Ανάπτυξη νανο-σύνθετων υλικών με βάση το ασβέστιο για την ενίσχυση των πορωδών υλικών δόμησης σε αρχιτεκτονικά μνημεία και παραδοσιακές κατασκευές

Abstract

The consolidation of porous building materials aims at the re-establishment of the internal cohesion among the decayed stone particles and contributes to the sustainability of architectural monuments and protection of their aesthetical and historical values. Among a vast range of products, the most effective consolidants are considered the nanolime (Ca(OH)2) dispersions. Nanolimes are colloidal dispersions of calcium hydroxide nanoparticles and their effectivity is due to the physical and chemical compatibility with the calcareous substrate and the enrichment of the active component, especially when compared with the traditional saturated solutions of Ca(OH)2. Aiming to contribute on the optimization of the nanolime (Ca(OH)2) dispersions, this study aims at the development of aqueous nanolime dispersions. In particular, this study focuses on the control of the morphological characteristics of the Ca(OH)2 nanoparticles, through the determination of the parameters affecting the surface modification of the nanoparticles. In addition to this, this study also focuses on the use of either aqueous dispersion medium or mixed polar dispersion medium, as a means to achieve the completion of the carbonation process. The experimental outline was based on the comparative evaluation of the synthesis implemented via the two main synthetic routes: top-down and bottom-up. The first parameter being studied concerned the experimental conditions. The second parameter studied in this research was the possibility of the modification of the surface of the nanoparticles through the addition of three surfactants in the aqueous dispersions: the non-ionic Triton X-100 and n-octylamine and the cationic amylamine. The third parameter being studied was the modification of the dispersion medium. The first modification concerned the innovative use of water enriched with O2 nanobubbles. The second modification concerned the study of the effect of the addition of 2-propanol. Finally, the newly synthesized dispersions of Ca(OH)2 nanoparticles were applied into different inorganic porous substrates. The application on the dispersion on three porous building materials (limestone, sandstone, mortar) underlined the key role of the correlation between the microstructural characteristics of the substrate with the characteristics of the nanolime dispersions. Overall, the synthesis of aqueous dispersions of Ca(OH)2 nanoparticles was achieved. In addition to this, the innovative use of water enriched with O2 nanobubbles was proved to be a successful replacement of water.

Τα υλικά στερέωσης έχουν ιδιαίτερη βαρύτητα στον τομέα της πολιτιστικής κληρονομιάς, τόσο για την ενίσχυση της συνοχής των διαβρωμένων δομικών στοιχείων και των διακοσμημένων επιφανειών (φυσικοί λίθοι, κονιάματα, επιχρίσματα, πλάκες επένδυσης), όσο και για την προστασία και διατήρηση της ιστορικής και καλλιτεχνικής αξίας των μνημείων. Ανάμεσα στο πλήθος υλικών που έχει χρησιμοποιηθεί κατά καιρούς σε κατεργασίας στερέωσης, πρωταγωνιστικό ρόλο κατέχει το υδροξειδίου του ασβεστίου Ca(OH)2, λόγω της φυσικοχημικής συμβατότητας του τελικού προϊόντος με το ασβεστιτικό συνδετικό υλικό των δομικών υλικών. Η παρούσα μελέτη αφορά τη σύνθεση υδατικών την σύνθεση υδατικών νανοδιασπορών υδροξειδίου του ασβεστίου Ca(OH)2. Συγκεκριμένα, εστίασε στη μελέτη των παραγόντων που επιδρούν στα μορφολογικά χαρακτηριστικά των νανοσωματιδίων Ca(OH)2, έτσι ώστε να παρουσιάζουν μορφολογική συμβατότητα με τα χαρακτηριστικά του ασβεστιτικού συνδετικού υλικού που προορίζονται να αναπληρώσουν. Επίσης, εστίασε στη διερεύνηση της δυνατότητας χρήσης υδατικού διασπορέα ώστε να εξασφαλιστεί η φυσική υγρασία που είναι απαραίτητα για τη διενέργεια και ολοκλήρωση της αντίδρασης της ενανθράκωσης. Η σύνθεση η υδατικών νανοδιασπορών υδροξειδίου του ασβεστίου επικεντρώθηκε στη μελέτη : α) Της επίδραση της διαδικασίας σύνθεσης που ακολουθείται (top-down και bottom-up) στα μορφολογικά χαρακτηριστικά των νανοσωματιδίων Ca(OH)2 β) Της επίδρασης της μείωσης της επιφανειακής τάσης ανάμεσα στα νανοσωματίδια Ca(OH)2 και του διασπορέα μέσα από διερεύνηση: i. Της δυνατότητας τροποποίησης της επιφάνειας των νανοσωματιδίων Ca(OH)2 μέσω της χρήσης διαφορετικών επιφανειοδραστικών ουσιών και της επίδρασης αυτών στα μορφολογικά χαρακτηριστικά των νανοσωματιδίων Ca(OH)2ii. Της επίδραση της καινοτόμας χρήσης νερού εμπλουτισμένου με νανοφυσαλίδες O2 ως εναλλακτικό μέσο στερεοχημικής τροποποίησης των νανοσωματιδίων Ca(OH)2iii. Της επίδραση της χρήσης μικτού πολικού διασπορέα νερού/ ισο-προπανόλης ως μέσο στερεοχημικής τροποποίησης των νανοσωματιδίων Ca(OH)2. Επιπλέον, μελετήθηκε η συσχέτιση μεταξύ των μορφολογικών και ρεολογικών χαρακτηριστικών των νέο σχηματισμένων νανοδιασπορών Ca(OH)2. Η μελέτη ολοκληρώθηκε με την εκτίμηση της ικανότητας διείσδυσης των νανοδιασπορών Ca(OH)2 σε 3 πυριτικά δισκία διαφορετικού αλλά και ομοιόμορφου πορώδους, καθώς και σε τρία υποστρώματα δομικών υλικών που χρησιμοποιούνται κατά κόρον στα αρχιτεκτονικά μνημεία της Μεσογείου: ασβεστόλιθος, πωρόλιθος και ασβεστιτικό κονίαμα. Συνολικά, επιτεύχθηκε η σύνθεση υδατικών νανοδιασπορών Ca(OH)2 με συγκεκριμένα μορφολογικά χαρακτηριστικά, μέσω του τροποποίησης της επιφάνειας τους. Τα αποτελέσματα της συγκεκριμένης μελέτης συμβάλλουν στο τομέα της σύνθεσης και ανάπτυξης των νανοδιασπορών. Συγκεκριμένα, οδήγησαν στην επιτυχή σύνθεση υδατικών νανοδιασπορών επιτυγχάνοντας τη στερεοχημική σταθερότητα ανάμεσα στα νανοσωματίδια με τη χρήση νερού εμπλουτισμένου με νανοφυσαλίδες Ο2 χωρίς την αναγκαία προσθήκη επιφανειοδραστικών ή οργανικών διασπορέων.