This postgraduate dissertation examines the impact of salt crystallization on stone materials used in the construction of archaeological monuments, in an effort to better understand the deterioration mechanisms and to assess the role of salts in the gradual degradation of stone materials. It is widely accepted that salt deposition is one of the main degradation factors of stone materials. In Greek cultural heritage monuments and archaeological sites, porous stones, such as limestone and sandstone, are frequently encountered. For this reason, it is of paramount importance to study the mechanisms of salt deposition on stones, in order to preserve cultural heritage assets. The need becomes more pressing as environmental factors, such as extreme climatic variations and air pollution may significantly affect salt deposition and salt crystallization processes on stone surfaces. A thorough literature review was conducted, examining the stone degradation factors, salt deposition mechanisms as well as effective stone conservation approaches.
Thereupon, experimental research was carried out utilizing limestone and sandstone specimens to ascertain how accelerated ageing tests would affect different stone materials. The study consisted of various tests, microscopical observation, XRF measurement, total porosity and water absorption measurements, and mechanical testing to gain a detailed insight into the materials’ composition. Two of the most common salts in nature were used, i.e. sodium chloride and sodium sulfate, to evaluate their distinct salt deposition mechanisms. Additionally, two consolidation treatments were applied, namely the application of an alkoxysilane-based consolidant tetraethyl orthosilicate (TEOS) and the application of a combined treatment of TEOS with a hydrophobic oligomer siloxane solution (Funcosil), in order to assess their performance against salt deterioration and compare their effect in mitigating salt inclusion in stones.
The study provided evidence that the effects of sodium chloride are less destructive than that of sodium sulfate, usually forming efflorescence of the stone surfaces and minor alterations such as flaking and microcracking. Sodium sulfate on the other hand, proved to be more destructive, attributed to its inherent properties, with the continuous precipitation-dissolution processes causing intense internal stresses within materials porous network, resulting in cracking, spalling, and eventual disintegration of materials. Furthermore, the results revealed that the combined consolidation treatment of TEOS and Funcosil was more
Postgraduate Dissertation 3
effective in mitigating the deteriorating factors of salts in both limestone and sandstone. Contrarily, the TEOS consolidation treatment proved to be ineffective in protecting stone from the effects of salts. Ultimately, as stated in the bibliography, it is confirmed that limestone is more durable against salt mechanisms, whereas sandstone is more susceptible to material deterioration caused by salts.

Η παρούσα διπλωματική διατριβή έχει ως στόχο την αξιολόγηση των επιπτώσεων της κρυστάλλωσης των αλάτων σε πέτρινα υλικά που χρησιμοποιούνται σε αρχαιολογικά μνημεία, ως μια προσπάθεια να γίνουν πιο κατανοητοί οι μηχανισμοί εναπόθεσης των αλάτων και να διερευνηθεί ο ρόλος τους στη διάβρωση πέτρινων υλικών. Είναι ευρέως γνωστό πως η εναπόθεση των αλάτων είναι μία από τις βασικότερες αιτίες διάβρωσης των πέτρινων υλικών. Οι πορώδη λίθοι, όπως ο ασβεστόλιθος και ο πωρόλιθος συναντώνται συχνά στα μνημεία πολιτιστικής κληρονομιάς και τους αρχαιολογικούς χώρους στην ελληνική επικράτεια. Για αυτόν το λόγο, η μελέτη των μηχανισμών της εναπόθεσης αλάτων κρίνεται υψίστης σημασίας για την διατήρηση αυτών των πολιτιστικών αγαθών. Αυτή η ανάγκη γίνεται ακόμα πιο επείγουσα εξαιτίας της κλιματικής αλλαγής, όπου οι έντονες καιρικές διακυμάνσεις και η ατμοσφαιρική ρύπανση επηρεάζουν τους μηχανισμούς εναπόθεσης των αλάτων στις επιφάνειες των πέτρινων υλικών. Η συστηματική μελέτη της βιβλιογραφίας επικεντρώθηκε στη εξέταση των μηχανισμών διάβρωσης των λίθων, στους μηχανισμούς εναπόθεσης των αλάτων και στις αποτελεσματικές τεχνικές συντήρησης των λίθινων υλικών.

Η πειραματική έρευνα που υλοποιήθηκε, χρησιμοποίησε δείγματα από ασβεστόλιθο και πωρόλιθο προερχόμενα από την Ελλάδα, με σκοπό να διευκρινίσει τον τρόπο με τον οποίο οι τεχνητοί κύκλοι γήρανσης επηρεάζουν διαφορετικά λίθινα υλικά. Για την συγκεκριμένη πειραματική μελέτη πραγματοποιήθηκαν διάφορα τεστ, όπως μικροσκοπική παρατήρηση αντικειμένων, μετρήσεις με ανάλυση φθορισμού ακτινών Χ (XRF), μέτρηση του πορώδους, μέτρηση τριχοειδούς απορρόφηση νερού, και τεστ μηχανικής αντοχής, με σκοπό την απόκτηση μια λεπτομερούς εικόνας για την σύνθεση των υλικών. Δύο από τα πιο κοινά άλατα, το χλωριούχο νάτριο και το θειικό νάτριο, χρησιμοποιήθηκαν για την πειραματική έρευνα, με σκοπό να αξιολογηθούν οι διαφορετικοί μηχανισμοί εναπόθεσής τους. Επιπλέον, εφαρμόστηκαν δύο διαφορετικές τεχνικές στερέωσης. Πιο συγκεκριμένα υλοποιήθηκε η εφαρμογή ενός σιλάνιου, το τετρααιθοξυ-σιλάνιο (TEOS) και η συνδυαστική εφαρμογή του TEOS με ένα διάλυμα σιλοξανίων με υδροφοβικούς παράγοντες (Funcosil), προκειμένου να αξιολογηθεί η αποδοτικότητά τους ενάντια στην διάβρωση των αλάτων και γίνει η σύγκριση των επιδράσεών τους στον μετριασμό της διείσδυσης αλάτων στους λίθους.

Από την έρευνα προέκυψε πως οι επιδράσεις των χλωριούχου νατρίου είναι πιο μετριασμένες και λιγότερο καταστροφικές από αυτές του θειικού νατρίου,  σημειώνοντας κυρίως εξανθήσεις στην επιφάνεια των πετρωμάτων και περιορισμένες φθορές, όπως μικρορηγματώσεις. Από την άλλη πλευρά, το θειικό νάτριο αποδείχθηκε πιο καταστροφικό εξαιτίας των εγγενών ιδιοτήτων του, με τις συνεχείς διεργασίες καθίζησης-διάλυσης να προκαλούν έντονες εσωτερικές διεργασίες εντός του πορώδους των υλικών, με αποτέλεσμα την προκάλεση ρωγμών, την παραγωγή θρυμματισμών και  εν τέλει την αποσύνθεση των υλικών. Επιπροσθέτως, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η συνδυαστική εφαρμογή των υλικών στερέωσης με TEOS και Funcosil ήταν πιο αποτελεσματική στον μετριασμό των παραγόντων φθοράς των αλάτων, τόσο στον ασβεστόλιθο όσο και στον πωρόλιθο. Αντιθέτως, η εφαρμογή του στερεωτικού υλικού TEOS αποδείχθηκε αναποτελεσματική για την προστασία των λίθων από τις επιδράσεις των αλάτων.

Εν κατακλείδι, όπως διατυπώνεται και στη βιβλιογραφία, επιβεβαιώνεται ότι ο ασβεστόλιθος κρίνεται ως πιο ανθεκτικός λίθος στους μηχανισμούς αλάτων, ενώ ο πωρόλιθος κρίνεται πιο ευάλωτος στην φθορά του υλικού που προκαλείται από τα άλατα.

Η παρούσα διπλωματική διατριβή έχει ως στόχο την αξιολόγηση των επιπτώσεων της κρυστάλλωσης των αλάτων σε πέτρινα υλικά που χρησιμοποιούνται σε αρχαιολογικά μνημεία, ως μια προσπάθεια να γίνουν πιο κατανοητοί οι μηχανισμοί εναπόθεσης των αλάτων και να διερευνηθεί ο ρόλος τους στη διάβρωση πέτρινων υλικών. Είναι ευρέως γνωστό πως η εναπόθεση των αλάτων είναι μία από τις βασικότερες αιτίες διάβρωσης των πέτρινων υλικών. Οι πορώδη λίθοι, όπως ο ασβεστόλιθος και ο πωρόλιθος συναντώνται συχνά στα μνημεία πολιτιστικής κληρονομιάς και τους αρχαιολογικούς χώρους στην ελληνική επικράτεια. Για αυτόν το λόγο, η μελέτη των μηχανισμών της εναπόθεσης αλάτων κρίνεται υψίστης σημασίας για την διατήρηση αυτών των πολιτιστικών αγαθών. Αυτή η ανάγκη γίνεται ακόμα πιο επείγουσα εξαιτίας της κλιματικής αλλαγής, όπου οι έντονες καιρικές διακυμάνσεις και η ατμοσφαιρική ρύπανση επηρεάζουν τους μηχανισμούς εναπόθεσης των αλάτων στις επιφάνειες των πέτρινων υλικών. Η συστηματική μελέτη της βιβλιογραφίας επικεντρώθηκε στη εξέταση των μηχανισμών διάβρωσης των λίθων, στους μηχανισμούς εναπόθεσης των αλάτων και στις αποτελεσματικές τεχνικές συντήρησης των λίθινων υλικών.

Η πειραματική έρευνα που υλοποιήθηκε, χρησιμοποίησε δείγματα από ασβεστόλιθο και πωρόλιθο προερχόμενα από την Ελλάδα, με σκοπό να διευκρινίσει τον τρόπο με τον οποίο οι τεχνητοί κύκλοι γήρανσης επηρεάζουν διαφορετικά λίθινα υλικά. Για την συγκεκριμένη πειραματική μελέτη πραγματοποιήθηκαν διάφορα τεστ, όπως μικροσκοπική παρατήρηση αντικειμένων, μετρήσεις με ανάλυση φθορισμού ακτινών Χ (XRF), μέτρηση του πορώδους, μέτρηση τριχοειδούς απορρόφηση νερού, και τεστ μηχανικής αντοχής, με σκοπό την απόκτηση μια λεπτομερούς εικόνας για την σύνθεση των υλικών. Δύο από τα πιο κοινά άλατα, το χλωριούχο νάτριο και το θειικό νάτριο, χρησιμοποιήθηκαν για την πειραματική έρευνα, με σκοπό να αξιολογηθούν οι διαφορετικοί μηχανισμοί εναπόθεσής τους. Επιπλέον, εφαρμόστηκαν δύο διαφορετικές τεχνικές στερέωσης. Πιο συγκεκριμένα υλοποιήθηκε η εφαρμογή ενός σιλάνιου, το τετρααιθοξυ-σιλάνιο (TEOS) και η συνδυαστική εφαρμογή του TEOS με ένα διάλυμα σιλοξανίων με υδροφοβικούς παράγοντες (Funcosil), προκειμένου να αξιολογηθεί η αποδοτικότητά τους ενάντια στην διάβρωση των αλάτων και γίνει η σύγκριση των επιδράσεών τους στον μετριασμό της διείσδυσης αλάτων στους λίθους.

Από την έρευνα προέκυψε πως οι επιδράσεις των χλωριούχου νατρίου είναι πιο μετριασμένες και λιγότερο καταστροφικές από αυτές του θειικού νατρίου,  σημειώνοντας κυρίως εξανθήσεις στην επιφάνεια των πετρωμάτων και περιορισμένες φθορές, όπως μικρορηγματώσεις. Από την άλλη πλευρά, το θειικό νάτριο αποδείχθηκε πιο καταστροφικό εξαιτίας των εγγενών ιδιοτήτων του, με τις συνεχείς διεργασίες καθίζησης-διάλυσης να προκαλούν έντονες εσωτερικές διεργασίες εντός του πορώδους των υλικών, με αποτέλεσμα την προκάλεση ρωγμών, την παραγωγή θρυμματισμών και  εν τέλει την αποσύνθεση των υλικών. Επιπροσθέτως, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η συνδυαστική εφαρμογή των υλικών στερέωσης με TEOS και Funcosil ήταν πιο αποτελεσματική στον μετριασμό των παραγόντων φθοράς των αλάτων, τόσο στον ασβεστόλιθο όσο και στον πωρόλιθο. Αντιθέτως, η εφαρμογή του στερεωτικού υλικού TEOS αποδείχθηκε αναποτελεσματική για την προστασία των λίθων από τις επιδράσεις των αλάτων.

Εν κατακλείδι, όπως διατυπώνεται και στη βιβλιογραφία, επιβεβαιώνεται ότι ο ασβεστόλιθος κρίνεται ως πιο ανθεκτικός λίθος στους μηχανισμούς αλάτων, ενώ ο πωρόλιθος κρίνεται πιο ευάλωτος στην φθορά του υλικού που προκαλείται από τα άλατα.