Długotrwałe procesy przekształceń właściwości geomechanicznych makroporowatych skał węglanowych w elementach konstrukcji budowlanych

Człowiek od początków swego istnienia wykorzystywał kamień do produkcji narzędzi, ozdób i obiektów kultu, a przede wszystkim jako surowiec budowlany w architekturze i sztuce. W sprzyjających warunkach geologicznych i geomorfologicznych wykorzystywał także naturalne formy skalne jako prymitywne schronienie lub pomieszczenia kultowe. Wraz z rozwojem cywilizacji obiekty użytkowe, dzieła sztuki i całe zespoły architektury kamiennej nabierały form coraz bardziej wyrafinowanych a z biegiem czasu stawały się pomnikami twórczej, monumentalnej działalności człowieka. Bogato, z niezwykłym kunsztem, zdobione świątynie skalne są obecnie przedmiotem nie tylko regionalnego lecz światowego dziedzictwa kulturowego. Konstrukcje kamienne są równocześnie świadectwem rozwoju inżynierskiej działalności człowieka związanej z lokalnymi zasobami surowca budowlanego i skuteczniejszym spożytkowaniem do zamierzonych celów. W kulturze europejskiej związanej z Basenem Morza Śródziemnego, kulturowym materiałem kamiennym stał się trawertyn. Jest to podstawowy budulec obiektów antycznej architektury greckiej i rzymskiej. O powszechności jego użycia decydowała dostępność. Pokrywy trawertynowe tworzące się obficie w warunkach ciepłego klimatu śródziemnomorskiego były bowiem łatwe do eksploatacji z powierzchni, relatywnie łatwe w obróbce, a ich makroporowata struktura zapewniała dobrą izolację wnętrza obiektu od czynników zewnętrznych. Zachowane do czasów obecnych rzymskie akwedukty, amfiteatry i pałace z kamiennymi posągami władców Imperium, zachwycają swą wielkością i kunsztem wykonania. W strefie klimatu umiarkowanego, gdzie trawertyn nie jest tak powszechnym surowcem, do celów dekoracyjnych wykorzystywane są makroporowate skały węglanowe o ozdobnej strukturze -„quasi trawertyny”, niezwykle cenione jako ozdobne elementy okładzinowe zewnętrzne i wewnętrzne. Trawertynowe konstrukcje kamienne są zatem świadkami rozwoju cywilizacji i zasięgu ekspansji greckiej i rzymskiej szczególnie w Basenie Morza Śródziemnego. Jednakże dzięki ich relatywnie dużej odporności na katastroficzne wydarzenia wojenne, pożary czy naturalne wietrzenie, trawertyn w architekturze kamiennej trwa do dziś niezależnie od strefy klimatycznej. Należy jednak pamiętać, że bez odpowiedniej ochrony i konserwacji nawet najbardziej wytrzymały kamień ulega stopniowo postępującym procesom starzenia, które powodują obniżanie walorów dekoracyjnych i wytrzymałościowych kamienia. Tak więc w konserwacji zabytków kamiennych istotną rolę odgrywają badania geologiczne i geomechaniczne. Badania te umożliwiają ustalenie odporności surowca na działanie negatywnych czynników środowiskowych, ustalenie stanu zniszczenia struktury oraz pozwalają na ukierunkowanie metod profilaktyki i konserwacji zgodnie z naturalnymi cechami kamienia. Geomechaniczne metody badawcze wykorzystywane w konserwacji kamiennych obiektów architektonicznych, służą zatem celom diagnostycznym i prognostycznym Długotrwałe starzenie się kamienia wskutek negatywnego wpływu zespołu czynników naturalnych i antropogenicznych otaczającego obiekt środowiska, określane jest mianem „deterioracji”. Celem niniejszej pracy jest ustalenie odporności na deteriorację makroporowatych skał węglanowych zwanych powszechnie trawertynami, stanowiących powszechny i ceniony budulec zabytkowych obiektów inżynierskich tak kultury antycznej i średniowiecznej jak i architektury współczesnej. Odporność trawertynów na działanie różnorodnych czynników środowiskowych i klimatycznych badano przy zastosowaniu metod geologicznych i geomechanicznych. Na podstawie geomechanicznych badań laboratoryjnych starano się ustalić mechanizmy przyczyniające się do niszczenia struktury trawertynów i wyznaczyć optymalne metody oceny bieżącego stanu deterioracji. Pracę oparto na badaniach terenowych i laboratoryjnych. Prace terenowe polegały na obserwacji przejawów negatywnego wpływu czynników chemicznych, biologicznych i antropogenicznych w warunkach naturalnych, na istniejących wybranych obiektach zbudowanych z trawertynów, ustaleniu stanu ich zaawansowania oraz wskazaniu dominujących czynników degradacji w lokalnych warunkach środowiskowych. Dzięki nim wybrano czynniki deterioracyjne do badań laboratoryjnych takie jak: ujemne (zamróz) i dodatnie (nasłonecznienie) zakresy temperatur, krystalizację soli oraz oddziaływanie dwutlenku siarki. Pobrany do badań materiał skalny z Turcji Egejskiej to plejstoceńskie trawertyny z Zagłębia Denizli - Kaklik (Zachodnia Anatolia), współcześnie eksploatowane w kamieniołomie Pamukkale, a w czasach antycznych w odsłonięciu Hierapolis. Materiał z Polski był reprezentowany przez górnojurajskie wapienie skaliste, o technicznej nazwie „polski trawertyn”, pozyskiwany w kamieniołomie Raciszyn. Kompleksowe badania laboratoryjne pozwoliły na wyznaczenie odporności oraz podatności trawertynów na wybrane czynniki klimatyczne i środowiskowe na tle ich specyficznej makroporowatej struktury, stanowiącej jeden z podstawowych czynników decydujących o ich budowlanej i dekoracyjnej przydatności jako elementów konstrukcyjnych kamiennych obiektów budowlanych.

From the beginning of his existence, man has used stone manufacturing tools, ornaments and objects of worship, and, above all, as a construction material in architecture and art. In favorable geological and geomorphological conditions he also utilized natural rock formations as a primitive shelter or a place of worship. With the development of civilization, utilitarian articles, works of art and entire complexes of stone architecture were taking on increasingly sophisticated forms and over time became monuments of a creative, monumental human activity. Rock temples, lavishly decorated with remarkable craftsmanship , are now the subject of not only regional but also global cultural heritage. Stone structures bear witness to the development of human engineering activities related to a utilization of local building material resources and their effective use for an intended purpose. In the European culture associated with the Mediterranean Basin, travertine became a culture stone material. It is the staple of ancient Greek and Roman architecture. Availability decided about the universality of its use. Travertine covers, which form abundantly in the Mediterranean warm climate, were easily exploited from the surface, relatively easy to work with, and their macro porous structure ensured good insulation of the inside of buildings from external factors. Roman aqueducts, theaters and palaces with stone statues of rulers of the empire, all preserved to the present day, delight with their size and craftsmanship. In the temperate climate zone, where travertine is not so common, macro porous carbonate rocks of a decorative structure - a "quasi travertine " - are used for decorative purposes and are highly valued as a decorative exterior and interior facing. Travertine stone structures have thus witnessed the development of civilization and a range of Greek and Roman expansions, especially in the Mediterranean. However, due to their relatively high resistance to catastrophic war events, fires or natural weathering, a travertine use in architecture continues to this day, regardless of a climate zone. It must be remembered, however, that without an adequate protection and maintenance even the most durable stone gradually undergoes aging processes which compromise decorative qualities and durability of the stone. Hence, geological and geomechanical research play an important role in stone conservation. These studies help to determine the resistance of raw material to negative environmental factors, the level of a structural destruction and help to orient methods of prevention and maintenance in accordance with natural characteristics of the stone. Geomechanical research methods used in conservation of stone architecture are therefore of diagnostic and prognostic purposes. Long-term aging of stones as a result of a negative impact of natural and anthropogenic environmental factors is referred to as " deterioration ". The aim of this study is to determine the resistance of macroporous carbonate rocks, commonly called travertine, to deterioration. They are common and valued building material of historic architecture in ancient and medieval culture and contemporary architecture. Travertine’s resistance to various environmental factors and climatic conditions was studied using geological and geomechanical methods. Based on geomechanical laboratory tests we sought to determine mechanisms contributing to the destruction of the structure and optimal evaluation methods of the current state of deterioration. The work is based on field and laboratory studies. Field work consisted of observing signs of the negative impact of chemical, biological and anthropogenic factors in situ in selected buildings made of travertine, determining their severity and establishing dominant degradation factors in local environmental conditions. On the basis of selected factors destructive for laboratory tests such as: negative (freezing) and positive (sunny) temperature ranges, crystallization of salts and sulfur dioxide. Rock material collected for the study comes from Aegean Turkey and is Holocene travertine from Denizli Basin - Kaklik (Turkey), today exploited in the Pamukkale quarry, and in the ancient times in the Hierapolis unveiling. Polish material was represented by Upper Jurassic limestone, technically called "Polish travertine", extracted in the quarry Raciszyn (Poland). Stated goals of this work were achieved on the basis of model studies of deterioration processes in laboratory conditions. The comprehensive laboratory tests allowed to determine the resistance and susceptibility of travertine on selected climatic and environmental factors on the background of their specific macroporous structure, which is one of the key factors for their construction and decorative suitability as structural elements of stone buildings.