Original paper

Marmorkonservierung durch die IBACH-Volltränkung: Qualitätskontrolle und Optimierung durch mikroskopische und petrophysikalische Untersuchungen

[Marble conservation by the IBACH-Total-Impregnation-Process: Quality control and optimization by microscopic and petrophysical data]

Lorenz, Heinz G.;Ibach, Hermann Wolf

Kurzfassung

Für eine erfolgreiche Konservierung verwitterter transportabler Denkmalobjekte im Zuge der "IBACH-Volltränkung" (AVT) ist es Voraussetzung, einen guten Verbund zwischen dem im ausgehärteten Zustand festen Polymethylmetacrylat (PMMA) und den Porenwandungen zu erzielen. Damit wird eine Feuchtigkeits- und Schadstoffaufnahme nach der Tränkung unterbunden und ein Festigkeitszuwachs des aufgelockerten Gesteinsgefüges erreicht. Ein definierter Gehalt an Acrylsäure als eine der Tränklösungskomponenten hat dabei einen wichtigen Einfluß auf die Polymerisationsreaktion und Qualität des Verbundes. Aufgrund von Optimierungen der Verfahrensbedingungen (die unter anderem zu einer längeren Einwirkzeit der Tränklösung führt) wurde es nötig, einen für die Marmortränkung zuvor ermittelten und verwendeten Acrylsäuregehalt erneut zu überprüfen. Grund ist bei der Reaktion von Acrylsäure und H2O (trotz intensiver Trocknung verbleiben einige Moleküllagen als Restfeuchte im Stein) mit Calcit entstehendes CO2, das sich an den Porenwandungen anlagern und bei erhöhter Konzentration zu Problemen mit dem Verbund führen könnte. Daher wurden im Laborexperiment Versuchstränkungen mit unterschiedlich acrylsäurehaltigen Tränklösungen durchgeführt.

Die Marmorproben der Versuchsreihe wurden vor und nach den Probekonservierungen mikroskopisch und petrophysikalisch charakterisiert. Durch REM-Untersuchungen nach der AVT ist eine Klassifizierung in 5 qualitativ unterschiedliche Verbundtypen in Abhängigkeit vom Acrylsäuregehalt möglich. Petrophysikalische Daten des getränkten Probenmaterials lassen dagegen keine Korrelation mit den unterschiedlichen Verbundtypen zu, da die Werte unter den jeweiligen Nachweisgrenzen liegen.

Ein guter Verbund bei möglichst geringer CO2-Entstehung wurde innerhalb der Versuchsreihe mit einem Acrylsäuregehalt von 1,9 Gew. % erreicht.

Abstract

Within the "IBACH-Total-Impregnation Process" for conservation of moveable stone monuments it is possible to soak well dried marble objects completely with liquid MMA (methyl methacrylate), using vacuum and pressure. The thermal induced radicalic polymerisation of liquid MMA to solid PMMA (polymethyl-methacrylate) results in a volume reduction of about 20 %. To provide a good adhersion of PMMA to the mineral surface, an adhesive agent (acrylic silane) and acrylic acid must be added. Due to these agents only isolated shrinkage pores within the PMMA are observed. The total adhesion of PMMA to the pore walls prevents marble from taking up moisture and pollutants and results in a good consolidation throughout the whole stone. In case of the acrylic silane it can be assumed that the molecule is bound to the calcite surface by a Si-O-Ca-bridge whereas the acrylic rest with its C-C double bond polymerizes with MMA molecules and is therefore connected with the PMMA network. The acrylic acid reacts with the calcite surface by forming an Ca-acrylate. Its double bond also polymerizes with MMA molecules so that the resulting PMMA is tightly adherent to the calcite surface.

In 1983 experiments were carried out by SNETHLAGE to optimize the PMMA-adhesion on the surface of calcite crystals in marble. A well defined mixing-ratio of acrylic acid and acrylic silane in the impregnation-liquid was found which led to best binding.

Meanwhile the process of total impregnation has been improved taking into consideration new microscopic and petrophysical results. Among other, the time of impregnation and of drying as well as the vacuum-pressure conditions have been changed.

A risk could be caused by remaining moisture. Despite of careful drying (using temperatures of about 70°C and a fan, since end of 1997 supported by vacuum drying) with a duration depending on the size of a sculpture from weeks to months some molecule layers of H2O are able to remain at the calcite surface. A simple labor experiment showed the reaction of acrylic acid in contact with a marble surface: gas bubbles of CO2 were produced.

Because of the risk of formation of CO2 by the reaction of acrylic acid and calcite in marble, which may lead to poor bonding, several concentrations were tested within a laboratory experiment. Weathered marble samples were characterized by microscopic and petrophysical analysis before and after the impregnation. As a main result the quality of bonding between PMMA with calcite can be classified into 5 types (in relation to content of acrylic acid) by SEM studies. Petrophysical data of samples after impregnation in order to ascertain differences in bonding types are not useful because values are below the detectable limit. In order to obtain good adhesion it is possible to reduce the concentration of acrylic acid in the impregnation liquid to 1,9 weight % with a minimum risk of formation of CO2.

Keywords

marblehistorical monumentpreservation (polymethylmethacrylate)thin sectionpetrophysicsquality control