Labraunda 2014

La saison 2014 à Labraunda (Fig. 1) a probablement été la plus intense depuis les grands travaux entrepris par l’équipe suédoise sous la direction d’Alfred Westholm en 1960. Grâce au soutien des très nombreuses institutions, publiques comme privées, et de personnalités physiques, nous avons pu réunir sur le terrain une équipe internationale de 47 chercheurs et étudiants de onze nationalités différentes (d’Ouest en Est : États-Unis, Colombie, Royaume-Uni, France, Suède, Finlande, Slovaquie, Gr..

Roman mortars used in the archaeological sites in Spain and Turkey : a comparative study and the design of repair mortars

La calidad de los morteros romanos destaca, por lo general, por su alta durabilidad habiendo llegado, después de haber estado puesto más de dos milenios en obra, en muy buenas condiciones de conservación. La caracterización de estos morteros nos va a permitir entender su comportamiento y establecer las pautas para nuevos diseños de morteros que aproximen sus propiedades a las de los morteros romanos. El área de investigación en ciencias del patrimonio cultural ha descubierto hace tiempo estas buenas cualidades del mortero romano y el número de estudios de caso en yacimientos arqueológicos está aumentando día a día, sin embargo existe una carencia dentro de los estudios comparativos. Se supone que incluso si el clima, el desarrollo histórico-cultural y las construcciones son similares en los dos extremos del Mediterráneo dentro del Imperio Romano, la materia prima obtenida en el entorno geológico del yacimiento o importada de otras áreas tiene una importancia en la apariencia, durabilidad y funcionalidad de los morteros. En consecuencia, los morteros de reparación preparados utilizando las materias primas originales y las dosificaciones con los morteros romanos pueden ser o no ser compatibles en gran medida dependiendo de las condiciones de curado que juegan un papel importante cuando si se tiene en cuenta la carbonación lenta. En esta tesis doctoral se realiza la comparación de los morteros de dos yacimientos romanos en España y otros dos yacimientos en Turquía, es decir, los extremos occidental y oriental del Imperio Romano Mediterráneo. Se realiza, además, un estudio innovador en el diseño de mortero de reparación utilizando los conocimientos adquiridos a través de su caracterización y controlando los procesos de carbonatación que experimentan estos morteros con el paso del tiempo. En el estudio comparativo se caracterizaron morteros romanos de Complutum y Mérida de España y de Nysa y Labraunda de Turquía que se remontan a un periodo comprendido entre el siglo 1º a.C y el siglo 4º d. C. Los morteros se examinaron en dos grupos según la inclusión cerámica: opus caementicium y opus signinum. De esta forma se pretende definir las variaciones en la tecnología de elaboración entre estas dos regiones. Las muestras se analizaron mediante Microscopía óptica polarizada (POM), Difracción de rayos X (XRD), Análisis termogravimétrico (TGA-DSC), Fluorescencia de rayos X (XRF), Espectrofotometría de color, Dureza de superficie (Equotip), Porosimetría por intrusión de mercurio (MIP), partes ácido solubles/insolubles y distribución del tamaño de los agregados. Las composiciones de mortero en Complutum y Mérida son diferentes, al contrario de la homogeneidad encontrada en los morteros Nysa cuya composición es muy similar y muy diferentes a los del yacimiento de Labraunda . La mayoría de los morteros tienen propiedades hidráulicas incluso a veces no relacionadas con su función. En Turquía, entre las materias primas las arenas más arcillosas o los fragmentos de roca triturada del origen metamórficos y/o volcánicos, que incluyen también proporciones altas de feldespato y de mica, dan efecto puzolánico medio-alto. Los resultados de esta investigación doctoral demuestran que en los dos extremos del Imperio Romano Mediterráneo se utilizaba la materia prima del entorno, no existiendo conexión en las técnicas de elaboración, además de que la calidad de los morteros recogidos en cada yacimiento es diferente. A partir de estos estudios se han podido determinar las diferencias tecnológicas en la elaboración de los morteros en ambas partes del Mediterráneo y también ha permitido proporcionar información de composición de los diferentes morteros en cada edificio del yacimiento lo que ha permitido establecer diferentes fases constructivas o asignar diferentes edificios en una fase de construcción determinada de las ciudades romanas. En la segunda parte de la tesis, se prepararon diferentes morteros de reparación basados en el conocimiento empírico adquirido en la primera parte. Con el fin de estimular el proceso de carbonatación, se aplicaron dos métodos innovadores; curado en la cámara climática con una atmósfera de CO2 relativamente más alta y aplicación de un agente acelerante de la carbonatación por medio de espray. Las muestras curadas se compararon con las muestras de control que se curaron en las condiciones de laboratorio y se evaluaron en 28, 90, 120 y 180 días de carbonatación. Para la valoración de sus cualidades se realizaron análisis de microscopía óptica de polarización, Microscopía Electrónica de Barrido, Espectroscopía Raman, Difracción de Rayos X (XRD), Análisis Termogravimétrico (TGA) reacción de Fenolftaleína, Espectrofotometría de Color, Porosimetría de Intrusión de Mercurio (MIP), Resistencia a la Flexión y Compresión, Dureza de Superficie (Equotip), permeabilidad al aire, velocidad del pulso ultrasónico (UPV), saturación y absorción de agua capilar. Los morteros curados en la cámara climática mostraron carbonatación avanzada, encontrándose al final del estudio casi totalmente carbonatados. Se observó la formación incipiente de calcita solo en los morteros que se curaron en la cámara. La profundidad de carbonatación fue mayor en los morteros sin cerámica, sin embargo los morteros con cerámica tuvieron más alto nivel de carbonatación y mejor rendimiento. Pero debido a la rapidez de este proceso se produjeron grietas y se formaron cristales de hábito irregular que provocaron una disminución repentina en las propiedades. La aplicación de productos que favorecen la aceleración del proceso de carbonatación mostró la presencia de nuevas fases cristalinas en los morteros con cerámica. Sin embargo, en los morteros con contenido cerámico que respondieron mejor a las pruebas de valorización también se produjeron fisuras en su aglomerante. En todos los casos, los morteros que se utilizaron con cerámica mostraron una microestructura más compacta y una carbonatación más estable. Los productos de reacción puzolánica no pudieron detectarse debido a las bajas condiciones de humedad relativa y/o a la baja actividad puzolánica de los ladrillos y tejas romanas utilizadas. Al tener aspectos petrográficos similares, los nuevos morteros preparados y los morteros romanos mostraron una buena compatibilidad física y química; sin embargo las propiedades mecánicas no mejoraron, por tanto sería necesario mejorar esta propiedad disminuyendo la cantidad de cerámica en los morteros. Si bien los morteros carbonatados en la cámara ha obtenido unos resultados de carbonatación óptima, la aparición de grietas así como la dificultad de utilizar este método en el campo hace que nos inclinemos por el uso del acelerante, recomendando la reducción en la proporción de cerámica utilizada y el curado en un ambiente más húmedo. ----------ABSTRACT---------- The quality of Roman mortars stands out, for their high durability since they have survived two millennia, in very good conditions of conservation. The characterization of these mortars will allow us to understand their behaviour and establish guidelines for new mortar designs that approximate the properties of the Roman mortars. The field of cultural heritage sciences has discovered the significance of this durable building material and the number of case studies in archaeological sites is increasing day by day; however, there is a lack of comparative studies of Roman mortars. Despite the standardization in construction in the imperial ruled lands, this study assumed that even if the climate, cultural and historical developments, and constructions were similar in the two Mediterranean extremes of the Roman Empire, the geology of raw materials obtained from the surroundings or imported from other areas plays an important role in the appearance, durability and functionality of the mortars. Accordingly, repair mortars prepared using the original raw materials and proportions as the Roman mortars may or may not be compatible; largely due to the curing conditions, which play an important role slow carbonation is taken into account. Innovative techniques may enhance carbonation. This doctoral thesis compared the mortars collected from two archaeological sites in Spain and two other archaeological sites in Turkey, the western and eastern Mediterranean ends of the Roman Empire. In addition, an innovative study of repair mortar design was carried out using the knowledge acquired through their characterization and controlling carbonation. The comparative study characterized the Roman mortars of Complutum and Mérida from Spain and of Nysa and Labraunda from Turkey, which date to the first century BC and fourth century AD. The mortars were examined in two groups according to ceramic inclusion: opus caementicium and opus signinum. This also was intended to define the variations in the technology of processing mortars in these two regions. The samples were analysed using polarized optical microscopy (POM), X-ray diffraction (XRD), thermogravimetric analysis (TGA-DSC), X-ray fluorescence (XRF), colour spectrophotometry, surface hardness (Equotip), mercury intrusion porosimetry (MIP), acid in/soluble parts and grain size distribution. Differences in construction techniques and thus in mortar technology were observed in the two regions. While the mortar compositions in Complutum and Mérida vary, Nysa mortars ‘compositions were very close to each other. The majority of the mortars have hydraulic properties, even sometimes unrelated to their function. In Turkey, among the raw materials, more argillaceous sands or volcanic origin metamorphic crushed rock fragments including high proportions of feldspar, mica, schist and slate, which causes medium to high pozzolanic effect. The results of this doctoral research show that between the two extremes of the Mediterranean Roman Empire the raw material of the environment was used, and there is no connection in the techniques of elaboration, which means that the quality of the mortars obtained from each site differed. These studies made it possible to determine technological differences in the elaboration of the mortars in both parts of the Mediterranean, and also provided compositional information about the different mortars from each site. This in turn made it possible to establish different construction phases and assign different buildings to which construction phases of the Roman cities. In the second part of the thesis, repair mortars were prepared based on the empirical knowledge gained from the first part. In order to stimulate the carbonation process, two innovative methods were applied, curing in a climatic chamber with a relatively higher CO2 atmosphere and spray application of a carbonating agent. Those samples were compared with control samples cured in laboratory conditions and evaluated after 28, 90, 120 and 180 days of carbonation through a number of analytical techniques. The analytical techniques used with the repair mortars included: polarized optical microscopy (POM), X-Ray diffraction (XRD), thermogravimetric analysis (TGA), scanning electron microscopy (SEM), Raman spectroscopy, phenolphthalein reaction, color spectrophotometry, mercury intrusion porosimetry (MIP), flexural and compressive strength, surface hardness (Equotip), air permeability, ultrasonic pulse velocity (UPV), saturation and capillary absorption. The mortars cured in the climatic chamber show advanced carbonation and almost full carbonation. Early calcite formation was observed only in chamber cured samples. Carbonation depth was higher in the mortars without ceramic; however, those with ceramic inclusion had higher degrees of carbonation and higher performances. Nevertheless, internal micro-cracks occurred due to the rapid process, and irregularly shaped crystals formed, which suddenly diminished hydric properties. Accelerator did not yield a specific difference, but better carbonation was observed due to the steadiness of the process. The crystals in the mortars without ceramic inclusion had rounded shapes. The mortars with ceramic content did better on the performance tests; however, cracks occurred as well. In general, the mortars with ceramic inclusion had more compact microstructures and more stable carbonation. Pozzolanic reaction products were not detected due to the low relative humidity conditions and/or the low pozzolanic activity of the Roman bricks and tiles used. Having similar petrographic aspects, the newly prepared mortars and the Roman mortars show physical and hydric compatibility; however, mechanical properties are risky. Thus it is necessary to reduce the amount of ceramic in the mortars. Although with chamber curing optimum carbonation results were obtained, the appearance of cracks as well as the difficulty of using this method in the field makes us inclined to prefer to use the accelerator for repair mortars, with the recommendations of the reducing the proportion of ceramic used and curing in a humid environment

Apollon Smintheus tapınağı çevresindeki tüf taş ocaklarının araştırılması (Çanakkale, Türkiye).

Studies to determine the location of antique quarries, from where building stones were obtained, are done by comparison of the properties of antique stones and the possible quarry sources around them. In the case when no stonemason marks exists, geologic formations that may be used as building stone should be investigated and properties of antique building stones and geologic formations should be correlated. The aim of this study was the investigation of tuff quarries that could be the source of tuffs used in the construction of Apollon Smintheus Temple. For this purpose, the studies were carried out about the geology of the region, and possible three quarries selected around Smintheion. Durability properties of stones in Temple and quarries were determined with the analyses of physical, physico-mechanical properties and artificial weathering tests of wetting-drying, salt crystallization; Effective porosity, bulk density, water absorption capacity, dry and saturated unit weight, salt content, ultrasonic pulse velocity, modulus of elasticity, uniaxial compressive strength, pore size distribution, capillary absorption and moisture absorption capacities were determined for Temple tuffs and possible quarry tuffs in fresh and artificial weathering cycles. Microstructural investigations were done by mineralogical, petrographical and chemical analyses which were optical microscopy, stereomicroscopy, XRD, SEM, FTIR, MBA and XRF. The results indicated that Temple tuffs and two of the three quarries (Fatma Gerdan and Kızılkeçili) had similar engineering geological and micrstructural properties. Therefore, they could be used as building stone during the construction of Temple.M.Arch. - Master of Architectur

Preliminary investigation of the preparation of repair mortars for the Temple of Diana, Mérida, Spain

In this paper, characterization of the mortars of different constructive elements in Roman Temple of Diana for its conservation is presented. Mortar samples collected from different parts of the Temple were characterized by means of polarized optical microscopy (POM), X-ray diffraction (XRD), thermal analysis (TGA-DSC) and X-ray fluorescence (XRF). The optical microscopy results revealed that the mortars are composed of lime binder and quartz, feldspar and biotite grains together with granitic and metamorphic rock fragments as aggregates. XRD analysis supports the microscopic observations and adds the information of the presence of actinolite in the aggregates. XRD analysis further indicates the same origin of the granitic and metamorphic rocks from the surroundings and reveals an absence of biotite in the flooring mortar and only a trace of quartz in the masonry mortar of cryptoporticus. According to results of TGA-DSC and XRF analyses, mortars were used in the channel in front of the Temple, the foundation of granite ashlar, and the inner wall of cryptoporticus has higher hydraulic character. For the future conservation of the monument, the information provided here about the composition of original mortars will be useful.En este trabajo se presenta la caracterización de los morteros de diferentes elementos constructivos en el Templo Romano de Diana con vista a su conservación. Las muestras de mortero que fueron recogidas de diferentes partes del Templo se caracterizaron por microscopía óptica polarizada (POM), difracción de rayos X (DRX), análisis térmico (ATG-DSC) y fluorescencia de rayos X (FRX). Los resultados de la microscopía óptica revelaron que los morteros fueron realizados con un aglomerante de cal, y con agregados de cuarzo, feldespato y biotita junto con fragmentos de rocas graníticos y metamórficos. Los análisis DRX apoyan las observaciones microscópicas y añaden la información de presencias de actinolita en los agregados que indican el mismo origen de las rocas graníticas y metamórficas del entorno geológico de Mérida (España) y muestra la ausencia de biotita en el mortero de suelo y poco cuarzo en el mortero de mampostería de criptoporticus. Según los resultados proporcionados con ATG-DSC y FRX los morteros utilizados para la construcción del canal frente al Templo, la fundación de sillería de granito y la pared interna de criptoporticus tienen alto carácter hidráulico. Para la conservación futura del monumento es necesario tener presente estas características para el diseño de los morteros de restauración a utilizar.

Multiscale assessment of masonry materials from the roman imperial baths at Sagalassos

The harsh environmental conditions, especially during the winter, resulted in the accelerated decay of the building materials, material losses, and serious structural problems in the Baths. This study explores the comprehensive characterization and multiscale assessment of bricks and mortars for effective preservation of the Baths. Experimental results showed that although the interface between building materials weakened after years of accumulated degradation, the individual materials still had higher strength than those from the same period. The material scale finite element model used to understand the damage mechanism showed that brick failure was caused by the tensile stresses accumulated at the brick–mortar interface when some of the mortar crumbled and fell with deterioration. A global sensitivity analysis was also conducted to investigate the impact of individual layer thicknesses on the stress distribution in the brick and mortar composite. Results indicated that thicker bricks resulted in better confinement at mortar layer and smaller tensile stresses at the bricks

Effects of paraffin additives, as phase change materials, on the behavior of a traditional lime mortar

Manuscrito aceptado[Abstract]: This study refers to the inclusion of phase change materials (PCMs) in porous building materials as an alternative means of improving their thermal behavior, assessing the changes caused in their physical-mechanical and durability properties. Specifically, an organic paraffin wax was selected for direct incorporation into lime mortars using different concentrations by weight. The results show that PCMs improve the thermal properties of the mortar while reducing its accessible porosity. This increases the mortars’ resistance to water and soluble salts. However, excessive PCM content causes stresses within the mortar that can jeopardize its structureThis research was funded by the Autonomous Region of Madrid’s Top Heritage Program (S2018/NMT-4372)Comunidad de Madrid; S2018/NMT-437