Geologia 

Wanda Wilczyńska-Michalik

Deterioracja skalnych materiałów budowlanych
w Krakowie

Deterioracja skalnych materiałów budowlanych jest procesem powodującym pogorszenie ich jakości i trwałości w stopniu wymagającym zabiegów naprawczych. Różnorodne zastosowanie kamienia w architekturze Krakowa sięga X w. Dla utrzymania kamiennych elementów w  dobrym stanie oraz dla przywrócenia wartości historycznej i estetycznej obiektów zabytkowych konieczne jest przeciwdziałanie różnorodnym czynnikom niszczącym oraz podejmowanie kosztownych prac rewaloryzacyjnych i  konserwatorskich. Przeciwdziałanie degradacji lub spowolnienie niszczenia elementów kamiennych wymaga szczegółowego ustalenia przyczyn tego zjawiska

N aturalnym procesem powodującym niszczenie surowców skalnych użytych jako elementy budowlane i rzeźbiarskie jest wietrzenie. Ustalenie mechanizmu i skutków wietrzenia kamienia wymaga badań interdyscyplinarnych z zakresu nauk o Ziemi. Przed przystąpieniem do konserwacji niezbędne jest poznanie historii i pierwotnej funkcji obiektu (wstępne studia historyczne) oraz przeprowadzenie badań naukowo- technicznych użytych surowców skalnych z wykorzystaniem metod chemicznych, geochemicznych, mineralogicznych, petrograficznych, biologicznych i innych.

Kraków jest doskonałym przykładem ilustrującym proces upowszechnienia skał budowlanych i różnorodności ich zastosowań. Występowanie licznych surowców skalnych w Krakowie i jego okolicach umożliwiło ich pozyskiwanie i wykorzystanie w architekturze miasta od zarania jego dziejów. Obszarami o największym znaczeniu w pozyskiwaniu surowców skalnych dla potrzeb budownictwa były, i są nadal, monoklina śląskokrakowska (jasne wapienie jurajskie; czarne, dewońskie wapienie dębnickie; żółtawe, triasowe dolomity libiąskie), zapadlisko przedkarpackie (beżowe, trzeciorzędowe wapienie pińczowskie) oraz Karpaty (różnorodne piaskowce). Najstarszymi skałami zastosowanymi w budownictwie Krakowa były piaskowce karpackie występujące pomiędzy Wieliczką a Radziszowem i jurajskie wapienie płytowe z okolic Krakowa. Użyto ich między innymi do budowy preromańskich i romańskich budowli na Wawelu. Skalisty wapień jurajski występuje powszechnie w budowlach Krakowa wzniesionych w stylu romańskim i gotyckim. Najstarszym miejscem eksploatacji wapienia skalistego w pobliżu Krakowa było Wzgórze Lasoty. Jako surowce budowlane często stosowane były też wapienie z Tyńca, Kostrza i Pychowic (np. Brama Floriańska oraz baszty Ciesielska i Pasamoników). Szybki rozwój eksploatacji skał dla potrzeb budownictwa zaznaczył się za panowania króla Kazimierza Wielkiego. Od końca XIV w. stosowany był w Krakowie dolomit diploporowy z okolic Libiąża. W architekturze i rzeźbie Krakowa stosowano również wapienie pińczowskie (najpowszechniej w okresie od XV do XVII w.) oraz marmury dębnickie (od początku XVII w.).

Istnieje wiele czynników, które są przyczyną stopniowego pogarszania się własności zastosowanych skał i niszczenia obiektów zabytkowych. Warunkują one mechanizm i tempo wietrzenia. Do najważniejszych należą: struktura, skład mineralny i chemiczny skały (czynniki wewnętrzne) oraz klimat, zanieczyszczenie powietrza atmosferycznego, morfologia i zagospodarowanie terenu, a także klęski żywiołowe (czynniki zewnętrzne). Sposób wietrzenia elementów kamiennych zależy także od sposobu wydobycia i obróbki surowca oraz czasu jego ekspozycji. Podstawowymi cechami, które decydują o odporności skał stosowanych w architekturze w wystawie zewnętrznej są: mrozoodporność, nasiąkliwość, skład mineralny, rodzaj spoiwa, porowatość i gęstość pozorna. Niniejszy artykuł przedstawia wybrane wyniki prowadzonych przez wiele lat badań nad mechanizmem wietrzenia wymienionych wcześniej skał. Najwięcej uwagi poświęcono wapieniom górnej jury ze względu na ich względną jednorodność i rozpowszechnienie w zabytkowych budowlach Krakowa i w odsłonięciach na Wyżynie Krakowsko-Częstochowskiej. W trakcie badań analizowano materiał z powierzchni skał i z warstwy podpowierzchniowej, pyły i sadze powstające podczas spalania paliw stałych, aerozole atmosferyczne z Krakowa oraz opady atmosferyczne.

Do zewnętrznych przejawów wietrzenia skał w Krakowie należą: złuszczanie, dezintegracja ziarnowa i zmiany barwy. Przejawy te są zbliżone do typowych oznak wietrzenia zachodzącego w warunkach naturalnych, lecz w porównaniu z obszarami o niskiej koncentracji zanieczyszczeń rozwijają się ze zwiększoną intensywnością. W warstwach zewnętrznych liczne pierwiastki podlegają koncentracji w powierzchniowych warstwach skał w porównaniu z ich podłożem (cynk, ołów, kadm, miedź, chrom, żelazo, arsen, bizmut). Ciemna barwa warstw powierzchniowych skał wiąże się z akumulacją cząstek pyłów atmosferycznych (popioły lotne, sadza i inne węgliste substancje). Rola pigmentów związanych z zasiedleniem powierzchni skał przez organizmy (np. bakterie, grzyby) jest również istotna, a w niektórych przypadkach może być dominująca.

Złuszczanie czarnych powierzchni może być spowodowane licznymi czynnikami. Jednym z nich jest zróżnicowanie cech mechanicznych zewnętrznej warstwy bogatej w gips, ciemno zabarwionej i na ogół porowatej, w stosunku do podłoża. Wietrzenie wapieni jurajskich i piaskowców karpackich jest silnie uzależnione od koncentracji i składu zanieczyszczeń atmosferycznych.

W zewnętrznych warstwach skał powszechna jest krystalizacja nowopowstałych minerałów. Pospolicie mówiąc powstaje gips. Zmiana koncentracji zanieczyszczeń w powietrzu atmosferycznym oraz zmieniający się udział różnych typów zanieczyszczeń (pyły/gazy, związki siarki/ związki azotu) w Krakowie na przestrzeni ostatnich trzydziestu lat spowodowały, że krystalizacja gipsu i innych wtórnych minerałów w różnych okresach ma różne znaczenie w niszczeniu skał, a składniki mają różne pochodzenie.

W latach 70. i 80. XX w. opady atmosferyczne w Krakowie były bardzo zanieczyszczone, a w suchej pozostałości po ich odparowaniu dominował gips. Krystalizacja gipsu z opadów atmosferycznych (mokra depozycja) na powierzchni, w porach i w szczelinach surowców skalnych była istotnym czynnikiem powodującym przyśpieszone wietrzenie fizyczne do lat 90. XX w. Krystalizujący z wód opadowych gips (i inne sole) były przyczyną niszczenia (dezintegracji) większości materiałów budowlanych, szczególnie tych o dużej porowatości i nasiąkliwości. Jest to proces tzw. wietrzenia solnego. Funkcjonuje ono poprzez działanie mechaniczne soli krystalizujących w przestrzeniach porowych, zmiany wymiarów soli w trakcie zmian temperatury i/lub wilgotności.

Od około połowy lat 90. XX w., po znaczącym zredukowaniu emisji pyłów w Krakowie (odpylanie w energetyce, likwidacja Krakowskich Zakładów Sodowych, zmniejszenie produkcji cementu i in.) odczyn opadów atmosferycznych uległ obniżeniu (opady atmosferyczne stały się bardziej kwaśne). Powstawanie gipsu jest obecnie związane w znacznej mierze z reakcją pomiędzy „kwaśnymi deszczami” a skałami węglanowymi i skałami zawierającymi węglany (np. piaskowce o spoiwie węglanowym). Krystalizacja gipsu z opadów atmosferycznych ma obecnie znaczenie podrzędne. Powstanie innych minerałów (siarczanów, chlorków, węglanów) związane jest z pewnymi lokalizacjami lub pewnymi typami skał. Minerały występujące w powierzchniowych warstwach wietrzejących skał mogą powstawać w drodze wytrącania z wód opadowych, w drodze depozycji aerozoli oraz na skutek reakcji między składnikami zanieczyszczeń atmosferycznych i nietrwałych składników mineralnych skał.

Tworząca się w wyniku wietrzenia na powierzchni skał i skalnych materiałów budowlanych warstwa nie spełnia roli tak zwanej „patyny ochronnej”. Spowolnienie wietrzenia czy deterioracji skał na skutek jej występowania jest ograniczone w czasie. Jest to spowodowane znacznymi różnicami własności fizycznych i mechanicznych tej warstwy w stosunku do skały macierzystej. W sprzyjających warunkach (np. meteorologicznych) proces dezintegracji i ubytek materiału z powierzchni (najczęściej w wyniku wietrzenia fizycznego, niekiedy przy współudziale mikroorganizmów) gwałtownie wzrasta. Następuje odpadanie całych fragmentów warstwy zewnętrznej, niekiedy wraz z materiałem podłoża.

Wszystkie wymienione powyżej przejawy wietrzenia są powodem podejmowania prac mających na celu przywrócenie zabytkowym obiektom pełnych wartości historycznych i  estetycznych. Prace te prowadzone są obecnie z dużo większą intensywnością w porównaniu z minionym okresem. W przypadku niektórych skał jest wręcz trudno znaleźć w obrębie miasta przykład zaawansowanego zniszczenia.

Przed przystąpieniem do zabiegów naprawczych powinna być sporządzana dokumentacja obejmująca studia historyczne, inwentaryzację użytych w obiektach materiałów budowlanych oraz rodzaj zniszczeń. Ustalenie pochodzenia kamieni budowlanych ich rodzaju i własności (struktury, tekstury, składu mineralnego) jest niezbędne ze względu na odpowiedni dobór materiałów do ewentualnych uzupełnień większych ubytków, a także ze względu na określenie metod konserwacji. W celu określenia techniki czyszczenia murów czy usuwania wykwitów solnych z powierzchni niezbędna jest ocena zmian w strukturze warstw powierzchniowych na skalnych materiałach budowlanych i na materiałach ceramicznych w wystawie zewnętrznej (charakterystyka mineralogiczna, petrograficzna i chemiczna warstw powierzchniowych, grubość stref zmienionych, obecność wykwitów solnych). Dokumentacje prac konserwatorskich zawierają na ogół wyniki tylko niektórych badań, np. wilgotności materiałów konstrukcyjnych murów oraz ich zasolenia. Struktura i skład materiałów budowlanych i warstw powierzchniowych na ogół nie są badane. Może to w znacznej mierze ograniczyć efektywność prac konserwatorskich i spowodować straty finansowe, a także uszczerbek dziedzictwa kulturowego.

Naprawa lub wymiana zabytkowych rzeźb wykonanych przez znakomitych rzeźbiarzy i architektów jest zadaniem trudnym i bardzo odpowiedzialnym. Prace konserwatorskie pozwalające na zachowanie cennych detali architektonicznych i rzeźb polegają na: usunięciu zanieczyszczeń z warstwy zewnętrznej (np. w przypadku wapienia pińczowskiego najczęściej metodą termopary - para wodna do 140°C przy niskim ciśnieniu roboczym), usunięciu soli rozpuszczalnych w wodzie, usunięciu mikroorganizmów przy użyciu środków grzybo- i glonobójczych nanoszonych na powierzchnię kamienia, a następnie wymywanych pędzlem, uzupełnieniu ubytków „sztucznym kamieniem” lub kitem mineralnym odpowiednio barwionym (barwniki odporne na UV), zastąpieniu najbardziej zniszczonych fragmentów rzeźby lub ubytków noworzeźbionymi elementami wykonanymi z tego samego surowca skalnego, wzmocnieniu kamienia - hydrofobizacja rzeźby przy użyciu mikroemulsji.

Dzięki dokumentacji Polskiego Komitetu Normalizacyjnego możliwe jest badanie odporności skalnych surowców budowlanych na wietrzenie przed ich zastosowaniem w budownictwie. Do badań tych należą: analiza petrograficzna, oznaczanie odporności na krystalizację soli, na starzenie pod działaniem mgły solnej, na starzenie spowodowane szokiem termicznym oraz oznaczenie mrozoodporności. Dwa z wymienionych testów, tj. oznaczanie odporności na krystalizację soli oraz oznaczenie odporności skalnego materiału budowlanego na starzenie pod działaniem mgły solnej, mają szczególne znaczenie w przypadku, gdy surowiec ma być zastosowany na obszarze o wysokiej koncentracji zanieczyszczeń (np. Kraków), o znacznym udziale aerozoli morskich lub też będzie narażony na substancje stosowane w zimie do odmrażania chodników i jezdni.

Opis zjawisk wietrzenia zachodzących w zanieczyszczonej atmosferze ma także duże znaczenie dla pełniejszego poznania procesów zachodzących na styku litosfery, atmosfery i hydrosfery. Należy nadmienić, że są to procesy geologiczne i geomorfologiczne o podstawowym znaczeniu w kształtowaniu oblicza Ziemi.

Wanda Wilczyńska-Michalik

Literatura J. Bromowicz, J. Magiera, Pochodzenie piaskowców z  murów wawelskiej rotundy
św. św. Feliksa i Adaukta, w: Kamień architektoniczny i dekoracyjny. Materiały Konferencji Naukowej, Kraków AGH, 23-24 września 2003 r., pod red. J. Bromowicz, Kraków 2003.
J. Rajchel, Kamienny Kraków. Spojrzenie geologa, Kraków 2004.
W. Wilczyńska-Michalik, Influence of atmospheric pollution on the weathering of stones in Cracow, Cracow-Częstochowa Upland and the Carpathians, Kraków 2004.