Kalkboek. Het gebruik van kalk als bindmiddel voor metsel- en voegmortels in verleden en heden

[p. 130]

[p. 131]

4
Duurzaamheid en verwering

1 Inleiding

Het doel van dit hoofdstuk is inzicht te geven in de factoren die van invloed zijn op de wijze waarop degradatie van materialen - en met name van mortels in monumenten - optreedt. Dit inzicht stelt ons in staat om mogelijke problemen van die materialen te voorzien en biedt informatie voor een goede mortelkeuze en een goede restauratiepraktijk. Wanneer we van dit inzicht geen gebruik zouden maken, is er een gerede kans dat na een restauratie voortijdige vervanging of reparatie in het verschiet ligt.

Het kan bij degradatie zowel gaan om een langzame achteruitgang door de tand des tijds, als om een meer abrupt optredende vorm van schade. Omgevingsinvloeden kunnen hierbij een belangrijke rol spelen. Daarom worden die omgevingsinvloeden hier uitvoerig behandeld. Ook reparatiematerialen (dat wil zeggen de bij restauratie gebruikte mortels) zelf kunnen onder bepaalde omstandigheden bijdragen tot een versnelde achteruitgang van de conditie van een monumentale constructie. We spreken in zo'n geval van een (technisch) niet compatibele mortel. (Een mortel kan ook esthetisch al dan niet compatibel zijn.) We gaan in op de meest voorkomende vormen van degradatie van mortels in monumenten. Het onderzoek dat nodig is om de oorzaak van de opgetreden schade te achterhalen wordt direct daaraan gekoppeld.

Overigens wordt benadrukt dat vergelijkbare schadebeelden zowel bij kalkgebonden als bij cementgebonden mortels kunnen optreden en dat er omstandigheden zijn waaronder kalkmortels zich beter gedragen en omstandigheden waaronder cementmortels het beter doen. Bijzondere omstandigheden doen zich voor waar belde typen bij een restauratie samen zijn gebracht. Dit kan schade als gevolg van (onderlinge) incompatibiliteit tot gevolg hebben. Ook daarvan zullen voorbeelden aan de orde komen. Overigens is een voegmortel, die qua samenstelling precies overeenkomt met de oorspronkelijke (doorstrijk)mortel niet per definitie de meest compatibele.

[p. 132]

De diagnose van de schade, of in meer algemene zin het door middel van onderzoek vaststellen of enig degradatieproces gaande is, wordt in de praktijk vaak vergeten. Toch is die diagnose buitengewoon belangrijk, om een duurzame restauratie te kunnen garanderen. Een dergelijke nalatigheid kan ook bij de toepassing van reparatiemortels lelden tot ernstige compatibiliteitsproblemen. Bij de hierna behandelde voorbeelden wordt op basis van het geconstateerde degradatiebeeld en het daarmee verbonden degradatieproces, de relatie gelegd naar de meest adequate reparatiemethode.

De benadering, die hier wordt gevolgd heeft tot doel een beter inzicht te bieden in de oorzaken van incompatibiliteit en een aanzet te geven tot richtlijnen voor compatibele reparatiemortels, uitgaande van de specifieke condities van het individuele monument. Dit hoofdstuk hangt nauw samen met § 3 Kalkmortel voor de hedendaagse praktijk in hoofdstuk 5.

2 Bepalende factoren voor degradatieprocessen

De belangrijkste factoren die van invloed zijn op degradatieprocessen liggen op het gebied van omgeving, materialen, ontwerp, vakmanschap van de uitvoering en het onderhoud.

Tot de omgevingsfactoren behoren bijvoorbeeld het vochtaanbod, het zoutaanbod, luchtverontreiniging, temperatuursinvloeden, dynamische belastingen en zetting van de bodem.

Bij het vochtaanbod denken we onder andere aan regenwater, vochttoetreding uit de bodem of uit het oppervlaktewater en overstromingen. Het zoutaanbod is meestal afkomstig uit de bodem of het grondwater¹⁵⁹ of vanuit het gebruik (stallen, zoutopslag). Daarnaast komt het zout in metselwerkconstructies veelvuldig aanwaaien via de lucht (aërosol), is het opgenomen bij overstromingen of aangevoerd als dooizout voor gladheidbestrijding. Temperatuursinvheden betreffen voornamelijk de temperatuurvariaties en de uiterste temperaturen, dynamische belastingen naast aardbevingen en wind ook verkeer en andere oorzaken van trillingen.

Bij de materiaalfactoren gaat het vooral om de samenstelling van de mortel (aard en hoeveelheid van het bindmiddel, korrelgrootteverdeling van het zand), de eigenschappen van steen en mortel in hun onderlinge samenhang (porositeit, capillaire transportmogelijkheden, hechting, mechanische sterkte) en de aanwezigheid

159 Het zoutaanbod uit de bodem kan zeer hoog zijn. Zie onder andere tabel 1 in Witteman 2002 (p. 6).

[p. 133]

van zouten in het materiaal (bijvoorbeeld in baksteen). Deze zouten kunnen vanaf het begin aanwezig zijn maar ze kunnen ook zijn ingebracht bij eerdere ingrepen.¹⁶⁰

Als ontwerpfactoren kunnen worden onderscheiden de detaillering van het gebouw, het constructief (statisch) ontwerp van het gebouw, de keuze voor de combinatie van materialen en de keuze van reparatiemethoden en -materialen.

Factoren vanuit vakmanschap en uitvoering zijn de (slechte) kwaliteit van de uitvoering, gevolgen van het mengen van mortels op de bouwplaats, de heersende drogings- en verhardingscondities, de bescherming van het verse metselwerk en het verlies aan traditioneel vakmanschap. De factoren gerelateerd aan onderhoud tenslotte zijn het al dan niet vermijden van waterpenetratie bij schade aan watervoerende elementen, de (snelle) reparatie van schade aan voegwerk en reinigingsoperaties (verkeerde wijze van reinigen maar soms ook het achterwege blijven van reinigen).

De omgevingsfactoren oefenen in nauwe samenhang met materiaalfactoren invloed uit op het verloop van degradatieprocessen. Oriëntatie en daarnaast ontwerp, uitvoering en onderhoud bepalen in belangrijke mate vochtaanbod en droging. In tabel 7 is een overzicht gegeven van de factoren, die schade aan mortel kunnen veroorzaken.

160 Bij de consolidatie van het grafmonument van Willem van Oranje in Delft bleek dat de voornaamste oorzaak van de zoutschade was gelegen in de vroeg zeventiende-eeuwse mortel, die zeer veel zout bevatte. Gevelreiniging en het afzuren na voegwerkherstel zijn bekende oorzaken van latere zoutschade. Voor het inboeten worden soms oude, uit afbraak afkomstige stenen gebruikt. Het komt voor dat die met zoutzuur zijn ontdaan van mortelresten.

2.1 Processen

Alle bouwmaterialen zijn in meerdere of mindere mate onderhevig aan verweringsprocessen. Deze zijn tot op zekere hoogte natuurlijke processen, waarop door de mens of door menselijke activiteiten tot op zekere hoogte invloed wordt uitgeoefend.

In plaats van verwering, dat gevoelsmatig sterk gerelateerd is aan natuurlijke vormen van aantasting (door regen, water, zon, wind), kunnen we, wanneer we de verwering iets ruimer willen bezien, beter spreken van degradatieprocessen.

Degradatieprocessen oefenen een belasting uit (fysisch, chemisch, fysisch-chemisch, mechanisch) op bouwmaterialen. Die belasting leidt na een bepaalde tijd tot aantasting of schade en is mede afhankelijk van de heersende omstandigheden.

[p. 134]

Tabel 7
Overzicht van de factoren die schade aan mortel kunnen veroorzaken
Omgeving	Vochtaanbod	regenwater
		vochttoetreding uit de bodem
		vochttoetreding uit het oppervlaktewater
		overstromingen
	Zoutaanbod	uit de bodem of het grondwater
		vanuit het gebruik (stallen, zoutopslag)
		via de lucht (aërosol)
		uit overstromingen
		uit bacteriële omzetting (bijvoorbeeld nitrificerende bacteriën)
		via dooizouten
	Luchtverontreiniging	droge depositie
		natte depositie
	Temperatuurfactoren	temperatuurvariaties
		uiterste temperaturen
	Dynamische belastingen	aardbevingen
		wind
		verkeer
		trillingen
	Zettingen	vervorming
		verlies van ondersteuning
Materialen	Mortelsamenstelling	aard van het bindmiddel
		hoeveelheid van het bindmiddel
		korrelgrootteverdeling van het zand
	Eigenschappen steen en mortel	porositeit
		capillaire transportmogelijkheden
		hechting
	Aanwezigheid van zouten in het materiaal	sulfaten
		chloriden
		nitraten
Ontwerp	Detaillering van het gebouw
	Constructief (statisch) ontwerp van het gebouw
	Keuze van de combinatie van materialen
	Keuze van reparatiemethoden en -materialen
Uitvoering	Kwaliteit uitvoering	mengen van mortels op de bouwplaats
		drogings- en verhardingscondities
		bescherming van het verse metselwerk
	Verlies aan traditioneel vakmanschap
Onderhoud	Waterpenetratie bij schade aan watervoerende elementen
	(Snelle) reparatie van schade aan voegwerk
	Reinigingsoperaties

[p. 135]

Degradatie is het min of meer geleidelijk toenemen van schade dan wel afnemen van kwaliteit.

Schade kan gedefinieerd worden als een op zeker moment merkbare vorm van achteruitgang van het bouwmateriaal (variërend van bijvoorbeeld verkleuring, tot compleet verlies aan samenhang). Schade kan dus zowel op esthetische als op functionele zaken betrekking hebben. Overigens, uiteindelijk zal elk materiaal vergaan, zelfs wanneer het onder optimale omstandigheden wordt bewaard. Van belang is echter vooral het tijdsbestek waarin het vergaan plaats zal vinden: binnen enkele jaren schade ondervinden is uiteraard een proces van een geheel andere orde dan binnen enkele eeuwen of na vele millennia schade vertonen. We beperken ons hier tot processen die relatief snel verlopen, tot schade die als relevant wordt ervaren.

Een degradatieproces is overigens niet uitsluitend afhankelijk van de hoofdoorzaak van de schade. Er is doorgaans sprake van een aantal condities, die bepalen of er al dan niet schade zal ontstaan. Zo zal het voorkomen van vries-dooi wisselingen alléén niet voldoende zijn om tot schade te leiden. Het bouwmateriaal moet ook gevoelig zijn voor vorst en bovendien op het juiste moment in hoge mate met vocht verzadigd zijn, wil er ook daadwerkelijk schade als gevolg van die vries-dooi wisselingen ontstaan.

We zullen degradatieprocessen benoemen op basis van omgevingsfactoren en mechanische acnes. Het gaat dan om de processen die zijn weergegeven in tabel 8.

Hierna zullen we de verschillende processen aan de hand van voorbeelden behandelen. Daarbij schenken we aandacht aan het schadetype, de oorzaak van de schade en de andere essentiële factoren.

Tabel 8
Overzicht degradatieprocessen
	Vries-dooi wisselingen
	Zoutkristallisatie
	Chemische reacties leidend tot het ontstaan van verbindingen met een groter volume (inclusief de werking van chemische luchtverontreinigingscomponenten, respectievelijk droge en natte depositie met inbegrip van het afzetten van in oplossing gegaan bindmiddel)
	Waterpenetratie leidend tot uitloging
	Wind- en watererosie
	Hygroscopische vochtopname
	Biologische aantasting (biodegradatie)
	Uitzetting en krimp, door variatie in temperatuur of vochtgehalte
	Deformatie en scheurvorming (statische of dynamische belastingen, zettingen)

[p. 136]

Tabel 9
Overzicht van de voorbeelden van schadeprocessen
	Vorstschade
	Zuivere zoutkristallisatie (efflorescentie en crypto-florescentie)
	Vorming van verbindingen met een groter volume (bijvoorbeeld thaumasiet, Friedels zout en ettringiet)
	Gipsvorming, zwarte korsten, openbarsten van voegen
	Korstvorming door uitloging van mortelbestanddelen (encrustatie)
	Uitspoeling, erosie
	Zwakke mortel (vroegtijdige verwering)
	Effect van zeezouten op kalkmortel
	Aantasting door nitraten (KNO3): vochtplekken door hygroscopiciteit
	Vervorming
	Biologische groei

Omgevingsinvloeden op gemetselde constructies (met kalkmortel) worden daarbij behandeld in samenhang met materiaalgebonden factoren. Steeds is het de bedoeling om door adequate maatregelen en door de keuze van een (onder de aangetroffen omstandigheden) compatibele mortel aantasting in de toekomst zoveel mogelijk te voorkomen. De voorbeelden die aan de orde komen, zijn opgenomen in tabel 9.

Alvorens op deze voorbeelden in te gaan zullen we eerst enkele bijzondere eigenschappen van kalkmortels bespreken, waardoor deze mortels zich in bepaalde omstandigheden (bij bepaalde degradatieprocessen) in gunstige zin onderscheiden.

Kalkgebonden mortels bezitten een hoge vervormingscapaciteit. In § 3.1 worden enkele voorbeelden gegeven. Constructies gemetseld met zuivere kalkmortels kunnen bepaalde vervormingen door zettingen en dergelijke opnemen. Wanneer deze vervormingen langzaam verlopen zullen daarbij meestal geen scheuren ontstaan.

Bij belasting van metselwerk ontstaat in de mortelvoeg een gecombineerde verticale en horizontale drukbelasting. De mortel is over het algemeen veel meer vervormbaar dan de omliggende stenen en heeft daarom de neiging om, als het ware, tussen de stenen uitgedrukt te worden. De steen wordt daardoor onder trekspanningen belast. Bij overbelasting van het metselwerk worden daardoor verticale scheuren gevormd, die vanuit de bakstenen ontstaan.

De triaxiale drukspanning, waarmee de mortel in de voeg belast wordt, zorgt voor een belangrijke verandering in het materiaalgedrag van de mortel. Enerzijds zal onder invloed van de horizontale steundruk de verticale druksterkte van de mortel sterk toenemen. Anderzijds kan, afhankelijk van de mechanische kenmerken

[p. 137]

van de stenen en de mortel, een overgang plaatsvinden in het gedrag van de mortel, van een bros naar een zeer plastisch vervormbaar materiaal. Dit speelt des te meer een rol naarmate de horizontale steundruk in de mortel in verhouding tot de toegenomen verticale druksterkte toeneemt. Hierbij is in de eerste plaats de treksterkte van de steen bepalend, hoewel ook de druksterkte van de mortel van invloed is.

De mogelijkheid van de kalkmortel om, zelfs in een uitgeharde toestand, zich in het metselwerk te gedragen als een plastisch zeer vervormbaar materiaal, maakt dat het metselwerk relatief gemakkelijk opgelegde vervorming kan opnemen als gevolg van zettingen of bewegingen in bogen of gewelven. De hogere vervormbaarheid en de lagere sterkte van een nog niet uitgeharde luchthardende kalkmortel versterkt dit fenomeen, waardoor dergelijk metselwerk in hoge mate vervormingen kan doorstaan zonder te scheuren.¹⁶¹

Figuur 11
Vervorming van de bogenrij van het voormalige koetsgebouw in de boerderij van de Abdij van 't Park te Heverlee.

Met de uitharding van de luchthardende kalkmortel door carbonatatie wordt de martel sterker en stijver en verliest het metselwerk hierdoor een deel van zijn vervormbaarheid. Aangezien het uithardingsproces voor dikke muren relatief traag

161 Hayen 2001 I en Hayen 2003.

[p. 138]

verloopt (de carbonatatiediepte schrijdt voort met de vierkantswortel van de tijd) wil dit zeggen dat voor gotische constructies met muren van ongeveer negentig centimeter dikte, de carbonatatie meer dan vijfhonderd jaar duurt. Zolang behoudt het metselwerk in de muurkern een zeer grote vervormbaarheid, terwijl aan de buitenzijde stijvere zones in het metselwerk ontstaan. De toepassing van kalkmortels verleent evenwel, zelfs na uitharding, een opmerkelijke flexibiliteit en vervormbaarheid aan het metselwerk.¹⁶²

Daarnaast bezitten kalkmortels in zekere mate een zelfherstellend vermogen. Daaronder wordt verstaan dat kleine scheurtjes, als gevolg van herkristallisatie weer gevuld kunnen worden (zie figuur 12). Overigens dient men zich hiervan geen overdreven voorstellingen te maken.

Een vergelijkende studie tussen kalkcementmortel en cementmortel heeft aan het licht gebracht dat ook cementmortels een zekere zelfhelende eigenschap hebben. Het grote verschil met kalkmortel is evenwel dat deze eigenschap alleen bestaat als deze hydraulische mortel zeer vochtig wordt gehouden, terwijl dat voor kalkmortel en kalkcementmortel ook geldt in meer normale atmosferische omstandigheden.¹⁶³

De hoge vervormingscapaciteit is overigens een eigenschap die met name voor zuivere kalkmortels geldt. Voor bastaardmortels geldt die eigenschap in veel mindere mate.

Overigens dient men bij de hoge vervormingscapaciteit van metstelwerk met kalkmortels versus de lage vervormingscapaciteit van modern metselwerk met cementmortels te bedenken, dat het om een eigenschap van de constructie als totaliteit gaat. Een klassieke massieve dikke muur gemetseld met luchtkalkmortel kan veel vervormingen opnemen en het stellen zonder dilatatievoegen. Een modern halfsteens buitenspouwblad, gemetseld met een portlandcementmortel kan het, zelfs wanneer deze op een stijve en nauwelijks vervormende betonconstructie rust, niet stellen zonder (veel) dilatatievoegen, omdat deze anders alleen al ten gevolge van temperatuurswisselingen op veel plaatsen zal scheuren. Tussen deze beide uitersten ligt een breed scala aan verschillende constructies met elk hun eigen karakteristiek met betrekking tot de mogelijkheid om vervormingen op te nemen.

162 Van Balen 1991.

163 Van Balen 1991.

[p. 139]

2.2 De prominente rol van water bij degradatie

Voorafgaand aan de behandeling van degradatie van mortels en metselwerk is het goed om stil te staan bij de belangrijkste factor in degradatieprocessen, de rol van water. In de twaalf voorbeelden van § 3 lijkt alleen het eerste proces (vervorming) geen directe relatie met water te hebben. Lijkt, want er wordt gewezen op het zelfherstellend vermogen van kalkmortels. Daarvan kan echter alleen sprake zijn indien er een zekere hoeveelheid water aanwezig is.

De vochthuishouding in een gevel is van grote invloed op degradatieprocessen. Bij vrijwel alle degradatieprocessen is het daarom van belang om eerst die vochthuishouding te begrijpen. Een belangrijke vraag bij de diagnose van schade is steeds, waar het water dat dit proces mogelijk maakt vandaan komt. In een aantal gevallen is het opheffen van het wateraanbod een goede manier om verder verval tegen te gaan.

Het ideale (bijna)evenwicht van een gevel

Wanneer het bouwvocht verdwenen is, verkeert een gezonde gevel bijna in een evenwichtssituatie. Hij bevat minder water dan globaal 2% van de massa van het metselwerk en dat water zit alleen in kleine poriën (capillair water) en als een dun laagje langs de wanden van grotere poriën. Door de muur kan (traag) waterdamp stromen (waterdampdiffusie). Die vochtstroom is te beschouwen als een haasje-overspel, waarbij watermoleculen opgenomen worden in en weer loskomen van het water in de poriën, waardoor er per saldo sprake is van een geringe stroming. Bij dit haasje-overspel worden geen oplosbare stoffen getransporteerd, dus schadeprocessen als gevolg van zouten of door het verlies aan (oplosbare) bindmiddelen spelen daarbij geen rol.

Aan de buitenzijde bevindt zich na een regenbui meer water in de poriën. Zodra het weer droog is wordt dat vocht weer snel afgevoerd door de warmte van de zon en vooral door de wind die langs het geveloppervlak strijkt. Daarbij wordt vochtverlies aan het oppervlak aangevuld door water dat door de poriën naar het oppervlak stroomt. Op een bepaald moment wordt dit vochtaanbod echter te klein en ontstaat er een scheiding tussen een gedroogd deel direct aan het oppervlak en het metselwerk daarachter, dat nog wat natter is. Het drogen gaat dan veel trager omdat het water de afstand naar het muuroppervlak in dampvorm (haasje-overspel) moet overbruggen. Bij het drogen na een regenbul is er dus eerst sprake van een snelle droging (transport van vloeibaar water) en daarna van langzame droging (damptransport).

Aan het oppervlak fluctueert het vechtgehalte afhankelijk van de weersomstandigheden. Door de jaren heen zal het vochtgehalte zich echter tussen ongeveer

[p. 140]

constante grenzen bevinden. Het lijkt dus alsof de gevel zich in een evenwicht bevindt, waarin gedurende eeuwen geen verandering zal optreden. Dat is niet helemaal het geval, want bij het oppervlak vindt steeds wat transport van vloeibaar water plaats. Daarmee kunnen stoffen uit de constructie worden getransporteerd, zoals calciumhydroxide uit de mortel en andere (oplosbare) stoffen. De snelheid van dit proces is afhankelijk van de materiaalsoort en de mate van belasting van de gevel. In de loop van (vaak zeer vele) jaren kan door uitloging achter het oppervlak een verzwakte zone ontstaan (in de mortel en soms ook in natuursteen). De stoffen die getransporteerd worden blijven voer een deel op of nabij het oppervlak achter. Ze kunnen tegen de poriewanden neerslaan en plaatselijk het poriesysteem vernauwen.

Ook van buiten komen allerlei vreemde stoffen op en in het oppervlak terecht, zoals vliegas, roetdeeltjes, stof, schimmel- en algensporen en bacteriën. Door de samenkomst van al deze stoffen kunnen er op het oppervlak tal van verbindingen ontstaan en kunnen er organismen leven die uiteindelijk als organische afbraakproducten achter zullen blijven.

Gevels hebben van oorsprong aan de buitenzijde vaak al een iets dichtere zone. Bij het vormen van de baksteen worden poriën aan de buitenzijde een klein beetje dichtgestreken en bij het bakken zal de steen daar mogelijk iets meer sinteren dan in het inwendige van de steen. Bij het afstrijken van een voeg wordt er wat bindmiddel naar de oppervlakte geduwd. Door de opeenvolgende bevochtiging en droging van kalksteen of mergel (en sommigen beweren eveneens als gevolg van het verdampen van groevewater), ontstaat ook zo'n verdicht laagje aan de oppervlakte van natuursteen waarachter een zone met een lager bindmiddelgehalte wordt aangetroffen. In de loop der tijd zal die zone door toevoer van stoffen uit de gevel en uit de lucht steeds dichter worden.

Die wat dichtere buitenhuid van een gevel schijnt gunstig te werken, omdat deze de vochtopname enigszins afremt en maar in mindere mate de droging belemmert. Ervaring leert dat een niet gereinigde gevel, waarbij dit laagje dus onaangetast is, vaak duurzamer is dan een gereinigde. Maar er spelen teveel andere factoren een rol, om zondermeer deze conclusie te kunnen trekken.

Zeker naar mate de verdichting van de buitenhuid toeneemt, zullen zich processen gaan afspelen waardoor de buitenhuid los kan komen van de ondergrond. Daarbij spelen toenemende verschillen in thermische en hygrische uitzetting een rol, maar mogelijk ook de vorming van zoutkristallen of van aantastende stoffen.

Een gevel wordt nooit egaal door regen, wind, zonbestraling en dergelijke belast; integendeel, er is juist sprake van grote verschillen. Het loskomen van de buitenhuid zal zich daarom eerst plaatselijk manifesteren. We kunnen doorgaans, zolang er geen schade zichtbaar is, het beste niets aan de gevel doen. Eerst nadat de

[p. 141]

buitenhuid plaatselijk wordt afgestoten, moet een behandeling (bijvoorbeeld een voorzichtige reiniging) overwogen worden. Daarmee nemen we echter wel afscheid van het ideale bijna-evenwicht waarin de gevel zich bevond. Het vinden van een nieuw evenwicht (met een compatibele ingreep) is geenszins eenvoudig.

Een gevel die lijdt aan de in § 3 behandelde degradatieverschijnselen, verkeert niet in (bijna)evenwicht. Het reparatieadvies geeft de weg naar een nieuwe evenwichtssituatie aan. Daarbij stuiten we soms op dilemma's. Als voorbeeld zal hier iets over het effect van het hydrofoberen worden gezegd, omdat deze techniek haaks staat op het geschetste beeld van het bijna-evenwicht.

Hydrofoberen

Soms helpen traditionele ambachtelijke bouwtechnieken niet of onvoldoende om een probleem op te lossen. Dan kan het behandelen van de gevel met een waterafstotend preparaat uitkomst bieden. Aan die behandeling kleven echter tal van gevaren, die men niet mag onderschatten.¹⁶⁴ Dat gebeurt in de praktijk nogal eens. Uit een recent onderzoek naar vochtproblemen van molens bleek bijvoorbeeld dat hydrofoberen daar vaker tot meer dan tot minder vochtproblemen heeft geleid.¹⁶⁵

Wanneer wordt voldaan aan alle eisen die daarbij aan een gevel gesteld moeten worden,¹⁶⁵ kan hydrofoberen overwogen worden. Gevolg van een behandeling zal echter altijd zijn, dat ook het drooggedrag van de gevel zal veranderen.¹⁶⁷ Is er bij een onbehandelde gevel eerst sprake van een snelle droging (transport van vloeibaar water) en daarna van langzame droging (damptransport), door de waterafstotende behandeling verliest de gevel het vermogen om volgens de eerste (snelle) vorm te drogen. Transport van vloeibaar water wordt door het waterafstotende preparaat tegengegaan. Zolang de gevel in een goede conditie verkeert en zich geen calamiteiten voordoen, zal dit niet tot problemen leiden. Maar mocht onverhoopt een keer veel water achter de waterafstotende zone terechtkomen,¹⁶⁸ dan zal blijken

164 Zie Van Hees 1998.

165 Groot 2002, p. 84-5.

165 Weinig zout, geen scheuren of scheurtjes die niet overbrugd kunnen worden, goed en goed gehecht voegwerk, nauwelijks optrekkend vocht, geen kans op lekkages of watertoetreding van elders, goede, niet lekkende aansluitingen op andere onderdelen enz.

167 Zie bijvoorbeeld figuur 3, p. 165, in Van Hees 1998.

168 Hierbij is te denken aan overstromingen (water zal door de hydrostatische druk door de gehydrofobeerde zone worden geperst), het ontstaan van scheurtjes (lekken in de regenjas, waarachter zich behoorlijke hoeveelheden water kunnen ophopen), aanbrengen van nieuw voegwerk (voegmortel hecht slecht en elke aansluiting van voeg op steen is een potentieel lek), calamiteiten als een overstromende goot of een breuk of lek in een leiding en tal van andere problemen die in het (lange) leven van een monument wel een keer op kunnen treden.

[p. 142]

dat het vermogen van de gevel om dergelijke gebeurtenissen te doorstaan drastisch is afgenomen. Wordt de gevel om de een of andere reden achter de gehydrofobeerde zone een keer echt nat, dan blijft hij daar ook lang nat, met als gevolg een toegenomen kans op bijvoorbeeld vorstschade, zoutschade en uitbloei en de mogelijkheid dat het vochtprobleem zich aan de binnenzijde gaat manifesteren.¹⁶⁹

Dat men moet opletten met het verstoren van het eerder genoemde dynamisch evenwicht, blijkt ook uit de voorbeelden hierna. De schade die ontstond door de vervanging van kalkvoegen door cementvoegen (§ 3.2 en § 3.3) illustreert dat.

169 Zie ook: Van Bommel 2003 II.

3 Voorbeelden

In deze paragraaf gaan we in op degradatie van kalkmortels en degradatie van constructies in monumenten, die oorspronkelijk zijn gebouwd met kalkmortel. We schenken aandacht aan min of meer natuurlijke verweringsprocessen en tevens aan degradatie, die ontstaat door de incompatibiliteit van bij restauratie gebruikte nieuwe mortels.

De voorbeelden worden uitvoerig beschreven. De benadering van de problematiek is gebaseerd op de wijze van redeneren van een deskundige op het gebied van de conservering. Dat wil zeggen dat de oorzaken van de opgetreden degradatie worden benaderd op een gestructureerde, logische wijze. Hoewel het wellicht overbodig lijkt, wordt nog eens benadrukt dat het bijzonder belangrijk is zowel de invloed van omgevingsfactoren als van het type constructie in de overwegingen te betrekken.

Bij de voorbeelden worden ook de onderzoekstechnieken genoemd, die geschikt worden geacht om tot een juiste diagnose te komen. Tenslotte worden aanwijzingen gegeven hoe met de schade en de reparatie of restauratie om kan worden gegaan.

3.1 Vervorming van metselwerk met kalkmortel

Kalkgebonden mortels bezitten een hoge vervormingscapaciteit. Constructies die zijn gemetseld met zuivere kalkmortels kunnen bepaalde vervormingen opnemen, soms zonder dat daarbij zichtbare scheuren optreden.

[p. 143]

Daarnaast bezitten kalkmortels in zekere mate een zelfherstellend vermogen. Daaronder wordt verstaan dat kleine scheurtjes, als gevolg van herkristallisatie weer gevuld kunnen worden (zie figuur 12¹⁷⁰).

170 Een zogenaamde PFM-foto. Bij PFM gaat het om Polarisatie en Fluorescentie Microscopie aan zogenaamde dunslijppreparaten, zie ook hoofdstuk 5.

Schadebeeld

De bedoelde vervorming kan bijvoorbeeld verband houden met verzakkingsverschijnselen (fundering), waardoor muren een verticale golving vertonen of gemetselde pijlers uit het lood gaan staan. Het gunstige gedrag van kalkmortels komt daarbij goed tot uiting. Eigenlijk zouden we hier niet van schadebeeld hoeven spreken.

Onderzoek

Wanneer de vervormingen geleidelijk optreden, ontstaan vaak geen zichtbare scheuren. Treden die bij dit type metselwerk toch op dan is dat in het algemeen een teken van een plotseling opgetreden vervorming, die onderzoek en mogelijk ingrijpen vereist.

In het geval van langzaam voortschrijdende vervormingen is het volgen van het proces (monitoren) eveneens verstandig, om uiteindelijk calamiteiten te voorkomen.

Oorzaak

De oorzaak van dergelijke vervormingen ligt in het algemeen in de kwaliteit van de bodem of de fundering. De reden dat vaak geen zichtbare scheuren optreden, is gelegen in de relatief grote vervormingscapaciteit van de kalkmortel. Tevens kunnen lokale spanningsconcentraties in de structuur de aanleiding vormen tot lokale of globale vervormingen van de metselwerkstructuur.

Reparatieadvies

Een reparatieadvies is in dit geval niet aan de orde. Onder omstandigheden kan het wel verstandig zijn de vervormingen nauwgezet in de loop van de tijd te volgen (monitoren). Dit geldt zeker indien in de stenen talloze fijne verticale haarscheurtjes zijn waar te nemen. Een langzaamaan voortschrijdende vervorming van de structuur kan in dergelijke omstandigheden een voorbode zijn van het lokaal bezwijken van het metselwerk en eventueel van de gehele constructie, indien het een dragend element betreft.

[p. 144]

3.2 Vorstschade

Vorstschade aan jonge kalkmortel is een redelijk bekend verschijnsel. Een kalkmortel heeft meer tijd nodig dan een cementmortel om voldoende sterkte te ontwikkelen om de combinatie van vocht en vorst te kunnen doorstaan. In het algemeen kan gesteld worden dat het metselen met kalkmortels aan seizoenen gebonden dient te zijn. Voor luchthardende mortels geldt, dat enige maanden voor de mogelijke vorstperiode deze mortel niet meer meet worden verwerkt, tenzij voor een zeer goede bescherming tegen nat worden (en zolang de mortel nog niet droog is tegen bevriezen) wordt gezorgd.

Dat geldt in wat mindere mate ook voor een hydraulische kalkmortel, die de eerste weken vorstvrij dient te blijven.

Dat vorstschade ook aan oude kalkmortels kan voorkomen is een verschijnsel dat pas sinds enkele jaren duidelijk begint te worden. Wat daarvan de oorzaken zijn en welke andere factoren daarbij een ril spelen wordt momenteel nog onderzocht. Hierna wordt een voorbeeld van zo'n schadegeval getoond.

Schadebeeld

Een typische kenmerk van deze vorm van schade kan zijn dat het voegwerk los komt en vaak ook dat de metselmortel daarachter een laagvormige opdeling laat zien, evenwijdig aan de onderzijde van de baksteen. Daarnaast kan het metselwerk afspatten of bol gaan staan. In het hier behandelde geval gaat het om het torentje van een gevangenismuur (één steen dik gemetseld), waarbij het metselwerk bol staat. Dit bol staan komt alleen voor bij niet te zware muren (een halve of hele steen dik) en is een gevolg van de zwelling van de metselmortel aan de buitenzijde. Het verschijnsel dat een centimeters dikke laag van het metselwerk kan afspatten komen we juist tegen bij zwaardere muren. Overigens moeten we bij dit verschil in schadebeeld rekening houden met de opbouw van het metselwerk. Het verschijnsel van bol staan is ook waargenomen bij zeer dikke vestingmuren, waarbij het echter ging om een halfsteense laag, die door een slecht verband met het achterliggende werk kon loskomen en bol kon gaan staan.

Onderzoek

Het onderzoek begint in een dergelijk geval met een visuele inspectie. Daarbij bleek de schade het grootst op de regenzijde van het gebouw (zuidwest oriëntatie). Bij het boren van enkele kernen uit het bol staande metselwerk werd de schade aan de metselmortel (laagvormige opdeling, zie figuur 15) zichtbaar. Een dergelijk schadebeeld kan worden veroorzaakt door het ontstaan van een verbinding met een groter

[p. 145]

Figuur 12
PFM-foto (afmeting 2,7 × 1,4 mm) van een scheurtje (‘Sc’ verloop diagonaal van rechtsonder naar linksboven) in een historische kalkmortel, dat door herkristallisatie weer is opgevuld (in de foto aangegeven met ‘hk’). ‘Z’ = zand en ‘B’ = bindmiddel. © TNO Bouw

volume of door vorstschade aan de metselmortel. In beide gevallen is een hoge vochtbelasting een randvoorwaarde. Om de oorzaak te achterhalen is meer onderzoek nodig. Met behulp van XRD (röntgendiffractie-analyse) konden geen zwellende bestanddelen in de mortel worden vastgesteld. Kernen met onbeschadigde metselmortel uit een minder zwaar geëxposeerd deel van hetzelfde gebouw zijn onderworpen aan vries-dooiproef. Het resultaat van deze proef kwam exact overeen met de schade uit de praktijk. De conclusie, dat het in dit geval om vorstschade gaat, ligt voor de hand.

Figuur 13
Voorbeelden van vervorming in metselwerk gemetseld met een kalkmortel. Vervorming als gevolg van zetting in een langsgevel (links boven), alsmede detail (links onder). Vervorming in de pijlers van de Nicolaï kerk te Utrecht (rechts). © TNO Bouw

Om de diagnose te completeren, moet ook nagegaan worden wat de vochtbron is. In figuur 16 is de vochtverdeling over de muurhoogte weergegeven, zoals die is bepaald aan de muur tussen de torentjes.

Opvallend is het zeer hoge vochtgehalte in de mortel en het lage vochtgehalte in de baksteen. Dit is overigens een fenomeen dat bij vorstschade aan metselmortel als regel wordt aangetroffen. Bij de mortel bleek het te gaan om een kalkmortel (analyse uitgevoerd met behulp van Polarisatie en Fluorescentie Microscopie (PFM)

[p. 146]

aan zogenaamde dunslijp-preparaten, zie ook hoofdstuk 5) en een dergelijke mortel kenmerkt zich door een groter capillair porievolume dan de steen (de mortel zuigt als het ware de steen droog en houdt het water capillair in zich gevangen). Het vochtverloop wijst op optrekkend vocht, maar eigenlijk alleen in de mortel; het hoge vochtgehalte is verder toe te schrijven aan binnendringend regenwater.

Onderzoek toonde tevens aan dat het euvel zich vooral manifesteerde na het hervoegen van het metselwerk met behulp van een cementgebonden mortel.

Oorzaak

Het proces dat zich hier afspeelt is de vorstinwerking op de (te) natte metselmortel (op kalkbasis). De schade aan de metselmortel (laagvorming) gaat gepaard met volumevergroting, die vooral voorkomt aan de buitenkant van de muur, waar de schade het grootst is. Deze ongelijkmatig over de muurdikte verdeelde schade leidt tot het bol staan van de muur, als gevolg van de drukspanning, die in de buitenste zone wordt opgebouwd. Daarbij wordt ook de voegmortel naar bulten gedrukt. Het bol staan komt overigens alleen voor bij relatief dunne muren (tot één steen dik). Bij dikke muren kan de volumevergroting van de metselmortel (de drukspanning die wordt opgebouwd) leiden tot het afspatten van schollen metselwerk, ter dikte van enige centimeters.

Het langdurig extreem nat blijven van de metselmortel leidt tot een verhoogd risico op vorstschade.

Omdat de schade specifiek ontstond na het hervoegen (met een cementmortel), werd nader onderzoek uitgevoerd om na te gaan of de nieuwe voeg wellicht het drooggedrag van de muur negatief zou kunnen beïnvloeden. Het onderzoek¹⁷¹ toonde aan dat het drooggedrag inderdaad zodanig verslechterd kan zijn door het aanbrengen van de nieuwe voeg dat daardoor de schade kan worden verklaard. Overigens kunnen ook andere fenomenen, zoals het geleidelijke omzetten van bindmiddel van de metselmortel in gips, aan een bijkomende verzwakking (en daarmee vorstgevoeliger worden) van de metselmortel bijdragen.

171 Van Hees 1999.

Reparatieadvies

Vochttoetreding moet zoveel mogelijk bestreden worden. Omdat de oude metselmortel over een deel van de muurdoorsnede wordt behouden (en daar dus ook de oude kalkmortel gehandhaafd blijft) is er kans op nieuwe schade. De oude metselmortel kan daar namelijk nog steeds kritisch nat worden. In een periode van

[p. 147]

langdurige, aanzienlijke vorst zou ook het nu nog schadevrije deel kunnen bevriezen. Daarom verdient het in dit geval aanbeveling de vochthuishouding van het metselwerk beter te reguleren door vochtbronnen uit te schakelen (bijvoorbeeld door te behandelen tegen optrekkend vocht), snelle droging bij bevochtiging mogelijk te maken en in extreme gevallen (mits uit voorafgaand onderzoek blijkt dat dit mogelijk en nuttig is) te gaan te hydrofoberen (zie ook § 2.2).

Voor wat betreft de mortel kan de volgende denkwijze worden betracht. De nieuwe mortel dient zelf zo duurzaam mogelijk te zijn, zonder schade aan de bestaande materialen te veroorzaken. Een zelfopofferende mortel, dat wil zeggen een mortel met een betrekkelijk lage inwendige samenhang zou schade aan de steen kunnen voorkomen, omdat de mortel al zou bezwijken voordat de krachten op de steen zouden worden overgebracht. Door de mortel een hoge porositeit te geven, kan bovendien vorstschade aan de nieuwe mortel zelf worden voorkomen. In het kader van een door de Europese Unie gefinancierd project werd de realiseerbaarheid en effectiviteit van dergelijke mortels onderzocht.¹⁷²

Praktisch gezien komt de reparatie dan neer op het diep uitkrabben van de gedegradeerde mortel en het toepassen van een reparatiemortel met veel open ruimte. Goede ervaringen zijn opgedaan met een bastaardmortel met een goed gesorteerd zand (zie § 2.5 in hoofdstuk 3) en een luchtbelvormer. De mortel wordt halfplastisch in een aantal lagen aangebracht en als doorstrijkwerk uitgevoerd. Uiteraard wordt de ontstane vervorming door deze reparatie niet opgeheven.

172 Pointing in historic buildings, Contract ENV4-CT98-706; Van Hees s.a..

3.3 Zoutkristallisatie

Problemen rond zoutkristallisatie zijn in monumenten de meest voorkomende oorzaak van schade aan metselwerk. Belangrijke schadelijke zouten zijn sulfaten, chloriden en nitraten. De herkomst van zouten kan liggen in de bodem (grondwater), in de omgeving (bijvoorbeeld de nabijheid van de zee), in het gebruik (bijvoorbeeld als stal, als zoutopslag) of in het bouwmateriaal zelf (baksteen kan afhankelijk van soort klei, baktemperatuur en brandstofsoort meer of minder sulfaten bevatten). Bij de zoutkristallisatie kan het gaan om efflorescentie (zoutuitbloei) aan het materiaaloppervlak, om crypto-florescentie (onder het materiaaloppervlak) en tenslotte ook om omzetting van mortelbestanddelen en zouten tot zwellende verbindingen.

Meestal gaat (zuivere) uitbloei niet gepaard met materiaalverlies en is de schade vooral esthetisch.

[p. 148]

Figuur 14
Bol staan van metselwerk dat van nieuw voegwerk was voorzien. © TNO Bouw

We spreken van crypto-florescentie als de zouten onzichtbaar kristalliseren, dus in het materiaal of ter plaatse van een overgang tussen twee materialen. Dit verschijnsel kan gepaard gaan met het losraken van een laag van het materiaal of bijvoorbeeld met het uitdrukken van voegwerk. Omzetting van mortelbestanddelen door een reactie met zouten kan leiden tot de vorming van verbindingen met groter volume, zoals ettringiet of thaumasiet. Dit zijn voor de samenhang van de constructie zeer gevaarlijke verbindingen, waardoor metselwerk zelfs geheel kan worden ontzet.

Naast het kristalliseren van zouten kunnen zouten ook hydrateren, dat wil zeggen watermoleculen opnemen in hun kristalrooster. Een bekend voorbeeld is natriumsulfaat, dat in de vorm van thenardiet kan voorkomen (Na₂SO₄) of in de vorm van mirabiliet (Na₂SO₄ · 10H₂O). De laatste vorm (mirabiliet) neemt een aanzienlijk groter volume in dan thenardiet. Om die reden wordt eigenlijk altijd aangenomen dat mirabiliet veel schadelijker zou zijn dan thenardiet. Recent onderzoek heeft aangetoond, dat dit wel eens een onjuiste veronderstelling zou kunnen zijn.¹⁷³ Dit onderzoek gaf aanwijzingen dat thenardiet bij voorkeur in het materiaal kristalliseert, na een hoge graad van oververzadiging te hebben bereikt en daarbij hoge drukken opbouwt, terwijl mirabiliet kristalliseert bij lagere oververzadiging en veelal als efflorescentie (buiten het materiaal) ontstaat.

Figuur 15
Links: De metselmortel is laagvormig opgedeeld. Rechts: Laagvormige opdeling van metselmortel, ontstaan bij vries-dooiproef op een boorkern van ø 50 mm. © TNO Bouw

173 Rodriguez-Navarro 2000, pp. 1527-34.

[p. 149]

Deze bevindingen tonen aan dat er vooralsnog nog steeds veel onduidelijk en onbekend is rond zoutkristallisatieproblemen.

Schadebeeld

Een typisch voorbeeld van cryptoflorescentie wordt in figuur 17 gegeven. Hier vindt kristallisatie plaats achter het voegwerk dat vervolgens naar buiten wordt gedrukt. Het gaat om de muur rondom een kerk waarbij het (nieuwe)

Figuur 16
Vochtverdeling over de muurhoogte voor zowel mortel als steen. © TNO Bouw

voegwerk in cementmortel grotendeels loskomt van de ondergrond die met kalkmortel is opgetrokken.

Onderzoek

Ook in een geval als dit wordt begonnen met een visuele inspectie. Daarbij wordt ook nagegaan of de voeg op niet beschadigde plaatsen hol klinkt. Tevens wordt er bemonsterd om visueel of microscopisch de aansluiting van de metselmortel op de voegmortel te controleren en om de zouten te analyseren.

Voor analyse van zouten is XRD (röntgendiffractie-analyse) aan de uitbloei een goede methode. Daarnaast kan worden onderzocht welke vochtbron verantwoordelijk is voor het transport van de zouten. Gaat het alleen om regen of bijvoorbeeld ook om optrekkend vocht? Het antwoord is van belang voor de reparatie.

Figuur 17
Als gevolg van zoutkristallisatie op het grensvlak van voeg- en metselmortel wordt de voegmortel uitgedrukt. © TNO Bouw

Oorzaak

Er treedt zoutkristallisatie op achter de nieuwe (cementgebonden) voeg. Als de ruimte vol is kan nieuw kristalliserend zout een zeer hoge druk ontwikkelen. Daarbij wordt de voeg naar buiten gedrukt.

Regen- of grondwater vormt het transportmiddel voor de zouten. De steen bevat hoogstwaarschijnlijk vrij veel sulfaat. Tussen oude (kalk)mortel en nieuwe cementmortel

[p. 150]

vindt geen of weinig vloeistoftransport plaats bij het drogen (vergelijkbaar met de situatie die in § 3.2 is besproken). Dit is een gevolg van een verschil in capillairsystemen van de kalkmortel en de cementmortel of van een holte tussen voeg- en metselmortel die is ontstaan door het onvoldoende aandrukken van de voegspecie bij het verwerken. In beide gevallen treedt kristallisatie op ter plaatse van het grensvlak van, of in de holle ruimte tussen deze beide mortels. De druk die de zouten opbouwen leidt tot het afspringen van de voeg. De sterke hechting van de cementgebonden mortel leidt er toe dat hierbij vaak ook delen van de steen afspringen.

Reparatieadvies

Bij eenzijdige beregening van metselwerk (en droging aan de andere zijde) zou de regenzijde beschermd moeten worden. Daarvoor kan gedacht worden aan het schilderen van de gevel, het aanbrengen van een bepleistering of eventueel, indien er geen alternatieven zijn en uit onderzoek blijkt dat dit mogelijk is (zie § 2.2!), het hydrofoberen van die regenzijde.

Bij een goede bescherming tegen indringen van vocht kan een mortel worden gekozen, die zo goed mogelijk overeenkomt met de al aanwezige metselmortel. Een analyse van de samenstelling van de aanwezige mortel is daarom gewenst.

Is er echter een groot risico dat de vochtbelasting blijft bestaan, dan hangt de mortelkeuze ook in belangrijke mate af van de hoeveelheid en het soort zouten dat wordt aangetroffen. Als algemeen principe kan men uitgaan van een nieuwe voegmortel, die door zijn specifieke poriënstructuur de zouten in zijn poriën opneemt. Het poriënvolume van de nieuwe mortel stelt echter hoe dan ook limieten aan de opneembare hoeveelheid zouten. Bovendien kan, als de zoutuitbloei uit sulfaat bestaat, het toepassen van kalkmortel leiden tot het zwellen van de nieuwe mortel door gipsvorming. Bij het toepassen van hydraulische bindmiddelen kan secundair ettringiet en thaumasiet worden gevormd (zie volgende paragraaf). Een sulfaatbestendig cement (laag C₃A-gehalte) verdient dan aanbeveling.

3.4 Vorming van thaumasiet en ettringiet

Aanwezigheid van sulfaat (bijvoorbeeld afkomstig uit de lucht, in de vorm van zwaveldioxide (SO₂), of uit baksteen) kan met componenten uit hydraulische bindmiddelen en in mindere mate bij traskalkmortel leiden tot het ontstaan van expansieve verbindingen zoals ettringiet en thaumasiet. In dit voorbeeld behandelen we schade aan metselwerk in een kalkmortel met hydraulische, trasachtige bestanddelen.

Ettringiet (3 CaO · Al₂O₃ · 3 CaCO₄ · 32 H₂O) is een zwellende verbinding. Bij de productie van cement wordt bewust een geringe hoeveelheid gips aan de

[p. 151]

cementklinker toegevoegd om al te snelle verstarring van de specie te voorkomen. Het gips reageert namelijk met het C₃A. Niet alle C₃A wordt daarmee gebonden, maar de cementdeeltjes worden door het daarbij gevormde primair ettringiet als het ware ingepakt en daardoor van het omringende speciewater afgesloten (zie de paragraaf over portlandcement in § 7.4 van hoofdstuk 3). De volumevergroting bij het ontstaan van primair ettringiet wordt tijdens het begin van de hydratatie min of meer gecompenseerd door de gelijktijdig optredende drogingskrimp en bovendien is de mortel dan nog plastisch. De vorming van primair ettringiet leidt daardoor niet tot schade. Na een zekere tijd wordt het ettringiet ontbonden.

Het ettringiet dat wordt gevormd in een uitgeharde cementmortel - ook wel secundair ettringiet genoemd - beschadigt wel de structuur van de mortel en is daarom schadelijk en ongewenst.

Ettringiet en thaumasiet (CaCO₃ · CaSiO₃ · CaSO₄ · 15 H₂O) zijn verbindingen die gevormd kunnen worden door de reactie van mortelcomponenten met calciumsulfaat en water. Voor het optreden van de reactie zijn een (zeer) hoog vochtgehalte, een relatief lage temperatuur (buitenomstandigheden) en een hoog sulfaatgehalte noodzakelijk. De verbinding neemt een groter volume in dan de oorspronkelijke componenten. Dat kan tot zwelling van de mortel leiden.

In het algemeen wordt aangenomen dat ettringiet met name ontstaat uit de C₃A, die aanwezig is in cement. Daarbij gaat het voornamelijk om het aanwezige Al₂O₃.

De vraag doet zich voor of ook andere mortelbestanddelen die Al₂O₃ bevatten, kunnen bijdragen aan of leiden tot de vorming van ettringiet. Uit recent onderzoek door TNO Bouw¹⁷⁴ blijkt dat tufsoorten (de grondstof van tras) een aanzienlijke hoeveelheid Al₂O₃ bevatten (er werden waarden gevonden tussen 15 en 19%).¹⁷⁵

Ervaringen in enkele schadegevallen, waarbij ettringiet werd aangetroffen en waarin naar alle waarschijnlijkheid hydraulische kalk en tras-kalkmortels waren toegepast, lijkt de mogelijkheid van tras als bron van Al₂O₃ bij het ontstaan van ettringietschade niet uit te sluiten. We moeten echter voorzichtig zijn met een dergelijke conclusie. Zo wordt in oudere literatuur¹⁷⁶ nadrukkelijk gesteld dat de vervanging van portlandklinker door tras de sulfaatbestendigheid (onder zeer vochtige omstan-

174 Brendle 2003.

175 Zie ook Brade 1827 voor een tabel met samenstellingen van puzzolanen. Daaruit blijkt dat volgens hem tras 28% aluminiumoxide bevat. (Zie ook hoofdstuk 2, § 2.9.)

176 Dreyfus 1950, p. 533.

[p. 152]

digheden) juist vergroot! Wellicht zijn de schadegevallen incidenten, toe te schrijven aan een onvolledige kalktrasreactie of aan de aanwezigheid van kleiachtige verontreinigingen in het gebruikte zand. Hierover is het laatste woord zeker nog niet gesproken.

Figuur 18
Links boven: Schadebeeld in de boogdoorgang van een brug: schollen baksteen springen af en voegwerk wordt uitgedrukt. Links onder: Begin van schade, zichtbaar rechtsonder in het boorgat (zie pijltje): er begint een schil van de baksteen los te raken, de metselmortel toont verlies aan samenhang. Rechts: Het (hygroscopisch) vochtgehalte in een van de brugpijlers als functie van de afstand tot het brugdek en als functie van de boordiepte (respectievelijk vijf centimeter, 25 cm en 45 cm). De lijnen rechts geven het vochtprofiel. De lijnen links (zijnde het hygroscopisch vochtgehalte) representeren het zoutprofiel. © TNO Bouw

Voor de vorming van thaumasiet dient de mortel de componenten calciumcarbonaat en calciummonosilicaat te bevatten. Verder is sulfaat nodig in de vorm van calciumsulfaat (gips). Die laatste verbinding kan ontstaan door de reactie van alkalisulfaat uit de (bak)steen of binnengedrongen zwaveloxide uit de lucht met calciumhydroxide of calciumcarbonaat uit de mortel. Voor de vorming van de zouten moet verder veel water voorhanden zijn, niet alleen omdat deze zouten zelf veel water bevatten maar ook en soms vooral om eerst het sulfaat uit de steen naar de mortel te transporteren.

[p. 153]

Schadebeeld

Een typisch schadebeeld is het afspringen van schollen metselwerk. Soms gaat het ook om het uitdrukken van de voegen, gepaard gaand met zwellen, laagvorming in of verkruimelen van de metselmortel. Soms staat de muur daarbij bol. In dat geval kan het beeld gemakkelijk worden verward met dat van vorstschade.

Figuur 19
PFM opname (fluorescentie) van de aangetaste mortel. De donkere zone is een deel met lagere porositeit. In het linker gedeelte (lichtere kleur) is duidelijk sprake van een hogere porositeit als gevolg van het oplossen van het bindmiddel. De aantasting blijkt zowel daaruit als uit de aanwezigheid van concentraties van kristalvormige structuren, aangegeven met Kr. De afmetingen van het getoonde preparaat zijn 2,7 × 1,8 mm (vergroting 50x). Locatie op circa twee meter hoogte (zie figuur 18), diepte vijf tot tien centimeter van muuroppervlak. © TNO Bouw

Ook treedt in bepaalde gevallen sterke verticale (en soms horizontale) scheurvorming in het metselwerk op, die in eerste instantie eenvoudig verward kan worden met constructieve schade (overbelasting, kruip).

Bij het voorbeeld van figuur 18 gaat het om het metselwerk van de boogdoorgangen en de pijlers van een historische, gemetselde brug. Hier springen schollen af, bestaande uit zowel baksteen als voegwerk.

Onderzoek

Bij een dergelijk schadebeeld kan het gaan om vorstschade dan wel om de vorming van verbindingen met grot volume. Er dient altijd bemonsterd te worden om de juiste oorzaak vast te stellen en om inzicht te krijgen in de vochtbron(nen) die hierbij een rol spelen. In figuur 18 rechts is de aangetroffen vochtverdeling weergegeven. Het vochtgehalte is extreem hoog. Het hygroscopisch vochtgehaltelte¹⁷⁷ is echter relatief laag, zeker in de buitenste 25 cm van de constructie.

Behalve gruismonsters voor het vaststellen van het vochtgehalte, werden ook boorkernen genomen over de muurdiepte. Daarbij bleek dat vanaf een diepte van circa veerug centimeter een zachte rode baksteen was toegepast. Deze op lage temperatuur gebakken steen zou een hoog sulfaatgehalte kunnen hebben.

177 Het evenwichtsvochtgehalte van een met vochtaantrekkend (hygroscopisch) zout belast bouwmateriaal bij een bepaalde relatieve vochtigheid van de lucht.

[p. 154]

Om inzicht te krijgen in de aanwezigheid van de genoemde verbindingen vormen petrografie van dunslijppreparaten (PFM) van de mortel een goed uitgangspunt. Daarmee kan ook inzicht worden verkregen in de samenstelling van de mortel. Aangetroffen verbindingen kennen met REM / RMA (Raster Electronen Microscoop / Röntgen Micro Analyse) nader worden onderzocht. Bij het aantreffen van bijvoorbeeld ettringiet of thaumasiet is het verstandig een mogelijke bron van sulfaten op te sporen.

Het onderzoek aan de dunslijppreparaten toont concentraties van waaruit scheuren verlopen (zie figuur 19). Dit preparaat is afkomstig uit een boorkern genomen ter hoogte van ongeveer twee meter. De bewuste verbindingen bevinden zich op een diepte van vijf tot tien centimeter achter het oppervlak.

Te zien is de overgang van een aangetaste zone (A) naar een niet aangetaste zone (NA). In de aangetaste zone is het bindmiddel voor een deel opgelost, waardoor een hogere porositeit (lichtere kleur) is ontstaan dan in de niet aangetaste zone met de oorspronkelijke porositeit (donkere kleur).

De aantasting komt voort uit de vorming van naaldvormige kristallen, die in concentraties (Kr) aanwezig zijn. Met REM / RMA werd aangetoond dat het om thaumasiet ging. Omdat thaumasiet niet hygroscopisch is, vertoont het verloop van het hygroscopisch vochtgehalte (figuur 18 rechts) geen bijzonderheden.

Oorzaak

De vorming van thaumasiet in de metselmortel (een kalkmortel met hydraulische, trasachtige bestanddelen), leidde tot microscheuren en zwelling in de mortel. Door de volumevergroting aan de buitenzijde van het metselwerk ontstond aldaar drukspanning. Dat had het spatten van het metselwerk tot gevolg (in de buitenste zone van het metselwerk wordt druk opgebouwd). Bij dun metselwerk zou dat kunnen leiden tot krom trekken of bol staan. Bij dikker metselwerk is dat niet mogelijk en treedt het spatten op. Door het overeenkomstige schadebeeld wordt het schademechanisme zonder nader onderzoek gemakkelijk verward met vorstschade.

Bepalende factoren zijn de waterpenetratie (via het bovengelegen brugdek en door de gewelven omlaag) en de beschikbaarheid van sulfaat (dit kan van binnenuit komen, namelijk uit de zachte rode baksteen en van buitenaf, bijvoorbeeld van de dieselmotoren van de rondvaartboten). Samen met het gebruik van een kalkmortel met hydraulische bestanddelen (als bepalende materiaalfactor) hebben zij tot dit degradatieproces geleid.

[p. 155]

Reparatieadvies

Uiteraard dient in de eerste plaats vochtbestrijding plaats te vinden (door beperking dan wel onderbreken van de vochttoetreding via het brugdek en via de brugrand).

Afhankelijk van de mate van schade zal voegwerk vervangen moeten worden of zal nieuwe steen ingeboet moeten worden. Omdat de vochtbelasting vooralsnog hoog is en het onzeker is of een volledige bestrijding van de vochtbronnen wel mogelijk is wordt in dit geval het gebruik van een mortel met een sulfaatbestendig bindmiddel geadviseerd.

Bij restauratie van monumenten wordt nogal eens gebruik gemaakt van wit portlandcement, teneinde een betere kleurovereenkomst met de originele mortel te verkrijgen. De meeste witte cementen zijn rijk aan tricalciumaluminaat (C₃A), en daarmee sulfaatgevoelig; met name kan onder condities met voldoende vocht ettringiet worden gevormd.

Als sulfaatbestendige bindmiddelen kunnen onder andere hoogovencement (CEM III), met een dakgehalte >65% en zogenaamd sulfaatbestendig portlandcement (met een laag C₃A gehalte) worden beschouwd.

Bij het gebruik van een traskalkmortel wordt in principe de kalk gebonden aan de tras en worden silicaten gevormd. Het risico van vorming van gips of van zwellende verbindingen is dan geringer. Randvoorwaarde is wel dat gedurende lange tijd voldoende water aanwezig is, anders blijft de tras een inerte toeslagstof. Daar moet bij worden aangevuld dat in tras aanzienlijke hoeveelheid (circa 15%) Al₂O₃ aanwezig kan zijn. In hoeverre dat eventueel weer zou kunnen bijdragen aan de vorming van zwellende verbindingen zoals ettringiet, wanneer de tras-kalk reactie niet tot stand zou komen, is (nog) niet duidelijk.

Aan de toe te passen mortel zijn twee randvoorwaarden te stellen. Allereerst moet een goede aansluiting worden bereikt tussen de reparatiemortel en de oude mortel, teneinde vochttransport (en eventueel zouttransport) naar buiten toe (bij de droging van de constructie) mogelijk te maken. Daarnaast zal de reparatiemortel slechts een betrekkelijk lage hechtsterkte op de steen mogen bereiken, zodat bij eventuele zoutkristallisatieverschijnselen de nieuwe mortel wordt uitgedrukt, zonder aan de omgevende steen schade te berokkenen. De mortel mag niet mechanisch worden verdicht, teneinde de hechting aan de steen en de dichtheid van de mortel beperkt te houden.

3.5 Gipsvorming, zwarte korsten, openbarsten van voegen

Gipsvorming aan kalkmortelvoegen kan zich voordoen door inwerking van zwavelverbindingen (SO_x) uit de atmosfeer. Met name in de vorm van droge depositie op weinig aan sterke regenval blootstaande gevels kan een gipskorst ontstaan. Die is

[p. 156]

van origine wit. Bij de aanwezigheid van veel roetdeeltjes in de lucht ontstaat een (aan het oppervlak) zwartgekleurde gipskorst. De vorming van gips gaat gepaard met enige zwelling. Daardoor kan de gipskorst, na tot enige dikte te zijn aange groeid, zichzelf afdrukken. Er is sprake van oppervlakkige schade, die zich herhaald in de tijd kan voordoen.

Figuur 20
Links: Detail van het openbarsten van de voegmortel. Rechts: Aanwezigheid van zwarte korsten op het voegwerk. Bij een deel van het voegwerk is de korst inmiddels afgevallen © TNO Bouw

Sulfaat kan ook in het metselwerk zelf (bijvoorbeeld in de baksteen) aanwezig zijn en vervolgens van daaruit in de voegmortel terechtkomen. Door de gipsvorming in de mortel kan die zwellen en als gevolg daarvan openbarsten. Daarbij kan onder omstandigheden zoveel druk worden uitgeoefend, dat de steen afschilfert.

Schadebeeld

In figuur 20 zijn twee typerende voorbeelden gegeven van deze vorm van degradatie. Figuur 20 links toont het openbarsten van voegmortel. Het buitenste deel van de mortel vertoont ook verlies aan samenhang. In figuur 20 rechts wordt de aanwezigheid van een zwarte gipskorst op voegwerk getoond. Voor een deel is de zwarte korst intussen afgevallen.

Figuur 21
Openbarsten van de voegmortel door de vorming van Friedels zout. © TNO Bouw

[p. 157]

Onderzoek

Het aangetaste voegmateriaal kan met REM/RMA of XRD worden onderzocht om na te gaan of er sprake is van gipsvorming. Eventueel kan petrografisch onderzoek aan een dunslijppreparaat worden uitgevoerd. Om vast te stellen of het sulfaat, benodigd voor de reactie, afkomstig is uit de baksteen dan wel uit het omgevende milieu, is het van belang het sulfaatgehalte van de baksteen te kennen. Is dat erg hoog dan vormt dat een aanwijzing voor een proces dat vanuit het materiaal zelf is begonnen. Is dat laag, dan moet het sulfaat van elders afkomstig zijn.

Figuur 22
Expansieve gipsvorming aan de binnenzijde van een gebouw. © TNO Bouw

Figuur 23
Links: Laagvormig loskomen van de pleisterlaag en van schollen van het metselwerk aan de binnenzijde van de molen. Rechts: Verkruimelen en openbarsten van de baksteen aan de binnenzijde van de molen. © TNO Bouw

Oorzaak

De gipsvorming ontstaat door de omzetting van kalk in gips. De omzetting gaat gepaard met volumevergroting, die leidt tot openbarsten van de voeg. Als gevolg van de daarmee gepaard gaande verzwakking treedt bij verdere sulfaatvorming verkruimelen op.

[p. 158]

Bij aanwezigheid van een zwarte korst gaat het meestal om een proces van droge (en in mindere mate natte) depositie van luchtverontreiniging (met name van SO₂). Bij aanwezigheid van voldoende vocht in de vorm van regenwater, condens of dergelijke kan de kalk worden omgezet. In geval van openbarsten, zonder zwarte korst, betreft het meestal sulfaat uit de ondergrond (met name uit de baksteen).

Een vergelijkbaar schadebeeld (openbarsten) kan overigens ook bij de aanwezigheid van chloride optreden. Dit wordt geïllustreerd door figuur 21.

In het daar getoonde geval ging het om een voeg met als samenstelling 1:3 in volumedelen (1 kalk:3 zilverzand), waaraan een beetje witte portlandcement was toegevoegd. De gevel was in een monumentaal stadsbeeld nieuw opgetrokken met behulp van bakstenen afkomstig van een oud pand. De bakstenen waren van oude mortelresten ontdaan door ze te drenken in een oplossing van zoutzuur. Na verloop van tijd werden ze met behulp van stromend kraanwater gespoeld, totdat de zuurgraad (pH) van het uitstromende water neutraal was geworden (pH = 7). De stenen werden gedroogd en gebruikt. Na verloop van circa twee jaar ontstond de eerste schade (openbarsten van de voegen). Uit onderzoek kwam vast te staan dat de bakstenen en de mortel een zeer hoog chloridegehalte hadden. Voor de mortel was dat 1% van het mortelgewicht, hetgeen overeenkwam met ongeveer 2,5% van het cementgewicht. Het maximum toegestane gehalte bedraagt 0,02% ten opzichte van het cementgewicht. De schade ontstond uiteindelijk omdat uit de reactie tussen tricalciumaluminaat (uit wit portlandcement) en de nog steeds aanwezige chloriden uit de baksteen een zwellende verbinding kon ontstaan, die bekend staat als Friedels zout (3 CaO · Al₂O₃ · CaCl₂ · 10 H₂O).

Reparatieadvies

In principe zou bij het ontstaan van zwarte korsten weer dezelfde mortelsamenstelling (kalkmortel) als aanwezig opnieuw kunnen worden toegepast. Bij het ontstaan van gipsvorming van binnenuit, waarbij veelal sprake zal zijn van een geconcentreerder en sneller aanbod van sulfaat, is de toepassing van een sulfaatbestendig bindmiddel te overwegen. Wel dient men andere compatibiliteitsoverwegingen te betrekken bij de keuze (zie bijvoorbeeld § 3.2).

3.6 Expansieve gipsvorming aan de binnenzijde van een gebouw

Expansieve gipsvorming aan de binnenzijde van een gebouw is een schade die we vooral kennen uit gebouwen met een zekere schoorsteenwerking, waarbij mede als gevolg van een relatief sterke droging aan de binnenzijde sprake is van een vochttransport van buiten naar binnen. Typische voorbeelden daarvan zijn molens en (kerk)torens.

[p. 159]

Zoals in § 3.5 is opgemerkt, kan sulfaatvorming (gipsvorming) vanuit het metselwerk zelf optreden. De gipsvorming kan dieper in de mortel plaatsvinden en door de daarmee gepaard gaande zwelling kan een laag van het metselwerk afspringen. Ook kan onder bepaalde omstandigheden de gipsvorming in de buitenste laag van de baksteen zelf voorkomen. Het gevolg kan dan zijn het ontstaan van een soort blaren aan het oppervlak van de steen, die uiteindelijk openbarsten.

Schadebeeld

Het schadebeeld dat wordt getoond in de figuren 22 en 23 komt voor aan de binnenzijde van de muur van een windmolen. Er treedt laagvorming aan baksteen en pleisterlaag op, alsmede het verkruimelen van de metselmortel aan de binnenzijde van de muur en tenslotte het openbarsten (blaarvorming) van het baksteenoppervlak. De molen is aan de buitenzijde gehydrofobeerd. Deze behandeling blijkt niet erg doeltreffend te zijn. De muren van de windmolen zijn hellend. Hydrofoberen helpt in dit soort situaties nauwelijks en heeft eigenlijk alleen het negatieve effect dat het drooggedrag aan de buitenzijde ongunstig wordt beïnvloed. Samen met de goede ventilatie van de binnenruimte van de romp heeft dit geleid tot het ontstaan of versterken van een grote vochtstroom van de buitenzijde naar de binnenzijde van het metselwerk.

Onderzoek

Het is allereerst van belang om antwoord te krijgen op de vraag of en hoe er voldoende vocht aan de binnenzijde van de constructie kan komen. Daarom werd het vochtverloop over de muurdoorsnede bepaald (zie figuur 24). Verder moeten de aard van de uitbloei en van het uiteengevallen materiaal met bijvoorbeeld REM / RMA (zie figuur 25) of met XRD worden onderzocht. Eventueel kan met behulp van PFM microscopie aan een dunslijppreparaat de samenstelling van de mortel en van het materiaal in het aangetaste gebied worden bepaald.

Het vochtprofiel over de muurdiepte toont een betrekkelijk hoog vochtgehalte, hetgeen wijst op vochtpenetratie uit een externe bron. Op grond van het hygroscopisch vochtgehalte wordt vastgesteld dat er sprake is van een betrekkelijk lage concentratie aan hygroscopische zouten. Dit is in lijn met de bevindingen van het REM / RMA onderzoek, waaruit blijkt dat gips aanwezig is. Gips is namelijk een niet-hygroscopisch zout.

Oorzaak

De oorzaak van de schade ligt in de omzetting van de kalkmortel in gips en, gezien het schadebeeld van figuur 23, ook in omzetting van in de steen aanwezige kalk. De

[p. 160]

Figuur 24
Vochtverdeling over de muurdoorsnede. Ook het hygroscopisch vochtgehalte wordt getoond. © TNO Bouw

gipsvorming gaat gepaard met volumevergroting en daarmee met de opbouw van druk. Dat leidt tot het afdrukken van de pleisterlaag en tot het loskomen van schollen van het metselwerk. De gipsvorming vindt in dit geval met name plaats aan het binnenoppervlak van de muur. De reden daarvan is dat het vocht- en zouttransport (regendoorslag) hier voornamelijk van buiten naar binnen optreedt. Aan het binnenoppervlak vindt de droging plaats en uiteindelijk ook de omzetting.

Figuur 25
Links: Een REM foto van de aangetaste zone toont gipskristallen. © TNO Bouw Rechts: RMA spectrum toont de aanwezigheid van Ca, S en O: CaSO₄ (gips). © TNO Bouw

Het binnendringen van regenwater kan zeker bij molens niet door hydrofoberen worden verholpen. De meest waarschijnlijke bron van sulfaat is in dit geval de zachte rode baksteen, die is toegepast aan de binnenzijde van de massieve muren. Vrijwel zeker speelt ook het klimaat binnen de molen (zeer sterke luchtbeweging) een rol bij dit schadebeeld. Door de bevochtiging van buitenaf en de sterke droging aan de binnenzijde komt het sulfaat in de buurt van het binnenoppervlak terecht.

Overigens kan hier ook een tweede schadeproces een rol spelen. Door de invloed van vorst kan na een natte periode in de winter zelfs vorstschade aan de binnenzijde ontstaan. Uiteraard moet het metselwerk daartoe aan de binnenzijde van de molen tot onder het vriespunt kunnen afkoelen en moet de steen aan de binnenzijde van de muur een zeer hoog vochtgehalte kunnen krijgen. In de al door gipsvorming verzwakte structuur kan dit proces bijdragen aan het schadebeeld dat in figuur 23 is getoond.

[p. 161]

a

b

c

d
Figuur 26
Voorbeelden van encrustaties (34 a. Vestingmuur, 34 b. Historische brug, 34 c. Tunnel in Nanjing in China, 34 d. Tunnel. Duidelijk voorbeeld van stalactietvorming. Vooral in het geval van de vestingmuur is een harde glasachtige structuur aanwezig, die moeilijk te verwijderen is. De uitloging kan de vorm krijgen van stalactieten, zoals het voorbeeld van de tunnel in Nanjing toont. 34a en b: © TNO Bouw, 34c en d: © C.J.W.P. Groot

Reparatieadvies

De penetratie van regenwater zou zoveel mogelijk voorkomen moeten worden. Gezien het feit dat de nu aan de buitenzijde aanwezige voegmortel er uitstekend uitziet, de hydrofobering op steen en op mortel afzonderlijk goed functioneert, maar er toch op de aansluiting van de voegen op de baksteen waterpenetratie optreedt, heeft het weinig zin om opnieuw te voegen of te hydrofoberen. Het hydrofoberen heeft juist bijgedragen aan de schade en we zouden deze behandeling graag

[p. 162]

ongedaan willen maken. (Uit onderzoek naar vochtproblemen bij molens is gebleken dat het effect van hydrofoberen daar doorgaans negatief is.¹⁷⁸) In dit geval kunnen we het probleem dus niet vanaf de buitenzijde oplossen en moeten we de watertoevoer voor lief nemen.

De enige oplossing zit in een benadering aan de andere kant. Daartoe moeten de pleisterlaag en de loszittende delen van het metselwerk verwijderd worden. Ook de (metsel)mortel dient over de diepte van de aantasting te worden verwijderd. Als reparatiemortel zou een mortel op basis van een sulfaatbestendig bindmiddel het best functioneren. Daarna kan de muur worden afgewerkt met een zoutbestendige open poreuze restauratiemortel.

178 Groot 2002.

3.7 Uitloging

Bij uitloging (en daarop volgende afzetting) gaat het om mortelbestanddelen, die naar het muuroppervlak worden getransporteerd en daar afzettingen vormen. Uitloging is vooral het gevolg van stroming van water en nauwelijks van normaal capillair transport. In droge muren (waar sprake is van damptransport) speelt uitloging uiteraard geen rol.

Schadebeeld

De figuren 26 a tot en met d zijn voorbeelden van het hier beschreven verschijnsel. Daarin worden een muur behorend tot de vestingwerken van een monumentale stad, een gerestaureerde historische brug en een tunneltje getoond. Het gaat hier om afzettingen ten gevolge van uitloging van het bindmiddel van de mortel. Dergelijke vormen van afzetting worden ook wel encrustaties genoemd.

Onderzoek

Onderzoek zal in dit soort gevallen voornamelijk gericht zijn op het vinden van mogelijke inwateringspunten en andere vochtbronnen. Zo zal de detaillering van aansluitingen goed moeten worden gecontroleerd in verband met inwatering. Ook onderzoek naar de vochtverdeling in de constructie kan van belang zijn bij het opsporen van de vochtbron. Tenslotte kan de samenstelling van de afzetting worden geanalyseerd.

Oorzaak

Het gaat in dergelijke gevallen om afzetting van uitgeloogde mortelbestanddelen (met name nog niet gecarbonateerde kalk). De afzetting bestaat bij kalkmortels

[p. 163]

grotendeels uit calcietachtig materiaal, maar bevat in het geval van hydraulische kalk en zeker bij cementmortels ook silicaten. Er is in die laatste gevallen sprake van een meer of minder harde, glasachtige structuur met een goede hechting aan de ondergrond.

De afzetting begint vaak op een lintvoeg, die enkele stenen lager ligt dan waar het inwateren plaatsvindt. Dit komt doordat het metselwerk een zekere kolom water van binnenuit kan dragen.

Waterpenetratie (regen), meestal van bovenaf of water dat van achteren toetreedt bij grondkerende muren zijn de meest voorkomende vochtbronnen. Het type mortel (bindmiddel) en misschien ook het al dan niet aanwezig zijn van een luchtbelvormer kunnen verder de ernst bepalen. De invloed van de luchtbelvormer zou te maken kunnen hebben met het feit dat deze het watervasthoudend vermogen van de mortel vermindert, waardoor meer kalkwater naar de steen of het buitenoppervlak getransporteerd kan worden. (Op de capillaire activiteit hebben luchtbelvormers geen invloed; daarvoor zijn de luchtbellen te groot.) Het gevolg zal met name een sterkere mate van kalkuitbloei zijn. Of hierdoor ook een sterkere uitloging zou kunnen optreden is echter nog slechts een niet bevestigde hypothese.

Reparatieadvies

Een adequate vochtbestrijding is natuurlijk van groot belang. Overmatige watertoetreding dient te worden tegengegaan door bijvoorbeeld het aan de bovenzijde afdekken van muren, het dichten van scheuren of het waterdicht bekleden van grondkerende muren aan de grondzijde.

Een belangrijke vraag is, hoe dergelijke afzettingen zijn te verwijderen. Korsten dienen bij voorkeur afgestoken of afgebikt te worden. Restanten kunnen daarna soms door voorzichtig stralen of borstelen worden verwijderd.

Bij de keuze van mortels bij restauratie of nieuwbouw moet worden bedacht dat kalkmortels calcietuitloging kunnen geven en cementmortels naast calcietuitloging tevens silicaatuitloging. Calciet is eenvoudiger te verwijderen. De kans op uitloging lijkt het geringst bij de toepassing van tras kalk, omdat de tras de vrije kalk kan binden.

3.8 Erosie en uitspoeling

Schadebeeld

Het gaat in het voorbeeld van figuur 27 om een stadsmuur, gemetseld met een kalkmortel. De mortel vertoont erosie als gevolg van uitloging door langsstromend

[p. 164]

regenwater. Belangrijk bij dit verschijnsel zijn zware expositieomstandigheden, die bijvoorbeeld ook bij geveltoppen kunnen voorkomen.

Onderzoek

In het algemeen is niet meer nodig dan een visuele inspectie. Wanneer een kalkmortel zeer jong al gaten begint te vertonen is nader onderzoek wel aan te bevelen, met name naar de samenstelling van de mortel en de mogelijke aanwezigheid van zouten (met name chloriden, bijvoorbeeld in de nabijheid van de zee).

Figuur 27
Detail van de geërodeerde kalkmortel van een oude stadsmuur. © TNO Bouw

Oorzaak

Als gevolg van langsstromend regenwater en slagregen wordt de kalk opgelost. Het koolzuur uit regenwater zet het weinig oplosbare calciumcarbonaat om in goed oplosbaar calciumbicarbonaat. Dit leidt tot afzetting van mortelbestanddelen op het muuroppervlak

Het ontstaan van een gaterige structuur in de mortel kan duiden op dichtheidsverschillen of ongelijkmatigheden in de samenstelling (ongelijkmatige verdichting of slechte menging; het laatste komt het meeste voor) of op verbranden van de mortel.

Reparatieadvies

Zo mogelijk dient te worden voorkomen dat grote hoeveelheden regenwater over het metselwerk aflopen en met name dat als gevolg van een bepaalde detaillering grote hoeveelheden water geconcentreerd op het oppervlak terecht zullen komen.

Figuur 28
Zwak, aangetast traskalkvoegwerk. © TNO Bouw

Kalkmortel is niet bestand tegen overmatig langslopend regenwater. Met name een mortel op basis van luchtkalk is daarvoor gevoelig. Alternatieven zijn

[p. 165]

de toepassing van hydraulische kalk of van kalk met puzzolanen (bijvoorbeeld een mortel van tras, kalk en zand in een bepaalde verhouding). De laatste dient overigens wel in het warme jaargetijde te worden aangebracht en dient daarbij gedurende lange tijd (minimaal vier weken) goed natgehouden te worden,

Figuur 29
Aantasting van een voeg door zeezout. Opmerkelijk is dat de aantasting begint op het raakvlak van steen en mortel. © TNO Bouw

omdat anders het risico bestaat dat het puzzolaan na carbonatatie van de kalk als inert toeslagmateriaal overblijft. In dat geval ontstaat er een betrekkelijk zwakke mortel, met alle kans op de beschreven uitspoeling. De kwaliteit van het puzzolaan speelt uiteraard een grote rol. Niet elk puzzolaan heeft voldoende reactiviteit met kalk om hydraulische mortel te vormen.

3.9 Zwakke mortel (vroegtijdige verwering)

De keuze van een (voeg)mortel dient altijd afgestemd te zijn op de condities waaronder hij dienst zal doen. Het gebruik van traskalkmortels was wijdverbreid in Nederland en in België. Naast tras komt ook vaak gemalen baksteen als puzzolaan voor in oude mortels. Dergelijke mortels met tras of met gemalen baksteen werden met name toegepast in waterbouwkundige werken en in funderingen (vandaar ook het trasraam), kortom in constructies met een hoge waterbelasting. In veel restauraties in de afgelopen tien tot vijftien jaar zijn traskalkmortels ook toegepast voor reparatievoegwerk. De achtergrond daarvoor ligt zowel in het streven naar een echt Nederlandse, oude mortelsamenstelling, als in het streven naar een met het monument compatibele mortel met betere eigenschappen dan cementmortels (minder hard, minder stijf, taaier). Dergelijke mortels werden in het verleden echter niet gebruikt voor navoegwerk. De toepassing van traskalkmortel voor navoegwerk stemt dus niet overeen met de traditie. Wellicht is de keuze vooral gebaseerd op een gering vertrouwen in zuivere kalkmortels. Daarom wordt ook vaak cement aan deze mortels toegevoegd.

In veel van het recente navoegwerk met traskalkmortels hebben zich problemen voorgedaan. De redenen daarvoor zullen hierna worden besproken.

Omdat tras alleen reactief is in de aanwezigheid van voldoende water en van nog niet gecarbonateerde kalk, dient een snelle droging van traskalkmortels te worden voorkomen. Wanneer geen rekening wordt gehouden met de noodzakelijke

[p. 166]

verhardingscondities, zal een geringe samenhang en ook een geringe duurzaamheid het gevolg zijn. Ervaring leert dat de traskalkmortels zelfs nog langer dan cementmortels vochtgig gehouden moeten worden.

Schadebeeld

In figuur 28 wordt de schade getoond aan een van de gevels van een kerktoren. De voegmortel die was voorgeschreven had een samenstelling 1:1:6 (tras: kalk: zand) in volumedelen. Aangezien de voegers klaagden over de verwerkbaarheid, werd extra zand (15%) toegevoegd. Na twee tot drie jaar was de voegmortel al sterk verweerd.

Onderzoek

Er werd een visuele inspectie uitgevoerd. Hierbij bleek dat de sterkste verwering was opgetreden aan de westgevel. De mortel vertoonde daar vrijwel geen samenhang. Meting van de voeghardheid toonde een hardheid¹⁷⁹ van 12 tot 20. Normaal varieert de hardheid van een kalkvoeg van 25 tot 35. Verder werd onderzoek uitgevoerd naar de mortelsamenstelling die uiteindelijk tot stand is gebracht. Onderzoek met behulp van PFM aan een dunslijppreparaat gaf inzicht in zowel de samenstelling en de porositeit als in de mate van carbonatatie van de kalk. Daarnaast kan ook chemische analyse meer inzicht geven in de samenstelling van de mortel.

Uit het PFM-onderzoek bleek dat de kalk al vrijwel volledig gecarbonateerd was. Een reactie met de tras was echter nauwelijks tot stand gekomen.

179 Van der Klugt 1993.

Oorzaak

Tras zelf kan niet als bindmiddel werken. Het is een puzzolaan materiaal, hetgeen betekent dat het alleen in aanwezigheid van kalk (gebluste kalk of de beperkte hoeveelheid kalk die vrijkomt bij de reactie van de portlandklinker) en water als bindmiddel fungeert. De reactie verloopt vrij traag, zeker bij een lage omgevingstemperatuur. In dit geval was het voegwerk in de maanden december en januari uitgevoerd, hetgeen vanuit het laatstgenoemde oogpunt niet verstandig is. Het risico bij voegwerk van traskalk is groot, dat het aanwezige vocht verdampt is voordat de reactie heeft plaatsgevonden. Intussen kan de kalk wel met kooldioxide uit de omgeving reageren tot calciumcarbonaat. Wanneer die omzetting heeft plaatsgevonden is de kalk niet meer beschikbaar voor de kalktrasreactie en de tras gedraagt zich

[p. 167]

daarom slechts als een (inerte) toeslag. De traskalkmortel zal daardoor uiteindelijk maar weinig sterkte ontwikkelen. In wezen is er sprake van verbranden van de mortel.

In het onderhavige geval is de voegmortel nog eens extra zwak geworden door de toevoeging van nog meer zand. Uiteindelijk zal de snelste verwering optreden op de gevels met de hoogste vochtbelasting (west of zuidwest).

Reparatieadvies

De aanwezige voegmortel dient te worden verwijderd. In principe is traskalk niet het meest geschikte bindmiddel om in voegwerk toe te passen, vanwege het risico van te snelle uitdroging (verbranden) en het niet tot stand komen van de traskalkreactie.

Een alternatief is de toepassing van hydraulische kalk. Wordt toch voor traskalk gekozen (tras, kalk en zand in de verhouding 1:1:2) dan dienen daarvoor gunstige omstandigheden te worden gekozen of zonodig te worden gecreëerd. De traskalkmortel zal in het warme jaargetijde aangebracht moeten worden en zal daarbij tevens gedurende lange tijd (minimaal vier weken) goed nat gehouden moeten worden, omdat anders de kans op de bovenbeschreven schade groot is.

3.10 Effect van zeezouten op kalkmortel

Schadebeeld

Figuur 29 toont het typische schadebeeld van de aantasting van voegwerk door zeezouten. De schade begint op de grens van steen en voeg.

Oorzaak

Bij kalkmortels in de nabijheid van de zee kan omzetting plaatsvinden van calciumcarbonaat (CaCO₃) met de belangrijkste component van zeezout (NaCl) tot het makkelijk oplosbare calciumchloride (CaCl₂). Overigens kan ook een harde voegmortel op cementbasis door hetzelfde proces worden aangetast. De aantasting vindt vooral plaats langs de rand van de steen. Dit komt doordat ook de steen zouten opneemt die als aërosol komen aanwaaien. De steen geeft deze zouten vervolgens door aan de voegmortel.

Reparatieadvies

Kalkarme mortels verdienen in de nabijheid van de zee de voorkeur, met name aan de op de regen- en windzijde georiënteerde gevels. De toepassing van hoogovencement biedt de beste mogelijkheden. Verder is gebleken dat het door de mortel mengen van zekere kunstharsemulsies de snelheid van aantasting sterk kan afrem-

[p. 168]

men. Wel dient men andere compatibiliteitsoverwegingen te betrekken bij de keuze (zie bijvoorbeeld § 3.2).

3.11 Hygroscopisch gedrag van een pleisterlaag en voegmortel

Veel zouten kunnen vocht opnemen uit de lucht, als gevolg van hun hygroscopische eigenschappen. Overigens zijn niet alle zouten in dezelfde mate hygroscopisch. Indien hygroscopische zouten aanwezig zijn in het poriesysteem aan het oppervlak van bouwmaterialen, dan kunnen die materialen bij een voldoende hoge relatieve luchtvochtigheid (RV) vochtplekken gaan vertonen.

Figuur 30
Vochtplekken op het muuroppervlak onder invloed van verhoging van de RV van de omgevingslucht (links en midden). De cijfers geven de hoogte boven het vloeroppervlak van bemonsteringsplaatsen. Rechts is door de pleisterlaag heen ook het effect van de hygroscopiciteit van de voegen zichtbaar. © TNO Bouw

Schadebeeld

In het hier getoonde voorbeeld gaat het om de binnenmuren van een gerestaureerd monument. De schade bestaat uit vochtplekken, die lijken te komen en gaan, mede onder invloed van wisselingen in het buitenklimaat en bij aanwezigheid van grotere aantallen personen in de ruimte. Dit verschijnsel wordt ook opvallend vaak in kerkgebouwen aangetroffen.

Onderzoek

Om dit type schade te onderzoeken, zullen gruismonsters van de mortel moeten worden genomen. Het hygroscopisch gedrag bij verschillende relatieve vochtighe-

[p. 169]

den moet worden bepaald en er dient onderzoek naar de aard van de zouten (bijvoorbeeld met REM / RMA en XRD) te worden uitgevoerd.

In dit geval werd als experiment in het vertrek stapsgewijs de luchtvochtigheid verhoogd met een luchtbevochtiger. Het verschijnen van de vochtplekken bleek overeen te komen met het hygroscopisch gedrag van de gruismonsters, die uit pleisterlaag en muur werden genomen.¹⁸⁰

180 Van Hees 1990.

Oorzaak

Het hygroscopisch gedrag van zouten, die aan het muuroppervlak en in de pleisterlaag zijn afgezet, vormt de verklaring voor het verschijnsel. Wijzigingen in de relatieve vochtigheid van de lucht en het gedrag van de zouten leiden tot het ontstaan en weer grotendeels verdwijnen van de vochtplekken.

Figuur 31
REM-foto, die natriumzouten toont aan het oppervlak van de pleisterlaag. © TNO Bouw

Reparatieadvies

Toepassen van een meerlaags zoutbergend pleistersysteem in plaats van de aanwezige pleisterlaag, kan het probleem definitief oplossen. In principe kan ook het vervanging van de pleisterlaag door een pleister met een samenstelling als de huidige een oplossing bieden. Wanneer echter de achterliggende constructie en met name de voegmortel vocht en zouten bevat, bestaat het risico dat de verschijnselen terugkomen. Figuur 30 rechts laat het effect van de onderliggende voegen zien. Dat wijst er op dat de voegmortel veel hygroscopische zouten bevat.

Daarnaast bestaat wellicht de mogelijkheid door het beheersen van de luchtvochtigheid binnen de situatie beter onder controle te krijgen.

3.12 Biologische groei

Schadebeeld

Bealging en andere vormen van biologische groei (mossen, varens, hogere planten en dergelijke) hebben in belangrijke mate te maken met de aanwezigheid van vocht. Afhankelijk van het totale beeld van aantasting kan biologische groei als behorend bij het uiterlijk van het monument dan wel als afbreuk doend aan de waarde ervan

[p. 170]

worden gezien. Daar speelt uiteraard ook de persoonlijke appreciatie van de beschouwer een rol bij.

Er zijn vooralsnog geen aanwijzingen dat kalkmortels qua gevoeligheid voor biologische aantasting afwijken van cementmortels, met name waar het algengroei betreft. Soms biedt de historische ondergrond een voedingsbodem voor (zeldzame, beschermde) planten. Met name in die situatie is het van belang een goede balans te kiezen tussen het behoud van het cultuurhistorisch en het natuurlijk erfgoed. Kalkmortels blijken voor sommige planten een betere voedingsbodem te zijn dan cementgebonden mortels. De reden daarvoor ligt overigens eerder bij fysische factoren (zoals watervasthoudend vermogen en een snellere verwering en daarmee de toegankelijkheid voor wortelgroei) dan bij de zuurgraad van dergelijke ondergronden, die voor kalk- en cementmortels vrijwel gelijk is.

Er kan geen algemene regel worden gegeven, hoe met het behoud van planten moet worden omgegaan. Per geval zal de situatie moeten worden beoordeeld. In diverse publicaties¹⁸¹ wordt verder ingegaan op het behoud van zeldzame planten.

181 Schober 1995 en Handleiding 1988.

Onderzoek

Onderzoek dient vooral te zijn gericht op het opsporen van de vochtbron en op de aanwezigheid van planten, die wortels vormen in het metselwerk. Met name door de wortelgroei van snelle groeiers als vlier en berk ontstaat gemakkelijk schade aan het metselwerk. Algen en korstmossen vormen zelden een probleem.

Mos onttrekt grondstoffen (kalk) aan de mortel,¹⁸² maar mosvorming moet vooral opgevat worden als een signaal dat er een vochtprobleem speelt en niet als een probleem op zichzelf.

182 Rijksdienst 1999; zie ook Adan 2003.

Oorzaak

De oorzaak van biologische aantasting is in belangrijke mate gelegen in de aanwezigheid van vocht. Met name wanneer de detaillering van aansluitingen te wensen overlaat of lekkages van watervoerende elementen als goten en hemelwaterafvoeren optreden (figuur 33 rechts), kunnen storende vormen van biologische groei optreden.

[p. 171]

Reparatieadvies

Het bestrijden van vochtbronnen en de zorg voor adequate detaillering zijn de voornaamste uitgangspunten bij het voorkomen van ongewenste biologische groei. Daarnaast kan in algemene zin gesteld worden dat houtvormende gewassen zullen leiden tot wortelgroei en daarom verwijderd moeten worden, terwijl de groei van oppervlakkig blijvende gewassen als Hedera (klimop) beheersbaar dient te blijven (regelmatig snoeien).¹⁸³

183 Een handige regel daarbij is wel dat klimplanten langs muren nooit hoger mogen groeien dan de tuinman met zijn snoeischaar kan reiken (gesnoeide stukken van de planten kunnen dan nog gemakkelijk worden verwijderd). Uiteraard geldt deze regel alleen wanneer goten, pannen daken en dergelijke zich op voldoende hoogte bevinden om bij toepassing van de regel van plantengroei gevrijwaard te blijven.

4 Bezint eer ge begint

Het volgende hoofdstuk, dat handelt over de toepassing van kalk in de praktijk, begint met een gedeelte dat ingaat op onderzoek. In sommige gevallen, waar het om kleine reparaties gaat, ligt het niet altijd voor de hand om eerst een onderzoek uit te voeren. De kosten die voor onderzoek gemaakt moeten worden staan dan niet in verhouding met de kosten die met de kleine reparatie gepaard gaan. Datzelfde kan gezegd worden met betrekking tot de samenstelling van de mortel. Waar het om een enkele vierkante meter voegwerk gaat, zal men snel naar een in de handel verkrijgbare standaardmortel grijpen. Wanneer dit met inzicht en kennis van zaken gebeurt, is daar ook niets mis mee. Een goed vakman heeft immers voldoende kennis van zaken om, waar de oorzaak van de schade evident is, op grond van ervaring het juiste materiaal te kiezen.

Daar staat echter tegenover dat het merendeel van de huidige bouwvakkers hun kennis aan de moderne bouwkunde en dus vooral aan de praktijk van het metselen en voegen van halfsteens buitenspouwbladen met een cementmortel ontlenen. Bij het herstel van traditioneel metselwerk is de standaardmortel waar zij naar zullen grijpen niet automatisch de geëigende mortel voor dit type werk.

De huidige bouwpraktijk kent geen onderzoekstraditie en er wordt vaak argwanend tegen onderzoekers en andere wetenschappers aangekeken. Wat men daarbij gemakkelijk uit het oog verliest, is dat voor het meeste onderzoek slechts een budget nodig is, dat qua omvang maar een fractie vormt van de kosten die bijvoorbeeld alleen al voor het steigerwerk of andere bouwplaatsvoorzieningen gemaakt moeten worden. Zoals in voorliggend hoofdstuk is aangetoond, is het aantal valkuilen waarin men zonder onderzoek kan lopen legio. Dat geldt overigens niet al-

[p. 172]

Figuur 32
Biologische groei. Links: Pampus, één van de meest complete staalkaarten van degradatieverschijnselen, die in Nederland is te vinden. Rechts: Jacobaburcht Oostvoorne. Muurvarens in de gereconstrueerde benedenzone van de woontoren. © Bert van Bommel

Figuur 33
Links: Voorbeelden van algengroei en andere vormen van biologische aantasting op een oude muur. Rechts: Algengroei, veroorzaakt door tekort schietende capaciteit van watervoerende elementen. © TNO Bouw

[p. 173]

leen voor de toepassing van kalkmortels, maar ook voor de toepassing van cementmortels, zoals hier ook al is aangegeven. Een pleidooi voor het uitvoeren van onderzoek en het weloverwogen kiezen van de toe te passen materialen is daarom zeker op zijn plaats.

Waar het in dit hoofdstuk vooral ging over onderzoek nadat problemen zijn gerezen, gaat het in het volgende hoofdstuk echter over onderzoek dat verricht moet worden voordat men een mortel gaat toepassen. Bezint eer ge begint, en dat geldt voor kalkmortels uiteraard net zo zeer als voor cementmortels!

Voorafgaande bezinning is ook nodig met betrekking tot de eisen die men aan de nieuwe mortel stelt. Die vormen immers de basis voor de keuze van de mortelsamenstelling en de werkwijze. Naast een technisch aspect kennen deze eisen ook een ethisch aspect. Ook dat aspect dient meegenomen te worden, want in de monumentenzorg gaat het immers niet alleen om bouwwerken, maar eerst en vooral om erfgoed dat aan onze zorgen is toevertrouwd.

Eerst nadat onderzoek en te stellen eisen zijn behandeld wordt in hoofdstuk 5 verder ingegaan op de toepassing van kalk op de bouwplaats. Daarbij komt niet alleen de historische bouwpraktijk aan de orde, maar worden ook aanwijzingen gegeven voor de toepassing van kalkmortels in de nieuwbouw en restauratie van de eenentwintigste eeuw.