ntua ACADEMIC OPEN COURSES

ΔΟΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ

(Πλίνθοι, Κέραμοι)

Σχολή Χημικών Μηχανικών

9ο Εξαμ. Χ-Μ ΔΟΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ

Καθ. Α. Μοροπούλου

Άδεια Χρήσης Το παρόν υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons και δημιουργήθηκε στο

πλαίσιο του Έργου των Ανοικτών Ακαδημαϊκών Μαθημάτων από την διδάσκουσα Καθ. Α.

Μοροπούλου. Για υλικό που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να

αναφέρεται ρητώς

ΙΙ-Α: Γενική Περιγραφή

Σύσταση / Δομή / Τεχνολογία

παραγωγής

II-A.1. ΧΡΟΝΙΚΟ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΤΩΝ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

Έτος

Υλικά, μέθοδοι, προϊόντα

20000 π.Χ.

20000-4000 π.Χ.

4000-2000 π.Χ.

1500 π.Χ.

1400 π.Χ.

750 π.Χ

10μ.Χ.

1280

16ος

αι.

1680

1708

1808

1936

1952

1965

1969

1988

1993

Τα πρώτα ψημένα κεραμικά

Βάζα-κεραμίδια από άργιλο

Πρώτα ψημένα κεραμίδια

Σωλήνες νερού

Φακοί από γυαλί

Φόρμες χύτευσης χαλκού

Ελληνικά κανάτια

Κεραμίδια

Γυάλινα τζάμια παραθύρων

Παραγωγή γυαλιού

Οικιακά σκεύη, κινέζικη πορσελάνη

Γυαλί για καθρέπτες

Ευρωπαϊκή πορσελάνη

Τεχνητά δόντια (μασέλες)

Κεραμικές λυχνίες ραδιοφώνου

Κεραμικές ίνες

Κεραμικές πλάκες για διαστημόπλοια

Υποκατάστατα οστών

Κεραμικοί υπεραγωγοί

Μεταλλοκεραμικά υλικά για κελία στερεάς καύσης

Τι είναι τα κεραμικά υλικά ;

Τα κεραμικά είναι μη μεταλλικά ανόργανα στερεά με κρυσταλλική ή άμορφη δομή. Είναι συνήθως σκληρά,

ψαθυρά, με υψηλό σημείο τήξης, χαμηλή ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα, καλή θερμική σταθερότητα

και υψηλές θλιπτικές αντοχές.

Τα κλασικά κεραμικά παρασκευάζονται από φυσικές πρώτες ύλες, συνήθως αργίλους, ασβέστη, άμμο κλπ. Η

χρήση τους είναι συνήθως σε είδη αγγειοπλαστικής, πυρίμαχα τούβλα, κεραμίδια, γυαλί και τσιμέντο.

Μετά το 1900 έχουν κατασκευαστεί και τεχνητά κεραμικά με ποικίλες ιδιότητες: με υψηλές προδιαγραφές

αντοχής (fine ceramics), για ηλεκτρονικές εφαρμογές, για μοτέρ αυτοκινήτου, για βιολογικές εφαρμογές,

μονωτικά, αντιστάσεις, ημιαγωγοί, υπεραγωγοί κλπ.

Η διαδικασία παρασκευής ενός κλασικού, ιστορικού κεραμικού περιλαμβάνει τα ακόλουθα στάδια:

Επιλογή του πηλού ανάλογα με τη χρήση του κεραμικού.

Διαδικασία καθαρισμού και καθίζησης του πηλού, ανάλογα με την ποιότητα του αντικειμένου που

πρόκειται να κατασκευαστεί.

Ανάμιξη του πηλού με άμμο ή τριμμένο ασβεστόλιθο ανάλογα με τις επιθυμητές ιδιότητες του

αντικειμένου.

Διαμόρφωση του αντικειμένου με τα χέρια, τον κεραμευτικό τροχό ή καλούπια.

Τοποθέτηση σε φούρνο με την κατάλληλη ατμόσφαιρα και θερμοκρασία, ανάλογα με τις επιθυμητές

ιδιότητες του αντικειμένου.

Θερμοκρασίες έψησης,

πρώτες ύλες και τεχνολογίες κατασκευής κεραμικών διαμέσου των αιώνων

Π.Χ.

Θερμοκρασία έψησης: <1000οC

Πρώτη ύλη: μόνο πηλός

Τεχνολογία: κεραμικός τροχός, απλός φούρνος.

Μέχρι το τέλος του Μεσαίωνα

Θερμοκρασία έψησης: <1000οC

Πρώτη ύλη: πηλός και άστριοι

Τεχνολογία: χρήση κάρβουνου ως καύσιμο σε φούρνους υψηλών θερμοκρασιών (ανατ. Κίνα).

Από το Μεσαίωνα μέχρι τις αρχές της βιομηχανικής επανάστασης

Θερμοκρασία έψησης: <1200οC (δύση)

<1500οC (ανατολική Κίνα)

Πρώτη ύλη: πηλός και άστριοι (δύση)

πηλός, άστριοι και πηλός Κίνας (ανατολική Κίνα)

Σταθμοί στην κεραμική τεχνολογία δομικών υλικών:

4000-2000π.Χ Τα πρώτα ψημένα κεραμίδια

3000 π.Χ. Κεραμικοί σωλήνες νερού

10 μ.Χ. Γυάλινα τζάμια παραθύρων

600-1300 μ.Χ. Βυζαντινά κεραμίδια και τούβλα

1500 μ.Χ. Αραβικά πλακάκια με διακόσμηση υαλώματος

1950 μ.Χ. Σύνθετα κεραμικά δομικά υλικά

II-A.2. AΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΚΑΤΑ ΤΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ

ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ

Μετασχηματισμός φάσεων: πολυμορφίες (χαλαζίας)

Αποσύνθεση: ΑΒs As + Bg

(ορυκτά της αργίλου, ανθρακικά, υδροξείδια Fe)

Προσθήκη: Αs + Bs ABs

(γαληνίτης, βολλαστονίτης, πυρόξενοι, ανορθίτης)

Υποκατάσταση: ΑΒs + Cs ACs + Bg

Διάχυση: ροή ατόμων διαμέσου των κενών της δομής

Ανάπτυξη

Καθίζηση: νέες φάσεις

Τήξη

Σύντηξη

Υάλωση

Συμπεριφορά των ορυκτών της αργίλου κατά την έψηση

Θερμοκρασία (οC) Διαδικασία Ορυκτά της αργίλου

<100 Αφύγρανση Όλα τα ορυκτά της αργίλλου

100-350 Αφυδάτωση Αλλοϋσίτης, υδροξείδια Fe

Αμεκτίτες, βερμικουλίτης

Σεπιόλιθος

400-600 Οξείδωση Βιοτίτης

Χλωρίτης Fe, γλαυκονίτης

450-800 Αποϋδροξυλίωση 500-600οC

καολινίτης, ιλλίτης

>700οC

σαπωνίτης, σερπεντίνης, τάλκης

>800 Κατάρρευση δομής

Μετασχηματισμός

Ανακρυστάλλωση

Τήξη

Μετακαολινίτης Al – Si

σπινέλιος

Σερπεντίνης φορστερίτης

Ανάπτυξη κρυσταλλικών φάσεων κατά την έψηση ασβεστιτικών πηλών

2CaO + SiO2 Ca2SiO4 (λαρνίτης)

2CaO + SiO2 2CaSiO3 (βολλαστονίτης)

2CaCO3 + SiO2 Ca2SiO4 + 2CO2

2CaCO3 + 3SiO2 CaSiO3 + 2CO2

Ca2SiO4 + SiO2 2CaSiO3

Ca2SiO4 + Al2O3 Ca2Al2SiO7 (γαληνίτης)

Al2O3 + SiO2 + 2CaO Ca2Al2SiO7

2Al2O3 + 4SiO2 + 2CaO 2CaSi2Al2O8 (ανορθίτης)

Al2O3 + SiO2 + CaCO3 Ca2Al2SiO7 + 2CO2

2Al2O3 + 4SiO2 + 2CaCO3 2CaAl2Si2O8 + 2CO2

2Al2O3 + 4/3 SiO2 2/3 Si2Al6O13 (μουλίτης)

Si3Al3O10(OH)2K + 2CaCO3 + SiO2 Ca2Al2SiO7 + KSi3AlO8 + 2CO2 + H2O

2Si3Al3O10(OH)2K + 2CaCO3 + 4SiO2 2CaSi2Al2O8 + 2KSi3AlO8 + 2CO2+ H2O

2Si3Al3O10(OH)2K + SiO2 Si2Al6O13 + 2KSi3AlO8 + H2O

Ca2Al2SiO7 + 2SiO2 CaSi2Al2O8 + CaSiO3

Ca2Al2SiO7 + Al2O3 + 3SiO2 2CaSi2Al2O8

Παράγοντες διάκρισης για την παραγένεση και μορφολογία ιστορικών κεραμικών 1

Η περιεκτικότητα σε Ca

Κεραμικά πλούσια σε Ca

προχωρημένη έως εκτεταμένη υάλωση

η παραγένεση περιορίζεται σε χαλαζία, ανορθίτη, διοψίδιο.

σε υψηλότερους βαθμούς υάλωσης εμφανίζονται Κ-πλαγιόκλαστα

δημιουργούνται πλαγιόκλαστα ως προϊόντα αντίδρασης αργιλικών με ασβεστίτη

Κεραμικά πτωχά σε Ca

προχωρημένη υάλωση, απουσία αυγίτη

διατηρούνται οι χαλαζίες, οι μαρμαρυγίες και οι άστριοι

700-1000οC: δεν δημιουργούνται νέες φάσεις

Κεραμικά ενδιάμεσης περιεκτικότητας σε Ca

Οξειδωτική ατμόσφαιρα

εντοπισμένη υάλωση, περίσσεια αυγίτη

αποσύνθεση ασβεστίτη πριν τον ιλλίτη

CaO αντιδρά με άργιλο και SiO2 νέες πυριτικές φάσεις

Αναγωγική ατμόσφαιρα

παράλληλη αποσύνθεση ασβεστίτη – ιλλίτη

PCO2 αυξημένη αποσύνθεση ασβεστίτη σε υψηλότερη Τα

Ελεύθερο CaO πλαγιόκλαστα, διοψίδιος, γαληνίτης σε

Υψηλότερες θερμοκρασίες από την οξειδωτική ατμόσφαιρα

Παράγοντες διάκρισης για την παραγένεση και μορφολογία ιστορικών κεραμικών 2

Ο μετασχηματισμός του CaO

Η περίσσεια αυγίτη εντοπίζει την υάλωση ενώ αυτή του ανορθίτη συνδέεται με εκτεταμένη υάλωση

Η μετατροπή υψηλότερου ποσοστού CaO σε κρυσταλλικές φάσεις του ασβεστίου, αναστέλλει και εντοπίζει

την υάλωση, ενώ τα οξείδια Fe εγκλείονται στο πλέγμα του αυγίτη. Μεγάλο πορώδες (οξειδωτική ατμόσφαιρα)

Η μετατροπή μικρότερου ποσοστού CaO σε ανορθίτη με απελευθέρωση οξειδίων Fe, επιτρέπει εκτεταμένη

υάλωση, πυκνότερα, λιγότερο πορώδη, ανθεκτικότερα κεραμικά (οξειδωτική /αναγωγική ατμόσφαιρα).

ΙΙ-Β: Χαρακτηρισμός / Ταξινόμηση

/ Αποτίμηση Ιστορικών

Κεραμικών

II-B.1 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ

Τεχνικές που χρησιμοποιούνται και πληροφορίες που συνάγουμε από αυτές:

Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης

Μελέτη μικρομορφολογίας και δομής, εκτίμηση θερμοκρασίας έψησης.

Φασματοσκοπία ακτίνων Χ

Διερεύνηση σύστασης αρχικού πηλού και δημιουργίας νέων φάσεων.

Ποροσιμετρία υδραργύρου

Χαρακτηριστικά μικροδομής, τεχνολογία και προδιαγραφές του υλικού, ευαισθησία στη

διάβρωση.

Διαφορική Θερμική και Θερμοβαρυτική ανάλυση

Υπολογισμός θερμοκρασίας έψησης, διερεύνηση σύστασης αρχικού πηλού, ταξινόμηση

σε ασβεστιούχα και μη ασβεστιούχα.

Μετρήσεις μηχανικής αντοχής

Τεχνολογία και προδιαγραφές του υλικού ανάλογα με τη χρήση του.

ΙΙ-Β.1.1 ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΕ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΑ

ΣΑΡΩΣΗΣ (SEM)

Πληροφορίες για τη μικρομορφολογία, τη θερμοκρασία έψησης, το είδος της ατμόσφαιρας μέσα στο

φούρνο (οξειδωτική /αναγωγική), την τεχνολογία διακόσμησης.

Η μορφολογία της δομής του κεραμικού εξαρτάται από τη θερμοκρασία και την περιεκτικότητα του πηλού

σε ασβέστιο.

750-850oC (Στάδιο Αρχικής Υαλοποίησης)

απομονωμένες περιοχές με λεία επιφάνεια ή ίνες υαλοποίησης.

>850οC

Κεραμικά πτωχά σε CaO (<6%)

Ο χαλαζίας, οι άστριοι και οι μίκες διατηρούνται.

Οι απομονωμένες περιοχές υάλωσης συγχωνεύονται σχηματίζοντας συνεχές, λείο υαλοποιημένο σώμα.

Σε αναγωγική ατμόσφαιρα σχηματίζεται δίκτυο φυσαλίδων (bloating pores).

Κεραμικά πλούσια σε CaO (>6%)

Η ανάπτυξη της υαλοποίησης αναστέλλεται από το σχηματισμό κρυσταλλικών φάσεων με υψηλό

σημείο τήξεως.

Σταθερή δομή μέχρι τους 1050οC.

ΙΙ-Β.1.2.ΠΟΡΟΣΙΜΕΤΡΙΑ ΥΔΡΑΡΓΥΡΟΥ

Πληροφορίες για τη μικροδομή, το πορώδες, τη μέση ακτίνα πόρων, την πυκνότητα του κεραμικού.

Το πορώδες του κεραμικού εξαρτάται από:

τη θερμοκρασία έψησης

τη σύσταση του αρχικού πηλού

την κατεργασία του πριν το ψήσιμο (καθίζηση, τοποθέτηση σε καλούπια και πίεση κλπ.)

Εξάρτηση πορώδους από τη θερμοκρασία

< 800οC

το πορώδες αυξάνεται καθώς τα οργανικά και πτητικά υλικά εξαχνώνονται.

> 800oC

το πορώδες ελαττώνεται ενώ η πυκνότητα αυξάνεται, καθώς τα σωματίδια του πηλού συσσωματώνονται

κατά τη διάρκεια της σύντηξης.

~ 1100oC

το πορώδες ελαχιστοποιείται καθώς η διάμετρος των πόρων αυξάνεται λόγω ξήρανσης, από-υδροξυλίωσης

και αποσύνθεσης των ορυκτών της αργίλου.

ΙΙ-Β.1.3. ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΒΑΡΥΤΙΚΗ

ΑΝΑΛΥΣΗ (DΤΑ, ΤGΑ)

Πληροφορίες για τη σύσταση του αρχικού πηλού, τη θερμοκρασία έψησης, το είδος της ατμόσφαιρας του

φούρνου (οξειδωτική/αναγωγική).

Οι κορυφές DTA εκφράζουν αύξηση ή απώλεια ενθαλπίας και κατατάσσονται αντίστοιχα σε εξώθερμες ή

ενδόθερμες κορυφές.

Τυπικές κορυφές DTA ιστορικών κεραμικών

Θερμοκρασία Είδος κορυφής Διαδικασία – ορυκτό

~100οC

~120 - 160οC

~200 - 250οC

~300οC

~300 - 350οC

~550 - 650οC

~550 - 650οC

~780 & 860οC

~840οC

~700 - 1000οC

Ενδόθερμη

Ενδόθερμη

Ενδόθερμη

Ενδόθερμη

Εξώθερμη

Εξώθερμη

Ισχυρή ενδόθερμη

Ισχυρή ενδόθερμη

Ενδόθερμη

Εξώθερμη

Υγρασία

Γύψος

Διασυνδεδεμένο νερό ή ένυδρα διαστρωματώδη ιόντα (διογκωμένα

κεραμικά)

Νερό από οξείδια του σιδήρου

Ανακρυστάλλωση άμορφου &/ή κακώς κρυσταλλωμένων Fe

υδροξειδίων

Οργανικά πρόσθετα στο σώμα ή στην επιφάνεια

Καολινίτης, ιλλίτης, σμεκτίτες (υψηλότερο για το χλωρίτη)

CO2 δολομίτη

CO2 ασβεστίτη

Μετασχηματισμός στερεών φάσεων

Π.χ. 980οC μετακαολίνης (Al<4) σπινέλλιος (Al=2)

Ταξινόμηση κεραμικών ανάλογα με την περιεκτικότητα του αρχικού πηλού σε ασβέστιο

(καμπύλες DTG)

Κεραμικά πλούσια σε Ca

Κορυφές Διαδικασία - ορυκτό SΕΜ Χαρακτηριστικά

80οC

145 οC

580-640 οC

780 οC

~2% υγροσκοπικό νερό

γύψος

αποσύνθεση αργίλων

(καολινίτης, ιλλίτης, χλωρίτης)

CO2 ασβεστίτη

Οι θερμοκρασίες έψησης είναι >850oC και το

πορώδες χαμηλό (~20-25%) λόγω εκτεταμένης

υάλωσης.

Κεραμικά πτωχά σε Ca

Κορυφές Διαδικασία - ορυκτό SΕΜ Χαρακτηριστικά

80οC

640 οC

~2% υγροσκοπικό νερό

αποσύνθεση αργίλων

Οι θερμοκρασίες έψησης είναι ~740oC και το

πορώδες υψηλό (~40%) λόγω εκτεταμένων

κρυσταλλικών φάσεων.

Κεραμικά ενδιάμεσης περιεκτικότητας σε Ca

Κορυφές Διαδικασία - ορυκτό SΕΜ Χαρακτηριστικά

80οC

145 οC

580-640 οC

~2% υγροσκοπικό νερό

γύψος

αποσύνθεση αργίλων

Οι θερμοκρασίες έψησης και το πορώδες ποικίλουν.

ΙΙ-Β.1.4. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΑΝΤΟΧΗΣ

Πληροφορίες για τις μηχανικές ιδιότητες, την τεχνολογία του υλικού και την τεχνογνωσία του

κατασκευαστή.

Η έψηση σε υψηλές θερμοκρασίες προκαλεί εκτεταμένη υαλοποίηση η οποία αυξάνει τις τιμές του μέτρου

Ελαστικότητας, δεδομένου ότι τα γυαλιά εμφανίζουν μεγαλύτερη ελαστικότητα και όριο θραύσης από τα

κρυσταλλικά υλικά.

Οι προσμίξεις χαλαζία προκαλούν ελάττωση της αντοχής, σε μεγάλες περιεκτικότητες και μεγέθη κόκκων.

ΙΙ-Β.2. ΕΦΑΡΜΟΓΗ: ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ

ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΑΠΟ ΤΗΝ ΑΓΙΑ ΣΟΦΙΑ

Η εργασία αυτή σκοπεύει να αποδείξει ότι τα τούβλα του τρούλου και της τοιχοποιίας της Αγιά Σοφιάς (532-537

μ.Χ.), κατασκευάστηκαν με ειδική, όχι ντόπια τεχνολογία και πρώτη ύλη, που συσχετίζεται με εργαστήρια της

Ρόδου.

Η διερεύνηση προέλευσης πρώτων υλών γίνεται με Νετρονική Ενεργοποίηση. Η στατιστική επεξεργασία των

αποτελεσμάτων δείχνει ότι τα τούβλα της Αγίας Σοφίας δεν συσχετίζονται με εργαστήρια της Κωσταντινούπολης αλλά

εμφανίζουν μεγάλη ομοιότητα με τούβλα από τη Μεγάλη Βασιλική της Ρόδου (6ος

αι.)

Για τη διερεύνηση της τεχνολογίας χρησιμοποιήθηκαν:

Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης

Φασματοσκοπία ακτίνων Χ

Ποροσιμετρία υδραργύρου

Διαφορική Θερμική και Θερμοβαρυτική ανάλυση

Μετρήσεις μηχανικής αντοχής

οι οποίες αποδεικνύουν ότι τα τούβλα του τρούλου είναι κεραμικά πτωχά σε ασβέστιο, από καλά

ομογενοποιημένη πάστα, λεπτόκκοκη με εγκλείσματα χαλαζία, ψημένα σε χαμηλή θερμοκρασία.

Αυτή η τεχνολογία κατασκευής εξασφαλίζει τη χαμηλή πυκνότητα και την υψηλή μηχανική αντοχή που

απαιτείται για τη χρήση τους ως δομικά στοιχεία του τρούλου.

ΔΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑ Δείγμα Θέση Ηλικία Δομικό στοιχείο

Αγιά Σοφιά E1 Είσοδος (Ρολόι τοίχου) Τούβλο τοιχοποιίας

E2 Είσοδος (Ρολόι τοίχου)

Y1 Υπόγειο Βυζαντινό Ημι-ελαφρύ τούβλο

Y2 `` `` Κίτρινο ελαφρύ τούβλο

Y3 `` `` Κίτρινο ελαφρύ τούβλο

Y4 `` `` Κίτρινο τούβλο

Y5 `` `` Ελαφρύ τούβλο

Y6 `` `` τούβλο

2.2 Τρούλος, βόρεια αψίδα `` Κίτρινο ελαφρύ τούβλο

2.2b Τρούλος, βόρεια αψίδα `` Κίτρινο ελαφρύ τούβλο

3.2 Τρούλος, νοτιοδυτικό τμήμα 10ος

αι.. τούβλο

3.3 Τρούλος, νοτιοδυτικό τμήμα `` Τούβλο δαπέδου

3.4 Τρούλος, νοτιοδυτικό τμήμα `` Τούβλο

Θεοδοσιανά τείχη W2 6

οςαι. Κόκκινο τούβλο

W3 `` Κόκκινο τούβλο

W4 `` Κόκκινο τούβλο

Αγία Ειρήνη 1 Αριστερή αψίδα, εξ. Τοίχος 6

ος αι. Τούβλο τοιχοποιίας

2 Κύρια είσοδος, δεξιά πλευρά `` Τούβλο τοιχοποιίας

3 Κύρια είσοδος, Κύρια είσοδος `` Τούβλο τοιχοποιίας

4 Κύρια είσοδος, 2ος

τοίχος `` Τούβλο τοιχοποιίας

Άγ. Σέργιος και Βάκχος 1SB 6ος αι. Τούβλο τοιχοποιίας

2SB `` Τούβλο τοιχοποιίας

3SB `` Τούβλο τοιχοποιίας

Δείγμα Θέση Ηλικία Δομικό στοιχείο

Μεγάλη Βασιλική Ρόδου 1aR Θέση Χατζηανδρέου 6

ος αι. Κόκκινο τούβλο

1bR `` Κόκκινο τούβλο

2aR `` Κόκκινο τούβλο

2bR `` Κόκκινο τούβλο

3R `` Κόκκινο κεραμίδι

4aR `` Κίτρινο κεραμίδι

4bR `` Κόκκινο τούβλο

5R `` Κίτρινο κεραμίδι

Αποτελέσματα ανάλυσης με Νετρονική Ενεργοποίηση

Element Hagia Sophia Constantinople Rhodes

Cr 340 ± 80 231 ± 104 343 ± 129

Sc 20 ± 3 20 ± 1 16 ± 3

Co 33 ± 3 30 ± 8 32 ± 9

Ce 58 ± 8 36 ± 6 73 ± 24

Eu 1.3 ± 0.1 1.2 ± 0.2 1.4 ± 0.4

Hf 4.2 ± 0.5 7 ± 2 5 ± 2

Tb 0.4 ± 0.1 0.47 ± 0.01 2 ± 2

Sm 5.4 ± 0.6 2.5 ± 0.3 7 ± 2

Lu 0.33 ± 0.04 0.32 ± 0.03 0.3 ± 0.1

Yb 3.0 ± 0.3 2.6 ± 0.1 3 ± 1

La 22 ± 6 24 ± 3 34 ± 11

As 14 ± 2 13 ± 3 14 ± 7

Ca (%) 15 ± 13 6.9 ± 0.5 9 ± 4

Na (%) 1.3 ± 0.2 1.4 ± 0.2 4 ± 2

K (%) 1.8 ± 0.3 1.7 ± 0.3 1.5 ± 0.4

Fe (%) 5.6 ± 0.6 4.8 ± 0.4 4.6 ± 0.8

Cs 7 ± 1 6 ± 2 6 ± 1

Διαφορές εμφανίζουν τα Sc, Cr, Fe, Sm, La και Ce γι΄ αυτό και χρησιμοποιούνται στη στατιστική επεξεργασία για τον

προσδιορισμό προέλευσης.

Ανάλυση Κυρίων Συνιστωσών (PCA)

τούβλων Κωσταντινούπολης και Ρόδου

VECTOR 1

VECTOR

2

1aR

1bR

2aR

2bR

3R4aR

4bR

5R

1A

2A

3A

4A

1SB

2SB3SB

W2W4

-2,5

-1,5

-0,5

0,5

1,5

2,5

-2,5 -1,9 -1,3 -0,7 -0,1 0,5 1,1

Rhodes

Constantinople

Πιθανότητες δείγματος να ανήκει στην Κωσταντινούπολη ή στη Ρόδο

Δείγμα Αγιά Σοφιάς Πιθανότητα να ανήκει στην

Κωσταντινούπολη

%

Πιθανότητα να ανήκει στη Ρόδο

%

E2 0.5 17.7

Y1 1.1 63.1

Y2 1.1 53.7

a2.2 1.2 91.3

a2.2b 1.2 97.2

a3.2 0.8 85.2

a3.3 1.0 50.3

a3.4 1.1 75.5

Αποτελέσματα ποροσιμετρίας υδραργύρου

Δείγμα Συν. όγκος

(mm3/g)

Ολικό πορώδες

(%)

Μέση ακτίνα πόρων

(μm)

Πυκνότητα

(g/cm3)

Ειδική επιφάνεια (m2/g)

Αγ. Σοφιά

E2 286.93 47.21 0.467 1.65 2.92

Y2 344.61 52.39 0.422 1.52 4.21

Y4 348.18 51.33 0.422 1.48 2.69

Y5 165.52 31.46 0.718 1.90 1.03

2.2 275.77 45.54 0.492 1.62 2.56

2.2.b 282.48 45.62 0.734 1.62 3.28

3.3 233.29 40.71 0.543 1.75 2.00

3.4 198.90 35.70 0.686 1.52 1.54

Θεοδοσιανά τείχη

W2 240.27 42.29 0.306 1.76 2.45

W4 270.75 44.13 0.249 1.63 4.37

Αγία Ειρήνη

1A 88.31 17.83 0.731 2.02 1.01

2A 266.96 42.18 0.407 1.58 4.82

3A 224.92 41.60 0.446 1.85 0.06

4A 176.57 32.66 0.664 1.85 2.04

Αγ.Σέργιος και Βάκχος

1SB 202.69 36.07 0.673 1.78 1.11

2SB 208.36 36.04 1.397 1.73 1.38

3SB 209.43 36.64 0.861 1.75 4.55

Μεγάλη Βασιλική Ρόδου

1aR 276.62 42.89 0.785 1.54 3.51

1bR 136.68 26.85 0.315 2.01 2.24

2aR 148.94 28.55 0.158 1.92 6.81

2bR 157.57 29.86 0.158 1.89 6.44

3R 303.56 45.70 0.984 1.50 1.76

4aR 407.19 54.64 1.525 1.34 1.99

4bR 143.53 27.55 3.657 1.92 3.84

5R 259.72 40.82 0.622 1.57 5.53

Αποτελέσματα ανάλυσης XRD

Δείγμα Qz Cc An Fsp An Do Di Gy H Ill

Αγιά Σοφιά

E2 ++++ + +++ +++ ++ + + - ++ -

Y2 ++++ + +++ +++ ++ + + - ++ +

Y4 ++++ + +++ ++ + - - - ++ +

2.2 ++++ + ++ ++ +++ + + - + +

2.2b ++++ + ++ ++ +++ + + - + -

3.2 ++++ + ++ + + + - - - -

3.3 ++++ + ++ ++ + + + + + +

3.4 ++++ + ++ ++ + + + - + -

Μεγάλη Βασιλική Ρόδου

1aR ++++ + ++ + + - + - + +++

1bR ++++ ++ + + - + - - + -

2aR ++++ +++ + - - - - + + -

2bR ++++ +++ + - - + - - - -

3R ++++ + ++ ++ ++ + + - + -

4aR ++++ + ++ ++ ++ ++ + - - ++

4bR ++++ - - - - - - - - -

5R ++++ ++ + + - - - - - +

++++: μεγάλη περίσσεια +++: περίσσεια ++: παρουσία +: ίχνη.

Qz: χαλαζίας, Cc: ασβεστίτης, An: ανορθίτης, Fsp: άστριος, Do: Δολομίτης, Di: Διοψίδιος,

Gy: Γύψος, H: Αιματίτης, Ill: Ιλίτης

Αποτελέσματα TGA, DTA και SEM

Δείγμα

% βάρους ανά θερμοκρασιακό εύρος

Δομικά

δεσμευμένο

νερό

(SBW)

CO2/

SBW

Θερμοκρασία

έψησης

(DTA)

Υαλοποίηση

200-400 oC 400-600

oC

600-650 oC

>650 oC

Αγιά Σοφιά

E2 0.6 0.4 0.2 0.5 1.0 0.70 740 Τοπική

Y4 3.3 0.9 0.3 1.1 4.2 0.33 740 Τοπική

Y5 1.4 1.1 0.3 0.9 2.5 0.23 740 Τοπική

2.2 2.0 1.9 0.5 1.4 3.9 0.50 750 Τοπική

3.2 3.6 0.8 0.7 1.2 4.4 0.42 750 Τοπική

3.3 1.9 1.8 0.3 0.4 3.7 0.20 750 Τοπική

3.4 1.5 0.8 0.3 0.9 2.3 0.05 740 Τοπική

Μεγάλη βασιλική Ρόδου

1aR 1.1 1.5 0.5 2.2 2.6 1.04 850 Εκτεταμένη

1bR 1.2 0.9 0.5 3.4 2.1 1.86 960 Εκτεταμένη

2aR 2.3 2.8 1.7 8.3 5.1 1.96 850 Εκτεταμένη

2bR 1.4 1.5 0.7 3.6 2.9 1.48 850 Εκτεταμένη

3R 1.5 1.0 0.9 - 2.5 - 800 Τοπική

4aR 0.7 0.5 0.2 0.6 1.2 0.67 750 Τοπική

4bR 0.8 0.7 0.1 0.5 1.5 0.40 730 Εκτεταμένη

5R 1.5 1.8 0.1 6.1 3.2 1.94 860 Τοπική

Εφελκυστική αντοχή – Συνολικό πορώδες

Τούβλα Αγ. Σοφιάς

Total Porosity (%)

Fm,t k (M

Pa)

W2

3.3Y2

Y4

Y5

E2

2.2b

-0,2

0,2

0,6

1,0

1,4

1,8

2,2

25 30 35 40 45 50 55 60

y = 3,78 - 0,125 * x + 0,001 * x2 +eps

Εφελκυστικές αντοχές

Τούβλων Αγ. Σοφιάς

Δείγμα Εφ. αντοχή

E1 0.105

E2 0.778

Y1 0.507

Y2 0.208

Y3 0.576

Y4 0.659

Y5 1.098

Y6 0.074

2.2.b 1.543

3.2 0.158

3.3 0.136

W2 0.900

Συμπεράσματα

Τα δείγματα του τρούλου του 6ου

αιώνα εμφανίζουν πιθανότητα να προέρχονται από πηλό της Ρόδου

90%.

Τα κεραμικά τούβλα της Αγ. Σοφιάς είναι κατασκευασμένα από μη ασβεστιούχα, ομογενοποιημένη

πάστα πηλού, με μικρά εγκλείσματα χαλαζία και είναι ψημένα σε χαμηλή θερμοκρασία. Εμφανίζουν

τοπική υάλωση στο αρχικό στάδιο και υψηλό πορώδες (40-45%).

Ίδια χαρακτηριστικά εμφανίζουν και τα μη ασβεστιούχα τούβλα της Ρόδου.

Το μεγαλύτερο ποσοστό πορώδους στα τούβλα της Αγ. Σοφίας αντιστοιχεί σε πόρους από 0.3 μέχρι

0.8μm. Αυτό σημαίνει είτε σκόπιμη επιλογή του πηλού, αποστράγγιση, κοσκίνισμα, καλούπωμα ή

πίεση του πηλού.

Η εφελκυστική αντοχή εμφανίζει μέγιστο για τα τούβλα του τρούλου του 6ου

αι., παρ΄ όλο το μεγάλο

πορώδες τους.

ΙΙ-Γ: Φθορά και Προστασία

ΙΙ-Γ.1. ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΦΘΟΡΑΣ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ

Ενδογενείς

Ατέλειες ψησίματος

Προσμίξεις ανθρακικού ασβεστίου

Διαφορά στο συντελεστή θερμικής διαστολής μεταξύ υαλώματος και σώματος

Εξωγενείς

Μηχανικές καταπονήσεις από υπερκείμενες πιέσεις

Τριχοειδής αναρρίχηση νερού με διαλυτά άλατα

Παγετός

Βιολογικοί παράγοντες

Προηγούμενες επεμβάσεις συντήρησης ή στερέωσης

Χρήση μεταλλικών συνδέσμων

ΙΙ-Γ.1.1. ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΑΠΟ ΔΙΑΛΥΤΑ ΑΛΑΤΑ

Θάλασσα

Μεταφορά NaCl σε αποστάσεις μέχρι 15km.

Υπόγεια νερά

Ανάλογα με το υπέδαφος τροφοδοτούν το δομικά υλικά με ιόντα, νατρίου, καλίου, μαγνησίου, ασβεστίου,

θειικά, ανθρακικά, χλωριούχα, πυριτικά.

Ατμοσφαιρικοί ρύποι

Τα SO2, SO3, NOx της ατμόσφαιρας προσβάλλουν τις ανθρακικές προσμίξεις των κεραμικών

σχηματίζοντας άλατα.

Επαφές με δομικά υλικά ή κονιάματα

Το τσιμέντο και η γύψος είναι πηγές θειικών, ανθρακικών και διαλυτών πυριτικών αλάτων.

ΙΙ-Γ.1.2. ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΑΠΟ ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΥΣ

ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ

Μύκητες

Αναπτύσσονται σε όξινο περιβάλλον (pH 5-5,5), τρέφονται με πολύ λίγο οργανικό υλικό, χρειάζονται

υγρασία και είναι ανθεκτικοί στη έλλειψη ηλιακού φωτός. Παράγουν οξέα (θειικό, οξαλικό ή κιτρικό) που

διαλύουν το κεραμικό.

Φύκη

Χρειάζονται υγρασία, σχετικά υψηλή θερμοκρασία και φως. Τα σημαντικότερα είναι τα χλωροφύκη που

αντέχουν σε pH=3,5 – 9. Διαλύουν τις ανθρακικές προσμίξεις.

Βακτήρια

Αναπτύσσονται σε αλκαλικό περιβάλλον (pH=8-8,5). Κάποια παράγουν θειικό οξύ, άλλα αμμωνία, νιτρικό

οξύ ή οργανικά οξέα που διαλύουν το κεραμικό.

Λειχήνες

Η δράση τους οφείλεται κυρίως στη μηχανική καταπόνηση λόγω ανάπτυξης των ριζιδίων τους μέσα στο

υλικό.

ΙΙ-Γ.1.3. ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΑΠΟ ΠΡΟΗΓΟΥΜΕΝΕΣ

ΕΠΕΜΒΑΣΕΙΣ ΣΥΝΤΗΡΗΣΗΣ

Αλλοιώσεις από μηχανικό καθαρισμό

Αλλοιώσεις από διαλυτά άλατα λόγω καθαρισμού του υαλώματος με οξύ

Ρηγματώσεις από τη διόγκωση των μεταλλικών συνδέσμων

Κιτρίνισμα, ρηγμάτωση, αποφλοίωση, θραύση του υαλώματος λόγω χρήσης κόλλας,

στερεωτικού ή υλικού συμπλήρωσης.

ΙΙ-Γ.2. ΣΥΝΤΗΡΗΣΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ

Μηχανικός καθαρισμός

Απομάκρυνση διαλυτών αλάτων

Καθαρισμός οργανικών λεκέδων με ουδέτερα απορρυπαντικά

Καθαρισμός βιολογικών επικαθήσεων

ΠΟΡΕΙΑ ΣΥΝΤΗΡΗΣΗΣ ΙΣΤΟΡΙΚΩΝ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ

Μελέτη του υλικού

Χαρακτηρισμός: αναγνώριση σύστασης και δομής,

αποκάλυψη τεχνολογίας

παραγωγής.

Αποτίμηση: ιδιότητες και συμπεριφορά του

υλικού που καθορίζουν τις

προδιαγραφές κατασκευής του.

Αναγνώριση φθοράς: μελέτη του τύπου φθοράς, του

μηχανισμού της και του διαβρωτικού περιβάλλοντος που

την προκαλεί.

Αντικατάσταση: παρασκευή νέου υλικού με τις

ιδιότητες του παλιού, σύμφωνα με τη σύσταση και την τεχνολογία που

αποκαλύφθηκε από τη διαδικασία του

χαρακτηρισμού.

Στερέωση, προστασία: προτάσεις δράσης ανάλογα με

τις ιδιότητες του κεραμικού και

το διαβρωτικό περιβάλλον.

Χρηματοδότηση Το παρόν υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το

έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου

Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό

Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.