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

Ergenç, Duygu (2017). Roman mortars used in the archaeological sites in Spain and Turkey : a comparative study and the design of repair mortars. Thesis (Doctoral), E.T.S. Arquitectura (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.48348.

Description

Title: Roman mortars used in the archaeological sites in Spain and Turkey : a comparative study and the design of repair mortars
Author/s:
  • Ergenç, Duygu
Contributor/s:
  • Sanz Arauz, David
  • Fort González, Rafael
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2017
Subjects:
Faculty: E.T.S. Arquitectura (UPM)
Department: Construcción y Tecnología Arquitectónica
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

Full text

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Abstract

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.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Madrid Regional GovernmentBIA2014-53911-RCLIMORTECUnspecifiedProgram Geomateriales 2 (S2013/MIT2914)

More information

Item ID: 48348
DC Identifier: http://oa.upm.es/48348/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:48348
DOI: 10.20868/UPM.thesis.48348
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 08 Nov 2017 08:18
Last Modified: 28 Nov 2018 11:33
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