Κριτήρια και μεθοδολογία αποτίμησης υλικών και στρατηγικός σχεδιασμός επεμβάσεων καθαρισμού σε μαρμάρινες επιφάνειες μνημείων

Abstract

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση του θέματος της αποτίμησης των επεμβάσεων καθαρισμού σε μαρμάρινες αρχιτεκτονικές επιφάνειες μνημείων, με στόχο τη διαμόρφωση των κριτηρίων αποτίμησης, τη συγκρότηση της μεθοδολογίας που διέπει τη διαδικασία της αποτίμησης, καθώς και την επίτευξη του στρατηγικού σχεδιασμού των επεμβάσεων καθαρισμού σε μαρμάρινες αρχιτεκτονικές επιφάνειες μνημείων. Η αποτίμηση των μεθόδων καθαρισμού είναι θεμελιώδους σημασίας. Μέσω της διεργασίας της αποτίμησης είναι εφικτή η επιλογή της ή των μεθόδων καθαρισμού που τελικά θα εφαρμοστούν σε ένα ιστορικό κτίριο (για συγκεκριμένο υλικό και συγκεκριμένο τύπο φθοράς), καθώς λαμβάνει χώρα κρίση επί της αποτελεσματικότητάς τους. Δυστυχώς όμως η επιστημονική κοινότητα δεν έχει οριοθετήσει πλήρως έως σήμερα, τις αντικειμενικές παραμέτρους που διέπουν την επιτυχημένη εφαρμογή μιας μεθόδου καθαρισμού. Συνεπώς, για να ολοκληρωθεί η κρίση επί της αποτελεσματικότητας μιας επέμβασης καθαρισμού πρέπει να διατυπωθούν με σαφήνεια και ακρίβεια τα χαρακτηριστικά, τα οποία οφείλει να πληρεί η καθαρισμένη επιφάνεια, (ανάλογα βέβαια με το δομικό υλικό και τον τύπο φθοράς που παρουσιάζει), οι συγκεκριμένες παράμετροι που θα πρέπει να μετρηθούν για να δώσουν τιμή σε αυτά τα χαρακτηριστικά, καθώς και τα αποδεκτά όρια αυτών των παραμέτρων. Παράλληλα, θα πρέπει να προσδιοριστούν οι κατάλληλες τεχνικές-μέθοδοι που θα πρέπει να εφαρμοστούν για να μετρηθούν οι παράμετροι των οριοθετημένων χαρακτηριστικών. Σε αυτό το πλαίσιο, επιλέχθηκαν αντιπροσωπευτικές μαρμάρινες επιφάνειες ελέγχου στο ρυπασμένο αστικό περιβάλλον του κέντρου της Αθήνας, τόσο σε σχέση με τους παρουσιαζόμενους τύπους φθοράς, όσο και σε σχέση με το είδος των αρχιτεκτονικών επιφανειών. Οι λείες και ανάγλυφες εξεταζόμενες μαρμάρινες αρχιτεκτονικές επιφάνειες βρίσκονται στα ιστορικά κτίρια της Εθνικής Βιβλιοθήκης της Ελλάδος (ΕΒΕ) και του Εθνικού Αρχαιολογικού Μουσείου (ΕΑΜ) αντίστοιχα. Σε αυτές τις αντιπροσωπευτικές επιφάνειες έλαβε χώρα χαρακτηρισμός του ιστορικού υλικού και διάγνωση της φθοράς, με εφαρμογή μη καταστρεπτικών τεχνικών επί τόπου στην κλίμακα των μνημείων, καθώς και ενόργανων τεχνικών στο εργαστήριο κατόπιν δειγματοληψίας, λαμβάνοντας παράλληλα υπόψη τη βιβλιογραφία για τα ιστορικά και περιβαλλοντικά δεδομένα. Πιο συγκεκριμένα, για το χαρακτηρισμό του υποστρώματος και τη διάγνωση της παρουσιαζόμενης φθοράς εφαρμόστηκαν επί τόπου οι μη καταστρεπτικές τεχνικές της μικροσκοπίας οπτικών ινών και της χρωματομετρίας, ελήφθησαν στερεά δείγματα για την εφαρμογή της οπτικής μικροσκοπίας, του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης με μικροανάλυση ακτίνων Χ, της laser προφιλομετρίας, της παλμικής υπέρυθρης θερμογραφίας, καθώς και δείγματα σκόνης για την εφαρμογή της φασματοσκοπίας υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier, ενώ παράλληλα έλαβε χώρα ψηφιακή επεξεργασία των εικόνων του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης για τον έλεγχο της μικροδομής των εξεταζόμενων επιφανειών.

Τα αποτελέσματα της διαγνωστικής μελέτης με τη χρήση των παραπάνω τεχνικών υπέδειξαν ότι το μάρμαρο που έχει χρησιμοποιηθεί και στα δύο ιστορικά κτίρια είναι το Πεντελικό (όπως ανέφεραν και τα ιστορικά βιβλιογραφικά δεδομένα), καθώς και ότι οι λείες αρχιτεκτονικές επιφάνειες της ΕΒΕ παρουσιάζουν τους χαρακτηριστικούς τύπους φθοράς της φαιόμαυρης κρούστας και του περικρυσταλλικά ρηγματωμένου μαρμάρου. Οι ανάγλυφες επιφάνειες του ΕΑΜ στον κίονα και την επιφάνεια των ανθεμίων του κιονόκρανου (ανατολικού προσανατολισμού και οι δύο) παρουσιάζουν επίσης τον τύπο φθοράς των φαιόμαυρων κρουστών, ενώ η ανάγλυφη επιφάνεια του κίονα βόρειου προσανατολισμού παρουσιάζει το χαρακτηριστικό τύπο φθοράς των αποπλυμένων επιφανειών. Βάσει της κατάστασης διατήρησης των εξεταζόμενων επιφανειών (δηλ. του υλικού, του τύπου φθοράς και του είδους της επιφάνειας), της σχετικής διεθνούς πρακτικής, όπως αυτή αναφέρεται στη βιβλιογραφία, καθώς και της προηγούμενης εμπειρίας του Εργαστηρίου Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών, επιλέχθηκαν κατάλληλα υλικά και επεμβάσεις καθαρισμού, οι οποίες και εφαρμόστηκαν πιλοτικά στις προαναφερθείσες αντιπροσωπευτικές επιφάνειες ελέγχου των δύο ιστορικών κτιρίων. Οι επεμβάσεις καθαρισμού που εφαρμόστηκαν ήταν: (α)πάστες σηπιολίθου που φέρουν μόνο απιονισμένο νερό ή δ/μα ανθρακικού αμμωνίου ή δ/μα δινατριούχου άλατος του EDTA, (β)ιοντοανταλλακτικές ρητίνες με απιονισμέμένο νερό ή δ/μα ανθρακικού αμμωνίου, (γ)πάστα AB57 και (δ)βιολογικό επίθεμα. Οι επεμβάσεις αυτές τοποθετήθηκαν στις αρχιτεκτονικές επιφάνειες με διαφορετικούς χρόνους εφαρμογής, ενώ παράλληλα εφαρμόστηκε και τεχνική υγρής μικροψηγματοβολής με αποξεστικό μέσο σφαιρικά σωματίδια ανθρακικού ασβεστίου διαμέτρου<80μm. Για να πραγματοποιηθεί η αποτίμηση των επεμβάσεων καθαρισμού, εφαρμόστηκαν επί τόπου οι μη καταστρεπτικές τεχνικές της μικροσκοπίας οπτικών ινών και της χρωματομετρίας, ελήφθησαν στερεά δείγματα για την εφαρμογή του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης με μικροανάλυση ακτίνων Χ, της laser προφιλομετρίας, της παλμικής υπέρυθρης θερμογραφίας, ενώ παράλληλα έλαβε χώρα ψηφιακή επεξεργασία των εικόνων του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης για τον έλεγχο της μικροδομής των εξεταζόμενων επιφανειών. Έτσι, εφαρμόζοντας μετά τις πιλοτικές επεμβάσεις καθαρισμού, τις ίδιες τεχνικές που εφαρμόστηκαν και πριν από τον καθαρισμό για το χαρακτηρισμό του υποστρώματος και της διάγνωσης της φθοράς, συγκροτείται μια μεθοδολογική προσέγγιση αποτίμησης, που επιτρέπει τη σύγκριση των χαρακτηριστικών και των αντίστοιχων κρίσιμων παραμέτρων των εξεταζόμενων επιφανειών πριν και μετά τον καθαρισμό, καταγράφοντας τις μεταβολές που λαμβάνουν χώρα και καθιστώντας εφικτή την πρόταση της βέλτιστης ανά περίπτωση επέμβασης. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκε εφαρμογή των μη καταστρεπτικών τεχνικών της μικροσκοπίας οπτικών ινών, της laser προφιλομετρίας, του ενεργητικού ελέγχου της παλμικής υπέρυθρης θερμογραφίας, της ψηφιακής επεξεργασίας εικόνων ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης, και της χρωματομετρίας, σε πρότυπα δοκίμια πεντελικού μαρμάρου στο εργαστήριο, τα οποία είχαν υποστεί διαφορετική επιφανειακή κατεργασία με γυαλόχαρτα πυριτικού καρβιδίου, καθώς και εφαρμογή πάστας ΑΒ57, για την καλύτερη κατανόηση των συνθηκών μέτρησης και των αποτελεσμάτων αυτών των τεχνικών μη καταστρεπτικού ελέγχου σε σχέση με τη μορφολογία, την επιφανειακή μικροδομή και το χρώμα του εξεταζόμενου υλικού. Τα αποτελέσματα των παραπάνω τεχνικών, τόσο από τον εργαστηριακό έλεγχο των πρότυπων δοκιμίων πεντελικού μαρμάρου, όσο και από τις επί τόπου εφαρμογές στην κλίμακα των δύο ιστορικών κτιρίων, συγκροτούν μια επαρκή γνωσιολογικής υφής βάση δεδομένων, που οδήγησε στις παρακάτω διαπιστώσεις σε σχέση με τα κριτήρια αποτίμησης των επεμβάσεων καθαρισμού, τις κρίσιμες παραμέτρους που τα διέπουν, τις τεχνικές μέτρησης που αποδίδουν τις παραμέτρους αυτές πιστότερα και αντικειμενικότερα, καθώς και τους κοινώς αποδεκτούς και επιδιωκόμενους στόχους για το καθένα από τα κριτήρια αποτίμησης: 1ο Κριτήριο Αποτίμησης Επεμβάσεων Καθαρισμού: Χημική-ορυκτολογική σύσταση των επιφανειών, καθώς και διαστρωμάτωση των απαντούμενων υλικών στην επιφάνεια. Κρίσιμες Παράμετροι: - Διατήρηση Πάτινας - Διατήρηση Αυθεντικού Υλικού: - Διατήρηση Στρώματος Γύψου για τις φαιόμαυρες κρούστες - Διατήρηση Ασβεστίτη για τις αποπλυμένες επιφάνειες - Διατήρηση Γύψου που πληρώνει τις περικρυσταλλικές ρηγματώσεις για τις επιφάνειες του περικρυσταλλικά ρηγματωμένου μαρμάρου - Απομάκρυνση Μαύρων Επικαθήσεων Τεχνικές Μέτρησης: - Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης & Μικρανάλυση Ακτινων Χ - SEM-EDS, - Χρωματομετρία 2ο Κριτήριο Αποτίμησης Επεμβάσεων Καθαρισμού: Υφή, Μορφολογία και Συνοχή Επιφανειών – Επιφανειακή Μικροδομή Κρίσιμες Παράμετροι: - Τραχύτητα - Rq - Λόγος πραγματικής προς προβαλλόμενη επιφάνεια – Ενεργή Επιφάνεια - Πυκνότητα Ρηγματώσεων Τεχνικές Μέτρησης: - Laser Προφιλομετρία - LP - Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνων Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης – DIP-SEM 3ο Κριτήριο Αποτίμησης Επεμβάσεων Καθαρισμού: Χρώμα Κρίσιμες Παράμετροι: - Συνολική Διαφορά Χρώματος, ΔΕ Τεχνικές Μέτρησης: - Χρωματομετρία 4ο Κριτήριο Αποτίμησης Επεμβάσεων Καθαρισμού: Κατάσταση Διατήρησης - Επιδεκτικότητα στη Φθορά - Ανθεκτικότητα στο Χρόνο Κρίσιμες Παράμετροι, που παρέχουν σαφείς ενδείξεις: - Τραχύτητα-Rq - Λόγος πραγματικής προς προβαλλόμενη επιφάνεια – Ενεργή Επιφάνεια - Πυκνότητα Ρηγματώσεων Τεχνικές Μέτρησης: - Laser Προφιλομετρία - LP - Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνων Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης – DIP-SEM Κρίσιμη Παράμετρος, Εφικτά Μετρήσιμη στο Χρόνο: - Συνολική Διαφορά Χρώματος, ΔΕ Τεχνική Μέτρησης: - Χρωματομετρία

Παράλληλα, οι κοινώς αποδεκτοί και επιδιωκόμενοι στόχοι για το καθένα από τα κριτήρια αποτίμησης επεμβάσεων καθαρισμού συνοψίζονται στα παρακάτω: 1. διατήρηση της πάτινας, εάν και εφόσον διαπιστώνεται η ύπαρξή της κατά τη διάγνωση της φθοράς, 2. πλήρης απομάκρυνση των μαύρων επικαθήσεων, 3. διατήρηση του αυθεντικού υλικού και πιο συγκεκριμένα:  του στρώματος του γύψου στις φαιόμαυρες κρούστες,  του γύψου που πληρώνει τις περικρυσταλλικές ρηγματώσεις για τις επιφάνειες του περικρυσταλλικά ρηγματωμένου μαρμάρου και  ο μικρότερος δυνατός βαθμός απώλειας ασβεστίτη για τις αποπλυμένες επιφάνειες, (ο οποίος μπορεί να προκύψει από επέμβαση καθαρισμού ήπιας δραστικότητας που παράγει επιφάνεια παρόμοιου επιπέδου επιφανειακής μικροδομής με αυτή που υπήρχε πριν τον καθαρισμό), 4. διατήρηση των τιμών των παραμέτρων της επιφανειακής μικροδομής:  σε παρόμοια επίπεδα με αυτά που υπήρχαν πριν τον καθαρισμό, στην περίπτωση των αποπλυμένων επιφανειών,  σε παρόμοια επίπεδα ή/και ελαφρώς μειωμένα σε σχέση με αυτά που υπήρχαν πριν την εφαρμογή του καθαρισμού, στην περίπτωση των φαιόμαυρων κρουστών και του περικρυσταλλικά ρηγματωμένου μαρμάρου, 5. μεσαία - ενδιάμεση συνολική μεταβολή χρώματος ΔΕ,

Ο καθαρισμός αποτελεί την κατ’ εξοχήν μη αντιστρεπτή επέμβαση συντήρησης, οπότε η έννοια της συμβατότητας η οποία πρέπει να τον διέπει, έγκειται στο σαφή προσδιορισμό των ορίων αποδοχής σε σχέση με τους παραπάνω επιδιωκόμενους στόχους του κάθε κριτηρίου αποτίμησης. Στο αυτό πλαίσιο, αναπτύχθηκαν τρία μοντέλα ασαφούς λογικής, (τύπου Mamdani) ανάλογα με τον τύπο φθοράς που οι εφαρμοζόμενες επεμβάσεις καθαρισμού καλούνται να απομακρύνουν. Πιο συγκεκριμένα, ως παράμετροι εισόδου και στις τρεις περιπτώσεις χρησιμοποιήθηκαν οι κρίσιμες παράμετροι των κριτηρίων αποτίμησης επεμβάσεων καθαρισμού, ενώ κατά τη διάρκεια ανάπτυξης των ασαφών συνόλων ουσιαστικά διαμορφώθηκαν τα αποδεκτά και μη αποδεκτά όρια τόσο των παραμέτρων εισόδου, όσο και της παραμέτρου εξόδου που ορίστηκε ο Δείκτης Αποτελεσματικότητας Επεμβάσεων Καθαρισμού (ΔΑΕΚ), ο οποίος ταξινομεί τις επεμβάσεις καθαρισμού σε μη αποδεκτές, μέτριες, αποδεκτές και καλές – προτεινόμενες. Επιπλέον, η ανάπτυξη των ασαφών κανόνων βασίστηκε στη γνώση και την εμπειρία που αποκτήθηκε μέσω των εργαστηριακών και επί τόπου αποτελεσμάτων αυτής της διατριβής, λαμβάνοντας υπόψη και τη διεθνή βιβλιογραφία στα θέματα αποτίμησης καθαρισμών, αφού έπρεπε να δοθεί αποτέλεσμα (παράμετρος εξόδου ΔΑΕΚ) σε κάθε δυνατό συνδυασμό κλάσεων κάθε μεταβλητής εισόδου. Η δε λειτουργία και των τριών μοντέλων ασαφούς λογικής βασίστηκε στους μετασχηματισμούς της μονάδας ασαφοποίησης, της μονάδας εξαγωγής συμπεράσματος, και της μονάδας αποασαφοποίησης. Για να διαπιστωθεί αν τα τρία μοντέλα ασαφούς λογικής είναι σωστά βαθμονομημένα και επιτελεστικά, όσον αφορά στην εκτίμηση της αποτελεσματικότητας των επεμβάσεων καθαρισμού που λαμβάνουν χώρα σε φαιόμαυρες κρούστες, αποπλυμένες επιφάνειες και σε περιοχές περικρυσταλλικά ρηγματωμένου μαρμάρου, αυτά εφαρμόστηκαν στις αντίστοιχες μελέτες περιπτώσεων του ΕΑΜ και της ΕΒΕ, από όπου και προκύπτει ότι η ταξινόμηση των επεμβάσεων καθαρισμού βρίσκεται σε πλήρη συμφωνία με τις καταγεγραμμένες, σε αυτή τη διατριβή, κρίσεις επί της αποτελεσματικότητάς τους. Συμπεραίνεται δε, ότι τα συγκεκριμένα μοντέλα μπορούν να αξιοποιηθούν και σε άλλες μελέτες περιπτώσεων αντίστοιχων μαρμάρινων υλικών και τύπων φθοράς, με μόνη προϋπόθεση οι παράμετροι εισόδου να μετρηθούν με τις ανάλογες τεχνικές προδιαγραφές που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή τη διατριβή. Επιπλέον, στο πλαίσιο διερεύνησης του 4ου κριτηρίου αποτίμησης δηλ. της επιδεκτικότητας στη φθορά των καθαρισμένων επιφανειών, αναδεικνύεται η αναγκαιότητα της συστηματικής χρήσης τεχνικών μη καταστρεπτικού ελέγχου και της βαθμονόμησής τους με στόχο τον περιορισμό της δειγματοληψίας, η οποία είναι σχεδόν απαγορευτική από άποψη δεοντολογίας στον τομέα της προστασίας της πολιτιστικής κληρονομιάς και αποτελεί τον κυριότερο λόγο (σε συνδυασμό με τον περιορισμένο χρόνο που δίνεται από τους κρατικούς φορείς για την εκπόνηση των μελετών των επεμβάσεων συντήρησης) μη συλλογής νέων δεδομένων για τον έλεγχο της κατάστασης διατήρησης των καθαρισμένων επιφανειών στο χρόνο. Τα αποτελέσματα της διατριβής προς αυτήν την κατεύθυνση υπέδειξαν ότι:  υπάρχει μεγάλη συσχέτιση ανάμεσα στα μεγέθη της χρωματικής παραμέτρου της λαμπρότητας L και της επιφανειακής μικροδομής της τραχύτητας Rq, αφού όπως φαίνεται από την ανάλυση σε κύριες συνιστώσες που έλαβε χώρα για αυτά τα μεγέθη στα πρότυπα δοκίμια πεντελικού μαρμάρου, η αύξηση της τραχύτητας Rq οδηγεί σε μείωση των τιμών της λαμπρότητας L για τις εξεταζόμενες επιφάνειες,  η μελέτη του φαινομένου της ψύξης του συνόλου των εξεταζόμενων μαρμάρινων επιφανειών, με την εφαρμογή στο εργαστήριο της παλμικής θερμογραφίας στα ληφθέντα δείγματα, περιγράφεται από εμπειρικό μοντέλο κινητικής 1ης τάξης, ενώ η σταθερά χρόνου του φαινομένου εξαρτάται, μέσω εκθετικής συνάρτησης, η οποία ενσωματώνει την επίδραση του υλικού, από την πυκνότητα ρηγματώσεων και τη λαμπρότητα των εξεταζόμενων επιφανειών. Η δυνατότητα χρήσης αντίστοιχου εξοπλισμού παλμικής θερμογραφίας επί τόπου στην κλίμακα του μνημείου, σε συνδυασμό με την επί τόπου εφαρμογή της χρωματομετρίας που παρέχει τις τιμές της λαμπρότητας, καθώς και της εφαρμογής του προτεινόμενου μοντέλου, μπορεί να οδηγήσει στην πρόβλεψη της επιφανειακής πυκνότητας ρηγματώσεων του μαρμάρου. Αυτή η προοπτική του συνολικά μη καταστρεπτικού και ποσοτικού προσδιορισμού της επιφανειακής πυκνότητας ρηγματώσεων του μαρμάρου είναι μεγάλης σημασίας για την παρακολούθηση στο χρόνο της κατάστασης διατήρησης (ανθεκτικότητας) των καθαρισμένων μαρμάρινων αρχιτεκτονικών επιφανειών επί τόπου στην κλίμακα του μνημείου. Στη συνέχεια της διερεύνησης του 4ου κριτηρίου αποτίμησης, προτείνεται η χρήση του ΓΣΠ ως μεθοδολογικού εργαλείου για τον έλεγχο και την παρακολούθηση στο χρόνο της εξέλιξης της κατάστασης διατήρησης των καθαρισμένων επιφανειών, στην κλίμακα των αντιπροσωπευτικών επιφανειών ενός κτιρίου, δηλ. σε ελεγχόμενη κλίμακα εργασίας. Συμπεραίνεται, ότι η δυνατότητα διαχείρισης των ΣΒΔ με τη χρήση της άλγεβρας Boolean και των λογικών πράξεων στο θεματικό χάρτη του “σχεδιασμού των επεμβάσεων συντήρησης” που προκύπτει μέσω της διαδικασίας ανάλυσης της επικάλυψης, (δηλ. την τομή των θεματικών χαρτών της φθοράς και των επεμβάσεων καθαρισμού) και περιλαμβάνει πλέον χωρικές και περιγραφικές ιδιότητες πριν και μετά τον καθαρισμό, δηλ. δύο διαφορετικών χρονικών περιόδων, επιτρέπει τη σύγκριση, την απόδοση, την ανάλυση και τη συσχέτιση των μεταβολών των καταγεγραμμένων φ-χ χαρακτηριστικών στο χώρο σε διαφορετικούς χρόνους. Συνεπώς, η ολοκληρωμένη μεθοδολογία αποτίμησης επεμβάσεων καθαρισμού, περιλαμβάνει τα παρακάτω στάδια: 1. Επιλογή των πιο αντιπροσωπευτικών επιφανειών στο εξεταζόμενο κτίριο, βάσει προσεκτικών μακροσκοπικών παρατηρήσεων σε σχέση με τα παρουσιαζόμενα δομικά υλικά των όψεων και τους τύπους φθοράς, 2. Χαρακτηρισμός του υλικού και διάγνωση της φθοράς – καταγραφή των παρουσιαζόμενων τύπων φθοράς, 3. Επιλογή υλικών και επεμβάσεων καθαρισμού, βάσει του τύπου φθοράς και του δομικού υλικού, της σχετικής βιβλιογραφίας, της προηγούμενης εμπειρίας και το είδος της αρχιτεκτονικής επιφάνειας, 4. Εφαρμογή επεμβάσεων καθαρισμού σε πιλοτική κλίμακα, δηλ. στις αντιπροσωπευτικές επιφάνειες, 5. Εφαρμογή των τεχνικών μέτρησης των κρίσιμων παραμέτρων χαρακτηρισμού των καθαρισμένων επιφανειών στις αντιπροσωπευτικές επιφάνειες ελέγχου, 6. Εισαγωγή των τιμών των κρίσιμων παραμέτρων αποτίμησης επεμβάσεων καθαρισμού στο μοντέλο της ασαφούς λογικής για την εξαγωγή του Δείκτη Αποτελεσματικότητας Επεμβάσεων Καθαρισμού (ΔΑΕΚ) και ταξινόμηση των πιλοτικών επεμβάσεων σε μη αποδεκτές, μέτριες, αποδεκτές, καλές – προτεινόμενες, βάσει των αντίστοιχα διαμορφωμένων ορίων, 7. Χρήση της πλατφόρμας του ΓΣΠ για τον έλεγχο και παρακολούθηση της κατάστασης διατήρησης των καθαρισμένων επιφανειών στο χρόνο, μέσω:  Της χωρικής ταξινόμησης της φθοράς και των επεμβάσεων καθαρισμού στις αντιπροσωπευτικές επιφάνειες εξέτασης,  Της κατασκευής σχεσιακών βάσεων δεδομένων (ΣΒΔ), που περιλαμβάνουν τις κρίσιμες παραμέτρους αποτίμησης των πιλοτικών επεμβάσεων καθαρισμού,  Της διαχείρισης των ΣΒΔ με κριτήρια άλγεβρας Boolean και λογικών πράξεων,  Της διαδικασίας ανάλυσης της επικάλυψης, 8. Επανάληψη των σταδίων 5,6,7 σε εύλογο χρονικό διάστημα στο μέλλον και σχεδιασμός επεμβάσεων συντήρησης στο σύνολο των μαρμάρινων επιφανειών του εξεταζόμενου κτιρίου, ανάλογα με τον παρουσιαζόμενο τύπο φθοράς.

Τέλος, για να πραγματοποιηθεί ο στρατηγικός σχεδιασμός των επεμβάσεων καθαρισμού, δηλ. για να ορισθεί και υλοποιηθεί το σύνολο των σχεδιασμένων χειρισμών - διαδικασιών που θα οδηγήσουν στον έλεγχο και την παρακολούθηση της εξέλιξης της κατάστασης διατήρησης των καθαρισμένων επιφανειών, με απώτερο στόχο και σκοπό τον προγραμματισμό των τακτικών επεμβάσεων συντήρησης, αναπτύχθηκε ένα ολοκληρωμένο σύστημα λήψης απόφασης για την αποτίμηση των επεμβάσεων καθαρισμού, για κάθε ένα από τους εξεταζόμενους τύπους φθοράς. Το ολοκληρωμένο σύστημα λήψης απόφασης προκύπτει από την ενσωμάτωση του μοντέλου της ασαφούς λογικής για την εκτίμηση της αποτελεσματικότητας των καθαρισμών στο ΓΣΠ. Η πλατφόρμα αυτή δίνει τη δυνατότητα της συνεχούς απόκρισης σε σχέση με την αποτελεσματικότητα των καθαρισμών με δεδομένες παραμέτρους και αποδεκτά όρια, σε κάθε χρονική στιγμή, σε συγκεκριμένη χωρικά επιφάνεια και ατμοσφαιρικές συνθήκες, αναπτύσσοντας έτσι ένα ολοκληρωμένο σύστημα λήψης απόφασης για την αποτίμηση των επεμβάσεων καθαρισμού για κάθε εξεταζόμενο τύπο φθοράς. Όταν νέες τιμές των δεικτών παρακολούθησης της κατάστασης διατήρησης της επιφάνειας που είναι οι παράμετροι εισόδου στο μοντέλο της ασαφούς λογικής και παράλληλα αποτελούν τις κρίσιμες παραμέτρους αποτίμησης επεμβάσεων καθαρισμού, δώσουν για την προτεινόμενη – εφαρμοσθείσα επέμβαση καθαρισμού τιμή 4.5<ΔΑΕΚ<7 (κλάση του μέτριου καθαρισμού που κυρίως εκφράζει τον ατελή καθαρισμό), τότε πρέπει να προγραμματιστούν νέες επεμβάσεις καθαρισμού στο πλαίσιο των τακτικών επεμβάσεων συντήρησης στο σύνολο των μαρμάρινων επιφανειών του μνημείου του αντίστοιχου τύπου φθοράς.

The aim of this thesis is the configuration of the assessment criteria, the methodology compilation and the strategic planning of cleaning interventions applied on marble architectural surfaces of monuments. The assessment of cleaning interventions is fundamental. Through the process of cleaning assessment the selection of the cleaning method(s) which will be finally applied on a historic building (for particular building material and particular decay pattern) can be accomplished. Unfortunately, scientific society has not yet established common assessment criteria for cleaning interventions. That is, no common framework exists concerning objective parameters which could describe a cleaning intervention as successful. Therefore, in order to assess the performance of a cleaning intervention, the precise characteristics that a surface (for particular building material and particular decay pattern) should hold after cleaning is to be established. Moreover, the specific parameters that should be measured, in order to give values to these characteristics, as well as the acceptance threshold levels of these parameters should also be defined. In parallel, the most appropriate experimental techniques for these parameters to be measured should be determined as well. Within this context, representative marble surfaces were selected, in relation to the presented decay patterns and the type of the architectural surfaces. All investigation areas, smooth and relief ones, are located in the polluted urban environment of Athens. Smooth representative investigation areas are located on the architectural marble surfaces of the historic building of National Library of Greece (NLG), whereas the relief ones are on the facades of the historic building of National Archaeological Museum (NAM). Characterization of historic building material and decay diagnosis took place for these representative investigation areas, after the application of non destructive techniques in situ (on monument scale), as well as after sampling and the application of analytical techniques in lab, taking under consideration historic and environmental data. More specifically, substrate characterization and decay diagnosis was accomplished by the in situ application of the non destructive techniques of fiber optics microscopy and colorimetry, core samples were collected by the historic buildings architectural surfaces for the application of scanning electron microscopy with energy dispersive x-ray spectroscopy, pulsed thermography, and laser profilometry, whereas digital image analysis of scanning electron microscopy images took place for the investigation of surface microstructure. Powder samples were collected as well by the historic buildings architectural surfaces for the application of the Fourier Transformation Infra-Red Spectroscopy. The results of the decay diagnosis study indicated that the substrate in both historic buildings is Pentelic marble (confirmation of historic data), as well as that the smooth architectural surfaces of NLG presented the characteristic decay patterns of black-grey crusts, and inter-granular fissuring. The relief architectural surfaces of NAM located on the column and on the anthemia area of a capital (both east oriented), presented the characteristic decay pattern of black-grey crusts as well; whereas the relief column area of the northern orientation presented the characteristic decay pattern of washed out surfaces. Pilot cleaning interventions were selected and applied on the investigation areas, based on their preservation state (building material and decay), the international common practice, as well as the former experience of the Material Science and Engineering Lab. The applied cleaning interventions were: (a)sepiolite poultices of deionized water, or ammonium carbonate solution, or disodium EDTA solution, (b)ion exchange resins with deionized water or ammonium carbonate solution, (c)AB57 poultice, (d)biological poultice. These cleaning interventions were used under different application times, whereas in parallel the cleaning methods of atomized water and wet micro-blasting method of spherical calcium carbonate particles with diameter less than 80μm, were applied as well. Cleaning interventions assessment was accomplished by the in situ application of the non destructive techniques of fiber optics microscopy and colorimetry, core samples were collected by the historic buildings architectural surfaces for the application of scanning electron microscopy with energy dispersive x-ray spectroscopy, pulsed thermography, and laser profilometry, whereas digital image analysis of scanning electron microscopy images took place for the investigation of surface microstructure. Therefore, applying, after pilot cleaning interventions, the same experimental techniques that were applied before cleaning (for substrate characterization and decay diagnosis), a methodological approach for cleaning assessment is compiled. This approach allows the comparison of the marble surfaces characteristics and the corresponding critical parameters, before and after cleaning, whereas recording of their variation makes feasible the recommendation of the best cleaning according to the examined case. In parallel, the non destructive techniques of fiber optics microscopy, colorimetry, digital image analysis of scanning electron microscopy images, pulsed thermography, and laser profilometry, were applied in lab on reference (quarry) Pentelic marble samples, differently superficially treated (processed by sandpapers of different gritting according to P grade - European FEPA, and after AB57 Poultice application). This lab experimental procedure took place for the better understanding of these techniques measuring specifications and results interpretation in relation to morphology, surface microstructure, and color of the under investigation substrate. The experimental results of the above mentioned techniques applied in lab and in situ on both monuments and reference samples, compile a sufficient knowledge based data base, establishing the following regarding (a) cleaning assessment criteria, (b) critical cleaning assessment parameters, (c) experimental techniques that measure these parameters objectively and in precision, as well as (d) the common accepted and pursuing goals for each one of the cleaning assessment criteria:

1ο Assessment Criterion: Chemical-mineralogical composition of the surfaces-stratification Critical Parameters: - Preservation of Patina, - Preservation of Authentic Material, - Preservation of gypsum layer for black-grey crusts, - Preservation of calcite for washed out surfaces, - Preservation of gypsum in the inter-granular fissures for surfaces of inter-granular fissured marble, - Removal of Black Depositions Experimental Techniques: - Scanning Electron Microscopy with Energy Dispersive X-ray Spectroscopy / SEM-EDS, - Colorimetry, 2ο Assessment Criterion: Texture, Morphology and Surface Cohesion - Surface Microstructure Critical Parameters: - Roughness, Rq, - Ratio of actual to projected area - Surface area, - Fracture Density, Experimental Techniques: - Laser Profilometry / LP, - Digital Image Analysis of Scanning Electron Microscopy Images / DIP-SEM 3ο Assessment Criterion: Color Critical Parameter: - Total Color Difference, ΔΕ Experimental Technique: - Colorimetry 4ο Assessment Criterion: Surface Preservation State – Decay Susceptibility – Durability, Critical Parameters (providing clear indications): - Roughness, Rq, - Ratio of actual to projected area - Surface area, - Fracture Density, Experimental Techniques: - Laser Profilometry / LP, - Digital Image Analysis of Scanning Electron Microscopy Images / DIP-SEM Critical Parameter feasible measurable in time: - Total Color Difference, ΔΕ Experimental Technique: - Colorimetry

In parallel, the common accepted and pursuing goals for each one of the cleaning assessment criteria are summarized as follows: 1. Preservation of patina, if it is detected during decay diagnosis, 2. Complete removal of black depositions, 3. Preservation of authentic material and particularly: - Preservation of gypsum layer for black-grey crusts, - Preservation of gypsum in the inter-granular fissures for surfaces of inter-granular fissured marble, and - The possible lower calcite loss for washed out surfaces, (which results from the application of a mild reactivity cleaning intervention producing a stone surface of similar microstructure pattern to the one before cleaning), 4. Preservation of the values of surface microstructure parameters: - Under similar threshold levels, comparing to the ones before cleaning, in the case of washed out surfaces, - Under similar and/or slightly lower threshold levels, comparing to the ones before cleaning, in the case of black-grey crusts and inter-granular fissured marble, 5. Medium – Intermediate Total Color Difference ΔE,

Since cleaning is the par excellence non-reversible conservation intervention, the compatibility concept that should governs it, relies on the specific determination of the acceptance threshold levels for the above mentioned pursuing goals of each one cleaning assessment criterion. Under this framework, 3 fuzzy logic models (Mamdani type) were developed according to the decay patterns that the applied cleaning interventions are appointed to remove. In particular, as input parameters, in all 3 cases, were used the critical parameters of the cleaning assessment criteria, while during the development of the fuzzy sets the acceptance and non-acceptance threshold levels were configured for all input and output parameters. Cleaning Performance Index (CPI) was defined as the output parameter, which classifies the cleaning interventions into non-accepted, medium, accepted and optimum-recommended ones. Additionally, the development of fuzzy rules was based on the knowledge and experience that was acquired by the lab and in-field experimental results of this thesis, taking under consideration the international bibliography of cleaning assessment thematic area, since an outcome should be given (output parameter –CPI) to each possible combination of each input parameter set. The operation of the 3 fuzzy logic models was based on the processes of fuzzification, inference, and defuzzification. To find out if the 3 fuzzy logic models were satisfactory classified and efficiently operating regarding the estimation of cleaning interventions performance for black-grey crusts, washed out surfaces and inter-granular fissured marble surfaces, they were operated with the corresponding case studies of NAM and NLG. It was demonstrated that cleaning interventions classification, after the operation of the suggested models, is in total agreement with the recorded, in this thesis, considerations about their performance. It is concluded that these 3 fuzzy logic models can be also used to other case studies of corresponding marble materials and decay patterns, under the prerequisite that the input parameters will be measured by the specifications given in this thesis. In addition, within the context of the investigation of 4th cleaning assessment criterion, that is the decay susceptibility of cleaned surfaces, the necessity of systematic use of non destructive testing techniques (NDT) and their validation and calibration arises. NDT systematic use aims to the limitation of sampling (being almost restricted due to deontology in the thematic area of cultural heritage protection), which is one of the most important reasons, along with the limited time given by the state for carrying out conservation intervention studies, responsible for not collecting data about monitoring and inspection of cleaned surfaces durability. The results of this thesis towards this direction indicated that:  there is strong correlation among the color parameter of luminosity L and the surface microstructure parameters of roughness Rq and surface area, as it is demonstrated from the principal component analysis that took place for these parameters on the reference samples of Pentelic marble; where it is shown that increase of roughness Rq and surface area values lead to decrease of luminosity L values for the investigated samples.  the cooling rate of the investigated marble samples (reference and monument ones), after the application of pulsed thermography (PT) in lab, is described by an empirical first order kinetic model, whereas the time constant of the cooling rate is an exponential function (incorporating material effect) of fracture density and luminosity L. The capability of using a corresponding PT instrumental technique in situ, on monuments scale, in combination with the in situ application of colorimetry for recording luminosity values L, as well as the application of the suggested model, can contribute decisively to the prediction of fracture density values for marble surfaces. This potentiality, of total non destructive and quantitative estimation of marble superficial fracturing, is of high importance for monitoring the preservation state (durability) of cleaned marble surfaces in situ. In the course of further investigation of the 4th cleaning assessment criterion, the GIS use is suggested as a methodological tool for control and monitoring of cleaned surfaces durability, on the scale of representative investigation areas of a building, (i.e. on focused working-scale). It is concluded that the potential of RDB management using Boolean algebra and logical operations on the thematic map of “conservations interventions planning” which is the resulting output theme of both decay and pilot cleaning interventions thematic maps after the application of the geo-processing analysis of intersection operational tool, and includes spatial information and attribute data sets before and after cleaning; accomplish comparison, attribution, analysis and correlation of the recorded physico-chemical characteristics of marble surfaces to space, during different time periods. Consequently, the integrated methodology of cleaning intervention assessment is compiled by the following stages: 1. Selection of the most representative areas on the investigated building, based on carefully visual inspection of the building materials and decay patterns presented on the facades, 2. Building materials characterization and decay diagnosis – recording of presented decay patterns, 3. Selection of cleaning materials and interventions, based on presented decay patterns and building materials, relative bibliography, experience, as well as architectural surface type, 4. Application of cleaning interventions on pilot scale, that is on representative investigation areas, 5. Application of the experimental techniques that measure the critical cleaning assessment parameters on the representative investigation areas, 6. Input of the values of critical cleaning assessment parameters in the fuzzy logic model, in order to extract the Cleaning Performance Index (CPI); classification of pilot cleaning interventions into non-accepted, medium, accepted, optimum – recommended, based on the corresponding threshold levels configuration, 7. Use of GIS platform for monitoring and inspection of cleaned surfaces preservation state in time, through:  Spatial classification of decay and cleaning interventions on the representative investigation areas, (building thematic maps of decay and pilot cleaning interventions),  Building of Relational Data Bases (RDB), which includes the critical assessment parameters of pilot cleaning interventions,  Management of RDB using Boolean algebra and logical operations,  Geo-processing analysis using intersection operational tool, 8. Repeat stages 5, 6, 7 in the future, and planning of conservation interventions on the total of marble façade surfaces of the investigated building, depending on the presented decay pattern will be accomplished. Finally, the strategic planning of cleaning interventions is achieved, developing an integrated decision making system for the assessment of cleaning interventions, with ultimate goal the scheduling of the periodical conservation interventions. Particularly, the integrated decision making system resulted by the incorporation of fuzzy logic models into GIS. This platform enables the constant response in relation to the cleaning performance under predefined assessment parameters and acceptance threshold levels in a pointed spatial entity and environmental conditions, developing an integrated decision making system for the assessment of cleaning interventions for each one of the investigated decay patterns. When new data regarding durability indexes (which actually are the input parameters for the fuzzy logic model and in parallel are the critical cleaning assessment parameters), give for the finally selected and applied cleaning intervention, values of 4.5<CPI<7 (set of medium cleaning, mainly expressing the under-cleaning), then periodical conservation interventions on the marble facades of the investigated monument should be scheduled.