در طی سال‌های اخیر، نیاز به حفظ و تثبیت ساختارهای تاریخی که تحت تأثیر عوامل محیطی یا استفاده از مصالح ترمیمی نامناسب دچار آسیب شده‌اند، توجه مرمت‌گران و پژوهشگران را به سمت موادی مانند نانوآهک جلب کرده است. این ماده، به دلیل ذرات نانویی خود و قابلیت نفوذ عمیق به خلل و فرج سنگ، توانایی منحصر به‌فردی در تثبیت و بازسازی سازه‌های سنگی و گچی دارد.

یکی از نمونه‌های شاخص در این زمینه، پروژه مرمت دیوار ورودی قبرستان تاریخی شهر لندن است. این دیوار که نمادی از تاریخ و هویت معماری لندن به شمار می‌رود، در اثر گذر زمان و تأثیرات محیطی، به‌ویژه به‌خاطر استفاده از مصالح سیمانی نامناسب، به سرعت دچار فرسایش شده و ایمنی آن به مخاطره افتاده بود. در این مقاله، ضمن معرفی نانوآهک و ویژگی‌های خاص آن، چالش‌های این پروژه مرمت و نحوه استفاده از نانوآهک به‌عنوان راهکاری مؤثر در کاهش فرسایش و بازگرداندن استحکام به ساختار تاریخی بررسی می‌شود.

نانوآهک چیست؟

نانوآهک از ذرات بسیار ریز هیدروکسید کلسیم تشکیل شده است که به‌صورت مصنوعی تولید و در الکل معلق می‌شوند. در حال حاضر، دو برند تجاری از این محصول در دسترس هستند: “Calosil” که در سال ۲۰۰۶ عرضه شد و “Nanorestore” که در سال ۲۰۰۸ به بازار آمد. الکل مورد استفاده در این ترکیب می‌تواند اتانول، ایزوپروپانول یا ن-پروپانول باشد.

نانومتر (nm) واحدی برابر با یک میلیونیم میلی‌متر است و تنها با قوی‌ترین میکروسکوپ‌ها قابل مشاهده است. اندازه ذرات نانوآهک معمولاً حدود ۱۵۰ نانومتر است، و با توجه به اینکه حفره‌های موجود در سنگ‌ها به‌طور میانگین ۱۰۰۰ نانومتر قطر دارند، این ذرات می‌توانند به‌خوبی در این فضاها نفوذ کرده و با تثبیت سنگ‌های آسیب‌دیده، از تخریب بیشتر آن‌ها جلوگیری کنند.

نانوآهک به دلیل ماهیت آهکی‌اش، برای مرمت سنگ‌های آهکی و سایر مصالح مبتنی بر آهک مناسب‌تر است. این ویژگی باعث می‌شود که نسبت به تثبیت‌کننده‌های آلی که در قرن گذشته استفاده می‌شدند، مثل آلکوکسی‌سیلان‌ها، ترجیح داده شود، زیرا تثبیت‌کننده‌های آلی تغییراتی در ظاهر و ساختار شیمیایی سنگ‌ها ایجاد می‌کنند. آهک پس از کربوناسیون به کربنات کلسیم، جزء اصلی سنگ آهک، تبدیل می‌شود که در اصل یک جایگزین همسان برای مصالح اصلی است. البته یکی از چالش‌های نانوآهک، میزان نفوذ نامتوازن آن در عمق سنگ است که به شرایط محیطی و ویژگی‌های سنگ بستگی دارد.

استفاده از نانوآهک در تثبیت سنگ به اصول “آب آهک‌دهی” سنتی شبیه است که در دهه ۱۹۷۰ توسط پروفسور بیکر بر روی کلیسای جامع ولز اجرا شد. اما نانوآهک مزیتی دارد که در آن آهک به‌صورت معلق در مایع قرار دارد و نه محلول مانند آب آهک. این ویژگی باعث می‌شود که با هر بار استفاده، مقدار بیشتری آهک وارد سنگ شود؛ در حالی که آب آهک معمولاً ۱.۷ گرم آهک در هر لیتر دارد، نانوآهک می‌تواند تا ۵۰ گرم آهک در هر لیتر داشته باشد. الکل موجود در نانوآهک تبخیر شده و آهک باقی‌مانده کربوناسیون می‌شود و با سنگ پیوند می‌خورد، در حالی که آب آهک نیاز به بیش از ۴۰ بار استفاده برای اثربخشی کامل دارد. اما در روش آب آهک‌دهی، جذب زیاد آب توسط سنگ ممکن است نمک‌های موجود در دیواره‌ها را فعال کند و به‌جای کاهش تخریب، آن را تشدید کند.

چرا نانوآهک برای مرمت ابنیه تاریخی مورد توجه قرار می‌گیرد؟

در مرمت آثار تاریخی، تلاش می‌شود تا حد امکان اصالت مصالح حفظ و از تغییرات اضافی جلوگیری شود. این دیدگاه اما چالش‌های فنی و حتی اخلاقی خود را دارد، چرا که بسیاری از ترمیم‌ها به‌ناچار تغییراتی را در ساختار اصلی ایجاد می‌کنند. به‌طور خاص، تثبیت و یکپارچه‌سازی بخش‌های آسیب‌دیده از دشوارترین مراحل حفاظت است. در این موارد، هدف اصلی این است که مصالحی استفاده شود که بدون ایجاد آسیب به ساختار، بخش‌های تخریب‌شده را به‌طور مؤثری تثبیت و پشتیبانی کند.

به همین منظور، در سال‌های اخیر، پژوهش‌هایی درباره استفاده از نانوآهک به عنوان ماده‌ای پایدار و نوین در مرمت آثار تاریخی انجام شده است. نانوآهک، که ماده‌ای مبتنی بر آهک است، توانایی تثبیت سنگ‌آهک و گچ‌های آسیب‌دیده را دارد و به ویژه برای بخش‌های بیرونی بناها مورد توجه قرار گرفته است. پروژه Stonecore که با حمایت مالی اتحادیه اروپا از سال ۲۰۰۸ تا ۲۰۱۱ اجرا شد، نمونه‌ای از این تحقیقات گسترده بوده و نتایج آن در سطح اروپا به اشتراک گذاشته شده است. اخیراً نیز، دانشگاه بث با همکاری سازمان Historic England تحقیقات بیشتری را انجام داده و دستورالعمل‌های جدیدی در این زمینه منتشر شده است.

استفاده از نانوآهک در مرمت دیوار ورودی قبرستان شهر لندن

پروژه مرمت دیوار ورودی قبرستان شهر لندن در بهار ۲۰۱۶ توسط موسسه London Stone Conservation انجام شده و تجربه‌ای ارزشمند در استفاده از نانوآهک به عنوان یک مصالح ساختمانی نوین ارائه می‌دهد. دیوار ورودی اصلی قبرستان شهر لندن توسط ویلیام هی‌وود (۱۸۲۱-۱۸۹۴) طراحی شد. هی‌وود بیشتر به‌خاطر طراحی پل هالبورن در سال ۱۸۶۳ شناخته می‌شود.

دیوار ورودی قبرستان شهر لندن

این قبرستان در سال ۱۸۵۳ و در زمانی ساخته شد که حیاط‌های کلیساهای لندن به دلیل انفجار جمعیت و افزایش مرگ‌ومیرهای ناشی از وبا در بحران بودند. شرکت شهر لندن تصمیم گرفت یک “ابر قبرستان” جدید ایجاد کند که نیازهای تمامی حیاط‌های کلیسا را برآورده سازد، و هی‌وود مسئول اجرای این پروژه شد. این قبرستان همچنان بزرگ‌ترین مجموعه شهرداری از نوع خود در بریتانیا است.

دیوار ورودی به‌صورت سنتی با دیوارهایی از «راک‌استون کنتی» ساخته شده و در گوشه‌ها، تاج‌ها و تزیینات حجاری شده از «کانسنگ» استفاده شده است. کانسنگ، سنگ آهکی نرم فرانسوی است که برای حجاری‌های ظریف بسیار مناسب بود و در دوران ویکتوریا به‌طور گسترده‌ای وارد می‌شد، اما ضعف آن در برابر آلودگی محیطی است.

راک‌استون کنتی یک نوع سنگ آهکی سخت و خاکستری رنگ است که در کنت انگلستان استخراج می‌شود. اصطلاح راک‌استون در ادبیات معماری به سنگ‌هایی اطلاق می‌شود که به شکل قطعات نازک استخراج می‌شوند. در نزدیکی لندن، راک‌استون غالباً به راک‌استون کنتی اشاره دارد که همواره به دلیل سختی و استحکام بالا، برای پروژه‌های ساختمانی بسیار مورد توجه بوده است.

جزییات دیوار ورودی پس از مرمت

باران‌های قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم، تا زمان تصویب قانون هوای پاک در سال ۱۹۵۶، بسیار اسیدی‌تر از امروز بودند و این مسئله باعث تسریع فرسایش سنگ‌های آهکی می‌شد. کربنات‌های موجود در سنگ به سولفات تبدیل می‌شدند که به‌راحتی در آب حل می‌شوند و این به باران اسیدی اجازه می‌داد که به عمق بیشتری از سنگ نفوذ کند. کریستال‌های سولفات در دوره‌های خشک شدن تشکیل می‌شوند و با رشد در ساختار حفره‌های سنگی، گسترش یافته و باعث شکستن ساختار سنگ و ایجاد حفره‌های خالی می‌شوند.

از آنجا که دیوار ورودی به سمت جنوب غربی قرار دارد، به طور مکرر در معرض باران و نور مستقیم خورشید است. این شرایط موجب می‌شود که سنگ‌ها در معرض تغییرات شدید آب و هوایی، از جمله چرخه‌های یخ‌زدایی و خشک‌ و تر شدن، قرار بگیرند.

 در آغاز برنامه حفاظت و تعمیر، مرمت‌کاران با آسیب‌هایی مواجه بودند که به دلیل ترمیم‌های متعدد به ساختار وارد شده بود. در کمتر از ۴۳ سال پس از ساخت بنا، بخش‌های سنگی آن دچار فرسایش زودرس شده بودند. این آسیب‌ها به‌ویژه در قسمت‌هایی که با سیمان در دوران ویکتوریا ترمیم شده بودند، کاملاً نمایان بود؛ به‌خصوص در دو پنل تزیینی که روی آن‌ها عبارت‌های “ساخته‌شده در ۱۸۵۵” و “مرمت‌شده در ۱۸۹۸” حک شده بود.

این ترمیم‌ها تهدیدی جدی برای آینده دیوار ورودی هستند. سیمان پرتلند بسیار سخت و غیرقابل نفوذ است و اجازه نمی‌دهد سنگ نفس بکشد. رطوبتی که به دام سیمان می‌افتد مجبور است از سنگ نرم‌تر و متخلخل‌تر اطراف ترمیم تبخیر شود. در این نقاط، مکانیزم‌های طبیعی فرسایش که پیش‌تر توضیح داده شد، به دلیل تجمع بیشتر نمک‌های محلول تشدید می‌شوند. در نهایت، ترمیم‌های سیمانی از سنگ اطراف جدا شده و سطوح شکننده و فرسوده‌ای را باقی می‌گذارند. این سطوح فرسوده در پنل مرکزی پرآذین به‌وضوح مشهود است، زیرا تعداد زیادی از این ترمیم‌های سیمانی در این قسمت وجود دارد و سطح وسیع‌تری از حجاری‌های تزیینی، چرخه‌های خشک و تر شدن را افزایش می‌دهد.

ارزیابی راهکارها

ترمیم دیوار ورودی با چالش‌های متعددی همراه بود. در ابتدا پیشنهاد شد که از ترکیبی از جایگزینی سنگ و تعمیر با ملات آهکی استفاده شود، زیرا ملات آهکی نرم‌تر و بسیار قابل‌نفوذتر از سیمان پرتلند است. از آنجا که تاج‌های سنگی به‌طور کامل با سیمان پوشانده شده بودند، همه آن‌ها باید با سنگ جدید جایگزین می‌شدند. به‌جای کانسنگ نورماندی، یک سنگ آهکی دانه‌ریز مشابه از منطقه لاووکس نزدیک پوآتیه انتخاب شد. این سنگ به‌دلیل مقاومت بالا در برابر آب‌وهوا و یخ‌زدگی، هم‌اکنون به‌عنوان جایگزین کانسنگ در کلیسای جامع کانتربری استفاده می‌شود.

پس از باز کردن قطعات، مشخص شد که ساختار در نواحی زیر تاج‌های سیمانی کاملاً مرطوب است، به‌ویژه در زیر سایبان‌های پنل مرکزی. جایگزینی تاج‌های سنگی جدید این امکان را می‌دهد که ساختار خشک شود و فرآیند فرسایش کاهش یابد، زیرا برخلاف سیمان، سنگ به رطوبت اجازه می‌دهد که تبخیر شود.

بررسی دقیق پنل مرکزی نشان داد که وضعیت آن بسیار وخیم‌تر از تصورات اولیه است و برای افزایش پایداری و یکپارچگی عناصر سنگی اقدامات گسترده‌تری لازم است. در نتیجه، تصمیم بر این شد که کل پنل مرکزی با نانوآهک تقویت شود تا سطح‌های شکننده سنگ استحکام یابد. برای تعیین بهترین نوع “Calosil” مجموعه‌ای از آزمایش‌ها با نانوآهک انجام شد. هدف اصلی این بود که میزان نفوذ آهک به حداکثر برسد تا اثر تثبیت‌کننده آن نه‌تنها بر سطح، بلکه در عمق سنگ نیز تأثیرگذار باشد.

برای ترمیم پنل مرکزی رویکردی چهار مرحله‌ای مورد توجه قرار گرفت:

• بخش‌هایی از ترمیم‌های سیمانی به‌صورت گزینشی حذف شدند تا روند تخریب سنگ‌های حجاری‌شده کندتر شود.
• کل سطح با ترکیبی از Calosil E5 (حاوی ۵ گرم نانوآهک در هر لیتر) و E25 (۲۵ گرم نانوآهک در هر لیتر) پوشش داده شد. هدف این بود که ابتدا با E5 نفوذ بیشتری ایجاد شود و سپس با E25 حداکثر آهک به ساختار منتقل شود. Calosil با اسپری فشار قوی مخصوص باغبانی روی سطح اعمال شد؛ ابتدا پنج بار از E5 و سپس سه بار از E25 در مدت دو روز استفاده شد. برای جلوگیری از تبخیر زودهنگام اتانول و بهبود نفوذپذیری، پس از هر بار استفاده سطح با پلاستیک محافظ پوشانده می‌شد. پس از اتمام این فرآیند، اسپری آب بر روی سطح لازم بود تا آهک بتواند در حضور هوا و آب به کربنات تبدیل شود.
• بخش‌هایی از ترمیم‌های پیشین با ملات هیبریدی بازسازی شدند تا روند تخریب سنگ‌ها بیشتر کاهش یابد. این ملات از خمیر آهک، سیمان طبیعی زودگیر، ماسه و پودر سنگ با نسبت ترکیب ۲:۱:۳:۳ (آهک: سیمان طبیعی: ماسه: پودر سنگ) ساخته شده بود.
• عناصری از سنگ که به دلیل موقعیت برآمده خود در خطر سقوط بودند، با کانسنگ به همان شکل اولیه جایگزین شدند. دو عنصر در این دسته شامل سپر با نشان شهر و کلاه مسکووی بودند که چندین شکستگی داشتند و خطر جدا شدن آن‌ها بسیار بالا بود. پس از اتمام ترمیم‌ها، کل پنل مرکزی با پنج لایه پوشش آهکی خاص با رنگ متناسب و پیوندی بر پایه کازئین پوشانده شد. این کار به یکپارچگی پنل مرکزی کمک کرد، هرگونه لکه سفید ناشی از نانوآهک را پوشاند و از تزیینات حجاری شده و آسیب‌پذیر بیشتر محافظت کرد.

بازسازی برخی از بخش‌های ترمیم‌شده با سیمان و جایگزینی آن‌ها با ملات آهکی به کاهش فرسایش سنگ‌ها کمک کرد. نانوآهک نیز به وضوح سطح‌های پوسته‌پوسته و شکننده پنل را بهبود داد و سطحی محکم‌تر برای اجرای پوشش آهکی فراهم کرد.

چالش‌ها و محدودیت‌ها در استفاده از نانوآهک

تقویت سطح با نانوآهک به‌عنوان روشی مؤثر برای محافظت سطحی ارزیابی شده است، اما برای نفوذ عمیق‌تر به‌طور مداوم نتیجه مطلوبی به دست نیامد. آزمایش‌ها نشان دادند که با Calosil E5، حداکثر عمق نفوذ ۷ میلی‌متر بوده که به‌طور کلی برای اتصال سطوح شکننده به بستر محکم سنگ کافی در نظر گرفته شد. در شرایط آزمایشگاهی، نتایج بهتری به‌دست آمده است.

عوامل محیطی مانند دما و به‌ویژه رطوبت نسبی تأثیر زیادی بر زمان تبخیر اتانول و عمق نفوذ نانوآهک دارند. روزهای خنک و ابری با رطوبت نسبی بالا بهترین شرایط را برای دستیابی به نتایج مطلوب در سایت فراهم می‌کنند.

همراهی نانوآهک با ترمیم‌های ملات آهکی و پوشش آهکی، اثری تقویتی بر سطح ایجاد کرد که زمینه مناسبی برای اعمال بیشتر پوشش‌های محافظتی آهکی فراهم ساخت. این امر به‌ویژه مفید است، زیرا سطوح شکننده سنگ برای پیوند مناسب با ملات و پوشش آهکی به اندازه کافی پایدار نیستند.

نانوآهک به‌راحتی می‌تواند به‌عنوان یک راهکار مرمت شگفت‌انگیز جدید دیده شود، اما در عمل، موفقیت آن به عوامل زیادی بستگی دارد، از جمله ساختار حفره‌های سنگ و نوع آسیب واردشده. در برخی از سنگ‌ها، ساختار حفره‌ای ممکن است پیوستگی کافی نداشته باشد، که این امر نفوذ عمقی را کاهش می‌دهد و در صورت وجود شکاف‌های بزرگ، نانوآهک به‌تنهایی قادر به پر کردن آن‌ها نیست، مانند مواردی که لایه‌لایه شدن سنگ رخ داده است.

تحقیقات همچنین نشان می‌دهد که اگر لایه‌ای از گچ روی سنگ‌های آهکی وجود داشته باشد، ممکن است این لایه کاملاً غیرقابل نفوذ باشد و هرگونه تثبیت حتی می‌تواند نتیجه معکوس داشته باشد. با این حال، نانوآهک به‌عنوان ابزاری دیگر در میان مواد حفاظت از آثار تاریخی عمل می‌کند و در بسیاری از موقعیت‌ها می‌تواند به‌طور مؤثر همراه با دیگر محصولات آهکی استفاده شود.

در این مورد، دیوار ورودی از این ماده جدید برای کاهش روند فرسایش پیچیده که پنل مرکزی را تخریب می‌کرد، به‌طور قابل‌توجهی بهره برد. نانوآهک برای همه شرایط مناسب نیست، اما گزینه‌ای را ارائه می‌دهد که نیاز به جایگزینی بافت اصلی و افزایش عمر سازه‌های تاریخی را بدون توسل به جایگزینی سنگ یا مواد تثبیت‌کننده غیراصولی، به تأخیر می‌اندازد.

URL را کپی کنید URL کپی شد