Aging Tests to Assess the Durability of Building Materials to Salt Crystallization - Towards a More Realistic and Effective Use of Sodium Sulfate

Abstract

Škodlivý účinek solí v porézních stavebních materiálech patří mezi významné a široce rozšířené efekty, které ovlivňují strukturální a estetické aspekty historických staveb. Pro opravy stávajících poruch a zmírnění dalších poškození je zapotřebí stanovit spolehlivý zkušební postup k určení odolnosti stavebních materiálů proti krystalizaci solí. Cílem této práce je zdokonalit testovací postup nejnovější Evropské normy (EN 12370) prohodnocení odolnosti přírodního kamene ve vztahu ke krystalizací solí a upravit ho pro realističtější a spolehlivěji reprodukovatelný způsob stárnutí v terénu. To bylo provedeno zkoumáním různých environmentálních a procedurálních faktorů, které ovlivňují účinnost a reálný charakter krystalizace. V úvahu byly vzaty stávající znalosti a výzkum v této oblasti s cílem navrhnout nejvhodnější techniku k určení hlavních problémů a vypracovat strategie k jejich překonání. Norma EN 12370 byla použita jako základní test stárnutí materiálu, dále byly navrženy čtyři další varianty postupu s ohledem na různý vliv zkušebních podmínek (koncentrace solného roztoku, teplota, způsob kontaminace). Zkoušky byly provedeny na třech typech přírodního kamene z České republiky, které jsou běžně a široce používány při restaurátorských zásazích. Cílem bylo ověřit vliv různých proměnných faktorů stárnutí na zvětrávání materiálů s rozdílnými vlastnostmi, zejména pokud jde o porézní strukturu a mechanickou pevnost. Proces stárnutí byl kontrolován pomocí nedestruktivních technik: vizuálním pozorováním a fotografickou dokumentací, zaznamenáním absorpce solí, změny i ztráty hmotnosti a pomocí měření ultrazvukové pulzní rychlosti. Po dokončení testů stárnutí byly vzorky otestovány pomocí destruktivních metod: stanovení distribuce solí a mikrostrukturní analýzy za použití skenovací elektronové mikroskopie. Výsledky různých metod prokázaly největší rozdíly při poškození způsobeném změnami koncentrace solného roztoku. Metoda kontaminace a četnost měly také významný efekt, avšak ty byly i přímo závislé na povaze porézní sítě. Různá teplota sušení měla na stárnutí nejmenší stanovitelný dopad. Závěrem je diskutováno detailní srovnání rozdílných testovacích podmínek a jejich vliv na stárnutí kamene a doporučen postup pro dosažení realistických podmínek pro další zrychlené stárnutí pomocí solí.

The damaging effect of salts in porous building materials is significant and widely spread, impacting structural and aesthetic aspects of historic constructions. To repair existing damage and mitigate future decay, a reliable testing procedure to quantify the durability of porous building materials to salt crystallization is needed. The objective of this thesis was to improve the ageing procedure of the most recent European standard (EN 12370) for assessing the durability of natural stone in respect to salt crystallization towards a more realistic and reliable way of reproducing the ageing conditions occurring in the field. This was done through the investigation of various environmental and procedural factors that impact the efficacy and realistic nature of salt crystallization. Existing knowledge and research in the field was studied to develop a state-of-the-art for identifying the main issues and develop strategies to overcome them. The EN 12370 standard was used as the baseline aging test. Four variations of the procedure were designed considering the effect of different testing conditions (salt solution concentration, temperature, contamination procedure). Experiments were carried out on three types of natural stone local to the Czech Republic and widely used in restoration interventions. The aim was to investigate the effect of the different ageing variables on the weathering of materials with different properties, namely regarding the porous structure and the mechanical strength. The ageing process was monitored using non-destructive techniques: visual observations and photographic documentation, salt solution uptake, mass variation and mass loss, and ultrasound pulse velocity. After the completion of the ageing tests, the specimens were also examined using destructive tests: salt distribution and microstructural analysis using scanning electron microscopy. Results of the different procedures showed the most difference in damage due to changes in the concentration of the salt solution. The contamination method and frequency also had significant, effect however it was also directly dependent on the nature of the porous network as well. Changes in drying temperature of the specimens had the least quantifiable impact on aging. A detailed comparison of the effect the different testing conditions had on the decay of the stones is discussed and recommendation on the most effective and realistic conditions for future accelerated salt aging tests are given.