Дані: фізичні властивості каменю

This page is also available in English.

Вступ

Ця сторінка підсумовує та зводить у таблицю механічні/фізичні властивості декількох видів кам’яних матеріалів, які історично використовувалися для виготовлення єврейських надгробків (мацев), збудованих на довоєнних кладовищах на території, що зараз становить захід України. Наведені тут дані призначені для підтримки планування та проведення проектів з відновлення надгробків (щоб повернути надгробки, переміщені під час періодів німецької та/чи радянської окупації, на свої початкові кладовища), а також для вступної сторінки про проекти з консервації надгробків на цьому вебсайтів. Більшість представлених тут даних походить з опублікованих довідок про консервацію каменю; конкретні використані джерела зазначені у таблиці та перелічені внизу цієї сторінки разом із поясненням певних технічних термінів. Як зазначено у вступній сторінці, консервація каменю – спеціалізована робота, що потребує навчання й досвіду, щоб уникнути завдавання більше шкоди, ніж користі в довгостроковій перспективі; це також стосується інтерпретації та використання характеристик матеріалів, що зведені тут у таблицю.

Єврейські надгробки у Західній Україні виготовлялися з видів природного каменю, які служили як будівельним, так і декоративним цілям і були отримані з місцевих або регіональних кар’єрів. Природній камінь – це суміш гетерогенних матеріалів, що мають різну зернистість і часто шари, які можуть спричинити значні відмінності в характеристиках при оцінці в різних напрямках нарізаної плити. Декілька якостей, які полегшують розпилювання, обробку та різьблення типових матеріалів надгробків, також роблять камінь менш міцним у погодних умовах протягом десятиліть і століть. Більшість основних механічних властивостей природного каменю змінюється разом із ввібраною вологою, а також при тривалому вивітрюванні. Дані зі значеннями про властивості каменю, представлені тут, конкретизуються та вимірюються розмірами кам’яної промисловості для підготовленого щойно ограненого каменю, призначеного для будівельних робіт, та можуть погано репрезентувати 200-річний надгробок, що потребує консервації. Експериментальні методи тестування для оцінки властивостей вивітреного каменю існують, проте деякі методи – руйнівні, а отже не підходять для роботи зі збереження спадщини.

Поширені види каменю у довоєнних мацевах на Західній Україні

Майже усі надгробки, що вціліли на довоєнних єврейських кладовищах на Західній Україні, виготовлені з осадових гірських порід (наприклад, вапняку та пісковику), хоча й є кілька збережених надгробків і меморіальних плит, зроблених з інших видів каменю, зокрема магматичних гірських порід (наприклад, граніту) та метаморфічних порід (наприклад, мармуру), а також штучних матеріалів, як-от бетон. Тут описані лише ті види каменю, які можна знайти найчастіше:

ВАПНЯК: на сьогоднішній день найпоширенішим матеріалом для єврейських надгробків, знайдених на кладовищах і в проектах з відновлення, є вапняк. Існують численні види вапняку з широким спектром фізичних характеристик; багато цих видів можна знайти на заході України. Вапняк – це уламковий карбонатний матеріал, що складається в основному із зерен та/або фрагментів кальциту або карбонату кальцію, отриманих з морських організмів (викопні раковини та кістки), у поєднанні з меншою кількістю кварцу, піску, глини чи інших речовин. Компоненти вапняку можуть надавати різаному каменю від білого до сірого кольору практично будь-якого відтінку, з великим або дрібним зерном. Деякі камені мають помітні смуги та більш сильні кольорові відтінки; червонуваті смуги присутні там, де наявний оксид заліза.

Вапняк, який історично вибирали для використання для надгробків, зазвичай демонструє менші візуальні та експлуатаційні відмінності всередині і між осадовими шарами, але діапазон варіації фізичних властивостей досить широкий на основі відсотка вмісту кальциту або карбонату кальцію та щільності каменю. Вапняк, як і пісковик та інші каміння осадових гірських порід, показує помітні анізотропні зміни продуктивності перпендикулярно до площин тріщин, тобто вихідних шарів осадження, з яких утворився камінь. Для простоти застосування даних розмірного каменю в будівельних ремеслах вапняк довільно поділяють на три категорії щільності (I, II і III); категорія низької щільності I є корисним матеріалом для багатьох будівельних застосувань, однак недостатньо міцним у використанні для надгробків.

ПІСКОВИК: менш поширений як матеріал у єврейських надгробках у Західній Україні, пісковик, однак, все ще значною мірою присутній та має дещо відмінні характеристики від вапняку. Пісковик –це уламковий матеріал, здебільшого на основі кристалічного кварцу (діоксиду кремнію) , що має власну твердість – значно більшу, ніж складові вапняку. Більшість видів пісковику в Україні відносно легко переробляти в архітектурно-декоративні форми, а деякі мають дрібнозернисту текстуру, що покращує їх характеристики, але загалом довговічність пісковику досить різна. Як осадова гірська порода, пісковик демонструє візуальні та експлуатаційні відмінності всередині та між шарами різної товщини, оскільки вони утворювалися в результаті седиментації та цементації. Підстилка та ламінування (більш товсті та тонкі шари) можуть залишити слабкі місця всередині надгробків, які можуть вивітрюватися та призводити до поділу та руйнування площин.

Історично пісковик, що використовувався для виготовлення надгробків у Західній Україні, може бути будь-якого кількох кольорів, зокрема жовтувато-коричневого, сірого та жовтого. Кар’єри вздовж річок Серет і Гнізна забезпечували пісковик для використання для надгробків та меморіалів по історичній Галичині та за її межами впродовж кількох століть; ці ділянки також є джерелом вишуканого сіро-рожевого або червоно-коричневого пісковику, який особливо цінувався для надгробків ХХ століття і зустрічається на багатьох довоєнних єврейських кладовищах, а також на пам’ятниках усіх типів у Західній Україні та Східній Польщі. Виробництво цих пісковиків триває в регіоні і сьогодні. Деякі надгробки, виготовлені з рожевого або червоного пісковику, виявляють виражену тенденцію до розщеплення вздовж площин тріщин, тобто суттєву слабкість у вигині поперек основних осей каменю та зсуву паралельно цим осям.

ГРАНІТ: хоча в минулому він набагато рідше використовувався для надгробків на єврейських кладовищах, міцність граніту (і гранітоподібних гірських матеріалів) призвела до відносно високого рівня виживання мацев на місцях поховання та в проектах з відновлення. Як випливає з його назви, граніт — це грубозерниста магматична порода, утворена з багатої кремнеземом магми, що повільно охолоджується та містить кварц і польовий шпат, зазвичай з невеликою кількістю слюди. Разом з його зернистістю, добре відома твердість і міцність історично ускладнювали обробку граніту в тонкі елементи епітафій і символічних форм без спеціальних інструментів і значних навичок, проте значна стійкість до погодних умов матеріалу, ймовірно, зробила його привабливою альтернативою вапняку та пісковику. Кольори, які можна побачити на довоєнних єврейських надгробках, включають від світло- до темно-сірого, а також сіро-зелений і особливо рожевий, а грубе зерно та блискуча слюда змінюють зовнішній вигляд каменю, якщо спостерігати на близькій відстані.

Зауважте, що інші види каменю, крім граніту, зазвичай класифікуються разом з гранітом через їх властивості, незалежно від їхнього геологічного формування та складу. Матеріали на кшталт габро (магматична порода, яка виглядає темною, навіть чорною) та гнейс (приваблива смугаста метаморфічна гірська порода) – приклади, які звично класифікуються з гранітом.

Дані про камінь

Як зазначено вище, дані зі значеннями про фізичні властивості каменю, зведені у таблицю нижче, стосуються щойно обробленого сухого каменю, підготовленого для будівельних робіт, отримані з джерел, зазначених і перерахованих у нижній частині цієї сторінки. Термінологія, що використовується для ідентифікації кожної з властивостей, визначається у наступному розділі. Значення конвертуються та зводяться в таблицю в метричних одиницях як середні значення або в діапазонах, оскільки природний камінь різниться залежно від геологічного та географічного походження та навіть у межах кар’єрів; далі, для осадового гірського каменю, найпоширенішого типу, що історично використовувався в єврейських надгробках на Західній Україні, “існують значущі відмінності у міцності та поведінці кам’яних зразків, завантажених паралельно до основи […] і перпендикулярно до неї як у сухих, так і у вологих умовах” [5]. Додаткові обмеження у застосуванні значень до практичних проблем консервації надгробків виникають з важливих відмінностей у розмірі, формі, завантаженні тощо тестового шматка на противагу реальним застосуванням. Ці значення, однак, представлені як скерування з порадою дотримуватися звичайної інженерної обережності.

Зауважте, що значення для деяких важливих фізичних властивостей каменю ще не зведені тут у таблицю, включно зі згаданою мірою ударної міцності та стійкості до розчинних солей та мірою твердості та стійкості до стирання, мало застосовні до роботи зі спадщиною кладовищ. Хоча ці властивості дуже актуальні для проектів зі спадщини, пов’язаних із збереженням каменю, ми ще не знайшли практичних ресурсів, які б документували методи тестування та значення, які підходять для застосування для збереження кладовища. Таблиця оновиться й розшириться, якщо/коли корисні дані будуть виявлені.

Фізичні властивості каменю:

Властивість	Стандарт тестування	Одиниці	Вапняк I (*)	Вапняк II	Вапняк III	Пісковик	Граніт	Джерела
Стандарт			[ . . . . . . . . . .	ASTM C658	. . . . . . . . . . ]	ASTM C616	ASTM C615
Щільність	ASTM C97	кг/м^3	1760 ~ 2030	2160 ~ 2490	2560 ~ 2950	2160 ~ 2720	2400 ~ 3200	[1] [9]
Відносна густина	ASTM C97	н/з	1.76 ~ 2.03	2.16 ~ 2.49	2.56 ~ 2.95	2.16 ~ 2.72	2.40 ~ 3.20	[1] [9]
Поглинання води за вагою	ASTM C97	%	12 ~ 29	7 ~ 15	3 ~ 10	3 ~ 10	0.02 ~ 0.40	[1]
Міцність на стиск	ASTM C170	МПа	12 ~ 30	28 ~ 60	55 ~ 150	30 ~ 100	35 ~ 200	[1] [7] [9]
Міцність на вигин	ASTM C880	МПа	[ . . . . . . . . . .	3 ~ 18	. . . . . . . . . . ]	5 ~ 15	5 ~ 30	[1]
Модуль розриву	ASTM C99	МПа	3 ~4	3 ~ 5	5 ~ 7	2 ~ 8	7 ~ 20	[1]
Міцність на поперечний розрив		МПа	[ . . . . . . . . . .	2 ~ 5	. . . . . . . . . . ]	2 ~ 7	4 ~ 7	[3] [7]
Напруження зсуву		МПа	[ . . . . . . . . . .	6 ~ 12	. . . . . . . . . . ]	2 ~ 20	14 ~ 30	[3]
Твердість матеріалу до подряпин та стирання, шкала Мооса		н/з	[ . . . . . . . . . .	2 ~ 4	. . . . . . . . . . ]	2 ~ 7	5 ~ 8	[6] [9]
Модулі пружності	ASTM C1352	ГПа	[ . . . . . . . . . .	4 ~ 50	. . . . . . . . . . ]	7 ~ 50	14 ~ 69	[1] [7] [9]
Опір до абразивного зношування, Ha	ASTM C241	н/з	[ . . . . . . . . . .	3 ~ 33	. . . . . . . . . . ]	3 ~ 12	20 ~ 90	[1]
Коефіцієнт теплового розширення	EN 14581	10Е-6/К	[ . . . . . . . . . .	4 ~ 12	. . . . . . . . . . ]	8 ~ 15	5 ~ 11	[1] [3] [8] [9] [10]
Теплопровідність		Вт/мК	[ . . . . . . . . . .	1.2 ~ 2.6	. . . . . . . . . . ]	1.8 ~ 4	1.7 ~ 4	[2] [8]

(*) Вапняк I (низької щільності) включено сюди для повноти, але навряд чи він з’явиться у будь-яких надгробках на заході України.

Пояснення термінів

Терміни, що вживаються тут для характеристик і експлуатації каменю, загалом слідують визначенням стандарту C119 організації ASTM, як узагальнено у Розділі 4 (Тестування каменю) “Посібника із проектування розмірного каменю, версія VIII”, опублікованого Інститутом природного каменю, та їхній технічній примітці “Методи, вказівки та стандарти дослідження розмірного каменю” [4]; терміни і методи тестування ASTM існують у співставних документах, опублікованих декількома європейськими організаціями з національних стандартів, проте все ще немає міжнародного стандарту, що охоплює усі методи. За більш детальною інформацією зверніться до стандартів ASTM, перелічених у таблиці з даними вище.

Щільність: щільність – це маса або вага каменю на одиницю об’єму, зазвичай вимірюється в кілограмах на кубічний метр. Вимірювання щільності важливе в оцінці каменю, оскільки існує міцне співвідношення між щільністю та міцністю каменю. У стандартизованому дослідженні щільність часто оцінюється за поглинанням води через те, що вода впливає на вагу каменю та через те, що пористість є другорядним показником структури та міцності каменю.

Відносна густина: безрозмірнісне співвідношення щільності матеріалу до щільності води (1000кг/м3); це похідна величина, однак вона також є практичною цінністю для проектів відновлення та консервації каменю.

Поглинання води за вагою: спрощена міра пористості каменю, яка чітко вказує на схильність матеріалу до пошкоджень під час циклів заморожування. Тест порівнює вагу зразка каменю після замочування у воді протягом 48 годин з його сухою масою перед дослідженням; співвідношення береться у відсотках.

Міцність на стиск: максимальне стійке навантаження на стиск (роздавлювання), яке може витримати зразок каменю перед розсипанням, – міцність на стиск – виражається в одиницях тиску, наприклад, паскалях (Па, Н/м^2 чи 1 кг/(м-с^2)); в англійських одиницях 1атм приблизно дорівнює 6900Па. Під час тестування зразки, як правило, мають кубоподібну форму і не менше 50 мм на ребро. Тестування може характеризувати як сухий, так і вологий камінь, як паралельно, так і перпендикулярно до розколу. Як і фактичний камінь у надгробках, тестові зразки з включеними дефектами надають значно гірші покази (слабші), ніж однорідні зразки. Ця міра застосовна у роботах з відновлення надгробків, включаючи транспортування та тимчасове укладання та зберігання.

Міцність на вигин: ця міра виражається в одиницях тиску (Па), як і міцність на стиск. Тестування, визначене стандартом ASTM C880, розміщає зразок каменю на опори біля кінців і прикладає два однакових навантаження на 1/4 довжини від кожного кінця, створюючи постійний згинальний момент між навантаженнями, так що слабкість може бути виявлена в будь-якій точці між ними. Ця міра застосовна у роботах з відновлення надгробків, включаючи транспортування та тимчасове укладання та зберігання.

Модуль розриву: альтернативна міра міцності на вигин, також виражається в одиницях тиску (Па), тестування за стандартом ASTM C99 підтримує тестовий зразок на кожному кінці і застосовує єдине навантаження на центр прольоту підвісної балки, що концентрується на згинальному моменті у цьому центрі. Зауважте, що тепер “модулю розриву” за стандартом ASTM C880 надається перевага замість старішого “модуля розриву” за ASTM C99, однак у застосування до надгробків будь-який метод дослідження може бути корисним через відносно грубі плити, на які порізані більшість надгробків; чимало непошкоджених надгробків відповідають вказівкам тестування C880 щодо довжини, яка у 12 разів перевищує товщину, але багато (і більшість відновлених фрагментів) – ні. Дивіться діаграми у посиланнях [4] для наочного пояснення тестів.

Міцність на поперечний розрив: максимальне статичне напруження на витягування (розтягування), яке може витримати зразок каменю перед розривом, виражається в одиницях тиску (Па). Оскільки камінь, як правило, набагато слабший у напруженні, аніж у стисканні, модуль розриву зазнає значного впливу границі міцності, а пам’ятники з каменю зазвичай розроблені для мінімізації або усунення внутрішньої напруги. Границя міцності також відіграє істотну роль у здатності природних кам’яних матеріалів протистояти розширенню поглиненої води під час циклів заморожування-відтавання, а також пошкодження розчинної солі. Не існує стандартизованого дослідження для природного каменю, проте можна адаптувати звичні методи тестування міцності для оцінювання зразків каменю.

Напруження зсуву: максимальне стійке навантаження на зсув, яке може витримати зразок каменю; напруження зсуву викликає деформацію в матеріалі, при якій паралельні внутрішні поверхні ковзають одна повз одну, що призводить до форми паралелограма. Щодо інших вимірювань напруження, напруження зсуву виражається в одиницях тиску (Па). Оскільки деякі осадові камені демонструють значну слабкість зсуву паралельно до площини розколу, ця міра може бути критичною при обробці надгробків, навіть незважаючи на те, що зсувне навантаження є рідкісним явищем при нормальному монтажі. Не існує стандартизованого дослідження для природного каменю, проте можна адаптувати звичні методи тестування напруження для деревини, клейових речовин та інших матеріалів.

Твердість матеріалу до подряпин та стирання: стандартне тестування твердості матеріалу до подряпин та стирання (шкала Мооса) досить погано застосовується до природних кам’яних матеріалів, тому що кожен з них формується з суміші декількох матеріалів та/чи органічних компонентів, що мають різну властиву твердість. Однак випробування на подряпини та стирання – єдиний спосіб відрізнити вапняк від пісковику у надгробках, оскільки вони оцінюються на місцях поховань, він також виявляє дезінтеграцію та крихкість поверхні.

Модулі пружності: міра жорсткості матеріалу каменю, виражається в одиницях тиску (Па), як і міцність (дивіться вище). Дослідження проводиться схожим способом до дослідження модуля розриву, вимірюючи прогин балки під навантаженням замість граничної міцності при руйнуванні. Жорсткість каменю має значення при ремонті з використанням штифтів і планок з різних матеріалів, а також в анкерах для меморіального дизайну.

Опір до абразивного зношування: практичне дослідження, яке передбачає обертання чавунного барабана під тиском з абразивним порошком по зразку каменю, при цьому зразок зважують до і після стирання, щоб оцінити кількість вилученого каменю. Це дослідження не можна екстраполювати на використання в польових умовах, проте результати можна порівняти між видами каменю для розуміння загальної довговічності. Зауважте, що зовнішній матеріал надгробка, що вивітрився, часто значно менш стійкий до стирання, ніж ядро каменю.

Коефіцієнт теплового розширення: вимірює безодиничну дробову зміну лінійного розміру зразка матеріалу на градус температури (градус C або K в метричних одиницях). Це значення стосується ремонту надгробків, прикріплених або закріплених різнорідними матеріалами (наприклад, металевими штифтами), а також переустановлення надгробків (та меморіалів, що інкорпорують надгробки-реліквії та фрагменти), виготовлених із штучних матеріалів (наприклад, бетону). Існує тестування для штучного каменю відповідно до європейських норм, однак також можна адаптувати методи тестування для інших твердих матеріалів.

Теплопровідність: міра здатності каменю проводити тепло; у сучасній будівельній практиці це часто оцінюється з перспективи ізоляції як питомий термічний опір, протилежність провідності. Одиниці виміру провідності (Вт/м-К) визначають міру: кількість тепла, яка протікає через довжину матеріалу при двох різних температурах; чим вище значення теплопровідності, тим більший потік тепла. Ця міра має значення для дизайну меморіалів, що інкорпорують відновлені надгробки та підлягають сонячному нагріванню. Не існує стандартизованого тестування для природного каменю, але вапняк, пісковик, мармур і бетон активно вивчались.

Джерела

ут перелічені як конкретні, так і загальні джерела, застосовні до механічних властивостей каменю. Перегляньте сторінку з джерелами про консервацію каменю на цьому вебсайті для ширшого спектру джерел, що стосуються аспектів проектів зі збереження спадщини та кам’яних меморіалів.

[1] Посібник із проектування розмірного каменю, Версія VIII; Інститут природного каменю, 2016: Частина 2 (Стандарти і технічні характеристики); Частина 4 (Тестування каменю); Частина 5 (Граніт); Частина 6 (Вапняк); Частина 8 (Кварцовий камінь); Частина 23 (Глосарій термінів кам’яної індустрії).

[2] Значення Р для природного каменю; Інститут природного каменю / Інститут мармуру Америки; Технічний бюлетень, Том І, випуск 4, серпень 2004.

[3] Обираючи правильний камінь; Публікація #M890230; Абердін Ґруп (Aberdeen Group), 1989.

[4] Методи тестування, вказівки та стандарти розмірного каменю; Інститут природного каменю / Інститут мармуру Америки; Технічний бюлетень, Том VII, випуск 1, червень 2014.

[5] Механічні властивості природного будівельного каменю; Йорданський будівельний вапняк як зразок; Нари Мовлауд Неґгой та ін.; Йорданський журнал науки про Землю та довкілля; Том 3, Номер 1, червень 2010.

[6] Твердість гірських порід і мінералів; Біл Кордуа; Міжнародна асоціація гранувальників, 1998. Пошук в Інтернеті дає додаткові дані без джерел, зокрема посилання 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f, 6g.

[7] Поширення вологи як фактор псування пісковику, який використовується у будівлях; Йорґ Рюдріх та ін.; Екологічні науки про землю: Том 63, серпень 2011 р., С. 1545~1564.

[8] Теплові властивості гірських порід; Юджин С. Робертсон; доповідь Геологічної служби СЩА 88-441, 1988.

[9] Фізичні властивості будівельного каменю; Юджин С. Робертсон; у книзі “Консервація історичних кам’яних будівель та пам’ятників”; Національна академія преси США, 1982, С. 62~86.

[10] Коефіцієнти теплового розширення; Інженерний інструментарій; веб-сайт, без дати.

Переклад Наталія Курішко.