Mechanical and Compositional Characterization of Ancient Yemeni Qadhad Mortar for Sustainable Heritage Conservation

Technische Samenvatting: Mechanische en Compositionele Karakterisering van Oud Jemenitisch Qadhad-mortel

Probleemstelling
Oud Jemenitisch Qadhad, een traditionele gebluste kalkmortel die bekend staat om zijn uitzonderlijke waterdichtheid en duurzaamheid in cisternen en metselwerkstructuren, dient al eeuwenlang als een cruciaal bouwmateriaal. Ondanks de historische betekenis en bewezen prestaties, ontbreeft het aan een voldoende wetenschappelijke kwantificering van de precieze mechanische eigenschappen en mengverhoudingen van het materiaal. Hoewel er traditionele kennis (savoir-faire) bestaat over de toepassing ervan, vertrouwden eerdere experimentele pogingen tot het reproduceren van Qadhad op veronderstelde binder-aggregaatverhoudingen in plaats van op gegevens afgeleid van de samenstelling van oude materialen. Bovendien zijn, hoewel hydraulische en permeabiliteitskenmerken gedeeltelijk gedocumenteerd, de druksterkte en de exacte binder-aggregaatverhoudingen van oud Qadhad onvoldoende gekarakteriseerd, wat de ontwikkeling van wetenschappelijk compatibele reparatiematerialen voor erfgoedconservering belemmert.

Methodologie
Deze studie onderzoekt vier oude Qadhad-mortelmonsters verzameld van vier verschillende archeologische locaties in Jemen, die verschillende historische perioden vertegenwoordigen (16e en 18e eeuw): Aden Cisterns (AC), Seera Fort (SF), Harawa Pool (HP) en Salama Pool (SP). Het onderzoek hanteert een veelzijdige analytische benadering:

1. Mechanische Testen: De druksterkte werd bepaald met behulp van niet-standaard cilindrische en kubieke specimens (vanwege de beperkte dikte en fragiliteit van de historische lagen) in overeenstemming met de principes van ASTM C109, waarbij een constante verplaatsingssnelheid van 1 mm/min werd gebruikt.
2. Thermogravimetrische Analyse (TGA): Uitgevoerd op gepoederde monsters (0,125 mm zeef) van 25°C tot 1000°C in een stikstofatmosfeer om massaverlies te kwantificeren. Dit maakte de berekening van het carbonaatgehalte (% CaCO₃) mogelijk op basis van CO₂-vrijgave in het bereik van 600–1000°C en de beoordeling van structureel gebonden water in hydraulische fasen (200–600°C).
3. Zuurvertering en Chemische Analyse: Conform ASTM D3042 werden monsters behandeld met 1M zoutzuur om de binder van de aggregaten te scheiden. Het onoplosbare residu (IR) vertegenwoordigde de silicaataggregaten, terwijl het oplosbare fractie (SF) en het carbonaatgehalte (afgeleid van TGA) werden gebruikt om de binder-aggregaatverhouding te berekenen.
4. Korrelgrootteverdeling: De deeltjesgrootteanalyse van het onoplosbare residu werd uitgevoerd met een reeks zeven (van 4,75 mm tot 0,15 mm) om de proporties grof aggregaat, zand en vulkanische as te classificeren.

Belangrijkste Resultaten

• Druksterkte: De oude mortels vertoonden druksterktes variërend van 2,77 MPa tot 4,39 MPa. Monster SF (Seera Fort) vertoonde de hoogste sterkte (4,39 MPa), terwijl monster SP (Salama Pool) de laagste vertoonde (2,77 MPa). De variabiliteit in sterkte werd toegeschreven aan de intrinsieke heterogeniteit van de mortelmatrix in plaats van de specimengeometrie.
• Compositionele Analyse:
  • Bindergehalte: TGA-resultaten gaven een carbonaatgehalte (CaCO₃) aan dat varieerde van 28% tot 34% bij gewicht.
  • Binder-aggregaatverhouding: Berekend op basis van gewicht, varieerden de ratio's van 1:1,93 tot 1:2,7. De gemiddelde ratio over de monsters is ongeveer 1:2,5.
  • Aggregaatsamenstelling: De aggregaten bestonden uit silicaatrijke vulkanische materialen (kwarts, microklien, albiet) en ijzeroxiden. De distributie varieerde per locatie:
    • Monsters AC en SF bevatten hogere proporties grof aggregaat (respectievelijk 41% en 63%).
    • Monsters HP en SP werden gedomineerd door fijn aggregaat (zand), met een lager gehalte aan grof aggregaat (respectievelijk 32% en 19%).
    • Alle monsters bevatten ongeveer 4–6% vulkanische as (<0,15 mm).
• Hydraulische Classificatie: Gebaseerd op TGA-gegevens (specifiek de CO₂/H₂O-ratio en het lage gehalte aan structureel gebonden water), werden alle monsters geclassificeerd als hydraulische kalkmortels. De aanwezigheid van pozzolane reacties die Calcium-Silicaat-Hydraat (C-S-H) en Calcium-Aluminaat-Hydraat (C-A-H) fasen vormen, werd bevestigd, wat bijdraagt aan de dichtheid en ondoordringbaarheid van het materiaal.

Betekenis en Claims
De studie vestigt een kwantitatieve wetenschappelijke basis voor de reproductie van traditionele Qadhad-mortel. De primaire betekenis ligt in het leveren van de precieze mechanische en compositionele gegevens die nodig zijn voor de ontwikkeling van compatibele reparatiematerialen voor de conservering van het Jemenitisch erfgoed.

De auteurs stellen dat de geïdentificeerde binder-aggregaatverhoudingen (ongeveer 1:2,5 bij gewicht) en het specifieke gebruik van silicaatrijke vulkanische aggregaten een duurzame, robuuste en milieubewuste oplossing bieden voor zowel erfgoedconservering als hedendaagse ecologische bouwtoepassingen. Het onderzoek benadrukt dat de superieure prestaties van Qadhad niet enkel te danken zijn aan de kalkbinder, maar het resultaat zijn van een geavanceerde, empirisch verfijnde combinatie van:

1. Pozzolaanreacties tussen kalk en vulkanische aggregaten.
2. Geoptimaliseerde aggregaatgradatie (een mix van grove, fijne en asfracties) die de deeltjespakking verbetert en de porositeit vermindert.
3. Traditionele verwerkingstechnieken, inclus_ief langdurige uitharding en mechanische compactie.

Het artikel concludeert dat hoewel de productie van Qadhad arbeidsintensief is, het begrip van de samenstelling de potentiele toepassing ervan als een hoogwaardig, duurzaam bouwmateriaal mogelijk maakt. De bevindingen ondersteunen het argument dat traditionele kennissystemen hoogwaardige materialen bereikten door empirische verfijning, wat waardevolle inzichten biedt voor moderne duurzame bouwpraktijken. De studie erkent de beperkingen met betrekking tot de steekproef (vier specifieke locaties), maar stelt dat de resultaten voldoende zijn om Qadhad te produceren met uitstekende mechanische en hydraulische eigenschappen.