LIME-MORTARS WITH NATURAL AND ARTIFICIAL POZZOLANIC ADDITIONS

Roman mortar system has got much attention in recent time, due to their excellent durability. The Pantheon roof, for example, resisted almost two millennia to climatic assaults and pollution. 
This cannot be said of modern mortar systems.

Our highways need restoration already after half century of use. The problem with the Roman mortar systems is that we have lost the recipe. The goal of the present project is to design new lime-based pozzolanic mortars, specifically for restoration purposes, that come close to the antique mortars. We know that the Roman mortars were mixture of lime and pozzolans (artificial and natural materials, which harden in water when mixed with calcium hydroxide), but the type of pozzolans and the proportions between the ingredients are unknown. 

The expected new product should present the main advantageous characteristics of a lime mortar and, at the same time, improved durability and strength properties. For this aim a mortar of hydrated lime and calcareous sand, as reference mix, was compared with nine different mortars consisting of hydrated lime, pozzolan and calcareous sand. The pozzolanic materials include three artificial pozzolans (crushed bricks, metakaolin, silica fume) and six natural pozzolans (five volcanic materials and one diatomaceous earth). 

Among the latter, two materials come from an area exploited by Romans in Antiquity (Campania-Latium, Italy). The effects of the pozzolanic materials in lime mortar were evaluated in order to select the pozzolan for the development of the new product. The physico-mechanical properties (compressive strength, flexural strength, bulk density, elastic dynamic modulus and drying shrinkage) as well as the 
hydraulic index were determined at 28, 56, 365 days.

The results show that the partial substitution of hydrated lime by pozzolans produces in all cases a decrease of the drying shrinkage. At 56 days five out of nine mixes showed mechanical strengths better than the reference mix, while at 365 days, only the mixes with metakaolin and two volcanic pozzolans, one of them from the Roman quarries, were stronger. The mix with metakaolin has by far the best mechanical strength and the best short-term reactivity. 
However, it has a very high elastic modulus, which makes the material vulnerable for cracking. The mixture with the two volcanic pozzolans seems to have the best combination of mechanical strength and elastic modulus in order to guarantee a good durability.

The final choice will be made upon long term exposure experiments which, unfortunately, can not last as long as the life time of some of the Roman monuments.

PhD thesis Jessica Chiaverini. Project leader: Marino Maggetti; Co-director: Dr. Albert Jornet (SUPSI Lugano). 

In collaboration with industrial partners.

ARCHAEOMETRIC RESEARCH ON SOAPSTONES

La pierre ollaire, terme populaire regroupant différents types de roches ultrabasiques et malléables, est ancrée dans la tradition alpine par la fabrication de récipients taillés et tournés depuis l’époque romaine.

Aspects pétrologiques et pétrographiques

Le terme "pierre ollaire" regroupe des roches métamorphiques de type majoritairement ultrabasique. D’un point de vue physique, elles présentent des caractéristiques particulières, puisque à la fois résistantes et molles, donc relativement façonnables à l’aide d’outils simples. De plus, ces roches possèdent une capacité calorifique élevée.
Les pierres ollaires sont des ultramafites contenant majoritairement du talc, de la chlorite, des amphiboles, des pyroxènes, des oxydes (pyrites et magnétites), des carbonates, de l’olivine, de la serpentine, et des micas noirs.
La formation et la mise en place de ce type de roche nécessitent des conditions particulières, ce qui permet de comprendre son abondance relativement faible (moins de 1% des roches alpines). L’origine primaire se situant dans le manteau, avec des compositions typiquement péridotitiques et des conditions de haute pression et température. 
Lors de différents mouvements associés à la formation de l’arc alpin, certaines de ces roches peuvent arriver en surface, par obduction notamment, et apparaître ainsi sous forme d’affleurements plus ou moins importants et diversifiés. Le changement des conditions environnantes entre le manteau et la surface (ou du moins la croûte) induit un rééquilibrage de nos systèmes, afin de réagir face aux différences de pressions et de températures, mais aussi à l’apport de gaz riches en eau (H2O) et en acide carbonique (CO2). 
Les péridotites (protolithes) enregistrent alors ces transformations métamorphiques, traduites dans les roches par la présence de minéraux riches en H2O et en CO2, tels que talc, carbonates, chlorites et amphiboles. 
Les fortes contraintes tectoniques accompagnant ce déplacement et ces réactions chimiques provoquent des géométries généralement lenticulaires et zonées, la zone de réaction entre la roche mère ultramafique riche en olivine (dérivée directement de la péridotite originelle) et l’encaissant représente ce que l’on appelle vulgairement "pierre ollaire". Les processus d’apport de gaz, de rééquilibrations pétro-chimiques et de changements géométriques se déroulent à des profondeurs de 10 à 20 km environ. L’érosion et l’obduction de certaines nappes et massifs apportant finalement ce matériel en surface.
Le but pétrographique de ce projet Fonds National est de préciser, de synthétiser et de compléter les informations déjà connues sur les différents gisements/affleurements de pierre ollaire. Mais aussi d’éclaircir les conditions et processus de formation de ces types de roches, en combinant l’approche microscopique et minéralogique avec des analyses chimiques consistantes et systématiques (MEB, EDS, XRD, XRF). 
Enfin des tests physico-chimiques seront effectués pour comprendre les altérations, issues de l’utilisation humaine (chauffage, stockage, …), de ce type de matériel.

Aspects archéologiques

L’exploitation de la pierre ollaire est attestée dés l’âge du Fer par la découverte de quelques petits objets. Elle se développe réellement à partir du Ier siècle après J.-C pour la réalisation de récipients façonnés à la main ou tournés. 
C’est le façonnage de ces récipients qui marque le début d’une production typiquement alpine (comme le cristal de roche) et nomme cet artisanat (ollaire vient du latin ollare : faire des pots). 

Celui-ci s’étend dans tout l’arc alpin et en arrive à concurrencer localement la céramique pendant le Bas-Empire et dans une moindre mesure pendant le haut Moyen Age. Elle bénéficie d’une diffusion assez large durant ces périodes dans les régions voisines. A partir du Moyen Age et jusqu’au XXe siècle l’utilisation de la pierre ollaire semble se limiter aux régions alpestres et à la production de fourneaux.
Une de ses principales fonctions, inhérente à ses qualités calorifiques, est la cuisson des aliments, attestée par de fréquentes traces de suie ou la présence d’un dépôt intérieur noirâtre. 
D’autres usages peuvent lui être attribués, le stockage, voire l’artisanat (creuset ?).
Les strictes contraintes technologiques limitent la morphologie des récipients à un petit éventail formel et décoratif, et rendent difficile la mise en place d’une typo-chronologie, utile pour ce type de mobilier fréquent sur les sites alpins.
Le but archéologique principal de ce projet Fonds National serait la mise en place d’une typo-chronologie applicable à l’ensemble du matériel en pierre ollaire ainsi que l’étude des traces de travail, des différentes fonctions et d’une façon plus générale de la place que tient la pierre ollaire dans l’ensemble vaisselier. Pour cela il faut se tourner vers les collections retrouvées dans les zones de production, notamment la Suisse, en corrélant quantités, formes complètes et datations fiables.

PhD thesis Mikaël Haenni, Maëlle Lhemon. Project leader: Vincent Serneels.

SNF project 100012-105491 "La pierre ollaire : un artisanat alpin. Matériau, Technologie, Economie et Histoire".

In collaboration with the Department of Architecture at 
the University of Applied Sciences, Fribourg, some government agencies of the Canton and the Town of Fribourg, the Swiss Confederation (CTI-grant) as well as a private company, we analyze the paving stones of the medieval town of Fribourg in order to:

identify the various kinds of paving stones,
map the major damage status of the streets and the squares,
determine the provenance of the different types of paving stones and
suggest suitable rock types for repairs