Durability of repair mortars of monumental stones  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
112955
Type PD
Principal investigator Szemerey-Kiss, Balázs
Title in Hungarian Műemléki kőanyagok restauráló habarcsainak időállósága
Title in English Durability of repair mortars of monumental stones
Keywords in Hungarian Műemléki kövek, restauráló habarcs, szilársági vizsgálatok, időállósági vizsgálatok
Keywords in English Monumental stone, restauration mortar, mechanical properties, durability
Discipline
Technical Mechanics (Council of Physical Sciences)100 %
Panel Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent Department of Engineering Geology and Geotechnics (Budapest University of Technology and Economics)
Starting date 2014-09-01
Closing date 2017-02-28
Funding (in million HUF) 13.972
FTE (full time equivalent) 2.50
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A kutatás célkitűzése a restauráló habarcsok tartósságának meghatározása szabványos és eddig még nem alkalmazott, új vizsgálati módszerekkel. A vizsgálati módszerek kiterjednek a műemléki kőanyag és a restauráló habarcsok együttes viselkedésének és tartósságának vizsgálatára. E kutatás része a habarcsok és az összedolgozott habarcs/kőzetek fagy- és sóállóságának meghatározásához használt új módszerek alkalmazhatósági tesztje is.
A vizsgálatok kereskedelmi forgalomban kapható és az egyedileg összeállított restauráló habarcsokból készített több ezer próbatesten történnek. A műemléki kőanyagból készült próbatesteket részben önállóan, részben mint a habarcs hordozóit elemzem. Az anyagtulajdonsági- és tartóssági jellemzők többségét szabvány szerint (MSZ EN) a minták 3, 7, 14, 28, 90, 180 és 360 napos korában határozom meg. Új, nem szabványos vizsgálatok (póruseloszlás, kőzet és habarcs közötti kapcsolat meghatározása, sóelegyekkel szembeni ellenállás) a restauráló habarcsok, valamint a műemléki kövek és restauráló habarcsok együttdolgozásának tartósságát hosszú távon, éves viszonylatban elemzi.
A kutatás újdonsága egyrészt a hazánkban alkalmazott restauráló habarcsok részletes, a tartósságra is kiterjedő, másrészt a restauráló habarcsok és műemléki kövek együttes vizsgálata, harmadrészt új, vizsgálati módszerek kidolgozása a tartósság meghatározására. A kutatás gyakorlati jelentősége az, hogy az elvégzett széleskörű és nagyszámú vizsgálatok eredményei alapján lehetővé válik egy új, a hazai műemléki kőzetekhez és klimatikus viszonyokhoz jobban alkalmazható habarcs kifejlesztése.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

A kutatásnak négy alapkérdése anyagtulajdonsággal, a szabványos és a saját fejlesztésű vizsgálati módszerek alkalmazhatóságával függ össze:
1. A hazai gyakorlatban használt restauráló habarcsok összetételének, fizikai, mechanikai tulajdonságainak meghatározása.
2. Hazánkban alkalmazott restauráló habarcsok tartósságának meghatározása.
3. A szabványos mérési módszerek korlátainak meghatározása restauráló habarcsok esetén, e korlátok kiküszöbölésére új vizsgáló módszerek kidolgozása a tartósság megállapítására.
4. A beépített restauráló habarcsok és a műemléki kőanyag együttes viselkedésének vizsgálata.
A fenti kérdésekre a következő módszerek segítségével kívánok választ kapni:
1. Anyagösszetételi, szöveti, szilárdsági paraméterek meghatározása MSZ EN módszerekkel és műszeres anyagvizsgálatokkal (pl. pásztázó elektronmikroszkóp).
2. Szabványosított és saját fejlesztésű tartóssági vizsgálatokkal az egyes kereskedelmi forgalomban kapható és egyedileg összeállított restauráló habarcsok tulajdonságainak összevetése. A vizsgálati eredmények alapján a habarcsok rangsorolása.
3. Ugyanazon típusú restauráló habarcsokon elvégzett szabványos és saját fejlesztésű vizsgálatok eredményeinek összevetése alapján kiválaszthatók azon vizsgálati módszerek, amelyek a lehető legpontosabban jellemzik a habarcsok és a habarcs- kőanyag együttdolgozásának tartósságát, így alkalmasak annak becslésére.
4. A műemlékek kőanyagával azonos kőfelületre felvitt restauráló habarcs és a kőfelület együttdolgozásának elemzése saját fejlesztésű módszerekkel. Ezek alapján a kőfelület előkészítésének szerepe és habarcs-kőzet határfelület viselkedése is megítélhető.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A kutatás során a hagyományosan alkalmazott habarcsvizsgálati módszerek kritikai feldolgozásával és alkalmazásával lehetőség nyílik egy új, nem szabványosított protokoll létrehozására, amelynek segítségével a műemlékvédelemben alkalmazandó restauráló habarcsok minősíthetők. Ezen új vizsgálatsorok megteremtik egy új, szabványos elemzés alapjait, amelyek jól segítik és egységesítik a műemlékvédelmi hatóság által előírt engedélyeztetési eljárásokat. Ez a hazai gyakorlat mellett nemzetközi gyakorlatba is átültethető, hiszen ott is csak irányelvek léteznek. Az eredmények hazai és nemzetközi konferenciákon való bemutatásával és publikációkban való közzétételével a minősítési eljárások módszertanai és vizsgálati eredmények a kutatókhoz, gyakorlati szakemberekhez, restaurátorokhoz is eljutnak. A laboratóriumi bemutatók segítségével az új kísérleti módszerekkel és ezek alkalmazhatóságával a hallgatókat, kutatókat és gyakorlati szakembereket egyaránt megismertetem. Az általam összeállított és mindenki számára elérhetővé tett módszertani útmutató a műemléki restauráló habarcsok kiválasztásánál az anyagtulajdonságoktól kezdve a vizsgálati módszereken át az alkalmazhatóságig nyújt segítséget.
A kutatásnak gazdasági haszna, hogy a megfelelő restauráló habarcs kiválasztásával a műemlékek felújításakor tartós és a kőzettel együttdolgozó habarcsot tudunk alkalmazni. Ez biztosítja a műemlék hosszabb távú megőrzését, így megnöveli restaurálások közötti időtartamot. A kutatás hozzájárul a kulturális örökségünk részét képező műemlékek megőrzéséhez, így gazdasági haszon mellett jelentős kulturális hozadéka is van.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A műemlékek megőrzése szükségszerűvé teszi a kőzetek felújítása során olyan restaurátor anyagok, ezen belül habarcsok alkalmazását, melyek időállóak, és a természetes kőzetekkel közel azonos fizikai tulajdonsággal és kémiai összetétellel bírnak. Ezeket a tulajdonságokat a hazai műemléki kőzetek és habarcsok esetében együttesen még nem vizsgálták. A kutatás elemzi a laboratóriumi körülmények között gyártott restauráló habarcs-próbatesteket és kőzeteket, melyeket az időjárás és a környezet viszontagságainak, így a fagyhatásnak és sóterhelésnek, kitéve a hatás előtt és után, részben nemzetközi szabványok által leírt, részben nem szabványos módszerekkel vizsgálom. A hatás előtti és utáni mérési adatok összevetésével a habarcsok tartóssága és ellenálló képessége megállapítható. Ezek alapján megítélhető, hogy a műemlékek felújításakor az adott hazai műemlékéhez milyen összetételű habarcsot kell alkalmazni ahhoz, hogy hosszútávon időálló módon viselkedjen. Az elkészült vizsgálati adatokból és az újonnan kifejlesztett vizsgálati módszerekből egy közérthető nyelven megfogalmazott módszertani útmutató készül. Ennek alapján a műemlékek felújításánál dolgozó szakemberek a legalkalmasabb habarcsot tudják kiválasztani. A kutatás hozzájárul a hazai műemlékek megőrzéséhez, de hasznos információkkal szolgál a más országokban található kőből épült műemlékek felújításához is.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

The main aim of the research is to determine the durability of repair mortars by using standardized, non-standardized, novel techniques. The test will deal with repair mortars, stones, combined stone/mortar composites especially focusing on the durability aspects. The newly developed methods will be used to assess the long-term behavior, the frost-, salt-resistance of mortars and stone/mortar interface. It will also serve as applicability tests of these methods.
The tests will be performed on a few thousand of casted test specimens of commercially available repair mortars and on individually prepared mortar specimens. The stone samples involved in the tests represent cut specimens of stone blocks and also serve as the host rock of mortar/stone interface experiments. The material properties and durability will be analyzed mostly by using standardized tests (MSZ EN) of specimens 3, 7, 14, 28, 90, 180 and 360 days after casting. New non-standardized tests such as pore-size distribution, stone/mortar interface tests, durability against salt mixtures, etc. will provide information on the long-term (years-long) durability of co-existing restoration mortar and stone surfaces.
The novelties of the planned research are: i) the data gathering on the durability of repair mortars that are frequently used in Hungary, ii) parallel and coeval study of repair mortars and monumental stones and iii) outlining new test methods to assess the durability of repair mortars.
The significance of the research is that the wide ranges of analyses provide useful information for the development of a new repair mortar that could be used more efficiently for the restoration of monuments.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

The research has four main questions to be answered dealing with material properties, standardized, non-standardized tests and the newly developed test methods and their applications.
1. Determination of the composition, physical and mechanical properties of repair mortars used in Hungary.
2. Durability of repair mortars used in Hungary.
3. Understanding the limitations of the applications of standardized test methods in the assessment of repair mortar durability and introduction of new test methods in durability studies.
4. Behaviour of monumental stone and repair mortar interfaces.

Answers to the above listed questions will be given by:
1. Analyses of the composition, physical and mechanical properties by using MSZ EN standards and non-standardized tests (e.g. SEM analyses)
2. Comparison of the durability of commercially available and laboratory prepared mortars by using standardized and newly developed tests; qualification and listing of repair mortars.
3. Selection of tests methods that describe the best of repair mortar properties and stone properties from standardized and from non-standardized ones.
4. Evaluation of stone surfaces and repair mortar contacts, and outlining of processes acting on stone/mortar interface by using the newly developed methods.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

During the research it is possible to evaluate critically the repair mortar testing method and to outline a new non-standardized protocol. This protocol would help in the evaluation of repair mortars used in monument restoration. This new methodology forms the baseline of a new future guideline that will help in the unification of the restoration protocols that are required by the monument protection authorities. This guideline can be also implemented in the international practice, since no international standards available in this field. The dissemination of the results will be in the form of national and international conference papers, publications in international and national journals. Accordingly, both theoretical and practical results will reach researchers, practitioners and restorers. With laboratory demonstrations the application of this new test methods and the selection of repair mortars will be taught to university students and researchers, too.
The new methodical guideline which will be disseminated and accessible to all will help in the selection of repair mortars by outlining their properties and test methods.
The economic outcome of the research is that by selecting the proper research mortar the longevity of monuments after restoration will be ensure, since repair mortar and stone lifespan will increase. This provides a sound background for the preservation of our monuments because the required periods between restoration actions will be longer. To conclude, the research contributes to the preservation of monuments which form parts of our cultural heritage and thus also brings cultural benefits.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

The preservation of historic stone monuments requires the use of restoration materials, such as repair mortars, that are durable and have similar physical properties and composition to the stones. These properties of repair mortars and stones have not been studied coevally in details in Hungary. The current research evaluates the commercially available repair mortars and stone samples under laboratory conditions. The effect of weather and environmental stresses will be analyzed in the form of freeze-thaw cycles and salt weathering by using standardized and non-standardized tests methods. Comparing the tests results of mortar and stone samples before the tests and after these stresses it is possible to evaluate the durability and longevity of repair mortars. Based on these results it is possible to select the best repair mortars for the restoration of Hungarian monuments to ensure the long-lasting function of the mortar. A methodological guideline will be prepared from the obtained information. This written document will be used by practitioners and scientists working with repair mortars in monument restoration. The research will contribute to the preservation of Hungarian monuments, but can be also used in other countries when stone monuments are under reconstruction.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A kutatás során, összehasonlításra került két, műemlékeken alkalmazott hazai miocén korú mészkő alapvető tulajdonságaival (kőzetfizikai, mechanikai, szöveti, időállósági, stb.) a következő restauráló habarcsok azonos paraméterei: 1. gyári kőkiegészítő habarcsok (gyári ~ a kereskedelmi forgalomban kapható ásványos összetételű), 2. laborban összeállított (módosított) összetételű gyári habarcsok, 3. kizárólag ásványos összetételű (kötő- és töltőanyagú), laborban összeállított, egyedi receptúrájú habarcsok. A vizsgálatokhoz összesen 794 db próbatest készült habarcsból. Az összehasonlító vizsgálatokhoz ~0,68 m3 sóskútról származó kőzettömb került kialakításra különböző méretű vágógépekkel. A vizsgálatok alapját az MSZ EN szabványok adták, mint: - EN 12407:2000 – szövettani elemzés, - EN 1936:2007 – sűrűség és porozitás, - EN 1015-11:2000 – egyirányú nyomószilárdság és hajlítószilárdság, - EN 1542 – tapadószilárdság, EN 12371:2001 – időállósági vizsgálatok: fagyasztás. De egyes esetekben szabványban nem megfogalmazott tesztet is végeztünk (emelt párában, időállósági tulajdonságra irányuló tesztek, stb.) Jelentős eredménynek könyvelhető el, hogy a kutatás alatt sikerült a tesztelt habarcsminták, kőzetek és ezek együttes anyagok próbatestjeinek az időállóságát meghatározni. Jelentős eredményt mutatott a habarcsok készítésének és tárolásának körülményeinek vizsgálata, a környezeti hatások széles körű elemzése is (fagy, hősokk, emelt pára, stb.).
Results in English
The following restoration mortars applicability and durability were compared with the basic properties of the Miocene limestone from Sóskút used in stone monuments (rock physics, mechanical strength, fabric, etc.): 1. commercially available (“ready-to-mix”) restoration mortars, 2. commercially available (“ready-to-mix”) restoration mortars with modified composition (laboratory mixture), 3. mineral-based (binder and filler as well) mortar has been made and tested (laboratory mixture). A total of 794 specimens were made of mortars for the tests, and for the comparative tests around ~ 0.68 m3 of Miocene limestones were prepared with various cutting machines. Three types of commercially available mortars and 2 types of laboratory mixes were tested followed the EN Standards: - EN 12407: 2000 – fabric analysis, - EN 1936: 2007 - density and porosity tests, - EN 1015-11:2000 - uniaxial- and flexible strength tests, - EN 1542/EN 1015-12 - adhesion strength test, - EN 12371: 2001 - freezing-thawing test, - Non standard method (rised humidity). The most important and impressive result is the examination and determination the durability of the 2 limestones and the 3 main types of mortar samples. The study of the conditions for the preparation and storage of mortars, as well as a wide-ranging analysis of the effects of the environment, has shown significant results (on lower or higher temperature and increased humidity).
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=112955
Decision
Yes





 

List of publications

 
Szemerey és Török: Utilisation of repair mortar for the loss compensation of Hungarian porous limestones, Építőanyag, Journal of Silicate Based and Composite Materials, 2014
Szemerey és Török: Comparison of mechanical properties repair mortars and Hungarian porous limestone, EGU General Assembly 2015 kötet, 2015
Szemerey és Török: Water absorption and porosity of repair mortars used in loss compensation in Hungary, EGU General Assembly 2015 kötete, 2015
Borosnyói A, Józsa Zs, Seidl Á, Szemerey KB: Rekonstrukció anyagai, BME, online jegyzet, 2015
Szemerey-Kiss B, Török Á: Failure mechanisms of repair mortar stone interface assessed by pull-off strength tests., Bulletin of Engineering Geology and the Environment (off. Journal of IAEG), 76:159-167, 2016
Szemerey-Kiss B, Török Á: Long-term mechanical changes of repair mortar used in restoration of porous limestone heritage., 13th International Congress on the Deterioration and Conservation of Stone, ed: Huges J, Howind T, 599-607, 2016
Szemerey-Kiss B, Török Á: The effects of the different curing conditions and the role of added aggregate in the strength of repair mortars., Environmental Earth Science, 76:159-167,, 2017





 

Events of the project

 
2015-01-19 11:09:42
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Építőanyagok és Magasépítés Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem), Új kutatóhely: Geotechnika és Mérnökgeológia Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem).




Back »