Physico-chemical Characterization of Waterlogged Archaeological Wood from a Charred Medieval Shipwreck
Subject
Ξύλο -- Χημεία ; Ξύλο -- Έλεγχος ; Ξύλο -- Ανατομία ; Άνθρακας -- Ανάλυση ; Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης ; Χημεία, Οργανική -- Μεθοδολογία ; Φασματοσκοπία ; Η περίθλαση ακτίνων-Χ ; Αρχαιολογική χημεία ; Αρχαιότητες -- Ανάλυση ; Αρχαιολογία -- Μεθοδολογία ; Ξύλο -- Διατήρηση -- Ελλάδα -- Ρόδος (Νησί) ; Ξύλο -- Συντήρηση και αποκατάσταση ; Πλοία, Ξύλινα -- Ελλάδα -- Ρόδος (Νησί) ; Πλοία, Μεσαιωνικά -- Ελλάδα -- Ρόδος (Νησί) ; Ναυάγια -- Ελλάδα -- Ρόδος (Νησί) ; Πολιτιστική κληρονομιά -- Προστασία -- Ελλάδα -- Ρόδος (Νησί) ; Ρόδος (Νησί, Ελλάδα) -- Αρχαιότητες -- Συντήρηση και αποκατάστασηKeywords
Waterlogged archaeological wood ; Charred wood ; Physical properties ; Mercury intrusion porosimetry (MIP) ; Proximate analysis ; Janka hardness ; Scanning electron microscopy (SEM) ; Energy dispersive spectroscopy (EDS) ; Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) ; X-ray diffraction (XRD) ; Ένυδρο αρχαιολογικό ξύλο ; Απανθρακωμένο ξύλο ; Φυσικές ιδιότητες ; Ποροσιμετρία υδραργύρου (MIP) ; Προσεγγιστική ανάλυση ; Σκληρότητα Janka ; Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) ; Φασματοσκοπία ενεργειακής διασποράς (EDS) ; Φασματοσκοπία υπερύθρου μετασχηματισμού Fourier (FTIR) ; Περίθλαση ακτίνων X (XRD)Abstract
In 2008, a partially burned wooden shipwreck, dating from the 12th century, was discovered off the port of Rhodes, Greece.
The shipwreck timbers presented a varied degree of charring consisting of uncharred, charred and semi-charred material, often encountered on the same piece of wood, which indicates considerably different consolidation requirements and poses a great challenge for their future conservation.
This study was set to characterize the morphology, and the physical, chemical and mechanical properties of the material, in order to assist in the development of an appropriate remedial conservation strategy.
The morphology of the archaeological wood was documented via scanning electron microscopy (SEM). The main physical properties were estimated gravimetrically whereas its porosity was evaluated by mercury intrusion porosimetry (MIP). For the charred and the semi-charred wood, proximate analysis was also undertaken. The mechanical properties were investigated using a modified Janka test and a fruit penetrometer. The chemistry of wood was examined with Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) for the organic part of wood, and energy dispersive spectroscopy (EDS) for its inorganic composition. Alterations on cellulose crystallinity were also assessed with X-ray diffraction (XRD).
Results regarding the morphology, clearly demonstrated the three distinct charring degrees of the material that exhibited significant ultrastructural differences, although the basic cellular anatomy of wood had been preserved. More specifically, the uncharred material showed signs of severe biodeterioration which is typical in waterlogged wood, while the semi-charred and charred wood exhibited alterations mainly owed to thermal exposure rather than bacterial or fungal decay. In addition, the semi-charred samples presented a varied degree of thermal degradation, reflecting its diverse exposure to the fire front, whereas the charred material presented “plastic deformation” that indicated fast pyrolysis of a wet wood, at high temperatures.
Physical properties confirmed that the exposure of wood to heat and its burial in the marine environment, has created three different waterlogged “materials”. In particular among the three charring conditions, the uncharred wood presented the lowest basic density, the highest shrinkage and an increased porosity mainly due to biodeterioration. In contrast, the semi-charred and the charred wood presented extremely low shrinkage, which was even lower than sound wood of the same species, whereas their porosity was only slightly increased.
All three charring conditions showed low hardness compared to sound wood, attributed either to biodeterioration or/and to thermal degradation. Furthermore, hardness values of the semi-charred wood were in accordance with the morphological observations, showing the transitional nature of the material, extending from the charred to the uncharred zone.
The results obtained regarding the residual chemistry of the material were highly correlated with its physico-mechanical properties and its morphology. Uncharred wood was found to be chemically similar to biodeteriorated wood, with depleted carbohydrates, increased relative lignin content, and elevated sulfur and iron concentrations. The semi-charred material presented a chemical profile comparable to thermally modified wood where hemicelluloses were reduced, cellulose crystallinity was increased, and lignin was not significantly altered compared to sound wood. In contrast in charred wood, polysaccharides and lignin were almost absent due to pyrolysis, making its organic chemistry similar to charcoals. The inorganic chemistry of the wood exposed to the fire showed that, towards the charred areas, sulfur, iron and oxygen concentrations were decreasing, while the carbon content was increasing.
Based on the results of the present study, it is evident that uncharred wood requires remedial conservation using consolidants, whereas semi-charred and charred wood may be left to air-dry without treatment. Nevertheless, a great challenge arises for conservators as the three charring conditions often coexist and the low porosity of the outer charred layer is not expected to facilitate the penetration of consolidants into the uncharred core of wood and impede its consolidation.
Abstract
Το 2008 στον λιμένα της Ρόδου εντοπίστηκε στο βυθό ένα ξύλινο ναυάγιο του 12ου αιώνα, το οποίο είχε υποστεί καύση.
Η ξυλεία του πλοίου παρουσίαζε διαφορετικά επίπεδα καύσης, τα οποία συχνά απαντώνταν ακόμα και στο ίδιο τμήμα ξύλου. Ειδικότερα, διαπιστώθηκαν τρεις κύριες καταστάσεις καύσης, μη απανθρακωμένο, ημι-απανθρακωμένο και απανθρακωμένο ξύλο, με διαφορετικές απαιτήσεις σταθεροποίησης, οι οποίες αναμένεται να αποτελέσουν πρόκληση για την μελλοντική συντήρηση του πλοίου.
Η παρούσα μελέτη έχει ως στόχο να χαρακτηρίσει το εν λόγω υλικό με βάση τη μορφολογία του, τις φυσικές, χημικές και μηχανικές του ιδιότητες, ώστε να συμβάλει στο σχεδιασμό ενός κατάλληλου προγράμματος ενεργητικής συντήρησης που θα εφαρμοστεί στην περίπτωση ανέλκυσης του ναυαγίου.
Η τεκμηρίωση της μορφολογίας του αρχαιολογικού ξύλου πραγματοποιήθηκε με ηλεκτρονική μικροσκόπια σάρωσης (SEM). Οι βασικές φυσικές ιδιότητες του υλικού, όπως η πυκνότητα, η περιεχόμενη υγρασία και η ρίκνωση, προσδιορίστηκαν βαρυμετρικά, ενώ το πορώδες εκτιμήθηκε με ποροσιμετρία υδραργύρου (MIP). Για το χαρακτηρισμό του ημι-απανθρακωμένου και απανθρακωμένου υλικού, πραγματοποιήθηκε επιπλέον προσεγγιστική ανάλυση. Οι μηχανικές ιδιότητες αξιολογήθηκαν με δοκιμή σκληρότητας Janka και με πενετρόμετρο. Η οργανική και η ανόργανη χημική σύσταση του υλικού εξετάστηκε με φασματοσκοπία υπερύθρου μετασχηματισμού Fourier (FTIR) και με φασματοσκοπία ενεργειακής διασποράς (EDS) αντίστοιχα. Τέλος, αξιολογήθηκε η αλλοίωση της κυτταρίνης εξετάζοντας την κρυσταλλικότητα της με περίθλαση ακτίνων X (XRD).
Τα αποτελέσματα της μορφολογικής εξέτασης επιβεβαίωσαν την ύπαρξη τριών καταστάσεων καύσης, μεταξύ των οποίων παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφοροποιήσεις, παρότι όλες διατηρούσαν τη βασική ανατομία του ξύλου. Πιο συγκεκριμένα, το μη απανθρακωμένο ξύλο παρουσίαζε εκτεταμένη βιοπροσβολή, η οποία είναι τυπικό εύρημα στο ένυδρο αρχαιολογικό ξύλο. Αντίθετα, οι αλλαγές που παρατηρήθηκαν στο ημι-απανθρακωμένο και απανθρακωμένο ξύλο, οφείλονταν κυρίως στην έκθεση τους σε υψηλή θερμοκρασία. Επιπλέον, το ημι-απανθρακωμένο ξύλο παρουσίαζε μια ποικιλότητα στην μορφολογία του, λόγω του διαφορετικού βαθμού έκθεση του στο μέτωπο της φωτιάς˙ ενώ το απανθρακωμένο ξύλο παρουσίαζε ‘πλαστική παραμόρφωση’ η οποία υποδείκνυε την ταχεία πυρόλυση του υγρού ξύλου σε υψηλές θερμοκρασίες.
Οι φυσικές ιδιότητες υπέδειξαν ότι η έκθεση του ξύλου στην θερμότητα και η μετέπειτα ταφή του στο θαλάσσιο περιβάλλον είχαν σαν αποτέλεσμα την δημιουργία τριών διαφορετικών καταστάσεων ένυδρου ξύλου. Μεταξύ αυτών, το μη απανθρακωμένο παρουσίαζε την χαμηλότερη πυκνότητα, την υψηλότερη ρίκνωση και ιδιαίτερα αυξημένο πορώδες, κυρίως λόγω βιοπροσβολής. Αντίθετα, το ημι-απανθρακωμένο και το απανθρακωμένο ξύλο είχαν ελαφρώς αυξημένο πορώδες σε σχέση με υγιές ξύλο του ίδιου δασοπονικού είδους, ενώ παρουσίαζαν εξαιρετικά χαμηλή ρίκνωση, η οποία ήταν μικρότερη ακόμα και από την ρίκνωση του υγιούς.
Η σκληρότητα που καταγράφηκε και για τις τρεις καταστάσεις συγκριτικά με το υγιές ξύλο ήταν μειωμένη και αποδίδεται σε βιοπροσβολή ή/και σε θερμική υποβάθμιση του αρχαιολογικού υλικού. Τα αποτελέσματα της σκληρότητας του ημι-απανθρακωμένου ξύλου ήταν σε συμφωνία με την μικρομορφολογία του και υπέδειξαν την μετάβαση του εν λόγω υλικού από το μη απανθρακωμένο στο απανθρακωμένο.
Τα αποτελέσματα του χημικού χαρακτηρισμού συνδέονται άμεσα με την μορφολογία και τις φυσικές και μηχανικές ιδιότητες των τριών καταστάσεων καύσης. Το χημικό προφίλ του μη απανθρακωμένου ξύλου ήταν ανάλογο ενός βιοαλλοιωμένου ένυδρου αρχαιολογικού ξύλου, όπου οι πολυσακχαρίτες είναι μειωμένοι έναντι της λιγνίνης που παρουσιάζεται αυξημένη, ενώ ανόργανα συστατικά όπως το θείο και ο σίδηρος εμφανίζονται σε σχετικά υψηλές συγκεντρώσεις. Στο ημι-απανθρακωμένο ξύλο παρατηρήθηκε μείωση των πολυσακχαριτών, αύξηση της κρυσταλλικότητας της κυτταρίνης και περιορισμένες μεταβολές στην λιγνίνη, καθιστώντας το παρόμοιο χημικά με θερμικά τροποποιημένο ξύλο. Η οργανική σύσταση του απανθρακωμένου ξύλου προσομοίαζε χημικά κάρβουνο, καθώς καταγράφηκε εκτεταμένη υποβάθμιση πολυσακχαριτών και λιγνίνης εξαιτίας της πυρόλυσης. Η ανόργανη χημεία του ημι-απανθρακωμένου και απανθρακωμένου ξύλου έδειξε ότι η συγκέντρωση του θείου, του σιδήρου και του οξυγόνου μειωνόταν, αυξανόμενου του βαθμού καύσης, ενώ του άνθρακα αυξανόταν.
Με βάση τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης, έγινε σαφές ότι για την σταθεροποίηση του μη απανθρακωμένου ένυδρου ξύλου, απαιτείται εμποτισμός με χρήση στερεωτικών πριν την ξήρανση του, ενώ το ημι-απανθρακωμένο και απανθρακωμένο ξύλο φαίνεται ότι μπορούν να αφεθούν να στεγνώσουν στον αέρα χωρίς προστερέωση. Παρόλα αυτά, η μεγάλη πρόκληση που έχουν να αντιμετωπίσουν οι συντηρητές συνδέεται άμεσα με την συνύπαρξη των τριών καταστάσεων καύσης στα ίδια τμήματα ξύλου. Σε αυτές τις περιπτώσεις, το χαμηλό πορώδες του απανθρακωμένου ξύλου που καταλαμβάνει τα εξωτερικά στρώματα, αναμένεται ότι θα εμποδίσει την διείσδυση και κατ’ επέκταση την στερέωση του μη απανθρακωμένου πυρήνα.
Number of pages
124Faculty
Σχολή Ανθρωπιστικών Επιστημών και Πολιτισμικών ΣπουδώνAcademic Department
Τμήμα Ιστορίας, Αρχαιολογίας και Διαχείρισης Πολιτισμικών ΑγαθώνPost-graduate program
Cultural Heritage Materials and TechnologiesLanguage
English
Except where otherwise noted, this item's license is described as
Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα
Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα
Related items
Showing items related by title, author, creator and subject.
-
Η Συμβολή του Μιστριώτειου Πρώτου Γυμνασίου-Λυκείου Tρίπολης στη διαμόρφωση του κοινωνικού γίγνεσθαι του Ελληνικού Κράτους από την ίδρυσή του έως και τις απαρχές του 20ού αιώνα
Χριστόπουλος, Νικόλαος (Πανεπιστήμιο Πελοποννήσου, 2023-07-31)Η παρούσα διατριβή αξιοποιεί το αρχειακό υλικό του Πρώτου Γυμνασίου Τρίπολης το οποίο ιδρύθηκε το 1851. Μέσα από τις σελίδες των Πρακτικών των Συλλόγων Διδασκόντων, τα Μαθητολόγια και τα Βιβλία Γενικών και Ειδικών Ελέγχων ... -
Εκπαίδευση και κοινωνική ένταξη των ΛΟΑΤΚΙ+ / LGBTQI+ προσφύγων σε δομές μη τυπικής εκπαίδευσης: η περίπτωση της μαθητικής ομάδας ΛΟΑΤΚΙ+ / LGBTQI+ προσφύγων στο Κυριακάτικο Σχολείο Μεταναστών
Μπακούρος, Βασίλης (Πανεπιστήμιο Πελοποννήσου, 2019)Οι ΛOATKI+/LGBTQI+ πρόσφυγες ή/και μετανάστες συνιστούν εντός του μεταναστευτικού πληθυσμού μια κοινωνική ομάδα με ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που απορρέουν από τον διαφορετικό σεξουαλικό προσανατολισμό ή/και την ταυτότητα ... -
Η αναγκαιότητα εισαγωγής του διαφημιστικού γραμματισμού στην προσχολική εκπαίδευση ως μέσο άμυνας στις καταναλωτικές πιέσεις της παιδικής ηλικίας. Έρευνα απόψεων των γονέων μαθητών/τριών νηπιαγωγείου.
Παπαχρήστου, Ευαγγελή (Πανεπιστήμιο Πελοποννήσου, 2022-06)Ο προβληματισμός σε σχέση με τον τρόπο που η εκπαίδευση μπορεί να ανταπεξέλθει στον πολυδιάστατο κοινωνικό της ρόλο, αναπτύσσοντας κριτικά σκεπτόμενους πολίτες, που αντιλαμβάνονται την χειραγώγηση, αντιστέκονται σε ...