Vliv znečištěného ovzduší na stavební materiály Influence of atmospheric pollution on stone building materials RNDr. Linda Vonásková ABSTRACT: Historical monuments in the Czech Republic represent an important statement about our history and previous generation s heritage. These buildings often survive for many centuries and therefore it is necessary to take care about them properly. Many of these monuments as well as contemporary buildings are every day exposed to the outside atmosphere, which causes their degradation and gradual destruction in the course of time. When a building damage occurs it is necessary to find methods or devices to treat and possibly restore buildings. The restoration, however, is considerably expensive in most cases. Therefore this work mainly focuses on information on weathering (degradation) of building stone. There is also given the basic information on commonly used building materials for historic buildings in the Czech Republic (sandstone, marlstone). One part of this paper is also focuse on the basic rock classification and their resistence to weathering. Understanding of this issue is very important for developing a usefull protection for already weathered surfaces of historical monuments as well as for appropriate use of sedimentary rock material nowadays. Knowledge of these effects on air pollution is part of raising of awareness of the importance of its reduction. ABSTRAKT: Historické stavební památky v České republice představují důležitou výpověď o naší historii a také dědictví po předešlých generacích. Zmíněné objekty často přežívají mnohdy řadu staletí, a proto je nutné o ně vhodně pečovat. Mnoho z těchto památek i současných budov je denně vystaveno vlivům vnější atmosféry, což způsobuje jejich degradaci a časem vede až k jejich postupnému znehodnocení. Pokud dojde k poškození stavby, je nutné nalézt takové metody a prostředky, kterými se budovy ošetří a případně obnoví. Restaurování je ovšem většinou značně finančně nákladné. Z výše uvedených důvodů se tento příspěvek zaměřuje převážně na informace o zvětrávání (degradaci) stavebního kamene a také jsou v něm shrnuty základní informace o nejčastěji používaných stavebních materiálech u historických staveb v České republice (pískovec, opuka). Část příspěvku je zaměřena také na samotné základní rozdělení hornin a jejich odolnost vůči zvětrávání. Porozumění této problematice je velmi důležité nejen z důvodu ochrany historických památek, ale zároveň pro výběr vhodných materiálů pro nové stavby. Znalost těchto vlivů je také důležitá vzhledem k nutnosti omezit znečištění vnějšího ovzduší a informovat o tomto celosvětovém problému. 206
1 Druhy stavebního kamene, jejich základní popis a způsoby degradace Stavební materiály různých druhů historických objektů představují složitý soubor s různým složením a různou funkcí. Většinou tyto objekty přežívají alespoň několik století, a proto je nutné snažit se zachovat jejich původní hodnotu a hledat vhodné prostředky k jejich ochraně a obnově. Toto však není možné bez správného pochopení jejich vlastností, způsobů chování a procesů, které vedou k jejich degradaci, poškození či zničení. Pro pochopení problematiky přírodních stavebních materiálů a jejich reakce s okolními vlivy je důležité nejprve popsat jejich vznik a rozdělení. 1.1 Klasifikace hornin Přírodním kamenem (horninou) je chápána heterogenní směs jednotlivých minerálů (nerostů), které se od sebe navzájem liší nejen chemickým složením, ale také krystalickou strukturou. V přírodě se nachází také jednominerální horniny (mramor CaCO 3 ). Kromě minerálů často horniny obsahují i další příměsi, jako organické složky či vulkanické sklo. Nejčastěji se klasifikují horniny podle způsobu vzniku a to do 3 skupin, které se ještě navzájem mohou dále dělit. Všechny tři níže uvedené skupiny jsou v neustálém koloběhu mezi sebou a to dle teplotně-tlakových podmínek, díky nimž může docházet k fázovým přeměnám. Tento druh klasifikace ovlivňuje vlastnosti horniny a tedy i její trvanlivost a odolnost vůči okolním vlivům. 1.1.1 Vyvřelé horniny (magmatické) Horniny krystalizující ze silikátové taveniny magmatu. S postupným klesáním teploty taveniny dochází k vzniku zárodečných krystalů pevné fáze různých minerálů. Rychlost krystalizace není vždy stejná a závisí na typu minerálu a okolních podmínkách. Většinou se řídí tzv. Bowenovým reakčním schématem (Obr. 1). Magmatické horniny se dělí na hlubinné (vznik v hloubce několika km pod povrchem, pomalá krystalizace, dobře vyvinuté krystaly), žilné (vznik v trhlinách chladné zemské kůry, jemnější občas porfyrická struktura, rychlejší krystalizace) a výlevné (vznik u zemského povrchu, vyšší viskozita, vznik lávy, rychlé tuhnutí a jemnozrnná až sklovitá struktura). Vyvřelé horniny se dále dělí dle obsahu SiO 2 na kyselé, intermediální, bazické a ultrabazické. Čím kyselejší hornina, tím světlejší odstín. Mají výbornou pevnost, tvrdost, nízkou pórovitost a dobrou odolnost vůči zvětrávání. 1.1.2 Metamorfované horniny (přeměněné) Tento typ hornin může vzniknout ze všech ostatních typů jejich přeměnou v důsledku vysokých teplot, tlaků nebo působením chemismu prostředí, jimiž jsou horniny v zemské kůře vystaveny. Při některých změnách nemusí docházet k chemickým či mineralogickým změnám, ale někdy mohou vznikat také nové minerály či podstatnější chemické změny. Horniny jsou oproti původní stabilnější, hutnější a s nižší pórovitostí a lepšími mechanickými vlastnostmi. 207
Rozeznáváme různé druhy metamorfózy jako dynamickou (tlakovou), kontaktní (dotykovou), šokovou (impaktní), regionální (oblastní). Mezi nejvýznamnější metamorfované horniny patří mramory, které vznikly přeměnou vápenců. Obr. 1 Bowenovo reakční schéma (www.geologyrocks.co.uk) 1.1.3 Sedimentární horniny (usazené) Tento druh hornin vznikl přemístěním, usazením a následným zpevněním zvětralých úlomků, či vysrážením z roztoků nebo usazením vlivem biologického činitele. Vznikají na zemském povrchu nebo nehluboko pod ním a to za běžných, relativně nízkých teplot a atmosférických tlaků. Mezi základní procesy vzniku sedimentárních hornin patří zvětrávání, transport materiálu, sedimentace a diageneze (zpevňování materiálu). Zastoupení sedimentárních hornin na zemském povrchu je 75%. Podobně jako u předešlých typů je možné je dělit do několika skupin, ale v přírodě se často setkáváme s horninami, které jsou směsí dvou či tří složek. Dle genetického hlediska se dělí na klastické (úlomkovité), biogenní (nahromaděním a přeměnou rostlinných či živočišných zbytků) a chemogenní (cementační či biochemické, vysrážením z roztoků či činností organismů koráli, řasy). Podle velikosti úlomků se často dělí na psefity (nad 2 mm), psamity (0,063 2 mm), aleurity (0,004 0,063 mm) a pelity (pod 0,004 mm). Vzhledem k tomu, že většina těchto typů hornin vznikla ve vodném prostředí, velmi snadno hydratují, avšak jsou méně odolné vůči zvětrávání. Snadněji se však opracovávají a byly tedy i v minulosti velmi oblíbené jako stavební materiály. Na našem území se nejvíce využívalo opuk, pískovců, arkóz a různých druhů vápenců. 1.2 Zvětrávání hornin Při zvětrávání dochází k mechanickému či chemickému rozpadu hornin na zemském povrchu a to za působení vnějších vlivů. Výsledkem jsou zvětrávací produkty, které jsou v daných podmínkách stabilní. Podle povahy rozlišujeme zvětrávání: 208
1.2.1 Fyzikální (mechanické) zvětrávání Mechanický rozpad hornin na sypké nesoudržné materiály za působením hlavních procesů jako tlaků (krystalizační tlak solí, apod.), teplot (objemové změny, rozmrzání a zamrzání pórové vody a vody v puklinách či trhlinách) a dalších procesů probíhajících ve zvětrávající hornině (gravitace, činnost rostlin, větrná abraze). Nedochází k zásadnějším změnám v chemickém složení, avšak je nutné uvést, že oba druhy zvětrávání hornin působí ve vzájemné vazbě a součinnosti. 1.2.2 Chemické zvětrávání Je složitějším jevem než předchozí a dochází při něm jak k rozpadu horniny na drobnější částice, tak k chemickým přeměnám vlivem prostupujících roztoků. Může docházet ke vzniku nových minerálů s nižší specifickou hmotností, ale s většími póry. Mezi hlavní látky, které interagují s horninou, patří voda (hydratace), oxid uhličitý (karbonatizace) a atmosférický kyslík (oxidace). Při tomto druhu zvětrávání závisí z velké míry na klimatických podmínkách. 2 Znečištění ovzduší Ovzduší je zejména v obydlených a tedy i zastavěných oblastech kontaminováno různými znečišťujícími látkami, které se do něj dostávají mimo jiné také lidskou činností. Tyto látky mají nepříznivý vliv nejen na lidské zdraví, ale i na životní prostředí a všechny jeho složky. 2.1 Hlavní znečišťující látky Do atmosféry se dostává spousta znečišťujících látek, které mění její přirozené vlastnosti a mohou negativně ovlivňovat také lidské zdraví a stav vegetace a ekosystémů. Mezi hlavní znečišťující látky patří oxid siřičitý, oxidy dusíku, tuhé znečišťující látky, polyaromatické uhlovodíky, troposférický ozon, těžké kovy, aj. Zdroje, které do ovzduší emitují polutanty, mohou působit buď primárně (prosté uvolnění polutantů) nebo sekundárně (reakce primárních polutantů s jinými látkami nebo mezi sebou). K hlavním zdrojům znečišťování ovzduší patří z antropogenních zdrojů hlavně průmysl (teplárny, elektrárny, spalovny, technologické provozy, apod.), doprava a vytápění domácností. 2.2 Stav a vývoj ovzduší v ČR V minulém století patřily mezi hlavní znečišťující látky hlavně SO 2, NOx a prašnost. Díky opatřením, která byla na zdrojích již provedena v minulosti, došlo k poklesu imisní zátěže SO 2 a také došlo ke snížení emisí dalších znečišťujících látek. V současnosti však představují největší problém suspendované částice (frakce PM 10, PM 2,5 a menší) a na ně vázané látky (polycyklické aromatické uhlovodíky, těžké kovy), v letním období to je přízemní ozon a oxid dusičitý (v blízkosti komunikací). Mezi nejvíce znečištěné regiony v ČR patří Moravskoslezský kraj a to právě z pohledu suspendovaných částic. K překračování limitů dochází také na Ústecku či v oblastech hlavního města. V současné době je Ministerstvem životního prostředí 209
připraven nový zákon o ochraně ovzduší (schvaluje se ve vládě), který přinese mnohé nové nástroje ke snižování emisí a následně ke zlepšení kvality ovzduší ve znečištěných oblastech. 2.3 Vliv na materiály Výše uvedené faktory působí negativně nejen na lidské zdraví a ekosystémy, ale také má negativní vliv na materiály (ať už stavební, tak i umělecké). Znečištění působí skrze atmosférickou depozici (suchou, mokrou) korozi různých druhů stavebních materiálů (kovy, dřeva, betonů, kamenů). Kromě plynů (SO 2, NOx, O 3 ) a částic (chloridy, alkálie, saze, sírany, dusičnany) působí na povrchy materiálů také klimatické parametry (teplota, vlhkost, radiace, množství srážek a jejich kvalita ph a). Působením těchto vlivů ztrácí materiály své mechanické vlastnosti, může docházet k jejich korozi a k jejich dalšímu zvětrávání až úplnému znehodnocení. 3 Pískovec Jedná se o sedimentární horninu, zpevněné klastické sedimenty o velikosti zrna pískové frakce (0,063 2 mm), která jsou nejčastěji z křemene, někdy i kalcitu. Klasifikace této horniny je nejednotná a názvosloví složité, dělí se dle zrnitosti (jemnozrnný, střednězrnný, hrubozrnný) či dle trojúhelníkového diagramu. Prostor mezi zrny může být volný nebo je vyplněn tmelem či základní hmotou pojivem. Sekundární tmel může být např. křemičitý, vápenatý, jílovitý, železitý, apod. Kvalita a množství tohoto tmelu značně ovlivňujíce vlastnosti pískovce. Ze stavebního hlediska je nejvyhledávanější pískovec křídový a je zpravidla odolnější vůči okolním vlivům než opuka, proto ji také v minulosti nahradil. 4 Opuka Opuka je žlutohnědá až béžovošedá sedimentární hornina křídového stáří. Většinou se jedná o prachovitý slínovec s příměsí SiO 2 (opál, chalcedon, cristobalit). Vznikla z velmi jemných částic usazených na mořském dně a tvoří ji také vápencové složky a někdy i jehlice mořských hub mikroskopických rozměrů (spongie). Je to hornina variabilního složení a různých vlastností. Obecně má většinou úzkou distribuci jemných pórů a proto má vyšší nasákavost kapalinami. Její poškození může způsobit také nadměrné vysušení. Pevnost klesá s rostoucím obsahem kalcitu a zvyšuje se s obsahem SiO 2. Přes svou nízkou odolnost a vysokou nasákavost byla v minulosti hojně využívána ve stavebnictví. 5 Závěr Závěrem je nutné apelovat na zlepšení kvality ovzduší nejen v České republice, ale i ve světě. Vlivy znečištěného ovzduší na povrchy převážně historických budov znehodnocují naše kulturní dědictví a znalost všech degradačních procesů je velmi důležitá hlavně vzhledem k jejich záchraně a vhodným opravám. 210
LITERATURA: [1] HAISOVÁ, E.,: Rekonstrukce památkových objektů z kamene narušených vnějšími vlivy (Diplomová práce), ČVUT v Praze, Stavební fakulta, 1988, 143 s. [2] KACHLÍK, V., CHLUPÁČ, I.: Základy geologie. Historická geologie, Univerzita Karlova v Praze, 2001, 342 s. [3] KOTLÍK, P. a kol.: Stavební materiály historických objektů, VŠCHT v Praze, 1999, 112 s. [4] PETRÁNEK, J.: Malá encyklopedie geologie, České Budějovice, 1993, 248 s. [5] WINKLER, E. M.: Stone in Architecture: properties, durability, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1994, 311 s. [6] ČHMÚ: Znečištění ovzduší na území České republiky v roce 2010, Český hydrometeorologický ústav, 2011. [7] webová stránka Geology Rocks www.geologyrocks.co.uk (on-line 30.04.2012). Tento článek vznikl za podpory grantového projektu Pokročilé materiály v moderním stavitelství č. SGS12/103/OHK1/2T/11. 211