Zasady doboru zapraw do prac renowacyjnych przy zabytkowych murach ceglanych i kamiennych. Technologia materiałów według wytycznych konserwatorskich i norm budowlanych

Ogromne zmiany, jakie nastą­piły w Polsce w ostatnich la­tach, znalazły swoje odzwier­ciedlenie w pracach renowacyjnych przy obiektach zabytkowych. Dotyczy to przede wszystkim skali finansowa­nia prac, a w ślad za tym bardzo du­żej oferty rynkowej dostępnych ma­teriałów. Dzięki temu przy ustalaniu potrzebnej technologii mamy obecnie znacznie większy wybór, ale i trudniej też właściwie ocenić oferowane ma­teriały. Wyboru nie ułatwia pewien dysonans między normami a wy­tycznymi konserwatorskimi. Z jednej strony prace budowlane wykonywane zgodnie z zaleceniami norm, z drugiej – zabytki podlegają weryfikacji kon­serwatorskiej. Warto poznać, czym się różnią te wytyczne i zasady oraz jakie wymagania należy stawiać pro­ducentom.

Fabryczne produkty muszą mieć dwa dokumenty – odniesienie do normy, wg której wyprodukowano zaprawę, i kartę techniczną produktu. Nakazy formalne niestety bardzo często się zmieniają zależnie od obowiązującego prawa – obecnie jest to deklaracja właściwości użytkowych. Karty tech­niczne to już własny opis produktu przez producenta. To bardzo ważne, ponieważ w rzeczywistości karta nie jest dokumentem prawnym, lecz za­wiera jedynie ogólne informacje produ­centa o jego wyrobie. Ponieważ nie ma formalnych kryteriów opisu kart tech­nicznych, producent nie musi wpisy­wać wszystkich cech materiału. Może to oznaczać, że niektóre cechy pro­duktu ważne dla obiektu będą po pro­stu pominięte, a pozostałe niestety nie muszą być całkowicie prawdziwe. Na przykład zapis w karcie producen­ta, że zaprawa jest przeznaczona do zabytków, skutkuje często wpisy­waniem jej do projektów tylko na tej podstawie. O przydatności nie może decydować informacja producenta, tylko określone i zweryfikowane cechy fizykochemiczne. Producent zgodnie z deklaracją opisuje, według jakiej normy przygotowano produkt. Dodatkowo na opakowaniach widnieje zharmonizowana etykieta opisująca konkretne cechy (fot. 1).

Fot. 1 Przykładowa etykieta zaprawy opisa­na zgodnie z obowiązującymi norma­mi budowlanymi. Wymienione cechy nie odnoszą się w żaden sposób do obiektów zabytkowych (fot. archi­wum Hufgard-Optolith)

Jednak zarówno normy, jak i etykie­ta pokazują tylko klasyfikację zapraw bądź wybrane cechy, np. wytrzyma­łość. Nie wynika z tego, czy podany parametr jest właściwy dla obiektu zabytkowego. Ponadto bardzo wiele cech wymaganych dla zabytku normy budowlane w ogóle nie uwzględniają. Często niektóre cechy opisywane są w normie przez podanie bardzo duże­go przedziału wartości jakiegoś para­metru, z którego dolna granica często powinna wykluczyć produkt z użycia na obiekcie zabytkowym.

– Czym się kierować przy doborze materiałów, skoro normy budowla­ne jako obowiązujący dokument nie opisują tego, co jest rzeczywiście konieczne?

Przede wszystkim zgodnie z podzia­łem kompetencji programy konser­watorskie powinny być pisane przez rzeczoznawców danej dziedziny lub dyplomowanych konserwatorów.

W Polsce są aż trzy uczelnie wyż­sze kształcące konserwatorów dzieł sztuki, i to w kilku specjalizacjach: jedna ze specjalizacji – konserwacja detalu architektonicznego – obejmu­je odpowiedzialność za technologię materiałów przy konserwacji archi­tektury. Jeśli dla obiektu nie ma jed­nak programu konserwatorskiego, to osoba przygotowująca dokumentację może skorzystać z wytycznych znaj­dujących się w literaturze konser­watorskiej, np. szeroką działalność badawczą prowadzi UMK w Toruniu. Zakład Konserwacji Elementów i De­tali Architektonicznych przy Insty­tucie Zabytkoznawstwa i Konserwa­torstwa publikował już wiele wyników badań, które de facto są obowiąz­kowym programem nauczania przy­szłych konserwatorów. Należy je więc traktować jako obowiązujące wytycz­ne dla technologii zapraw renowacyj­nych. Wreszcie najskuteczniejszym i najprostszym sposobem właściwego doboru zaprawy jest zapis w projekcie bądź wymaganie na budowie wykonanych „na zewnątrz” badań zapraw pod kątem ich przydatności do prac przy obiektach zabytkowych. Takie badania prowadzi wspomniany Instytut przy UMK, a także do niedawna Laborato­rium Naukowo-Badawcze PKZ w Toru­niu. Badania są najbardziej wiarygodną formą weryfikacji, ponieważ ośrodki, oceniając materiał, wskazują też, jakie cechy należy zbadać. Tylko taka kom­pleksowa ocena uwiarygodnia produkt, może się bowiem okazać, że np. wyka­zana przez producenta klasa wytrzy­małościowa odpowiada danemu zabyt­kowi, ale już inne cechy zaprawy nie.

Fot. 2 Zniszczenia wywołane przez zbyt szczelne i za mocne zaprawy użyte do porowatej cegły. Duże i głębokie ubytki lica wątku muru, a wokół nienaruszona cementowa spoina

– Jakimi więc cechami powinny się charakteryzować zaprawy do reno­wacji i dlaczego?

Przez wiele lat stosowanie źle dobra­nych zapraw – szczególnie gdy były wykorzystywane jedynie do prowadze­nia napraw, a nie pełnej rekonstrukcji – dość szybko skutkowało licznymi zniszczeniami zabytkowej substancji. Wykwity wapna, soli budowlanych, a później osypywanie się oryginalnych zapraw i cegieł w obszarze dokony­wanych napraw stanowiły poważny problem. Powszechnie się uważa, że głównym powodem kłopotów było sto­sowanie w zaprawach cementu – jed­nak brakowało szczegółowej analizy, dlaczego cement wpływa negatywnie na zabytkowy mur.

Dopiero w latach 1993-1995 zespół z UMK w Toruniu pod przewodnictwem prof. Wiesława Domasłowskiego prze­prowadził badania nad kompleksową konserwacją murów ceglanych. Efek­tem tej pracy była wydana w 1998 r. publikacja, a w 1999 r. ogólnopolska konferencja pt. „Konserwacja murów ceglanych. Badania i praktyka”. Do dzisiaj wyniki opublikowanych wów­czas badań są uznanymi na rynku konserwatorskim wytycznymi dla nie­zbędnych właściwości zapraw. Warto zwrócić na nie uwagę także w kontek­ście istniejących norm budowlanych.

Fot. 3 Wypłukane zaprawy wapienne w wątku ceglanym. Skutek działania warunków zewnętrznych na nieod­porną zaprawę powietrzną

Najważniejsze wymagania określone dla zapraw według badań:

– szybki transport kapilarny i wysoka nasiąkliwość wodą,

– wytrzymałość mechaniczna równo­ważna lub słabsza od uzupełnianego podłoża,

– odporność na działanie zewnętrz­nych czynników niszczących (woda, mróz, spaliny i gazy),

– brak szkodliwych soli rozpuszczal­nych w wodzie,

– stabilizacja spoiwa.

Wymienione wymagania w większo­ści wydają się być oczywiste. Jed­nak uznanie tempa wznoszenia wody w zaprawie za najważniejszy element dla zapraw stało się prawdziwym przełomem technologicznym. Para­metru tego nie ma w normie PN-EN 998-2:2012 Wymagania dotyczące zapraw do murów – Część 2: Zapra­wa murarska. Badania udowodniły, że wprowadzane w mur zbyt szczelne zaprawy powodowały migrację wody wraz np. z solami rozpuszczalnymi w kierunku słabszej zaprawy i cegły, co powodowało ich stopniowe nisz­czenie (fot. 2). Na podstawie badań wytyczono zalecane tempo wzno­szenia wody do ok. 5 cm w czasie 1h. Wskazano też wytrzymałość dla zapraw fugowych w granicach 4-6 MPa, a dla zapraw reprofilacyjnych maksymalnie 9 MPa. W konkretnym obiekcie te parametry mogą być wyż­sze. Opisane wymagania nie odnoszą się ponadto do miejsc narażonych na stały kontakt z wodą, jak np. pozio­me występy muru, tarasy czy miejsca zagłębione w ziemi. Niezwykle ważne jest właściwe odczytanie wymagań jako kompleksowego zestawienia. W praktyce bowiem bardzo wiele za­praw może spełniać je tylko w części. Przy pracach konserwatorskich nie ma zapraw lepszych bądź gorszych zależ­nie od liczby spełnionych wymagań. Są tylko zaprawy, które można stosować lub nie w pracach konserwatorskich. Zaprawa, która będzie miała właściwą wytrzymałość oraz będzie szczelna, i tak nie może zostać użyta. Wspomniane badania dotyczyły nie tylko znalezienia przyczyn zniszczeń. Na podstawie osiągniętych wyników spróbowano też zaproponować skład właściwych zapraw i ocenić istniejące dotychczas powszechnie używane.

– Właściwy materiał wiążący w za­prawach renowacyjnych Podczas prac renowacyjnych od wielu lat, szczególnie przy wielkoformato­wych obiektach (mury obronne, archi­tektura przemysłowa, zamki, kościoły), wykorzystywane są dwa główne spoi­wa: wapno i cement. Z reguły zalecane jest jednak używanie tylko zapraw wa­piennych bez cementu, czy słusznie?

Fot. 4 Zniszczenia wywołane użyciem zapraw cementowych do spoinowania. Widoczne na licu cegły wykwity związków soli oraz początek procesu łuszczenia się lica cegły, przy czym spoina cementowa jest nienaruszona

Zaprawy wapienne

Okazuje się, że zarówno wspomniane badania pod kierunkiem prof. W Domasłowskiego, jak i sama praktyka wskazują na bardzo wiele wad zapra­wy „czysto wapiennej” stosowanej przy pracach w warunkach zewnętrz­nych. Najważniejsze jest więc chyba właściwe oznaczenie spoiwa.

Wapno jest jednym z najstarszych materiałów wiążących stosowanym w budownictwie. Jednak określenie „zaprawa czysto wapienna” rozumia­ne dosłownie oznacza spoiwo mineral­ne wiążące powietrznie pod wpływem dwutlenku węgla. Taki charakter wią­zania wykazują liczne odmiany wapna stosowanego kiedyś oraz dostępnego współcześnie na rynku budowlanym:

– wapno hydratyzowane – najbardziej powszechne w handlu,

– wapno dołowane,

– wapno dolomitowe, kalcytowe, muszlowe czy nawet dyspergowa­ne – historyczne – i nowe odmiany wapna gaszonego.

Wszystkie te rodzaje wapna pod względem chemicznym to wodoro­tlenek wapniowy, który twardnieje na drodze wiązania dwutlenku węgla z powietrza:

Niestety zaprawy oparte na tym ro­dzaju wapna bardzo szybko ulegają zniszczeniu w warunkach zewnętrz­nych. Dzieje się tak dlatego, że zapra­wy powietrzne mają bardzo małą wy­trzymałość mechaniczną (<1 N/mm²), są zupełnie nieodporne na działanie mrozu i soli rozpuszczalnych, są tak­że nieodporne na kwaśne zanieczysz­czenia atmosfery oraz wody (fot. 3). Wszystkie te agresywne czynniki charakterystyczne dla współczesne­go środowiska powodują stopniowe niszczenie zapraw – ich osypywanie się, a nawet całkowity rozpad, co ilu­struje reakcja:

Stwardniała i trudno rozpuszczalna w wodzie zaprawa wapienna (węglan wapnia) w obecności kwasu węglo­wego (woda i dwutlenek węgla z powietrza) tworzy bardzo łatwo roz­puszczalny w wodzie kwaśny węglan wapnia. W efekcie z czasem następu­je jego wymywanie, a w konsekwencji zniszczenie zaprawy.

Tego typu powietrzne zaprawy wa­pienne są również bardzo podatne na wypłukiwanie już w trakcie wiązania, a więc nietrwałe:

Wolne wapno (łatwo rozpuszczalny wodorotlenek wapniowy) jest trans­portowane (wyługowywane) przez mi­grującą wodę na powierzchnię, gdzie reaguje z kwasami z powietrza (np. kwasem siarkawym, tzw. korozja siar­czanowa); w następstwie czego po­wstaje gips. To jednocześnie mecha­nizm dość powszechnego zjawiska, jakim są wykwity wapienne.

Fot. 5 Charakterystyczne wykwity wapna z zaprawy cementowej na murze ceglanym

Zaprawy cementowe

Wykorzystanie cementu miało sku­tecznie poprawić trwałość zapraw re­nowacyjnych. Na wielką skalę w obiek­tach zabytkowych zaczęto stosować bardzo mocne i szczelne zaprawy z cementem portlandzkim.

Badania potwierdziły ten mechanizm. Zwrócono jednak uwagę na ogromny wpływ rodzaju cementu na własno­ści końcowe zaprawy. Okazuje się, że zastosowanie cementów wyższych marek (głównie białego cementu kla­sy 45 lub 52,5) przy większym udziale kruszywa pozwoliło na uzyskiwanie za­praw o bardzo dobrych własnościach kapilarnych, mniejszej wytrzymałości i niskim skurczu. Jak widać, zaprawy cementowe mogą posiadać znacznie lepsze własności od wapiennych.

Fot. 6 Koloseum w Rzymie – jeden z naj­wspanialszych przykładów architek­tury antycznej zbudowany na zapra­wach hydraulicznych zawierających tuf wulkaniczny z okolic Wezuwiusza

Zaprawy z trassem – wszyst­kie drogi prowadzą do Rzymu

Ponieważ zarówno zaprawy wapienne powietrzne, jak i oparte na cemencie portlandzkim się nie sprawdziły, jaki więc faktycznie miały skład zaprawy używane przed wiekami, skoro wiele obiektów przetrwało setki, a nawet tysiące lat?

Słabe własności wapna były znane od początku jego stosowania. To właś­nie w przeszłości na różne sposoby modyfikowano wapno, by uzyskać spoiwo o lepszych własnościach od­pornościowych. Ważnym odkryciem było najpierw dłuższe sezonowanie wapna (tzw. dołowanie). Większą zmianę uzyskiwano jednak przez mieszanie wapna palonego z gipsem lub mączką ceglaną. W średniowieczu dodawano do zapraw wapiennych mleka, sierści, krwi bydlęcej (takie zaprawy odkryto na Wawelu w Ro­tundzie śś. Feliksa i Adaukta oraz Malborku w baszcie Maślankowej), z kolei w XVIII w. używano domieszek ilastych. Dodatki te nadawały czę­ściowo zaprawie wapiennej charak­ter hydrauliczny. Jednak prawdziwie epokowym odkryciem było zastoso­wanie przez starożytnych Rzymian tufu wulkanicznego (zastygła lawa) z okolic Puzzoli koło Wezuwiusza, czyli tzw. pucolany. W ten sposób zmodyfikowana zaprawa wapienna zmieniła całkowicie możliwości prac. Od tej pory Rzymianie mogli rozwinąć na ogromną skalę budowle hydro­techniczne, jak: mosty, drogi, akwe­dukty. Nowa zaprawa była bowiem pierwszą prawdziwie hydrauliczną. Do dzisiaj używa się też wobec niej nazwy potocznej rzymski beton, po­nieważ stała się prekursorem ce­mentu, tak jak nazwał ją Witruwiusz opus cementium.Z użyciem tych zapraw wykonano m.in. Koloseum (fot. 6) czy kopułę Panteonu.

Rzymianie, podbijając Europę, odkry­li złoża tufu wulkanicznego jeszcze w kilku miejscach – m.in. w okolicach Santorynu (ziemia santoryńska) oraz w Nadrenii i Bawarii (trassy). To właś­nie trass reński do dzisiaj jest wyko­rzystywany w budownictwie na skalę przemysłową.

Tab. Formuła chemiczna trassu to 6SiO₂ xAl₂O₃

Co sprawiło, że zaprawy wapienno-trassowe tak bardzo różniły się od klasycznych wapiennych?

Głównym powodem zmiany sposobu wiązania zaprawy był skład pucolany – trassu. Zawiera on prawie 60% ak­tywnej krzemionki, która łatwo reagu­je z wolnym wapnem, tworząc trwały, nierozpuszczalny w wodzie i odporny

na kwaśne środowisko krzemian. Jest to więc zupełnie inna reakcja niż przy wiązaniu zaprawy wapiennej, gdzie po­wstaje podatny na kwaśne środowisko węglan wapnia.

Wiązanie wolnego wapna przez aktyw­ną krzemionkę:

Reakcja wiązania wapna całkowicie zmieniła większość cech fizykoche­micznych dotychczasowych klasycz­nych zapraw wapiennych. Zaprawy z trassem:

– osiągają znacznie wyższą wytrzy­małość mechaniczną od 2,5 MPa do ok. 5 MPa zależnie od proporcji mieszanki;

– wiążą i twardnieją pod wodą – są hy­drauliczne;

– są niezwykle trwałe i odporne na warunki zewnętrzne, w tym kwaśne środowisko;

– wiążą rozpuszczalne wapno, zmniej­szając ryzyko powstawania wykwi­tów;

– mają wysoką porowatość i niski cię­żar właściwy.

Badania na UMK obejmowały również zaprawy zawierające aktywną krze­mionkę, wykazały najlepsze własności właśnie tych zapraw, zarówno w mie­szankach z wapnem, jak i białym ce­mentem.

Fot. 7, 8 Pałac Wielkich Mistrzów na zamku krzyżackim w Malborku (fot. archiwum Hufgard-Optolith) oraz dawna przędzalnia fabryki I.K. Poznańskiego w Łodzi – przykłady współczesnej renowacji z wykorzystaniem kompleksowej technologii zapraw wapienno-trassowych, m.in. zapraw murarskich, fugowych, do reprofilacji cegły oraz iniekcji szczelin i pustek w murze

Nie dziwi więc fakt, że zaprawy z trassem zdominowały technologię materiałów na naszym rynku konser­watorskim od lat 90. Były i są nadal wykorzystywane na najważniejszych obiektach zabytkowych w całym kraju, np. na zamku krzyżackim w Malborku, kompleksie zamkowym na Wawelu, a także na obiektach przemysłowych z końca XIX w., m.in. dawnych fabry­kach Ziemi Obiecanej w Łodzi. Po 20 latach obecności na naszym rynku można obecnie stwierdzić, że spraw­dziły się znakomicie (fot. 7 i 8). Jednak jak każdy materiał, również zaprawy z trassem mają pewne ograniczenia. Trass spowalnia reakcję wiązania, dlatego nie może być dodawany do tynków renowacyjnych spełniających wymagania zawarte w instrukcji WTA, gdzie szybkie tempo wiązania ma priorytetowe znaczenie. Ponadto ze względu na pochodzenie wulkaniczne zaprawy trassowe mają dość ciemną zielonkawoszaro-brązową barwę, co ogranicza jej pełne wykorzystywanie w zaprawach licowych, np. spoiny. Dzisiaj jednak na rynku jest już obecne wapno hydrauliczne z trassem klasy 3,5 o znacznie jaśniejszej barwie przy­pominającej starą biel. Paradoksalnie popularność materiału przyniosła też pewne kłopoty.

Obecnie wszyscy liczący się produ­cenci materiałów budowlanych mają w swojej ofercie zaprawy z trassem, ale nie wszystkie te zaprawy są toż­same, a nawet nie wszystkie nadają się do prac renowacyjnych. Przede wszystkim dlatego, że niektóre za­prawy nadal oparte są na cemencie portlandzkim, którego negatywnych cech, poza stabilizacją wolnego wap­na, dodatek trassu w żaden sposób nie zmienia. Ponadto trass, aby mieć realny wpływ na własności zaprawy, musi być dodawany w odpowiednich proporcjach, uwzględniając jeszcze kruszywo i inne dodatki. Niestety nie wszystkie produkty rynkowe spełniają ten warunek i często trass jest doda­wany w ilościach symbolicznych chyba tylko dla zachowania nazwy.

Dobór właściwej zaprawy, jak się oka­zuje, jest teoretycznie dość skompli­kowany. Wymaga rzetelnego spraw­dzenia wszystkich warunków. Przede wszystkim konieczne jest określenie wymaganych cech, np. na podstawie badań lub opinii rzeczoznawcy, a po­tem ich wyegzekwowanie przez ba­dania zapraw w zewnętrznych ośrod­kach niezwiązanych z producentem. Wydaje się to dużym wyzwaniem, ale zabytki, których temat dotyczy, na­wet jeśli nie są to wyłącznie pomniki historii, z pewnością na to zasługują.

Robert Koprowicz

Literatura

1. Norma PN-EN 459-1 Wapno budowla­ne. Część 1: Definicje, wymagania i kry­teria zgodności.

2. Norma PN-EN 197-1 Cement. Część 1: Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów powszechnego użytku.

3. Norma PN-EN 998-1 Wymagania doty­czące zapraw do murów. Część 1: Za­prawa tynkarska.

4. Norma PN-EN 998-2 Wymagania doty­czące zapraw do murów. Część 2: Za­prawa murarska.

5. Instrukcja WTA 2-9-04, część I, tłum. z j. niem., „Renowacje i Zabytki” nr 3/2008.

6. Instrukcja WTA 2-9-04, część II, tłum. z j. niem., „Renowacje i Zabytki” nr 4/2008.

7. W. Domasłowski, Spoinowanie murów ceglanych, „Renowacje” nr 4/1999.

8. W. Domasłowski, M. Kęsy-Lewandowska, J.W. Łukaszewicz, Badania nad konserwacją murów ceglanych, Wydaw­nictwo Naukowe UMK, Toruń 1998.

9. Profilaktyczna konserwacja kamiennych obiektów zabytkowych, skrypt pod red. W. Domasłowskiego, Wydawnictwo Naukowe UMK, Toruń 1993.

10. Zabytki kamienne i metalowe, ich wła­ściwości, niszczenie i konserwacja profilaktyczna, red. W. Domasłowski, Wydawnictwo Naukowe UMK, Toruń 2011.