t för den som inte är insatt i ämnet, att få en insikt i brukets och främs t kalkens omvandling, från den råa kalksten till den vid 1000 C brända, med vatten släckta och med luftens CO2 karbonatiserade och genom upprepade urlakningar och kristallisationer nybildade kalken. Ballasten, dvs. sanden i bruket och dess kornstorleksfördelning har getts mycket liten uppmärksamhet. Man har utgått ifrån att en ballas t som uppfyller dagens standard på ballastkornfördelningen uppfylle r alla krav på en välfungerande bruksand. I stället för att se på ballasten har man försökt ändra brukets egenskaper med hjälp av e n specialkalk eller försökt förbättra brukets hållbarhet me d cementtillsatser. 10

11 Laboratorieprov och undersökninga r Huvudsyftet med forskningsarbete på restaureringsbruk har varit at t utreda hur man i bruk kan överföra en del av bindemedlets uppgift på ballasten, dvs att överta brukets bärande andel. Ett ännu viktigar e kriterium var att utreda om kalkbrukets frostbeständighet går at t förbättra, utan extra tillsatser av hydrauliska komponenter. Med hjälp av ett stort antal brukblandningar gjorda inom projekte t har flera frågeställningar och oklarheter beträffande bruk i allmänhet, deras sammansättning (dvs recept) och speciellt d e egenskaper de får som karbonatiserade och härdade blivit utredda. Av största intresse var att söka korrelationer mellan brukets recep t och deras inre porstruktur, sprickbildning och homogenitet det får i hårdnat tillstånd och hur dessa åter påverkar brukets hållfasthet oc h frostbeständighet. Som huvudvariabel för dessa undersökningar valdes ballasten, alltså inte bindemedlet. Med hjälp av ballast med olika kornstorleka r utreddes huruvida en ofördelaktig ballasttyp ger upphov til l håligheter och porer, som i sin tur inverkar nedsättande på bruket s frostbeständighet. Och å andra sidan om en mera lycka d ballastkornstorleks-fördelning kan ge bruket en tätare packning oc h därigenom en bättre hållfasthet. - U- - mycket fi n 80 - CI utan fille r 60 '~ kalkfille r X mycket gro v ~ K v -fille r teoretisk n=0.44 kornstorlek [mm] # Figur 1. Brukens typballastkurvor och en teoretisk kurva för go d packning. 2 11

12 Vatten behövs bl.a. för att göra brukblandningen bearbetbar. En de l av murbrukets vatten sugs in i murstenarna, resten stannar kvar i porer och hålrum som bildats mellan sandkornen och bindemedelspartiklarna i blandningen. Med tiden torkar detta vatten ut och lämnar öppna porer och hålrum efter sig. Ju sämre packning man får i brukblandningen, ju sämre de enskild a kornen passar in mellan varandra, desto flera hålrum uppstår i systemet. Tomrummen kan givetvis fyllas med bindemedel, men en hög halt bindemedel i bruk ökar risken för sprickbildning vid bruket s härdningen. Fylls tomrummet däremot med fin sand, s.k. filler, blir strukturen i bruket tätare. Brukblandningarn a I undersökningarna användes i huvudsak ett torrt kalkbindemedel, dvs. ett kalkhydrat i pulverform i stället för den våtsläckta kalken. Det var nödvändigt för att kunna analysera kornstorleksfördelningen på alla delmaterial, både ballastens och bindemedlets, innan recepte n för bruken formulerades. Med hjälp av ett för ändamålet utarbeta t dataprogram, beräknades mängden olika sandtyper och bindemedelshalten för varje provbruk skilt. Sålunda gjordes ca. 60 brukblandningar med 12 olika ballastkornfördelningar. För at t behändigt kunna jämföra ballasttyperna och brukens egenskaper me d korrelationsberäkningar beräknades ett speciellt ballastindex på base n av de enskilda brukens ballastkornfördelningar, för finhetsmodulen, använd inom betongteknologin. ger en alltför snäv fördelning mella n de olika brukens ballastkornfördelningar. Detta nyinförd a "ballastindex" visade sig mycket värdefullt för många egenskapskorrelationer. ballastindex 1 (c b ) a (b a ) där a = kornstorlek vid 10 % siktgenomgån g b = kornstorlek vid 50 % siktgenomgån g c = kornstorlek vid 80 % siktgenomgån g 12

13 Cementmängden i bruk Under den senaste tiden har cementen, som bindemedel i restaureringsbruk allvarligt diskuterats och utan tvivel är mycke t cementhaltiga bruk inte lämpliga; dels ökar cementen salthalten i muren, dels kan ett cementbruk bilda en tät och långsamt torkand e fog eller puts, men framförallt har cement inte använts i byggnader, som murats före 1840 talet, då portlandcementen patenterades. Paradoxalt nog har inte bruk med låga cementhalter prövats, utan i stället, har man under de senaste åren använt utländska hydraulisk a bindemedel, vilka inte heller har någon mera utspridd tradition i de n gamla finska byggnadskulturen. Görs restaureringsarbeten på kritiska murpartier, vilka är speciell t utsatta för fukt, regnvatten och frost, behövs bruk, vilka härda r under förhållanden där ett rent kalkbruk inte med tillräcklig hastighe t kan karbonatisera och där dess frostbeständighet kan var a tvivelaktig. I detta sammanhang har det varit angeläget att påvisa hur små mängder cement eller annat hydrauliskt bindemedel som räcke r till för att ge restaureringsbruket den hållfasthet det behöver, utan att skada underliggande murpartier och utan att ge bruket en överdimensionerad hållfasthet, typisk för dagens fordringar p å betong, puts- och murbruk för nybyggen. En allmän, från 1950-talet kvarbliven åsikt, som baserar sig på e n mätserie bruk med varierande halter cement och kalk, visade att o m cementmängden i KC-bruk var mindre än 30% av bindemedlet, fic k bruket lägre hållfasthet än ett rent kalkbruk. Orsaken till varför undersökningen gett sådana resultat, skall inte hä r gås närmare in på, men dessa försöksresultat och deras tolkning ha r medfört att cementmängden, även i restaureringsbruk under lång a tider hållits mycket ja onödigt hög. För att påvisa denna missvisand e tolkning har bruken för laboratorieundersökningarna låga cementhalter, från 0 till 30 % av bindemedelshalten. Mikroskopering av bruke n Mikroskopering med polarisationsmikroskopet visade sig vara de n absolut mest informativa metoden för att undersöka bruken s porositet, sprickbildning, karbonatiseringsgrad, vidhäftning till 13

14 ballastkorn osv. Impregnerade med ett gult fluorescerande färgpigment, blir porerna och sprickorna mycket väl synliga i planpolariserat ljus. Helhetsbilden man får av brukens mikrostruktu r inklusive porer och sprickor stämmer överraskande väl med båd e kapillärsugningsförloppet och frostbeständigheten. En sammanställning av all information man får via mikroskopanalys ge r en nästan lika täckande helhetsbild om brukens funktionella egenskaper som alla de övriga provningsmetoderna tillsammans. En grundmålsättning för detta arbete var att utreda, ifall ett bruk s egenskaper det får i härdat tillstånd kan styras geno m receptmodifieringar. Forskningsresultaten har i detta avseende vari t positiva. Egenskaper som kapillärsugning, E-modul, frostbeständighet och porositet kan styras enbart med hjälp a v ballastens kornstorleksfördelning, utan att ändra på bindemedelshalten eller bindemedelstypen i bruket. Därtill framgick att brukens kapillärsugning kan ge ett indirekt mått på porstrukturen och vidare, att provbrukens frostbeständigheten oc h dynamiska elasticitetsmodul visade ett tydligt samband med brukens ballastindex. Bruk med mycket filler, hade en högre frostbeständighet och en högre E-modul än motsvarande bruk med grov eller normal sk. standardballast. Frostindexet är definierat so m (antal cykler till 1. vittringen i brukprovet) + (0,1 x antal cykler d å 50 % av provet har vittrat). O 7 Y Y 0 D V n C 0 T o- V C Figur 2. Sambandet mellan kalkbrukens kapillaritetstal och frostinde x 14

15 ballastinde x 10 0 Figur 3. Förhållandet mellan ballast- och frostindex. Försöksdata från provserien med kalkcementbruk visade att tendenserna är desamma som för kalkbruk. Har KC-bruket en grov ballast, blir frostbeständigheten lika svag som för motsvarande ren a kalkbruk. Men med en annan kornstorleksfördelning på ballasten oc h med filler tillsats, fås ett mycket beständigt KC-bruk, även med låga cementhalter. Kalkbruk i restaureringsarbete n När det gäller konkreta restaureringsarbeten bör många problem lösas, för att få bruket att passa in i den ifråga varande muren. I d e flesta fall får man skräddarsy reparationsbruket. En gamma l söndervittrad mursten kan alltid bytas ut mot en annan gammal, liknande, men hel mursten, men ett vittrat bruk, måste alltid ersätta s med ett nytt bruk, gjort av nya komponenter. Man blir tvungen at t göra kompromisser, både ifråga om murkonstruktionens autenticite t och materialval. I praktiken finns ett stort behov av specialbruk fö r olika ändamål och murkonstruktionstyper. Sådana bruk finns int e färdigblandade, utan recepten bör göras för varje enskilt fall. En alldeles nödvändig information om brukens användbarhet oc h långtidsbeständighet får man endast via fältförsök. Flera fältförsök ä r 15

16 gjorda på fästningen Sveaborg på ön utanför Helsingfors. Olika kalkbruk med våtsläckt kalk resp. kalkhydrat, hydraulisk kalk resp. cement är testade i samband med murningsarbeten av försvarsmurar i natursten. Fogbruk, sammansatt av våtsläckt kalk, hydraulisk kalk, tegelfiller och specialproportionerad ballast är använd för att fog a Tenaljen von Fersens tegelfasad. Aven denna byggnad är belägen på Sveaborg. Ett KC-bruk med ballast, proportionerad enligt det gaml a kalkbruket från 1400-talet har använts för naturstens- oc h tegelmurars reparationsarbeten i Tyrväis kyrka, vilken brändes av e n pyroman för ett år sedan. Kalkbruk med kalkhydrat och en ballastkornfördelning, som givit bruket speciellt god bearbetbarhet har använts för att mura upp och reparera försvagade murpartier i det arkeologiska museet Aboa Vetus i Abo. Den gamla värdefull a dopfunten av kalksten i Saltviks kyrka på Aland hade vandaliserats. För att sammanfoga de hundratals små kalkstensbitarna, gjordes et t specialbruk på våtsläckt kalk, kalkstensfiller, pimstens-mjöl, fi n ballast och pigment. Bruket uppfyllde sin funktion bättre än väntat, för den sammanfogade dopfunten kunde transporteras tillbaka till si n plats i kyrkan dagen efter arbetet avslutats, utan att ta den minsta skada. Men låt oss gå tillbaka till den gamla övergivna byggnaden, till den vittrande muren som behöver åtgärdas, för att inte förfalla totalt. Alla laboratorieexperiement och resultat stannar kvar på en akademisk nivå, ifall de inte på ett befrämjande sätt kan utnyttjas fö r byggnadens och murens underhåll. Det är ju i sista hand frågan om den respekt vi ger våra gamla historiska byggnader och den insats v i är färdiga att betala, för att ge dessa byggnader en längre livstid, oc h säkerställa, att det kulturhistoriska värdet hos byggnaden bevaras fö r kommande generationer. 16

17 Mørtelegenskaber og billedbehandlin g Anders Nielse n Institut for Bærende Konstruktioner og Materialer (BKM), DT U Indledning I 1997 havde jeg lejlighed til at stifte bekendtskab med Thorborg vo n Konows (TvK) arbejde med forbedring af kalkmørtlers egenskabe r /1/. Ideen i dette arbejde er at ændre mørtlernes porestruktur til de t bedre ved at arbejde med materialernes kornkurver, sådan som der er beskrevet i TvK's eget indlæg i den her foreliggende DSM - publikation. Ændringerne i porestruktur og de deraf følgende ændringer i egenskaber har vist sig at kunne beskrives med materialemekanisk e regler, som de er udviklet af Lauge Fuglsang Nielsen på BKM. De t er denne kobling, samt anvendelse af digital billedbehandling, som e r emnet for denne artikel. Kornkurver, porestruktur og mørtelkvalite t Kalkmørtler bliver almindeligvis opfattet som værende meget svag e materialer. De har ikke nogen særlig høj status i bærende murværk. Normmæssigt hører de til i laveste klasse. Ved nærmere undersøgelser, f.eks. i mikroskop, viser det sig, at disse mørtler, sådan som de leveres i dag, er meget porøse og har en mege t uregelmæssig porestruktur. Denne uheldige porestruktur skyldes først og fremmest d e kornkurver, som i mange år har været normeret i de nordiske land e (figur 1). Disse kurver har er ret lille mængde materiale under 0,12 5 mm#. Som vejledning anføres i den danske norm (DS 414, 1984), at massen af korn mindre end 0.06 mm (ler og silt) bør være mindr e end 8%, og den overvejende del af kornene bør være større end 0,002 mm. Alle disse anbefalinger medfører, at der melle m sandkornene opstår et forholdsmæssigt stort volumen, som ska l udfyldes af bindemidlet. 17

18 K, 100 rn 80 0,001 0,00 9 0,045 0,125 0,25 0, ,0 4,0 8, 0 Moskevidde,mm # Figur 1. Grænsekurverne for mørtelsand i henhold til DS 41 4 (1984).- Ind i figuren er indtegnet en af de kornkurver, som har givet gode resultater i /1/. Bindemidlet er hydratkalk, som i friskblandet tilstand er en pasta. Pastaen skal afgive noget af sit overskudsvand før afbindingen kan komme i gang. Denne udtørring medfører, at der opstår forholdsvi s grove revner, som det ses på figur 2. TvK har i sit arbejde udviklet kalkmørtlernes egenskaber ved a t forbedre korngraderingen i materialet, således at de mange hulrum bliver fyldt ud med tilslag. TvK har anvendt filler af kalk eller kvarts. Et eksempel på en samlet kornkurve fra /1/ er indtegnet på figur 1.Herved kan porestrukturen blive forbedret betydeligt, som det fremgår af figur 4 og 5. TvK bedømmer porestrukturernes kvalitet i mikroskop på tyndslib imprægneret med gul, fluorescerende epoxy. Bedømmelsen foregår efter en subjektiv skala, "Mikroskopisk Helhetsbild" (H), fra 1 til 5, hvor 1 er den dårligste karakter med store, uregelmæssige, kanted e porer, mens 5 er bedste karakter, hvor materialet har små, regelmæssige, runde porer. 18

19 Figur 2. Tværsnit i mørtelfuge af normalt forekommende dansk kalkmørtel. Øverst ses teglstenen. De sorte arealer er porer. Scanning elektron mikroskopi afplanslib optaget på DTU. Figur 3 side 20. Tværsnit i kalkmørtel af dårlig kvalitet (Type Kg). TvK-Helhetsbild I. Billedets kortside svarer til 4 mm. /1/ Figur 4 side 21. Tværsnit i kalkmørtel med kalkfaller (type Knfca). TvK-Helhetsbild 3. Billedets kortside svarer til 4 mm. /1/ Figur 5 side 22. Tværsnit i kalkmørtel med kvartsfiller. (type Knfkv). TvK-Helhetsbild 4. Billedets kortside svarer til 4 mm. /1/ TvK målte kapillarsugning, frostbestandighed og dynamisk elasticitetsmodul på mørtlerne. På figurerne 6, 7 og 8 ses, hvorlede s der er sammenhæng mellem disse egenskaber og mørtlerne s porestruktur udtrykt ved den subjektive parameter H. 19

20

21

22

23 :g 1 2 C p L7) v Mikroskopisk Helhetsbil d 5 Figur 6. Kapillaritetstal for 16 kalkmørtler, alle med totalporøsitet ca. 30%, afsat som funktion af Mikroskopisk Helhetsbild H. Der ses en stærkt aftagende kapillarsugning med forbedret porestruktur. Resultater fra /1 / sammenstillet af Anders Nielsen u) 0 L LL :... ~ Mikroskopisk Helhetsbil d Figur 7. Frostindeks for de samme 16 kalkmørtler som i figur 6, afsa t som funktion af Mikroskopisk Helhetsbild H. Der ses en stærkt forbedret frostbestandighed med forbedret porestruktur ( og dermed også aftagende kapillarsugning). Resultater fra /1/ sammenstillet af Anders Nielsen. 2 3

24 1 0 8 w Mikroskopisk Helhetsbil d Figur 8. Dynamisk elasticitetsmodul for 14 af kalkmørtlerne fra figur 2, afsat som funktion af Mikroskopisk Helhetsbild H. Det ses, a t stivheden vokser markant med den forbedrede porestruktur. Resultater fra /1 / sammenstillet af AN. I figuren er også indtegne t den teoretiske sammenhæng fra ligning (1) med TvK's H/5 indsat som formfaktor. Materialemodellerin g Ved BKM har Lauge Fuglsang Nielsen ud fra teoretiske overvejelse r udarbejdet formler som angiver sammenhængen mellem et porøs t materiales egenskaber, dets bestanddele og dets porestruktur /2, 6, 7/. Som eksempel anføres her formlen for et porøst materiale s elasticitetsmodul Her er E0 c Eo Esol;e (1 c) 2 1+(1/p; -1)c den søgte elasticitetsmodul (GPa) det faste stofs elasticitetsmodul (GPa ) materialets totalporøsite t en faktor, som beskriver porernes form, og som variere r mellem 0 og 0,67. (1 ) 24

25 Formfaktoren N ;; er udviklet ud fra en antagelse om, at man ka n betragte porerne som "stjerneporer". En stjernepore består af e t cylindrisk hul og nogle udragende spalter. Et tværsnit af e n revnepore er vist på figur 9. Formen på stjerneporen e r karakteriseret ved "stjernefaktoren" a/1. Af definitionen følger, at a/ 1 varierer mellem 0 og 1. Formfaktoren kan bestemmes ud fra formel (2) 4~l ~ ) 3 ~y = 7r ( a \ 1, (2) l Figur 9. Tværsnit i en revnepore /2/. Vi vil prøve at anvende formel (1) på TvK's resultater, f.eks. som d e er vist i figur 8. Det faste stof i mørtlerne består af kvarts og kalk, hvorfor det på basis af tabeller og erfaring vurderes, at man ka n sætte E o,, d = 16 GPa. De mørtler, som betragtes i denne undersøgelse har alle en porøsitet på ca. 30%, dvs c = 0,3. Formfaktoren u, sættes (intuitivt) til værdien for TvK's Helhetsbil d H divideret med 5 for at normere til en variation mellem 0 og 1. Indsættes disse værdier i ligning (1) fås den på figur 8 viste kurve. Det ses, at den udviklede teori tilsyneladende kan anvendes på diss e materialer. 25

26 Billedbehandlingsopgav e Imidlertid er værdien H en subjektiv parameter, som kun ka n fastlægges af den trænede mikroskopbruger. Der er behov for at de r bliver udviklet en metode, som med objektive procedurer ka n fastlægge poreformens indflydelse. Det blev opgaven for et hol d studerende ved BKM's kursus "Materialemekanik og porøse materialer" foråret 1998 /3/. De studerende valgte at udvikle et kvalitetsmål ud fra brøkstregen, "stivhedsfaktoren", i formel (1). Her kan porøsiteten måles ve d billedbehandling, og formfaktoren kan også bestemmes ud fr a binariserede billeder, som det beskrives nedenfor. TvK var så venlig at sende os prøver af fem af sine mørtler fra d e bedste til de dårligste. Disse prøver blev anvendt, således at d e studerende kunne reproducere TvK's forsøg. Der blev målt densitet, porøsitet og kapillarsugning. Desuden blev der fremstillet polered e planslib, som blev undersøgt i scanning-elektronmikroskop (SEM). I SEM blev der anvendt den teknik, som hedder back-scatter. E t eksempel på et sådant SEM-back-scatter-billede ses på figur 2 og figur 10. Ved denne teknik bliver der kastet energi tilbage i afhængighed af det bestrålede materiales densitet. Jo tungere de t bestrålede materialet er, desto lysere vil det fremtræde på skærmen. Porer vil fremtræde mørke eller sorte på skærmen, idet de er fyldt med epoxy, som er let i forhold til det omgivende stenmateriale. For at kunne anvende billedbehandlingsteknik på materialet blive r man nødt til at bestemme, hvor meget af billedet, som kan betragte s som værende porer. Der optegnes et gråtonehistogram for alle pixel s i billedet. Ud fra dette diagram bliver det bestemt, hvilke gråtone r som repræsenterer porerne. Der er en vis subjektivitet inde i denne procedure. Når grænsen er fastlagt bliver porearealet farvet sort o g alt andet hvidt. Dette kaldes binarisering. Billedet fremtræder nu so m vist på figur 11. På figur 12 er vist resultatet af binariseringen af udsnit af de øvrige fire prøver. Til billedbehandlingen er anvendt et amerikansk program /5/. 26