Deformacje i uszkodzenia ściennych okładzin zewnętrznych z marmuru i wapienia

Fasady budynków wykonane z płyt marmurowych lub wapiennych stosowane są powszechnie w wielu krajach Europy i świata. Już w latach 50. zanotowano poważne uszkodzenia płyt marmurowych po kilku latach ich eksploatowania. Uwidaczniały się one wyraźnymi deformacjami w postaci ich wyginania się. W efekcie prowadziło to do pęknięć płyt i ich odpadnięcia ze ściany budynku. Jednym z pierwszych zanotowanych i opisanych przypadków uszkodzeń płyt marmurowych był budynek koncernu Amoco w Chicago, a podręcznikowym przykładem budynek Finlandia Hall w Helsinkach. W Polsce problem ten był przez wiele lat niezauważany. Przyczyny, to:

- niewielka ilość budynków

z zewnętrznymi okładzinami marmurowymi,

- rygorystyczne wymagania normowe dla płyt zewnętrznych, stąd ich niewielki zakres stosowania,

- wysokie koszty okładzin oraz kierunki budownictwa w okresie socjalizmu.Pierwsze wzmianki dotyczące tego problemu pojawiły się w naszym kraju pod koniec lat 80. i na początku 90. w kilku ekspertyzach poruszających problem niszczenia fasad marmurowych. Obecnie, ze względu na coraz szersze stosowanie w kraju płyt marmurowych szczególnie z surowców importowanych problem ten staje się poważny i będzie się nasilał. Już teraz kilka budynków w Warszawie i Krakowie wymaga gruntownej modernizacji łącznie z wymianą okładzin. Koszty tego typu prac renowacyjnych są ogromne. W samej Europie Zachodniej określa się je na kilkadziesiąt milionów euro rocznie. Mechanizm powstawania opisanych uszkodzeń płyt marmurowych pomimo pewnych ustaleń badawczych w dalszym ciągu jest niejasny. Najczęściej łączy się go z oddziaływaniem na płyty zmiennych czynników atmosferycznych: temperatury, wilgoci i mrozu. Niewątpliwy wpływ na odkształcenia płyt ma również budowa wewnętrzna skały, przypuszcza się również, że skład chemiczny i mineralogiczny. Duże znaczenie ma również technologia urabiania, wycinania płyt oraz ich sposób montażu.Celem rozpoznania tego zjawiska, udokumentowania skutków jego występowania oraz opracowania środków zapobiegających występowania uszkodzeń płyt marmurowych podjęto w krajach Unii Europejskiej projekt badawczy pt. „Testing and Assessment of Marble and Limestone” (Badania i ocena marmurów i wapieni). Do realizacji tego projektu zaproszono z Polski Instytut Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego z Warszawy. Jednym z zadań strony polskiej jest ustalenie, czy krajowe złoża marmurów również podlegają temu zjawisku. W przypadku stwierdzenia ich odporności na deformację stworzyłoby dla tych złóż krajowych marmurów duże możliwości zbytu w Europie.

Przyczyny uszkodzeń zewnętrznych płyt marmurowych

Skały węglanowe (marmury i wapienie) w wyniku swej genezy charakteryzują się właściwościami specyficznymi w stosunku do innych skał niewęglanowych np. granitów, piaskowców itp. Obok typowych właściwości określających jakość i zastosowanie wszystkich skał, takich jak: gęstość, parametry wytrzymałościowe itp. skały węglanowe w tym marmurowe charakteryzują się również wyraźną zmienną stabilnością pod wpływem temperatury oraz podatnością na zróżnicowane reakcje chemiczne. Rzutują one w sposób zdecydowany na ich przemysłowe zastosowanie np. jako okładzin zewnętrznych. Najważniejsze problemy związane z eksploatacją płyt marmurowych dotyczą:

   starzenie się płyt pod wpływem zanieczyszczeń atmosferycznych: np. roztworów kwasowych

i zasadowych powodujących generalnie ekspansję - problem ten jest najlepiej poznany,

   zmiany objętości, spadek ciężaru, wzrost porowatości i nasiąkliwości oraz zmniejszenie się odporności na mróz związany z oddziaływaniem zmiennej temperatury,

   spadek wytrzymałości oraz modułu elastyczności jako rezultat podanych powyżej czynników,

   uszkodzeń objawiających się wygięciami i pękaniem płyt marmurowych a w konsekwencji ich odpadnięciem od fasad. Ten problem dotyczy niektórych rodzajów marmurów i wapieni i jest najmniej poznany. Opisane powyżej problemy związane z eksploatacją płyt marmurowych wynikają z ich charakterystycznych właściwości materiału. Najważniejsze z nich omówione zostaną poniżej.

Właściwości surowca

Parametry geologiczne naturalnych formacji skalnych marmurów

Marmury powstawały w warunkach wysokiej temperatury i ciśnienia związanego z intensywnymi zjawiskami tektonicznymi i metamorficznymi. Przemiany metamorficzne i ich efekt w postaci charakterystycznej tekstury tych skał, a szczególnie orientacji kryształów kalcytu uważa się obecnie za jedną z podstawowych przyczyn zjawiska wyginania płyt (ang. Bowing).

Skład mineralny

Przeważająca większość skał magmowych to kompozycja różnej zawartości kalcytu i dolomitu. Niektóre marmury zawierają również w swym składzie domieszki minerałów ilastych. Te ostatnie typy marmurów według ogólnie przyjętych poglądów nigdy nie ulegają zmianom. Na podstawie dotychczasowych badań prowadzonych szczególnie w Szwecji stwierdza się, że najbardziej podatne na uszkodzenia są marmury kalcytowe. Domieszka dolomitu powoduje w miarę stabilne zachowanie się skały. Jednakże, stwierdzono również dla niektórych marmurów dolomitowych ich zdecydowaną podatność na odkształcenia. Przypuszcza się, że obok składu mineralnego duże znaczenie w odkształceniach odgrywa tekstura wewnętrzna skały a szczególnie jej uporządkowanie. Regularna, kierunkowa orientacja budowy krystalicznej skały marmurowej zwiększa jej podatność na liniowe odkształcenia. Zjawisko odkształceń skał nie jest tylko związane ze skałami marmurowymi. Dotyczy ono również innych rodzajów skał np. granitów, piaskowców czy wapieni. Nie uwidacznia się ono jednak tak wyraźnie, jak w marmurach. Wydaje się, że główną rolę odgrywa tu brak wyraźnej kierunkowej orientacji ziarn w tych skałach.

Anizotropowa rozszerzalność kryształów kalcytu/dolomitu pod wpływem temperatury                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             Badania  różnych właściwości skał marmurowych w funkcji temperatury wykazały, że zachowują się one zdecydowanie różnie. Wraz ze wzrostem temperatury zwiększa się adsorpcja, zmniejsza się natomiast wytrzymałość skały i jej moduł elastyczności. Stwierdzono również, że w wyniku cyklicznego ogrzewania marmuru zwiększa się jego nasiąkliwość. Przy cyklicznym ogrzewaniu do temperatury 500 C marmur ulega całkowitej dezintegracji a jej szybkość zależy od tekstury ziarn: w przypadku tekstury poligonalnej, dezintegracja następuje zdecydowanie szybciej niż w przypadku tekstury ksenoblastycznej. Występuje również prawidłowość wartości rozszerzalności cieplnej marmurów w zależności od rozmiarów ziarn budujących skałę. Generalnie, przyjmuje się, że najintensywniej rozszerzają się marmury o wymiarach ziarn pow. 0,2 mm. Jednocześnie podkreśla się zróżnicowaną wartość termicznej ekspansji w dwóch kierunkach krystalograficznych.

Porowatość i nasiąkliwość

Zaobserwowano ciekawą zależność dla niektórych marmurów, szczególnie drobnokrystalicznych. Marmury o relatywnie wysokiej wartości porowatości i nasiąkliwości nie ulegają tak często uszkodzeniom w postaci wygięć. Zaobserwowano to szczególnie w przypadku krajowych skał marmurowych, gdzie wygięcia płyt są sporadyczne. Występują natomiast często oznaki uszkodzeń mrozowych w postaci wyraźnych pęknięć płyt.

Parametry środowiskowe - warunki klimatyczne Temperatura

Z licznych obserwacji fasad marmurowych w różnych częściach Europy wynika, że nie stała wysoka temperatura jest czynnikiem sprawczym uszkodzeń płyt, lecz jej cykliczna zmienność. Zdecydowanie negatywnie wpływa wysoka amplituda temperatur w krótkim okresie czasu, np. okresie dobowym (dzień-noc). Takie warunki panują w Europie północnej (kraje skandynawskie, gdzie notuje się dużą ilość przypadków wypaczenia płyt marmurowych). Najwięcej przypadków wypaczeń płyt marmurowych notuje się na fasadach południowych budynków, a więc tam, gdzie różnice dobowe temperatury, także zimą, są najwyższe.

Wilgotność

Klimat wilgotny według większości badaczy jest jednym z koniecznych czynników wystąpienia uszkodzeń płyt marmurowych. Pomimo tych stwierdzeń zjawisko to spotykane jest również w krajach śródziemnomorskich, gdzie ilość opadów deszczu jest relatywnie mniejsza. Wpływ tego czynnika wymaga, więc jeszcze dalszych badań.

Zanieczyszczenia, kwasy, zasady

Roztwory kwasowe i zasadowe wpływają negatywnie na płyty marmurowe. Na przykład SO2 reaguje z kalcytem tworząc formy gipsu. Znane jest również ekspansywne oddziaływanie alkaliów na dolomit i jego rozpad (dedolomityzacja). W wyniku tych reakcji niektóre skały węglanowe zdecydowanie mogą zwiększać swoją objętość. Mogą, więc być one jednym z podstawowych czynników ekspansywnego zachowania się marmurów szczególnie w okręgach o znacznym zanieczyszczeniu atmosfery (centra przemysłowe).

Odporność na mróz

Problem ten poruszono w pkt. 2.1.4. Z obserwacji autora oraz innych badaczy wynika, że skały marmurowe o niskiej odporności na cykliczne zamarzanie i rozmarzania nie wykazują zdecydowanej podatności na rozszerzanie i wypaczanie. Najczęściej po kilkuletniej ich eksploatacji jako fasady następuje ich w większym lub mniejszym stopniu degradacja mrozowa. Objawia się ona stopniowymi pęknięciami, odpryskami a w konsekwencji odpadaniem części płyt od fasady.

Parametry konstrukcyjne. System montażu płyt

System montażu płyt to oddzielny ważny problem, szczególnie w kontekście warunków krajowych i czynnika zapobiegającego wystąpieniu wypaczeń i odkształceń płyt. Generalnie, na podstawie dotychczasowych doświadczeń europejskich można stwierdzić, co następuje:

§          nie określono zalecanego sposobu montażu płyt oraz technologii kotwienia, która przeciwdziałałaby występowaniu ich odkształceń, w tym zakresie prowadzone są intensywne prace badawcze,

§          w warunkach polskich dotychczas stosowany montaż na zaprawę z pozostawieniem odstępów między płytami wpływał pozytywnie i niwelował wypaczenia, obserwuje się jednak wyraźne wewnętrzne naprężenia płyt spowodowane ich rozszerzalnością, co uwidacznia się w konsekwencji spękaniami,

§          nie obserwuje się wyraźnej zależności pomiędzy wymiarami płyt a stopniem ich odkształcenia.

Wiek eksploatacji fasad

Niewątpliwie wiek fasad jest wprost proporcjonalny do wielkości odkształceń płyt marmurowych. Pierwsze oznaki tego zjawiska widoczne są już po kilku latach eksploatacji fasad. W krajowych warunkach odkształcenia płyt marmurowych wykonanych z marmuru Kojełga (Ural, Rosja) na budynku Biblioteki Narodowej w Warszawie stwierdzono po kilku latach jego eksploatacji. Wymiary odkształceń płyt od tego czasu wyraźnie powiększyły się, a ich amplituda przekroczyła 20 mm. Okres możliwości eksploatacji tych płyt do całkowitego ich zniszczenia określa się na kilka lat. Generalnie okres całkowitej eksploatacji płyt marmurowych (do ich odpadnięcia od fasady) podatnych na odkształcenia jest więc trudny do ustalenia. Może się kształtować w przedziale od kilkunastu do nawet kilkudziesięciu lat. Jednak już po kilku lub kilkunastu latach od montażu fasada taka jest zagrożona destrukcją, nie mówiąc o jej zmienionej estetyce i wyglądzie.

Proces wydobycia i obróbki

Istnieje zgodność poglądów, że nowoczesne technologie wydobycia bloków marmurowych z użyciem pił diamentowych mogą powodować dodatkowe naprężenia w materiale skalnym. Szybkie wydobycie bloków oraz produkcja płyt może również mieć wpływ na zachowanie się gotowych wyrobów. Związane to jest być może z powolnym odprężaniem się wydobytego surowca, zmiany parametrów fizycznych (wilgotność, gęstość itp.). Opisane zmiany w przypadku szybkiego montażu płyt ujawniają się w większym lub mniejszym stopniu na gotowych fasadach budynków. Podobnie inne operacje technologiczne jak: cięcie, szlifowanie, wiercenie itp., wpływają niekorzystnie na jakość materiału. Niewykluczone że efektem prac badawczych prowadzonych w ramach projektu międzynarodowego TEAM będzie zalecenie sezonowania surowca marmurowego, szczególnie odmian określonych jako podatnych na odkształcenia.Wpływ operacji związanych z obróbką i wydobyciem na zmianę wartości nasiąkliwości dla dwóch przykładowych skał marmurowych podano w tablicy poniżej.

• « poprz.
• nast. »