Investigation on deterioration mechanisms of the basalts used in the Diyarbakir city walls

Abstract

Yakın zamanda UNESCO tarafından Dünya Kültür Mirası Listesi'ne eklenen Diyarbakır Kent Surları, antik dönemlerden günümüze taşınan en etkileyici ve görkemli yapıtlar arasında yer almaktadır. Surların inşasında temel yapı malzemesi olarak masif ve veziküler (gözenekli) dokudaki bazaltlar kullanılmıştır. Diğer birçok tarihi yapıda gözlendiği gibi, Diyarbakır Kent Surları'nda da taş bozunmasından kaynaklı sorunlar ortaya çıkmıştır. Bozunmalar, bazalt malzemesinin kullanıldığı mimari elementlerde ve farklı formlarda kendini göstermektedir. Bu tez çalışmasında, surlarda kullanılan bazaltlarda meydana gelen bozunmaların tanımlanması, sınıflandırılması ve nedenlerinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Çalışma kapsamında elde edilen bulguların, koruma amaçlı çalışmalara, gerek malzeme seçimi, gerekse malzemenin yapıya uygulanması noktasında katkı sağlaması hedeflenmiştir.Bu amaçla, çalışma sahasının farklı noktalarından taze (masif ve veziküler) ve bozunmuş bazalt numuneleri toplanmış ve çeşitli deneylere tabi tutulmuştur. Çalışma kapsamında numunelerin mineralojik, petrografik, jeokimyasal ve fiziko-mekanik özellikleri incelenmiştir. Masif ve veziküler dokudaki bazaltların uzun dönemdeki fiziksel davranışlarını ve dayanımlarını incelemek amacıyla, malzemenin maruz kaldığı çevresel koşullar laboratuvar ortamında, ıslanma-kuruma, donma-çözülme ve tuz kristallenmesi deneyleri aracılığıyla incelenmiştir. Numunelerin dayanımı, ortalama gözenek çapı, doygunluk katsayısı ve ıslak-kuru dayanım oranı gibi parametreler üzerinden değerlendirilmiştir. Tez kapsamında elde edilen bulgular dikkate alındığında, ayrılma ve malzeme kaybı türündeki bozunmaların Diyarbakır Kent Surları'ında çok yaygın olduğu tespit edilmiştir. Yapılan mineralojik ve petrografik analizler neticesinde iddingsitin, olivin ve piroksen kristalleri boyunca gelişen en yaygın ikincil mineral olduğu belirlenmiştir. Mikroçatlak çalışmalarından elde edilen verilere göre, yüksek orandaki mikroçatlak yoğunluğundan dolayı, olivin ve piroksenin en zayıf mineraller olduğu gözlenmiştir. Mikroçatlak yoğunluğu göz önüne alındığında, veziküler numunelerin, gözenek yapılarının da etkisiyle, masif numunelere kıyasla daha fazla mikroçatlak barındırdığı görülmüştür. Yapay bozunma deneyleri içerisinde, bazalt numuneleri en fazla tuz kristallenmesi deneyinden etkilenmiştir. Yapay bozunma deneyleri sonrasında yapılan indeks deneylerin sonuçları incelendiğinde, etkili gözeneklilik, su emme ve tek eksenli basma dayanımı deneylerinin, bazaltın bozunma mekanizması üzerine yürütülecek çalışmalarda kullanışlı olabileceği tespit edilmiştir. Numunelerin dayanıklılık değerlendirmesi kapsamında yürütülen çalışmalar neticesinde, ıslak-kuru dayanım oranı parametresinin en kullanışlı sonuçları verdiği belirlenmiştir. Tez kapsamında yürütülen laboratuvar çalışmaları neticesinde, bazaltların bozunma mekanizmasında her ne kadar kimyasal süreçlerin etkisi olsa da, bozunmayı genellikle fiziksel süreçlerin kontrol ettiği tespit edilmiştir. Etkili gözeneklilik, su emme, tek eksenli basma dayanımı ve ıslak-kuru dayanım oranı gibi parametreler incelendiğinde, masif numunelerin daha iyi sonuçlar verdiği gözlenmiştir. Bu sonuçlar arazi gözlemleriyle birleştirilince, masif ve veziküler numunelerin duraylı olduğu, buna karşın masif numunelerin veziküllere kıyasla daha yüksek dayanıma sahip olduğu tespit edilmiştir.

The Diyarbakır City Walls (DCW), which were recently added to UNESCO's World Heritage List, are among the largest and most impressive monuments from ancient times. Basalts having such different textural properties as massive and vesicular were employed as the principal material in the construction of the DCW. Like many other historical structures, the DCW are suffering from stone deterioration. A large variety of weathering forms can be observed on the basalts used in different sections of the DCW.This dissertation investigated the causes of deterioration in the basalt with which the DCW were constructed. It also ranks the causes of deterioration and indicates proper materials and construction techniques to assist conservation studies.To accomplish this, fresh (massive and vesicular) and weathered basalts samples were collected from different sections of the study area. Throughout the study, the mineralogical, petrographic, geochemical and physico-mechanical properties of the samples were evaluated. In order to study the physical deterioration of the basalts and to determine their durability, environmental conditions were artificially simulated in accelerated weathering tests including the wetting-drying, freezing-thawing, and salt crystallization. The durability of the basalts was assessed by determining their average-pore diameters, saturation coefficients and wet-to-dry strength ratio.The outputs of this study indicate that detachments and material losses are the most common deterioration forms on the DCW. Mineralogical and petrographic analyses highlight that iddingsite is the common secondary mineral developed through the crystal boundaries of olivine. Microfracture studies confirmed that olivine and pyroxene are the most vulnerable minerals with the highest number of microcracks. The microfracture density of the vesicular basalts, as a result of crack propagation originated from the edge of vesicles, is relatively higher than that of the massive basalts. It is found that the salt crystallization is the most effective accelerated weathering test deteriorating the basalt samples most aggressively. It is inferred from the accelerated weathering tests that porosity, water absorption and uniaxial compressive strength (UCS) are the useful parameters for assessing the deterioration of the basalts. Of the durability methods used in this study, the durability of the basalts is best assessed by wet-to-dry strength ratio. The field and laboratory studies show that, although chemical processes trigger the deterioration mechanisms of the basalts, most of the weathering forms on the DCW are controlled by the physical processes. The massive samples yielded better results in the parameters of porosity, water absorption, UCS and wet-to-dry strength ratio. Field observation and laboratory studies indicate that both massive and vesicular basalts are durable; however, the massive basalts are more durable than the vesicular ones.