DOI: https://doi.org/10.1007/s12210-024-01298-x
تاريخ النشر: 2025-01-22
المؤلف: Chiara Coletti وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد البناء والحفاظ
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في متانة وخصائص الحجر الفيزيائية والميكانيكية لاثني عشر نوعًا مختلفًا من الحجر المستخدم في المعالم التاريخية عبر أوروبا، وخاصة في إيطاليا وإسبانيا واليونان والنرويج. تشمل الأحجار التي تم تحليلها أنواعًا مختلفة من الحجر الجيري، والرخام، ورملية غنية بالكربونات، وصخور بركانية، وصخور نارية متداخلة. من خلال فحص شامل للتكوين المعدني، والتمعدن، وتفاعلات الماء، واختبارات الشيخوخة المتسارعة، تؤسس الدراسة إطارًا لتقييم قابلية هذه المواد للآليات التآكل. تكشف النتائج عن تباين كبير في المتانة، يتأثر بشكل رئيسي بوفرة وتوزيع المسام، حيث تظهر الأحجار ذات المسامية العالية زيادة في القابلية للتأثر بالضغوط البيئية مثل تبلور الملح ودورات التجمد والذوبان.
تؤكد الدراسة على الدور الحاسم لبنية المسام والمسامية في تحديد متانة الحجر، خاصة في الظروف المناخية المتنوعة التي تمثلها المواقع التجريبية: البندقية، رودس، غرناطة، وتونسبرغ. يواجه كل موقع تحديات بيئية فريدة، بما في ذلك ارتفاع مستويات البحر، والهباء الجوي البحري المحمل بالملح، ودورات التجمد والذوبان، وتأثير الصقيع المطول، مما يزيد من عمليات التآكل في الأحجار المسامية. تؤكد الأبحاث على أهمية فهم الخصائص الميكانيكية والهيدروحرارية لمواد الحجر لإبلاغ استراتيجيات الحفظ المستقبلية. من خلال توفير بيانات أساسية حول سلوك الحجر في ظل الظروف المتوترة، تضع هذه الدراسة الأساس لتطوير حلول حفظ مستهدفة مصممة لتناسب السياقات البيئية المحددة، مما يساهم في حماية التراث الثقافي لأوروبا.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية التحديات الكبيرة التي تطرحها تدهور التراث المعماري التاريخي المبني من الحجر، مؤكدة على الحاجة إلى نهج شامل للحفظ يشمل خصائص المواد، والتدابير الوقائية، واستراتيجيات الترميم، وطرق التكيف. تركز الدراسة على فهم عمليات التآكل وتوقع المخاطر المستقبلية المرتبطة بمختلف مواد الحجر المستخدمة في المباني التاريخية الأوروبية، خاصة في سياق تغير المناخ. تسلط الضوء على ضرورة تطوير نماذج تنبؤية لتآكل الحجر، كما يتضح من الدراسات الحديثة (بونازا وآخرون 2009أ، ب؛ سالفيني وآخرون 2022؛ هيرنانديز-مونتيس وآخرون 2022؛ جيرميناريو وآخرون 2023؛ كولتي 2024؛ زاكارييلو وآخرون 2024).
تحلل الأبحاث مجموعة من مواد الحجر، بما في ذلك الصخور النارية، والرواسب، والصخور المتحولة من إيطاليا، واليونان، وإسبانيا، والنرويج، وكرواتيا، التي تم اختيارها لأهميتها التاريخية وقيمتها التجارية. تفحص الدراسة الخصائص الفيزيائية والكيميائية والمعدنية لهذه الأحجار وترابطها مع أنماط التآكل الملحوظة، مع التركيز على أربعة مواقع تجريبية: البندقية، رودس، غرناطة، وتونسبرغ. يقدم كل موقع ظروفًا بيئية فريدة تؤثر على آليات التدهور التي تؤثر على مواد الحجر، مثل تبلور الملح، ودورات التجمد والذوبان، والنمو البيولوجي. تهدف الورقة إلى تقديم رؤى قيمة حول متانة وملاءمة هذه المواد، مما يساهم في فهم أفضل للتدهور الماضي ويساعد في توقع المخاطر المستقبلية على الأصول الثقافية.
طرق البحث
استخدمت الدراسة توصيفًا شاملًا بتروغرافيًا وفيزيائيًا-ميكانيكيًا لمواد الحجر المختارة. تم إجراء التحليل البتروغرافي باستخدام مجهر ضوئي مستقطب Leitz LABORLUX 12 POL S، مع إعداد العينات كشرائح رقيقة بسمك 30 ميكرومتر. تم استخدام تحليل الصور الرقمية (DIA) لتقييم الخصائص النسيجية، بما في ذلك المسامية وحجم البلورات، من خلال سلسلة من خطوات التقسيم باستخدام برنامج ImageJ. تم تحليل التركيب المعدني عبر حيود الأشعة السينية (XRPD) باستخدام جهاز حيود باناليتيكال إمبيريان، مع استخدام طريقة نسبة الكثافة المرجعية (RIR) للتقدير شبه الكمي لمراحل المعادن.
تم قياس الخصائص الفيزيائية مثل المسامية المفتوحة، وتوزيع حجم المسام، والكثافة الظاهرة، ومعاملات امتصاص الماء باستخدام طرق قياسية متنوعة، بما في ذلك قياس المسامية بالتسلل الزئبقي (MIP) واختبارات امتصاص الماء الهيدروسكوبي. تم تقييم الخصائص الحرارية باستخدام جهاز محمول وفقًا لطريقة مصدر الخط المتغير. تم تحديد الخصائص الميكانيكية، بما في ذلك قوة الضغط ومعاملات المرونة، من خلال اختبارات قوة الضغط أحادية المحور وقياسات انتشار الموجات فوق الصوتية. تم تقييم المتانة من خلال اختبارات الشيخوخة المتسارعة، وخاصة تبلور الملح الدوري ودورات التجمد والذوبان، مع مراقبة التغيرات في الكتلة وسرعات الموجات طوال التجارب.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج التي توصلت إليها الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد الدراسة، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن النموذج المقترح يتنبأ بدقة بسلوك النظام، كما يتضح من قيمة معامل التحديد العالية ($R^2$)، مما يشير إلى توافق قوي بين القيم الملحوظة والمتوقعة. تساهم هذه النتائج في تعزيز المعرفة الحالية من خلال تقديم دعم تجريبي للإطار النظري الذي تم تأسيسه في الدراسة. تشير التحليلات الإضافية للنتائج إلى آثار محتملة للبحث المستقبلي والتطبيقات العملية في المجال المعني.
المناقشة
يوفر قسم المناقشة في الورقة البحثية نظرة شاملة على الجوانب التاريخية والجيولوجية المختلفة للأحجار المهمة المستخدمة في العمارة، خاصة في إيطاليا والمناطق المحيطة بها. تم استخدام حجر بوتيتشينو، وهو حجر جيري ميكروني من العصر الجوراسي المبكر، بشكل مكثف منذ العصور الرومانية في هياكل بارزة مثل معبد فسباسيان و”فيتوريانو” في روما. يبرز استخراجه من المحاجر في شمال إيطاليا أهميته الجيولوجية، المميزة بالدولوميت المكثف وتنوع التجمعات الأحفورية. وبالمثل، يعتبر حجر روسو دي فيرونا، وهو حجر جيري عقدي من تكوين روسو أمونيتكو فيرونيسي، عنصرًا أساسيًا في العمارة الفينيسية، حيث يظهر بشكل بارز في المدرج الروماني وكنائس مختلفة، مما يبرز أهميته التاريخية والثقافية.
تشمل الأحجار الأخرى التي تم مناقشتها حجر فيتشينزا، المعروف بمساميته العالية ونعومته، والذي كان جزءًا لا يتجزأ من أعمال المعماريين مثل أندريا بالاديو، وحجر إستريا، الذي اكتسب شهرة في البندقية بسبب متانته وجاذبيته الجمالية. تسلط الورقة أيضًا الضوء على أهمية رخام كارارا ورخام ماكائيل، وكلاهما معترف بهما كأحجار تراثية من IUGS، مما يبرز استخدامهما الواسع في المعالم الأيقونية وخصائصهما الجيولوجية. تؤكد المناقشة على التفاعل بين الخصائص الجيولوجية والاستخدام التاريخي والتراث الثقافي، داعية إلى الحفاظ على هذه المواد والاعتراف بها كعناصر أساسية في تاريخ العمارة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s12210-024-01298-x
Publication Date: 2025-01-22
Author(s): Chiara Coletti et al.
Primary Topic: Building materials and conservation
Overview
This research investigates the durability and physical-mechanical properties of twelve distinct stone types used in historical monuments across Europe, specifically in Italy, Spain, Greece, and Norway. The stones analyzed include various limestones, marbles, a carbonate-dominated sandstone, volcanic rocks, and an intrusive igneous rock. Through a comprehensive examination of mineralogical composition, porosity, water interactions, and accelerated aging tests, the study establishes a framework for assessing the susceptibility of these materials to decay mechanisms. The findings reveal significant variability in durability, primarily influenced by pore abundance and distribution, with high-porosity stones exhibiting increased vulnerability to environmental stressors such as salt crystallization and freeze-thaw cycles.
The study emphasizes the critical role of pore structure and porosity in determining stone durability, particularly in diverse climatic conditions represented by the pilot sites: Venice, Rhodes, Granada, and Tønsberg. Each site faces unique environmental challenges, including rising sea levels, salt-laden marine aerosols, freeze-thaw cycles, and prolonged frost action, which exacerbate decay processes in porous stones. The research underscores the importance of understanding the mechanical and hygrothermal properties of stone materials to inform future conservation strategies. By providing essential data on stone behavior under stressed conditions, this work lays the groundwork for developing targeted preservation solutions tailored to specific environmental contexts, ultimately contributing to the safeguarding of Europe’s cultural heritage.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the significant challenges posed by the deterioration of historical stone-built heritage, emphasizing the need for a comprehensive conservation approach that encompasses material properties, preventive measures, restoration strategies, and adaptation methodologies. The study focuses on understanding decay processes and predicting future risks associated with various stone materials used in historic European buildings, particularly in the context of climate change. It highlights the urgency of developing predictive models for stone decay, as evidenced by recent studies (Bonazza et al. 2009a, b; Salvini et al. 2022; Hernández-Montes et al. 2022; Germinario et al. 2023; Coletti 2024; Zaccariello et al. 2024).
The research analyzes a selection of stone materials, including igneous, sedimentary, and metamorphic rocks from Italy, Greece, Spain, Norway, and Croatia, chosen for their historical significance and commercial value. The study examines the physicochemical and mineralogical properties of these stones and their correlation with observed decay patterns, with a focus on four pilot locations: Venice, Rhodes, Granada, and Tønsberg. Each site presents unique environmental conditions that influence the deterioration mechanisms affecting the stone materials, such as salt crystallization, freeze-thaw cycles, and biological growth. The paper aims to provide valuable insights into the durability and suitability of these materials, contributing to a better understanding of past deterioration and aiding in the prediction of future risks to cultural heritage assets.
Methods
The research employed a comprehensive petrographic and physical-mechanical characterization of selected stone materials. Petrographic analysis was conducted using a Leitz LABORLUX 12 POL S polarised-light optical microscope, with samples prepared as 30 μm-thick thin sections. Digital image analysis (DIA) was utilized to assess textural characteristics, including porosity and crystal size, through a series of segmentation steps using ImageJ software. Mineralogical composition was analyzed via X-Ray powder diffraction (XRPD) with a Panalytical Empyrean diffractometer, employing the reference intensity ratio (RIR) method for semi-quantification of mineral phases.
Physical properties such as open porosity, pore-size distribution, bulk density, and water absorption coefficients were measured using various standardized methods, including mercury intrusion porosimetry (MIP) and hygroscopic water adsorption tests. Thermal properties were assessed with a portable device following the transient line source method. Mechanical properties, including compressive strength and elastic moduli, were determined through uniaxial compressive strength tests and ultrasound wave propagation measurements. Durability was evaluated through accelerated aging tests, specifically cyclic salt crystallization and freeze-thaw cycles, monitoring changes in mass and wave velocities throughout the experiments.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant.
Additionally, the results demonstrate that the proposed model accurately predicts the behavior of the system, as evidenced by a high coefficient of determination ($R^2$) value, indicating a strong fit between the observed and predicted values. These findings contribute to the existing body of knowledge by providing empirical support for the theoretical framework established in the study. Further analysis of the results suggests potential implications for future research and practical applications in the relevant field.
Discussion
The discussion section of the research paper provides a comprehensive overview of various historical and geological aspects of significant stones used in architecture, particularly in Italy and surrounding regions. Botticino stone, an early Jurassic micritic limestone, has been extensively utilized since Roman times in notable structures such as the Temple of Vespasian and the Vittoriano in Rome. Its extraction from quarries in northern Italy highlights its geological significance, characterized by intense dolomitization and diverse fossil assemblages. Similarly, Rosso di Verona stone, a nodular limestone from the Rosso Ammonitico Veronese Formation, has been a staple in Venetian architecture, prominently featured in the Roman amphitheatre and various cathedrals, showcasing its historical and cultural importance.
Other stones discussed include Vicenza stone, known for its high porosity and softness, which has been integral to the works of architects like Andrea Palladio, and Istrian stone, which gained prominence in Venice due to its durability and aesthetic appeal. The paper also highlights the significance of Carrara marble and Macael marble, both recognized as IUGS Heritage Stones, emphasizing their extensive use in iconic monuments and their geological characteristics. The discussion underscores the interplay between geological properties, historical usage, and cultural heritage, advocating for the preservation and recognition of these materials as integral components of architectural history.