Conference paper

Dreyfuss, Tabitha; Cassar, JoAnn:

Consolidating porous limestone: from the laboratory to the field

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The consolidation of a soft porous limestone, often heavily contaminated with soluble salts, and generally found making up the architectural and archaeological fabric in the Mediterranean, is being discussed here, in particular ammonium oxalate treatment. This treatment was chosen following positive results published in the literature and extended local research. The lack of suitable consolidating treatments for porous stone in such environments, as well as possible interactions of the proposed treatment with the naturally occurring soluble salts on site, initiated this research programme. The long-term study, which was structured into three independent but interrelated phases, aimed at investigating such possible interactions, one variable at a time, in the laboratory, and led to an understanding of the complex interactions on site. Soft and porous limestone is particularly susceptible to salt deterioration; one typical example of this is the Maltese Globigerina Limestone, a highly porous limestone which is representative of others present in the Mediterranean (other similar examples include Pietra di Lecce and Pietra di Noto). This limestone from Malta was used throughout this research. Three soluble salt types were identified as being the most representative of a Mediterranean scenario, these being chlorides, sulfates and nitrates. In Phase 1, previously desalinated quarry samples were artificially contaminated with individual chloride, sulfate and nitrate salts of sodium, treated with ammonium oxalate and tested, under controlled laboratory conditions. This study then progressed to Phase 2, where a parallel set of salt-contaminated samples, identical to those studied in Phase 1, were introduced to external inland, urban conditions, treated on site, allowed to weather naturally for 1 year and then similarly tested in situ. In the third and final phase, naturally weathered stone on a wall in the same urban environment, forming part of a historical building, was characterized, treated and tested on site. In all cases, treatment was applied using a 5% ammonium oxalate monohydrate poultice, as established in the early 1980s. The testing, on untreated and treated stone, was designed to evaluate aesthetic changes through colorimetry, depths of calcium oxalate formation and physical properties of newly formed calcium oxalate through Drilling Resistance Measurement System (DRMS) and the tape test as well as the water transport properties through the contact sponge method. Treatment resulted in an aesthetic improvement, surface consolidation was verified, while adequate water transport properties in the liquid phase were retained. The depth of whewellite formed, which ranged from 0.7 mm to 1.6 mm, was found to be related to the presence of soluble salts during treatment. Results were considered to be very positive and also brought out further areas of research that merit investigation for the continued development of in situ conservation of salt-contaminated porous limestone, which could be applicable to similar stones in the Mediterranean. This will however need to be preceded by even further research, especially in situ.

Konsolidierung von porösem Kalkstein: vom Labor ins Feld

Diskutiert wird die Konsolidierung von weichem, porösem Kalkstein, der oft stark mit löslichen Salzen verunreinigt ist und allgemein das architektonische und archäologische Gefüge im Mittelmeer bildet. Dies insbesondere in Hinblick auf die Ammoniumoxalat-Behandlung, die nach in der Literatur veröffentlichten positiven Beispielen und umfangreicher lokaler Forschung ausgewählt wurde.
Den Anlass für dieses Forschungsprogramm bildete der Mangel an geeigneten Konsolidierungsbehandlungen für poröses Gestein sowie mögliche Wechselwirkungen der bisher bekannten Behandlung mit den natürlich vorkommenden Salzen vor Ort. Die Langzeitstudie, die in drei unabhängige aber zusammenhängende Abschnitte gegliedert war, zielte darauf ab, mögliche Wechselwirkungen im Labor zu untersuchen und führte zum Verständnis der komplexen Wechselwirkungen vor Ort.
Weicher und poröser Kalkstein ist besonders anfällig für Schädigungen durch Salze. Ein typisches Beispiel ist der maltesische Globigerinenkalk, ein hochporöser Kalkstein, der für andere im Mittelmeer repräsentativ ist (andere ähnliche Beispiele sind Pietra Leccese und Pietra di Noto) und im Fokus dieser Untersuchungen stand. Es wurden drei, für den Mittelmehrraum repräsentative lösliche Salztypen identifiziert: Natriumchlorid, -sulfat- und -nitrat. In Phase 1 wurden zuvor entsalzte Steinbruchproben künstlich mit den einzelnen Chlorid-, Sulfat- und Nitratsalzen von Natrium verunreinigt, mit Ammoniumoxalat behandelt und unter kontrollierten Laborbedingungen getestet. Die Studie ging dann in Phase 2 über: Ein mit der Phase 1 identischer Satz salzverunreinigter Proben wurde in urbanen, binnenländischen Außenraum gebracht, vor Ort behandelt, für ein Jahr der Witterung ausgesetzt und anschließend in gleicher Weise getestet. In der dritten und letzten Phase wurde ein natürlich verwitterter Stein eines historischen Gebäudes derselben städtischen Umgebung vor Ort charakterisiert, behandelt und untersucht. In allen Fällen wurde die Behandlung mit einer 5%igen Ammoniumoxalat-Monohydrat-Kompresse durchgeführt, eine seit den frühen 1980er Jahren übliche Methode. Die Untersuchung auf unbehandeltem und behandeltem Stein war darauf ausgerichtet, ästhetische Veränderungen durch farbmetrische Methoden zu erfassen. Zudem wurde die Tiefenausdehnung der Calciumoxalatbildung und die Änderung der physikalischen Eigenschaften durch neu gebildetes Calciumoxalat mittels Bohrwiderstandsmessungen und einem „Klebeband-Test“ bewertet sowie die Wassertransporteigenschaften durch die Kontaktschwammmethode. Die Behandlung führte zu einer ästhetischen Verbesserung, die Oberflächenkonsolidierung wurde verifiziert, während ausreichende Transport-Eigenschaften von flüssigem Wasser beibehalten wurden. Die Bildung von Whewellit in einer Tiefe von 0,7 mm bis 1,6 mm konnte mit dem Vorkommen von löslichen Salzen während der Behandlung in Verbindung gebracht werden. Die Ergebnisse wurden als sehr positiv angesehen und haben weitere Forschungsfragen in Bezug auf die Weiterentwicklung der in situ-Konservierung von salzverunreinigtem porösem Kalkstein eröffnet, zumal diese auch für ähnliche Steine im Mittelmeer gelten könnte. Dies bedarf jedoch weiterer Forschung, vor allem in situ.

Tabitha Dreyfuss graduated from the University of Malta in Architecture and Civil Engineering in 2001 and subsequently worked with Architecture Project until 2009. She obtained her warrant and worked on large scale restorations projects including the Valletta Waterfront Regeneration Project which won three awards in 2005, namely the Din l’Art Helwa Award, the MEPA Award for Conservation and a Europa Nostra Award, European Union Prize for Cultural Heritage in Architecture. In 2003, supported by Architecture Project, she commenced her research on the conservation of local limestone and was awarded a Masters of Science with distinction in 2006 by the University of Malta. In 2009 she joined the Restoration Directorate as a conservation architect and worked on the rehabilitation of the Cittadella and Valletta Fortifications, as well as the restoration of the Biagio Steps ex-examination Hall which was rehabilitated into the Fortifications Interpretation Centre. This project went on to win the Din L’Art Helwa first prize in 2012. She commenced her doctoral research at the University of Malta in 2010, supported by the Restoration Directorate and the Government of Malta, and obtained her PhD in 2014. In 2015 she was awarded a full-time post-doctoral scholarship through the Ministry for Education and Employment under the REACH HIGH Scholars Programme, Operational Programme II – European Structural and Investment Funds 2014 – 2020. “Investing in human capital to create more opportunities and promote the well-being of society.” Her ongoing research is focused on the in-situ consolidation of historic limestone.

Dreyfuss, Tabitha; Cassar, JoAnn: Ammonium oxalate treatment application in the presence of soluble salts: laboratory results on soft limestone, in: Toniolo, Lucia; Boriani, Maurizio; Giudi, Gabriele (eds.): Built heritage: Monitoring, Conservation, Management, Cham 2015.

Dr Perit Tabitha Dreyfuss
B.E.&A. (Hons)(Melit.), M.Sc. (Melit.), Ph.D. (Melit.)
Postdoctoral Researcher
Department of Conservation and Built Heritage
Faculty for the Built Environment
University of Malta
Msida, Malta
+356 2340 2624
+356 9944 8140
tdrey01@um.edu.mt

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10.5165/hawk-hhg/432