Optimisation of the composition and properties of decorative columns and arches using travertine (shell limestone)

Abstract

Необхідність підвищення довговічності та естетичної стійкості декоративних архітектурних елементів в умовах кліматичних особливостей Киргизької Республіки обумовлює високу актуальність дослідження властивостей природних будівельних матеріалів, таких як травертин. Метою даної роботи був аналіз фізичних та механічних характеристик травертину та оптимізація його властивостей для ефективного використання у створенні декоративних колон та арок. У процесі дослідження застосовувалися комплексні лабораторні методи, включаючи випробування на міцність при стисканні, водопоглинання, стирання, морозостійкість, а також стійкість до ультрафіолетового випромінювання. В результаті експериментів було досліджено поведінку травертину в умовах змінної вологості та температурних коливань; встановлено, що матеріал має міцність на стиск 45-55 МПа, але при цьому демонструє водопоглинання до 10-15 %, що свідчить про його пористу структуру та необхідність додаткового захисту. Було виявлено, що коефіцієнт стирання варіюється від 0,8 до 1,2 мм, а характеристики міцності знижуються на 15-20 % після 50 циклів заморожування і відтавання. Проведено аналіз впливу гідрофобних та полімерних просочень, який показав дворазове зниження водопоглинання та підвищення морозостійкості матеріалу. Також узагальнено дані про зниження декоративних якостей травертину під дією ультрафіолетового випромінювання та запропоновано технологічні рішення для їх збереження. Практична цінність роботи полягає у розробці рекомендацій щодо обробки травертину для підвищення його експлуатаційних характеристик, що може бути застосовано архітекторами, проектувальниками, реставраторами та спеціалістами будівельної галузі при проектуванні будівель та споруд в умовах різко континентального клімату Киргизстану

The need to enhance the durability and aesthetic stability of decorative architectural elements under the climatic conditions of the Kyrgyz Republic underscores the relevance of researching the properties of natural building materials such as travertine. The aim of this study was to analyse the physical and mechanical characteristics of travertine and optimise its properties for effective use in the design of decorative columns and arches. The research involved comprehensive laboratory methods, including tests for compressive strength, water absorption, abrasion resistance, frost resistance, and ultraviolet (UV) radiation resistance. The experiments examined the behaviour of travertine under variable humidity and temperature fluctuations. It was established that the material has a compressive strength of 45-55 MPa but shows water absorption of up to 10-15%, indicating its porous structure and the need for additional protection. The abrasion coefficient ranged from 0.8 to 1.2 mm, while compressive strength decreased by 15-20% after 50 freeze-thaw cycles. The study of hydrophobic and polymeric impregnations revealed a twofold reduction in water absorption and an increase in frost resistance. The paper also summarises data on the deterioration of travertine’s decorative qualities under UV exposure and proposes technological solutions to preserve them. The practical value of this research lies in the development of recommendations for travertine treatment to improve its performance characteristics. These findings can be applied by architects, designers, restorers, and construction professionals when designing buildings and structures in the sharply continental climate of Kyrgyzstan