Styrkeforholdet for rene kalkmørtler hvad kan tyndslibet sige? Fremlagt på Nordisk Forum for Bygningskalks medlemsmøde i Raadvad d. 15. februar 2012 Torben Seir SEIR-materialeanalyse A/S H.P. Christensensvej 1 3000 Helsingør 1 INDLEDNING Kalken, som den i sin hærdnede tilstand forekommer i kalkmørtel, kan karakteriseres som en efterligning af den i naturen forekommende kalksten. Ved opvarmning ændres naturens kalksten til brændt kalk, som gøres formbar ved læskning med vand, anvendes i kalkmørtel, for til sidst ved luftens indvirkning igen at omdannes til det samme kemiske materiale som i den oprindelige kalksten: Figur 1. Kalkcirklen anskueliggør den serie af kemiske omdannelser som muliggør fremstillingen af kunstig kalksten. Kalkcirklen viser, at slutmaterialet efter de kemiske omdannelser er det samme som udgangsmaterialet nemlig kalksten. Både den kemiske sammensætning (CaCO 3 ) og det dannede kalkmineral (Calcit) er det samme, men hvad med styrken? 2 KALKMØRTELS PORØSITET OG STYRKE Indledningsvis kan vi se på nogle eksempler på kalkholdige materialer: Densitet Trykstyrke Calcit (CaCO 3 ) 2.710 kg/m 3 >200 MPa Ølandskalksten 2.650 kg/m 3 150 MPa Limsten, Stevns 1.710 kg/m 3 7,5 MPa Læsket kalk, hærdnet 1.700 kg/m 3 5 MPa Kalkmørtel, hærdnet 2.050 kg/m 3 1 MPa (1 MPa 10 kg/cm 2 ) Det rene kalkmineral Calcit har en porøsitet omkring 0% og følgelig den højeste vægtfylde (densitet). Data for trykstyrken har ikke kunnet fremskaffes, men trykstyrken vil helt klart være den højeste. For Ølandskalkstenen med en porøsitet omkring 2% er både densiteten og den anførte trykstyrke på 150 MPa tilsvarene lavere. For den nederst rangerede kalkmørtel med en porøsitet omkring 20% er trykstyrken nede på omkring 1 MPa. Den noget højere densitet for kalkmørtelen i forhold til limstenen og den læskede kalk uden tilslag skyldes, at iblanding af tilslag øger vægten. Den væsentligste årsag til kalkmaterialernes forskellige trykstyrker er forskelle i materialernes porøsitet. Kalkmørtelens lave styrke kan ved sammenligning med cementholdige mørtler betragtes som en positiv egenskab, men den lave styrke giver tillige en ringere holdbarhed over for bl.a. vejrligets påvirkninger. Den lave styrke kan imødegås ved anvendelse af hydraulisk kalkmørtel med højere styrke, men hvorfor ikke forsøge at forbedre kalkmørtelens styrke ved at forbedre kalkmørtelens porøsitet? Side 1
For kalkmørtelen består den samlede porøsitet af alle de luftfylde porer og hulrum i materialet. De fineste porer kan beskrives som kapillarporer med tværmål mindre end 0,005 mm. De groveste porer kan beskrives som makroporer, som optræder i form af luftporer, og svindrevner. Luftporerne repræsenterer den i mørtelen indkapslede luft; svindrevnerne repræsenterer tidlige revner dannet ved afsugningen, udtørringen og carbonatiseringen af mørtelen. Porøsitetens størrelse vil selvsagt være afhængig af mørtelens bearbejdning og komprimering, men både blandingsforhold og vandindhold har også stor betydning. 3 TYNDSLIBSANALYSE AF KALKMØRTEL Kalkmørtelens makroporøsitet kan undersøges nærmere ved tyndslibsanalyse. Hertil anvendes et såkaldt tyndslib, som repræsenterer en tynd skive af mørtelen, som er indstøbt i epoxy, limet på en glasplade og slebet ned til en tykkelse på ca. 0,03 mm. Tyndslibets dimensionerne er 35 x 45 mm (figur 2). Figur 3. Middelalderlig kalkmørtel (puds) fra Jylland med et kalk:sand-forhold omkring 1:1. Sandkorn (S) forekommer kun spredt. Et af kornene (Ca) består dog af underbrændt kalksten. Svindrevner (R) forekommer ligeledes kun spredt. Der ses ingen luftporer i det viste udsnit. Udover et højt kalkindhold er middelaldermørtelen karakteriseret ved at have et lavt indhold af makroporøsiteter i form af luftporer og svindrevner. 3.2 Efterligning af middelaldermørtel Tyndslibsanalysen viser overordnet set, at det er muligt at genskabe udseendet af en middelaldermørtel ved at øge kalkindholdet. Figur 2. Tyndslib med en prøve af kalkmørtel (puds). Prøven er ved fremstillingen af tyndslibet indstøbt i gul epoxy og efterfølgende slebet ned til en tykkelse af ca. 0,03 mm. Tyndslibet danner udgangspunkt for tyndslibsanalysen, som udføres ved at undersøge den i tyndslibet næsten gennemsigtige mørtelskive i et såkaldt polarisationsmikroskop. Undersøgelsen udføres typisk ved forstørrelse på 50-100x, men forstørrelser op til 1000x er muligt. 3.1 Middelaldermørtels porøsitet Op til omkring starten af 1700-tallet er kalkmørtlerne generelt karakteriseret ved at have et højt indhold af bindemiddel (kalk). Kalk:sand-forhold på 10:1 eller højere er ikke ualmindeligt (figur 3). Nutidig kalkmørtel har typisk et kalk:sand-forhold omkring 1:3. Tilslagskorn (sand) optræder som spredte, enligt liggende korn og mængden af korn ses undertiden at være så lav, at det ikke kan udelukkes, at sandkornenes tilstedeværelse alene skylden en forurening opstået ved læskningen og håndteringen af kalken. Figur 4. Sammenligning af en original middelaldermørtel (Prøve 1) og en efterligning af middelaldermørtelen (Prøve 2). Der er til begge mørtler anvendt et kalk:sand-forhold omkring 1:1,5. Den nye mørtel (Prøve 2) er en såkaldt Læskemørtel, hvor den brændte kalk er varmlæsket sammen med sandet. Prøven er fremstillet af murermester Ole Fr. Jensen, som en efterligning af den gamle middelaldermørtel repræsenteret ved prøve 1. I detaljen viser tyndslibsanalysen dog, at den moderne, fabriksfremstillede kalk adskiller sig væsentligt fra middelalderkalken, som blev fremstillet af den umiddelbart tilgængelige kalksten, i små ovne med dårlige varmestyring. Middelalderkalken indeholder som oftest meget underbrændt kalksten; dvs. mange rester af kalksten, som ikke har opnået tilstrækkelig høj temperatur ved brændingen for fuld omdannelse til brændt kalk (CaO). Sammen med udispergerede kalkklumper kan den underbrændte kalksten udgøre op til 20 30 vol% af bindemidlet (figur 5 og 6). Side 2
Figur 5. Sammenligning af original middelaldermørtel (Prøve 1) og ny læskemørtel (Prøve 2) ved øget forstørrelse i forhold til billedet i figur 4. Bindemidlet (kalken) i den moderne mørtel fremstår væsentligt mere ensartet og raffineret end i middelaldermørtelen. Mængden af svindevner (R) er ligeledes højere. Luftporer (L) forekommer kun spredt. Det lave indhold af sandkorn i middelaldermørtelen kompenseres til en vis grad af de mange kalkklumper og korn af underbrændt kalksten, som rent mørtelteknisk fungerer som tilslag i mørtelen. Middelaldermørtelen har typisk en lav porøsitet, som jævnfør overvejelserne i indledningen vil give en høj styrke. Brænding af nøje udvalgte kalktyper med optimale egenskaber i moderne roterovne giver et meget ensartet og raffineret produkt, som kun undtagelsesvis indeholder rester af underbrændt kalksten. Den efterfølgende læskning sker normalt enten tørt ved tilsætning af en vandmængde, som kun er lidt større end den, der skal til for kemisk omdannelse af den brændte kalk til hydratkalk, eller vådt ved tilsætning af vandoverskud som for kulekalk. Begge læskningsmetoder vådt eller tørt giver et lavt indhold af udispergerede kalkklumper. Figur 6. Billedet viser et udsnit af den samme middelaldermørtel som i figur 4 og 5, men der er her anvendt en øget forstørrelse og en anden mikroskopteknik (krydsede polarisationsfiltre). Kalkklumper (K) og underbrændt kalksten (Ca) udgør 23 vol% af bindemidlet. Figur 7. Middelalderlig kalkmørtel (puds) fra Jylland. På baggrund af den underbrændte kalksten (Ca) er det ofte muligt, at afgøre hvilken type kalksten der er anvendt; i det viste tilfælde har denne været af typen Blegekridt. Luftporer (L) er typisk få i antal og næsten kugleformede. Indholdet af sand (S) er lavt. Der ses desuden enkelte kalkklumper (K) Figur 8. Moderne kalkmørtel (læskemørtel) set i tyndslibet. Kalkklumper og underbrændt kalksten udgør mindre end 1 vol% af bindemidlet. Svindrevner (R), som er opstået ved afsugningen og den efterfølgende udtørring af bindemidlet, er væsentligt grovere og talrigere end i middelaldermørtelen. Indholdet af luftporer (L), der repræsenterer luft som er indkapslet ved tilberedningen og påføringen af mørtelen, er dog ligeså lavt som for middelaldermørtelen. Middelaldermørtelens indhold af kalkklumper og underbrændt kalksten vil kunne efterlignes ved tilsætning af fint formalet kalksten eller marmor i form af kalkfiller. Der opnås herved en forbedret kornkurve i de finere fraktioner og kalken får et uraffineret, middelalderligt udseende. Men vær varsom med kalkfilleren; kalkfilleren bevirker også, at mørtelen skal tilsættes mere vand for at opnå en brugbar konsistens. Dette gælder i særlig grad, hvis kalkfilleren er fremstillet ved formaling af dansk, kridtlignende kalksten, som let smuldrer til et meget fint pulver. Kalkfillerens kornkurve er med andre ord væsentlig; den skal ikke have alt for meget materiale i den helt fine ende med kornstørrelse mindre end 0,005 mm. Side 3
Efter de flestes mening giver varmlæskningen en mere sej og sammenhængende mørtel, som ved hærdning opnår en højere styrke. Ved sammenligning med kulekalksmørtelen i tyndslibet ses det, at noget af forklaringen er læskemørtelens lavere indhold af svindrevner. Figur 9. Moderne kalkmørtel (læskemørtel) med kalk:sandforhold omkring 1:2. Indholdet af bindemiddel (kalk) er tilstrækkeligt højt til at udfylde hulrummene mellem sandkornene, men makroporøsiteter forekommer i stort antal i form af svindrevner (R). Figur 11. Sammenligning af ny læskemørtel (Prøve 3) og ny kulekalksmørtel (Prøve 4), begge med kalk:sand-forhold omkring 1:1,5. Svindrevner er grovere og optræder i større mængde i kulekalksmørtelen end i læskemørtelen. De mange svindrevner giver mørtelen en lavere styrke. Figur 10. Billedet viser samme udsnit af mørtelen som foregående figur 9, men en anden mikroskopteknik (krydsede nicoller) er anvendt. Kalkfilleren ses tydeligt som små lysende korn. 3.3 Kulekalksmørtel kontra læskemørtel Et ofte tilbagevendende spørgsmål er i hvor stor udstrækning man tidligere har vådlæsket den brændte kalk i huller i jorden som kulekalk eller sammen med tilslaget (sandet) i en bunke på jorden umiddelbart forud for anvendelse, som for læskemørtel (også kaldet varmlæsket eller stuka-læsket mørtel). Den udbredte forekomst af kalkklumper og rester af underbrændt kalksten i middelaldermørtlerne indikerer, at den almindeligste metode har været varmlæskning sammen med tilslaget. Såvel kalkklumper som underbrændt kalksten ville, på grund af deres højere densitet, være sunket til bunds i kalkkulerne efterladende en renere kalk med væsentligt lavere indhold af korn og klumper end hvad tyndslibsanalysen af middelaldermørtlerne viser. Varmlæskning sammen med tilslaget synes op til omkring starten af 1700-tallet at have været den dominerende metode ved tilberedning af kalkmørtler. Figur 12. Det er muligt ved varmlæskning at fremstille kalkmørtler med selv høje bindemiddel-indhold. Billedet viser et tyndslibsfoto af stuka-släckt (stuka-læsket) mørtel, som er fremstillet af Ewa Malinowski i forbindelse med restaureringen af Läckö Slott i Sverige. Mørtelen har et kalk:sand-forhold på omkring 3:1. 3.4 Kalkmørtler i nyere tid Tyndslibsanalyserne viser, at fra en gang i 1700- tallet fremstilles kalkmørtlerne af en renere og mere ensartet kalk, som i modsætning til middelaldermørtelen har et lavt indhold kalkklumper og underbrændt kalksten. Samtidigt hermed sker der tilsyneladende en øgning af sandindholdet til op mod nutinutidige kalk:sand-forhold på 1:3. Side 4
Figur 12. Kalkmørtel fra 1800-tallet, København. Der er anvendt et fint, enskornet søsand, formentligt strandsand. Kalk:- sand-forholdet er bestemt til omkring 1:2,5. Indholdet af bindemiddel (B) er lidt for lavt til at udfylde hulrummene mellem sandkornene (S), hvilket resulterer i dannelsen af mange indkapslede luftporer (L). Derudover forekommer der mange makroporøsiteter i form af svindrevner (R) på grund af bindemidlets interne svind. Det lave indhold af kalkklumper og underbrændt kalksten i 1700-tals mørtlerne kan skyldes, at man er gået over til blanding af vådlæsket kulekalk og sand. Samtidigt hermed kan sandmængden være øget for at imødegå kulekalkens øgede svind. Moderne tørlæsket hydratkalk eller vådlæsket kulekalk kan betragtes som et relativt højteknologisk, raffineret produkt, som ud fra tyndslibsanalysen at dømme tilsyneladende svinder mere end den grove, uraffinerede middelalderkalk. Andre faktorer kan spille ind, men kalkens struktur synes at være en væsentlig parameter. Tilslagets kornkurve har betydning i de tilfælde hvor sandkornene berører hinanden, eller med et andet ord, at mørtelen er korn-understøttet. Dette vil typisk være tilfældet ved kalk:sand-forhold magere end 1:3. For middelaldermørtel med kalk:sand-forhold federe end 1:2 er tilslagets kornkurve reelt uden betydning, da tilslaget overvejende optræder som spredte, matrix-understøttede korn i bindemidlet. Der vil i disse tilfælde ikke kunne opnås en forbedret pakning af tilslaget ved optimering af kornkurven. I modsætning hertil synes selve bindemidlets struktur (kalkens mikro-kornkurve ) at være altafgørende ved genskabelsen af en moderne middelaldermørtel. Med udgangspunkt i nutidens materialer må denne struktur kunne forbedres ved: At anvende læskemørtel, og helst læskemørtel fremstillet på basis af brændt stykkalk i stedet for brændt pulverkalk At tilsætte materiale til den fine ende af kornkurven (kalkfiller) At reducere vandtilsætningen. Det vurderes, at den forbedrede struktur vil muliggøre fremstillingen af en bindemiddelrig kalkmørtel med lav porøsitet og forøget styrke. Figur 13. Kalkmørtel fra ca. 1920, København. Der er anvendt et fint, enskornet søsand, formentligt strandsand. Kalk:sandforholdet er bestemt til omkring 1:4. Indholdet af bindemiddel (B) er meget for lavt til at udfylde hulrummene mellem sandkornene (S), hvilket resulterer i dannelsen af mange indkapslede luftporer (L). På grund af det lave kalkindhold, understøtter sandkornene (S) hinanden, hvilket er medvirkende til et lavt indhold af svindrevner. Mørtelens styrke er meget lav. 4 KALKMØRTEL HVILKEN VEJ? Tyndslibsanalyserne viser, at det med højt bindemiddelindhold tidligere har været muligt at opnå mørtler med lavt indhold af makroporøsiteter i form af svindrevner og indkapslede luftporer, og at det lave indhold af makroporøsiteter tilsyneladende er knyttet til de tidlige kalktypers grove, uraffinerede struktur. Side 5