Problematyka rehabilitacji obiektów zabytkowych (napraw, wzmocnień, odnowy i rekonstrukcji) nabiera współcześnie pierwszorzędnego znaczenia nie tylko kulturowego, lecz także i technicznego. Na naturalne procesy degradacji wskutek starzenia i szkody budowlane powstałe z różnych przyczyn, nakładają się oddziaływania skażonego środowiska.
Coraz więcej budowli i zespołów zabytkowych wymaga skomplikowanych i kosztownych interwencji technicznych i konserwatorskich. Występujące szkody przejawiają się najczęściej w postaci rys i spękań murów fundamentowych, ścian, stropów, łuków i sklepień. Jako przykłady tak uszkodzonych obiektów można wymienić w samym Lublinie bazylikę dominikańską z XIV w. (ponad 300 rys i spękań), archikatedrę z XVI w., kościół św. Mikołaja, zabytkowe kamieniczki zespołu staromiejskiego i inne. Podobne sytuacje spotykamy w innych miastach województw wschodnich (Zamość, Chełm).
Zagrożone stają się bezcenne wartości narodowe, historyczne, architektoniczne i sakrale, które powinny być ratowane dla przyszłości, przy wykorzystaniu racjonalnych technik.
Metody napraw i wzmocnień spękanych murów
Istotą działań naprawczych obiektów zabytkowych jest stosowanie metod najmniej inwazyjnych. W pracy [1] wyszczególnia się dwie podstawowe metody, a mianowicie:
– zespalania (“spojenia”) materiałami wiążącymi spękanych murów,
– wprowadzanie specjalnych elementów wzmacniających w celu zespalania (“konsolidacji”) fragmentów budowli w nośne układy konstrukcyjne.
W przypadku drugim, poza użyciem specjalnych elementów konstrukcyjnych (ściągi, klamry, pręty, kotwy, wieńce, cięgna), także niezbędne jest stosowanie zespalania materiałami wiążącymi w rysach i pęknięciach nie zamykających się oraz w otoczeniu elementu wzmacniającego i otaczającego go muru.
W obu wymienionych metodach, najpowszechniej występujących w praktyce, zagadnienie techniczne sprowadza się do osiągnięcia wymaganej nośności bez zwiększania pracującego przekroju. Technologiczne zabiegi sprowadzają się do wypełnienia pustek (ubytków, pęknięć, kapilar, porów) w strukturze muru za pomocą odpowiednio skomponowanych materiałów w postaci płynnych mieszanek iniekcyjnych o budowie ciągłej (żywice), dyspersyjnej (zaczyny) lub ziarnistej (zaprawy). Procesy związane z wprowadzeniem materiałów płynnych określać się będzie iniekcją, a plastycznych do wypełniania ubytków powierzchniowych – reprofilacją.
Spojenie starych murów materiałami wiążącymi (iniekcjami, zaprawami) jest często decydujące w robotach konserwatorskich, zwiększa bowiem nośność, uszczelnia rysy i pęknięcia oraz zamyka dostęp szkodliwym czynnikom [1].
Dobór materiałów
Dotychczas stosowane materiały i metody naprawcze mają swoje mankamenty. Niektóre poprzestają na zamaskowaniu spękań bez ich wypełniania, co metody, które co prawda wypełniają pęknięcia, ale materiałem słabym, niezdolnym do przenoszenia naprężeń rozciągających, lub istotnie różniących się od właściwości murów.
Próby iniektowania spękań zaczynami i zaprawami na zwykłym cemencie portlandzkim (lub na spoiwach z cementu portlandzkiego modyfikowanych wapnem) dały niedobre rezultaty. Nieunikniony skurcz tych materiałów znacznie obniża przyczepność do materiału naprawianej konstrukcji, a opóźniona korozja siarczanowa daje wykwity solne, niezbyt dla oka zachęcające.
Żywice polimerowe są zdatne do metod iniekcyjnych, wykazują bardzo dobrą przenikalność i dobre cechy wytrzymałościowe, ale przez konserwatorów stosowane są niechętnie.
Według specjalisty, autora przeglądowego artykułu w czasopiśmie niemieckim [4]: “Iniekcje z tworzyw sztucznych, np. z żywicy epoksydowej, doprowadziły w starych konstrukcjach murowych niejednokrotnie do problemów – w krótkim czasie lub dłuższym. Taki materiał iniekcyjny jest bardzo ciekły, wnika do najcieńszych rys i szpar, łatwo ucieka w murze i występuje w nieoczekiwanych miejscach, wyciekając przez najcieńsze zarysowania. Struktura muru może się zmienić, przepływ pary może być lokalnie utrudniony. Istnieje duże niebezpieczeństwo, że ściany doznają uszkodzeń i zaplamień, zwłaszcza w strefie malatur. Iniekcje z żywic sztucznych są znacznie droższe, niż iniekcje mineralne. W dziedzinie ochrony zabytków doświadczeni fachowcy unikają żywic sztucznych lub ograniczają je do małych lokalne oddzielonych obszarów”.
Dobierany materiał (komponent) do napraw iniekcyjnych i reprofilacyjnych powinien spełniać trzy postulaty:
1) mieć właściwości odpowiadające cechom materiału naprawianej konstrukcji z dokładnością ? 25%,
2) zapewnić po stwardnieniu aktywne włączenie się do współpracy z konstrukcją, która w istocie znajduje się w toku naprawy pod obciążeniem co najmniej ciężarem własnym,
3) osiągać w styku materiału naprawianego z naprawą niezbędna przyczepnością, wymaganą do przenoszenia naprężeń rozciągających.
Prezentowana poniżej metoda rezygnuje całkowicie ze zwykłego cementu portlandzkiego i jako materiał podstawowy stosuje cement ekspansywny, produkowany w Politechnice Lubelskiej. Wymieniona jednostka produkuje cementy ekspansywne o współczynniku swobodnej ekspansji w przedziale od 0,05% do 2%. Każda partia materiałów składowych jest badana pod względem składu chemicznego i mineralogicznego, tak aby móc zaprojektować cement odpowiedni do aktualnych potrzeb. Każda jest testowana w laboratorium budowlanym, pod względem podstawowych cech fizyko-mechanicznych, w szczególności co tyczy się odkształceń ekspansji swobodnej i ograniczonej, samonaprężeń oraz wytrzymałości. Na rys. 1 przedstawiono przykładowe charakterystyki cementów ekspansywnych produkowanych w kraju.
Materiały iniekcyjne wytwarzane na bazie cementu ekspansywnego są odporne na korozję siarczanową. Napływające ze środowiska związki siarki nie spotykają wolnego lub słabo związanego Al2O3, niezbędnego do powstania soli Candlota, ponieważ cały trójtlenek glinu został chemicznie związany w procesie ekspansji, to jest w ciągu pierwszych 7 dni od chwili zarobienia wodą. Na cemencie ekspansywnym można komponować – zależnie od potrzeb – mieszanki bezskurczowe, słabo ekspansywne lub konstrukcyjnie ekspansywnie (samosprężające). Do iniektowania spękań przewiduje się zupełnie bezpieczne mieszanki bezskurczowe, w których ograniczona ekspansja kompensuje skurcz cementu z niewielką nadwyżką, potrzebną do poprawy przyczepności. W późniejszym okresie naprężenia ekspansji ulegają częściowej relaksacji wskutek procesów reologicznych.
Jako materiały iniekcyjne mogą być stosowane zaczyny i zaprawy cementowe oraz cementowo-wapienne z optymalnie dobranymi domieszkami plastifikującymi i przeciwsedymentacyjnymi. Zaczyny i zaprawy mogą być modyfikowane dodatkami mączki silikatowej, mączki ceglanej i wodnej emulsji akrylowej, tak aby uzyskać zbliżoną kompatybilność cech konstrukcyjnych. Wszystkie materiały iniekcyjne poddaje się miksowaniu szybkoobrotowym mikserem przenośnym o obrotach nastawnych do 11 tys. obr./min., w celu poprawy własności reologicznych w procesie transportu iniektu do miejsca jego przeznaczenia w konstrukcji muru.
Badania reologiczne modelowych (standardowych) zaczynów iniekcyjnych zostały przeprowadzone na reoteście, wypływomierzu oraz na stanowisku pomiarów sedymentacji [3].
Na podstawie tych badań wstępnie wytypowano zestawy iniekcyjne do zastosowania w praktyce.
Dobór agregatu do iniekcji murów
Skomponowane materiały iniekcyjne podawane są agregatem ślimakowym o działaniu ciągłym, którego prototyp zaprojektowano i wykonano w Katedrze Konstrukcji Budowlanych Politechniki Lubelskiej [2]. Zastosowano w nim regulowany obieg zwrotny, co zapewnia bezpulsacyjne podawanie ciśnienia, płynną regulacje ciśnienia od zera do nastawnego p i regulowany przepływ mieszanki iniekcyjnej. W przeprowadzonych próbkach laboratoryjnych i na budowie agregat sprawdził się należycie. Na rynku są gotowe agregaty do iniekcji (niemieckie, szwajcarskie), lecz nie nadają się one do wykonywania iniekcji materiałami dyspersyjnymi. W toku przeprowadzonych prób powstawały zatory, korki i blokady ze skupisk cząstek cementu po lokalnej ucieczce fazy ciekłej (w złączach, zwężkach, zaworach itp.).
Stosowanie zapraw z wypełniaczem ziarnistym jako materiałów iniekcyjnych jest trudne technicznie i powoduje szybkie zużycie elementów pompy ślimakowej. Dlatego też do spękań o większej rozwartości przewiduje się stosowanie technologii analogicznej do “Prepakt”, najpierw następuje wypełnienie szczeliny piaskiem o odpowiednim uziarnieniu i powierzchniowe uszczelnienie, a potem iniekcja zaczynem cementowym lub cementowo-wapiennym optymalnie dobieranym na podstawie parametrów reologicznych (rys. 2) i badań wytrzymałościowych.
W celu doboru odpowiedniego stosu kruszywowego wypełniacza szczelin oraz kompozycji iniekcyjnej wykonano stanowisko badawcze złoża. W dotychczasowych próbkach laboratoryjnych ustalono w takich sytuacjach wysokość tłoczenia rzędu 1,5 m przy ciśnieniu nie przekraczającym 0,8 MPa.
Zagadnienia ogólnej technologii napraw
W proponowanej metodzie rehabilitacji murów obiektów zabytkowych nie grozi odwodnienie mieszanki iniekcyjnej przez suche powierzchnie iniektowanej szczeliny, ponieważ przewiduje się technologię nasycania kapilarnego. Po powierzchniowym uszczelnieniu pęknięcia jest ono nasycone wodą z dołu w górę w celu ewakuacji powietrza i usunięcia zanieczyszczeń pylastych, po czym następuje “przedmuchanie” pęknięcia (rysy) sprężonym powietrzem.
Następnie tłoczy się mieszankę iniekcyjną o optymalnym składzie przez najniższe pakery, aż do jej ukazania się przez górne rurki kontrolne. Pomiary objętości wprowadzonego iniektu pozwalają oszacować obliczeniowo stopień wypełnienia szczelin o znanych parametrach geometrycznych. Pobierane i badane są próbki mieszanki iniekcyjnej, wydobywającej się przez górne rurki kontrolne, co umożliwia stwierdzenie, ze materiał “na wyjściu” jest tym samym materiałem, który był tłoczony wcześniej.
W przypadku iniekcji rys i pęknięć w grubych i wysokich ścianach iniektowanie odbywać się będzie przemiennie z dwóch agregatów, co umożliwi płynne wypełnienie szczeliny na całej jej wysokości bez przerw roboczych. W sumie otrzymujemy proces iniekcyjny, w pełni zasługujący na miano procesu kontrolowanego.
Powstaje problem przyczepności iniektu do naprawianej konstrukcji. Dotychczasowe rozpoznanie pozwala oszacować, że dzięki niewielkiej ekspansji i wrastaniu kryształów etryngitu w nierówności podłoża można będzie uzyskać wymaganą przyczepność.
W postulowanej metodzie każdy naprawiany obiekt powinien być badany chemicznie, zwłaszcza na zawartość siarczanów i chlorków, ponadto w razie potrzeby można metodą iniekcji stosować realkalizację mleczkiem wapiennym.
Z cementu ekspansywnego można komponować także zaczyny i zaprawy konstrukcyjne ekspansywne, w których ekspansja swobodna znacznie przewyższa odkształcenia skurczowe. W procesie twardnienia kompozycje takie stają się materiałem samonaprężającym w tym sensie, że są zdolne do wywarcia czynnego nacisku na przyległy fragment konstrukcji. Zaistniała już realna możliwość wykorzystania tych materiałów do aktywnego wzmocnienia obiektów zabytkowych. Przykładowa sytuacja może być przebicie przejścia w istniejącej ścianie ceglanej i podmurowanie przeprutego otworu arkadą o łuku pełnym. Zastosowanie w spoinach zwykłej zaprawy wapiennej lub cementowej i nawet najstaranniejsze podbicie będzie w efekcie wzmocnieniem biernym, gdyż odkształcenia sprężyste łuku oraz odkształcenia skurczowe i reologiczne zaprawy w spoinach sprawią, ze łuk zacznie pracować dopiero po znacznych deformacjach nadległej ściany. Tych deformacji zwykle chcemy uniknąć.
Wzmocnienie aktywne to takie, gdy wprowadzony w miejsce przeznaczenia (naprawy) materiał ekspansywny wywoła pożądaną, lokalną redystrybucję naprężeń. Zalecane jest ono także w sytuacjach odcinkowego podchwytywania fundamentów, podmurowywania sklepień, obmurowywania ścian, filarów itp. Wszędzie tam kompozycje samonaprężające na cemencie ekspansywnym znajdują swoje właściwe zastosowanie.
Uwagi końcowe
Naprawa obiektów zabytkowych jest zadaniem trudnym i odpowiedzialnym. Wdrożenie nowych materiałów i technologii napraw musi opierać się o pogłębione prace badawcze w zakresie rozpoznania materiałowego, technologicznego i sprzętowego, a także na wieloetapowym próbnym zastosowaniu od skali laboratoryjnej do skali naturalnej. Odrzewione obiekty należy poddawać długotrwałej kontroli.
Przedstawiona propozycja stosowania materiałów bezkurczowych i ekspansywnych, a także technologia procesu naprawczego, stwarza realne przesłanki do stosowania tej metody w ochronie obiektów zabytkowych.
Proponowana nowa metoda naprawy spękanych konstrukcji murowych nie ma na celu wyrugowanie dotychczas stosowanych metod naprawczych. Poszerzenia jednak zakres ich stosowania. Zalicza się ona do metod iniekcyjnych, niezbyt inwazyjnych w stosunku do naprawczego obiektu zabytkowego. Po zainiektowaniu pęknięcia winno ono przywrócić konstrukcji zdolność do przenoszenia sił rozciągających i ścinających, szczególnie gdy budowla jest posadowiona na niepewnych gruntach, np. lessowych, występujących na Lubelszczyźnie.
Prof. dr hab. inż. M. Król
Literatura
[1] Borusiewicz W.: Konserwacja zabytków budownictwa murowego. Arkady, Warszawa, 1972.
[2] Król M.: Zdatność prototypowego agregatu iniekcyjnego do napraw konstrukcji budowlanych materiałami ekspansywnymi. Konferencja Naukowo-Techniczna. Inżynieria Procesów Budowlanych, Bydgoszcz – Zacisze, czerwiec 1997.
[3] Król M., Szerafin J.: Kształtowanie własności reologicznych materiałów do bezinwazyjnych napraw aktywnych konstrukcji budowlanych. Cement-Wapno-Beton, nr 5, 1997.
[4] Wenzeel F.: Behutsame Vorgehensweisen bei der Mauerweksinstandsetzung, “Erhalten historisch bedeutsamer Bauwerke”, Jahrbuch 1994, Universitat Karlsruhe.
