Durability of a sandstone used as a principal building and decorative material in ancient Abdera, Xanthi, N. Greece

Abstract

Stones have been used as a construction material in Greece, since the 7th century B.C. Most of the public and other important buildings in ancient greek cities were made of stones. Various types of rocks have been used, from soft rock like travertine, soft sandstone, marl limestone, etc., to hard rocks like marble, hard limestone, schist, etc. Some of these rocks, especially the soft ones, created problems of deterioration, through the time. One such a case, the deterioration of a soft sandstonten used in Ancient Abdera, N. Greece, is examined in this paper. This sandstone is a molassic origin rock, used both as a building and decorative material since the antiquity. Sampling were made both from modern quarries (fresh rock) and the ancient settlement. The mineralogy, the granulometry, the physical and technical properties, the salt resistance and durability of the rock were examined in order to elucidate the possible causes of its deterioration in construction works.

From the results obtained, it is concluded that the rock varies much in the field: in compositon, in texture, and in coarseness. It consists of sand with remnants of rock fragments coming from the nearby metamorphic rocks of Rodope range. Petrographically the rock varies from lithic wacke (conglomerate, breccia) (rock fragments>15%), to arkosic (feldspathic) wacke (feldspars>25%), to greywacke (clay>20%). According to its coarseness, it varies from very coarse (mean grain size>4 mm) to very fine (grain size<0.2 mm). Its feldspars are in different stage of weathering, from intact to completely kaolinized. The matrix material, in most cases, is more than 15 % (> 15%) and consists mainly of silica and clay in different proportions; ferrous oxides and/or hydroxides are present too. The CaCO₃ is usually low or non existant. The rock porosity is medium to high. The physical and technical properties of the rock in the field varies according to its mineralogy, texture (coarseness, matrix material, porosity), water conten, etc. In general, the coarse grained members, with low clay content, low porosity and low water content are the most hard and durable. The water content places an important role in the strength of the rock mostly in clay reach members. The amount of matrix material, the porosity, and the strength of the rock decrease as its grain size (coarseness) increase.

The main cause of the rock deterioration, in the construction sites, is considered to be the water absorption and the salt crystallization (sea and/or ground water salts) near or under the rock surface. This is due to high clay content and the weak matrix material. Consequently, when the rock is far from the sea and/or from the foundation of the structure or in dry environments, it is quite durable with no problem of deterioration. Problems are created when the rock has been used in structures near the sea or in foundation. The possible remedial measures to be taken, in the ancient sites, are the protection of the rock from ground and/or sea water absorption and the related salts, by sheltering, water repelant coatings, and/or stabilizing agents.

Résumé

Les pierres on été utilisées en Grèce comme matériau de construction depuis le VIIe siècle avant J. C. La plupart des bâtiments dans les villes grecques de l'antiquité étaient en pierre. Tous les types de roches ont été utilisés, depuis les roches tendres comme le travertin, des grès tendres, des calcaires marneux, etc. jusqu'à des roches dures, comme les marbres, les calcaires durs, etc. Certaines de ces roches, en particulier les tendres, se sont déteriorées dans le temps. C'est le cas du grès tendre utilisé dans l'ancienne ville d'Abdera, dans le Nord de la Grèce.

Ce grès appartient à un ensemble molassique et est utilisé depuis l'antiquité aussi bien comme pierre de construction que décorative.

Il a été échantillonné à la fois dans des carrières en activité et dans d'anciennes exploitations. La minéralogie, la granulométrie, les caractéristiques physiques et géotechniques, la résistance au sel et la durabilité de la roche ont été examinées pour comprendre les causes de la déterioration.

Des résultats obtennus, on peut conclure que la roche varie beaucoup sur le tetrain, en composition, en texture, en dimension de grains, c'est un sable avec des fragments de roches provenant des formations métamorphiques de la chaîne de Rodope. Pétrographiquement, la roche varie depuis un conglomérat ou brèche (débris rocheux > 15%) à une arkose (feldspaths > 25%) ou une greywake (argile > 20%). Elle peut être très grossière (taille moyenne des grains: 4 mm) à très fine (taille des grins < 0.2 mm). Les felspaths sont, à des stades d'altération variés, depuis l'état frais jusqu'à l'état kaolinisé. La matrice représente dans la plupart des cas plus de 15% et renferme surtout de la silice et de l'argile en proportions variables. Elle contient aussi des oxydes et des hydroxydes. La teneur en carbonates est généralement basse, voire nulle. La porosité est moyenne ou élevée. En général les faciès grossiers, à faible teneur en argile, faibles porosité et teneur en eau sont les plus résistants.

La principale cause de la déterioration de la roche, dans les constructions, est l'absorption d'eau et la cristallisation de sel (sels de mer ou de nappe souterraine). Ceci est du à la teneur élevée en argile et au matériau peu résistant de la matrice. En conséquence, lorsque la roche est située loin de la mer et/ou des fondations du bâtiment ou alors dans un environnement sec, elle est tout à fait résistante et ne se déteriore pas. Les mesures curatives possibles, sur les sites anciens, sont l'isolation des bâtiments par rapport au sol et/ou aux sels qui en proviennent, par différentes méthodes.