Operaen i Bjørvika
Bruken av italiensk Carrara marmor i som utvendig kledning er et meget kontroversielt valg, som er styrt av estetiske hensyn og økonomi heller enn materialkunnskap. De fleste geologer som har uttalt seg i saken har advart sterkt mot bruk av marmor som fasadestein i norsk klima. Oslo sentrum har nok av eksempler på hvordan marmor forvitrer i utendørsmiljøet i et norsk bysentrum. Marmorkledningen under vinduene i Tollbugata 27 og den horisontale flaten over muren utenfor Stortingsgata 30 er gode eksempler på hvordan marmor og kalkstein kan spises opp av sure løsninger over tid. Man kan vel neppe si at dette er å eldes på en "vakker" måte, slik enkelte arkitekter synes å mene ? Marmor av Carrarra-type har en kornstruktur som gjør at den virker nærmest som et trekkpapir. Normalt regnvann er svakt surt på grunn av oppløst CO2 (NB: Helt uavhengig av en mulig menneskeskapt økning av CO2 innholdet i atmosfæren !). Denne svake syren suges opp av bergarten, og reagerer med kalkspat i, som langsomt løser seg opp. Det er dette som har skapt kalksteinshuler og karstlandskap i områder der berggrunnen er dominert av marmor. I første omgang får steinen en ru overflate som gir godt feste for støv og skitt, og god grobunn for sopp, lav og mose, slik Stortingsgata 30 viser - i operabygget brukes marmor i stor utstrekning på nettopp slike horisontale flater ! I Stortingsgata har flaten vært eksponert i ca. 70 år. Hvilken tidsramme tenker arkitektene seg egentlig for operabygget ? Byens kirkegårder viser andre gode eksempler på marmor i forfall. I fylkessteinutstillingen finner vi et eksempel som viser hvor fort forvitring av marmor kan foregå.
Arkitektene bak operabygget tenker å motvirke forvitringsproblemet ved å overflatebehandle marmoren med et stoff som trenger inn på korngrensene og holder vannet ute. Denne behandlingen må gjentas med mellomrom. I tillegg må flatene renses ved børsting og høytrykkspyling. Hvilken slitasjeeffekt vil dette ha på marmoroverflatene ? Det må også være tillatt å spørre på prinsipielt grunnlag hva som gjør plater av marmor fullstendig impregnert med epoxy eller andre kunststoff til et "fornemmere" materiale enn den antakelig langt billigere "kunststeinen" bestående steinbiter i sementmasse som ble brukt i en del fasader på 1970-tallet, men som nå heldigvis ser ut til å ha gått ut av bruk (se for eksempel Stortorvet 11), eller til og med funkisperiodens mineralittpuss som det fortsatt finnes rester av her og der i Oslo ?
Et annet problem med marmor er at platene har en tendens til å deformeres plastisk under sin egen vekt, se eksempler fra Finlandiahuset (som er inne i sin annen runde med marmorskader) og Nordjyllands Kunstmuseum i Ålborg. I Bjørvika mener man å unngå dette problemet ved å montere tykkere plater, og ved å bruke granitt (egentlig trondhjemitt fra Rennebu) i vertikale flater der belastningen blir stor.
I november 2007 oppdaget man utstrakt gulfarging av nylagte marmorplater både innendørs og utendørs. Dette var et nytt problem som kom like overraskende på både kritikere og forsvarere av marmor i operabygget. Misfarging av lys marmor er imidlertid ikke noe ukjent fenomen, heller ikke i Oslo sentrum. Inntil nylig kunne vi se et godt eksempel i (Akersgata 16). Til venstre for inngangsdøra til motebutikken (se bilde) kunne vi se et stort felt hvor marmoren er gulfarget. Denne fasaden ble dekket over med murpuss høsten 2007. Inngangspartiet i Rådhusgata 23b viser marmor som har blitt brun selv om den står godt beskyttet innendørs.
Finlandiahuset i Helsingfors bød høsten 2005 på et annet eksempel: En av marmorplatene nederst på veggen har fått en kraftig gulbrun farge. Dette kan enten skyldes sølesprut som har satt seg fast, eller påvirkning av eksos fra en bil som har vært parkert for nær veggen.
Selv om den direkte årsaken til gulfargen fortsatt synes å være ukjent for de ansvarlige, skyldes problemet nok egenskaper hos marmoren selv: "Trekkpapireffekten" som kommer av den sukkerkorninge teksturen i bergarten. Vann og forurensning trenger inn på korngrensene, og kan bevege seg både raskt og langt inn i bergarten. I dette tilfellet har nok vannet inneholdt oppløste jernsalter som kommer enten fra silikatmineraler, jernholdig dolomitt eller finfordelt svovelkis i marmoren selv, fra mørtelen som er brukt til å feste platene, fra armeringsjern eller fra betongen bak eller under platene. Når slike løsninger oksideres i kontakt med luft felles det ut gule eller gulbrune jernmineraler som jarositt (KFe3(SO4)2(OH)6), goethitt (FeOOH) eller limonitt (en finkornig blanding av forskjellige jernmineraler). Har man flaks er disse utfellingene begrenset til et lag nær overflaten, og da bør de kunnes slipes bort. Hvis de derimot gjennomtrenger hele steinen er det nok lite man kan gjøre, goethitt er nokså uløselig i vann. På syrefaste underlag kan fosforsyre, salpetersyre eller sitronsyre brukes til å fjerne slike jernutfellinger, men noe slikt er helt uaktuelt på sterkt syreløselig marmor ! Bruk av basiske rensemidler kan erfaringsmessig føre til forsterket misfarging.
Selv de hviteste kvaliteter av marmor fra Carrara har en velkjent evne til å utvikle gule fargeflekker med tid. I en nokså fersk studie (november 2007) påviser de belgiske forskerne Veerle Bams og Stijn Devaele at alle de kjente typene av marmor fra Carrara (blant annet Carrara Bianco som er brukt i Operaen) inneholder finfordelt svovelkis som oksideres og løses opp når steinen kommer i kontakt med vann og luft (Bams & Dewaele, 2007, Materials Characterization 58, 1052-1062). Denne prosessen gir en gul til gulbrun misfarging som er irreversibel, og fører til svekkelse av steinens mekaniske stabilitet. Svovelkis (og andre jernsulfidmineraler) reagerer med luft og vann og danner sulfat sammen med sekundære jernmineraler som goethitt. Sulfatet reagerer surt (egentlig er det snakk om tynn svovelsyre !), løser opp kalkspat i marmoren og produserer sekundær gips, som har større volum enn kalkspaten. Dermed sprekker bergarten opp, med alvorlige konsekvenser for utseende og stabilitet. Man kan faktisk si at en sulfidholdig marmor er selvdestruktiv, og derfor bare bør brukes i helt tørre miljøer. Normalt vil det gå fra noen måneder til noen år før slik misfarging utvikler seg. I den eksperimentelle undersøkelsen viste Carrara Bianco CD og Arabescato variantene (dvs. de typene som har sterkest åremønster) føst tegn til omvandling langs de naturlige årene i bergarten, som ble mørkere og utviklet kraftig rustfarge. Det vil si nøyaktig den utviklingen vi i løpet av 2008 har sett utendørs i Operaen. Resultatene av eksperimentene ga forøvrig ingen støtte til at organiske fargestoffer skulle kunne forklare normal misfarging i slik marmor.
SINTEFs rapport om misfarging av marmor i innendørs gulv i Operahuset. ble presentert for offentligheten 13. desember 2007. Rapporten hevder at gulfargen vil forsvinne av seg selv ved tørking av marmoren, den avviser at jernoksider eller hydroksider dannet ved nedbrytning av svovelkis er kilden for misfargingen, og antyder at en uspesifisert organisk forbindelse er ansvarlig.
Oppsummeringen av resultatene lyder:
”Det har ikke vært mulig å identifisere hvilken organisk forbindelse dette kan være, hvorvidt den er rent organisk, organometallisk eller annet, eller hvorvidt jern er inkludert i denne kompleksdannelsen. Det har heller ikke vært mulig kvantitativt med sikkerhet å påvise organisk forbindelse i steinoverflaten. SINTEF kan ikke utelukke at vi her har å gjøre med en uorganisk forbindelse, som gir fargeendringer i steinen.”
Konklusjonen er ikke helt i samsvar med analyseresultatene i rapporten som egentlig gir grunnlag for kategorisk å avvise et organisk fargestoff ! Den er også svært uspesifikk - faktisk så romslig at den gir plass for nærmest alle mulige stoffer som kan dannes når mineraler, mørtel, vann, forurensninger og luft kommer i kontakt, unntatt oksider og hydroksider av jern. Det er derfor nødvendig å se litt nærmere på opplysningene i rapporten for å se om nedbrytning av svovelkis er så utelukket som det hevdes.
De sterkeste argumentene for å avvise jernoksider / hydroksider som årsak til gulfargen gis av tørkeforsøk og bleking med hydrogenperoksid, som viser at gulfargen forsvinner ved slik behandling. Når en uttørket og avfarget marmor utsettes for pH-nøytralt vann eller basiske løsninger kommer gulfargen tilbake. FeO(OH) og andre tungt løselige forbindelser av treverdig jern reagerer ikke slik, og kan derfor ikke være årsak til den misfargingen man oppdaget innendørs høsten 2007. Så langt er det enkelt å være enig med SINTEF. SINTEF klarte imidlertid ikke å analysere fargestoffet kjemisk eller å bestemme det ved spektroskopiske metoder. SINTEF antar at det ukjente organiske eller uorganiske stoffet som skal finnes i marmorgulvet krever høy pH for å gi gul farge. Under slike forhold fremmes også oksidasjon av svovelkis, slik at den ene prosessen ikke utelukker den andre.
Det er viktig å merke seg at SINTEF oppgir at Carraramarmor inneholder ca. 1 prosent svovelkis. Hvis alt jernet i en slik mengde svovelkis oksideres og finfordeles på korngrensene i bergarten er det mer enn nok til å gi bergarten en kraftig gulbrun farge. Den store svakheten ved SINTEFs rapport var at de ikke undersøkte forvitringstilstanden til svovelkisen. Dette kunne vært gjort nokså enkelt ved elektronmikroskopi. Hvis krystallene viser seg å være friske og fine kan vi utelukke svovelkis i den gule marmoren som en direkte kilde til fargestoffet.
Forskere ved Naturhistorisk Museum, Universitetet i Oslo (NHM) utførte supplerende arbeider på oppdrag fra Statsbygg. Et sammendrag av deres resultater ble publisert i det populærvitenskapelige fagtidsskriftet GEO i oktober 2008. NHMs forskere undersøkte bergarten nokså nøye med elektronmikroskop, og fant ikke tegn til oppløsning av svovelkis, men derimot at svovel og sulfatforbindelser var rikelig tilstede på overflaten. Årsaken til misfargingen skulle dermed være en blanding av brunfargede, fortsatt uidentifiserte organiske forbindelser og lys gul svovel. Uttørking og behandling med hydrogenperoksid oppløsning skulle kunne fjerne fargen. NHMs modell synes å være motbevist av resultatene av de tørkeforsøkene som faktisk har foregått i foajeen i 2008. Observasjonene som er dokumentert med bilder på disse nettsidene viser at artikkelens påstand om at forsøkene på å fjerne brunfarge med en blanding av oppvarming og vask med hydrogenperoksidløsning har hatt liten eller ingen virkning. Gulvet var slett ikke hvitt ved innvielsen, og de platene som har ligget der hele tiden er det fortsatt ikke !
En svakhet ved både SINTEFs og NHMs undersøkelser er at de utelukkende bygger på materiale fra gulvet i foajeen. Disse marmorplatene ble behandlet på en nokså uortodoks måte under og etter leggingen, bl.a. ble gulvet dekket til med plast like etter legging. Det er dessuten rikelig med eksterne kilder til jernforbindelser, for eksempel i armeringsjernet som ble støpt inn i den underliggende mørtelen, som ved slutten av 2007 forstsatt hadde en høy restfuktighet. For å forstå hva som foregår med marmoren i Operaen er det nyttigere å se på utvikingen utendørs, der ingen spesielle fysiske forhold utover de vi finner i et normalt Osloklima kan ha påvirket marmoren. Bildene som presenteres på disse nettsidene viser tydelig at begynnede misfarging har oppstått i løpet av våren og sommeren 2008, at denne prosessen er progressiv, og at utviklingen følger samme mønster som i de eksperimentelle undersøkelsene til Bams & Dewaele (2007). Det er derfor fortsatt all mulig grunn til å anta at helt naturlige forvitringsprosesser er ansvarlige for disse fargeendringene.
Eksempler fra noe eldre bygninger i Helsingfors hvor bergarten har vært utsatt for klimatiske forhold nokså tilsvarende Oslo i inntil 40 år gir en nyttig antydning om den kommende utviklingen i Operaen. Det mest kjente eksemplet er Finlandiahuset, der arkitekten insisterte på bruk av hvit marmor fra Carrara i fasaden. Marmoren forfalt raskt, og hele fasadekledningen måtte skiftes i 1998-99.Det ble den gang diskutert om ikke marmoren burde erstattes med en lys granitt, men av respekt for arkitektens verk valgte man å bruke ny marmor fra Carrarra. Billedserien her er tatt i september 2005, altså ca. 6 år etter at utskiftningen var fullført. Skal vi forstå hvorfor denne bergarten utvikler seg på en så uheldig måte må vi se på hva som foregår kjemisk og minealogisk i sulfidholdig marmor som kommer i kontakt med luft og vann. Det er nødvendig å se litt nærmere på hvordan svovelkis (FeS2) oppfører seg under reaksjon med luft, vann og kalkspat, og på de svært spesielle kjemiske egenskapene til grunnstoffet svovel.
Svovel kan forekomme i forskjellige oksidasjonstilstander: sulfid (S2-), nøytralt svovel (S0), thiosulfat (S2+), sulfitt og SO2: (S4+) og sulfat og SO3 (S6+). Hvilke svovelforbindelser som dannes i en reaksjon mellom sulfidmineraler, luft og vann avhenger av temperatur, oksidasjonsforhold og pH. Det er også vanlig at en overgang fra S2- til S6+ går gjennom flere mellomliggende trinn, selv om de ytre betingelsene er slik at sulfat med S6+ er den stabile formen av svovel.
Ved likevekt med vanlig luft er det sulfationet som er stabilt, og reaksjon mellom svovelkis (FeS2), kalkspat (CaCO3), luft og vann beskrives av reaksjonsligninger:
2 FeS2 + 4 CaCO3 +H2O + 15 O2= 4 Ca2+ + 4 SO42- + 2 FeO(OH) + 4 CO2
2 FeS2 + 4 CaCO3 +9 H2O + 15 O2= 4 CaSO4·2H2O + 2 FeO(OH) + 4 CO2
hvor sluttproduktet er enten sulfationer i vandig løsning eller fast gips (CaSO4·2H2O) sammen med goethitt (FeO(OH)). Det er slike reaksjoner som normalt forårsaker gulbrun misfarging av svovelkisførende marmor. Disse ligningene beskriver imidlertid bare summen av alle prosessene som fører fra et ustabilt mineralselskap (kalkspat + svovelkis) til et stabilt (goethitt ± gips). Det fargeløse mineralet aftitalitt ((K,Na)3Na(SO4)2) som er påvist av NHM gruppen er et annet mineral som kan dannes i denne oksidasjonsprosessen.
Eksperimentelle undersøkelser av oksidasjon av svovelkis (Granger & Warren, 1969: Economic Geology 64, 160-171) viser at denne prosessen ikke går direkte til sulfat i ett trinn, men at man vil få dannet elementært svovel, thiosulfat eller sulfitt som mellomprodukter:
FeS2 + 1/2O2 + 2H+ = Fe2+ + H2O +2S
FeS2 + + 3/2 O2 = Fe2+ + S2O32-
FeS2 + 5/2 O2 + H2O = Fe2+ + 2 HSO3-
Dette er helt i samsvar med generelle termodynamiske prinsipper (Ostwalds regel).
Spesielt synes thiosulfat (S2O32-) og bisulfitt (HSO3-) å være et viktige mellomprodukter ved oksidasjon av svovelkis i luft. Disse ionene er ustabile, og vil i løpet av ganske kort tid oksidere til sulfat. Elementært svovel er lys gult og uløselig i vann, men vil kunne oksideres videre med et oksidasjonsmiddel som hydrogenperoksid.
I disse prosessene løses jern som Fe2+. Når en slik løsning kommer i kontakt med luft vil jernet oksideres til Fe3+ og falle ut som tungt løselig goethitt (FeO(OH)), hematitt (Fe2O3) eller mer eller mindre amorfe, rustlignende forbindelser. I denne prosessen frigjøres H+ ioner som vil angripe kalkspat.
I tillegg til de velkjente, gule og gulbrune flekkene kan man nå se diffuse skjolder med en mer grønnlig fargetone. Dannelse av ustabile, grønnfargede jernforbindelser kjent som "grønn rust" er et velkjent fenomen når armeringsjern i betong korroderer. Begrepet refererer seg til en gruppe forbindelser som inneholder både to- og tre-verdig jern sammen med karbonat, klorid, hydroksylioner og vann, f.eks. forbindelsen Fe2+4Fe3+2(OH)12CO3·2H2O. Slike jernforbindelser er ustabile og vil i kontakt med luft raskt gå over til goethitt og andre jernforbindelser der alt jern er i treverdig tilstand. Normalt vil det ikke være fritt karbonat tilstede i godt herdet sement, karbonatdannelse i betong er et forvitringsproblem som kan forårske store bygningsskader. I gulvene i foajeen i Operaen har imidlertid forholdene ligget godt til rette for dannelse av slike forbindelser: Jernet kan skrive seg fra korrosjon av armeringsjernet som ble støpt inn i mørtelen under flisene, eller fra finfordelte, jernholdige mineraler i marmoren selv, og marmoren inneholder rikelig med karbonat som kan reagere med jernholdige løsninger. Tildekning med plast og finerplater holdt fuktigheten tilbake i gulvet, slik at prosessene kunne utvikle seg i fred sommeren og høsten 2007. Nye (?) grønne flekker observert i april, juni og september 2008 tyder på at prosessene har foregått over et langt tidsrom, kanskje på grunn av den forserte uttørkningen gulvet har vært gjennom. Mørtelen under marmorhellene i operabygget inneholdt høsten 2007 en restfuktighet på 10 liter pr. kvadratmeter (!). Mesteparten av dette vannet må drives ut for at herdingsprosessen kan fullføres og gulvet tørke helt opp. Dette har drevet fuktighet opp gjennom selve steinen. Hvis denne antakelsen er korrekt vil grønnfargen være et forstadium til mer brun misfargning.
Forfatteren av dette nettstedet har ingen problemer med å erkjenne en stor grad av mistro til bruk av marmor i ubeskyttede flater utendørs, spesielt i monumentalbygg som er bygd for å vare mer enn en generasjon eller to. Geologen Ivar Hultin som har lang fartstid i norsk natursteinsindustri, har uttalt: "Det beste man kan gjøre er å holde seg unna alt som har med marmor å gjøre. Det er beregnet til innendørs bruk." Dette utsagnet støttes fullt ut !
Mer informasjon om prosesser i forvitrende Carraramarmor, i form av en engleskspråklig PowerPoint presentasjon beregnet på et publikum av geologer finnes her.
Forfatteren vil rette en spesiell takk til Alf Olav Larsen og professor Martti Lehtinen for nyttige diskusjoner om prosesser i Carraramarmor.