Физико-химические методы консервации каменных конструкций памятников архитектуры и истории от воздействия природных и тектонических факторов

Скальный В.С., Косыгин Е.В

Памятники архитектуры и истории необходимы любому человеку для удовлетворения своих духовных потребностей, как и окружающая его природа, где человек удовлетворяет свои биологические и материальные потребности. Культурная среда является составной частью природной среды, но формируется обществом и способствует нравственному развитию не только своего, но и будущих поколений. Поэтому сохранение природы и культурной среды есть непременное условие гармоничного развития человеческого общества и требует от него соответствующих материальных и трудовых затрат на сохранение памятников культуры, а проблема эффективного их использования всегда остается актуальной.

Главное противоречие в проблеме сохранения архитектурных памятников заключается в большей ценности исторической подлинности памятника с одной стороны, а с другой стороны - ветшающие конструкции и конструкционные материалы часто становятся угрозой существованию самого памятника. Основными причинами быстрого обветшания строительных конструкций и конструкционных материалов являются природные и тектонические факторы связанные с деформациями зданий и сооружений и в связи с этим усилением эрозионных процессов разрушения.

Деформации зданий и сооружений, возникают в подавляющем большинстве случаев в результате неравномерности развивающихся осадок (просадки и других перемещений) оснований и фундаментов, которые приводят к нарушению сплошности строительных конструкций и появлению в них полостей разрыва (трещин) способствующих активизации эрозионных процессов в конструкционных материалах, потере прочности и разрушению строительных конструкций.

С целью сохранения и возможного восстановления прочности строительных конструкций, а также повышению долговечности деформированных зданий и сооружений используется множество способов их ремонта и консервации.

В современных методах инженерного усиления или консервации деформационных конструкций основным принципом создания ремонтных и консервируемых смесей (растворов, шпаклевок и т.п.) является композиционный подход, т.е. метод лабораторного подбора композиций вяжущих материалов и наполнителей, обеспечивающих необходимые физико-механические свойства с последующим их иньектированием в трещины конструкций без физико-химической подготовки при консервационно-ремонтно-восстановительных работах.

При таком принципе ведения консервационно-ремонтно-восстановительных работ используется замена деструктированных материалов или заполнение полостей разрывов в конструкциях зданий без физико-химической обработки поверхностей конструкций, вступающих в контакт с консервационным материалом (растворы, шпаклевки и т.д.).

Поэтому традиционные способы ведения конструкционных работ недолговечны и часто способствуют развитию еще больших разрушений, ускоряя процесс физического износа конструкций, что по физико-химическим представлениям является вполне закономерным.

Научно доказано, что любое твердое тело обладает вполне определенной свободной поверхностной энергией, взаимодействуя с окружающей средой. В процессе взаимодействия поверхности твердого тела с окружающей средой величина свободной поверхностной энергии уменьшается во времени и в пространстве. Это объясняется тем, что свободная поверхностная энергия в определенной мере расходуется на притяжение и удержание на поверхности твердого тела материальных частиц контактного слоя окружающей среды в том числе: твердых, жидких, газообразных. Другая часть поверхностной энергии расходуется на химические реакции между конструкционными материалами и адсорбированными частицами окружающей среды, удерживаемых на его поверхности. Характер и интенсивность протекания этих реакций обуславливает активность эрозионных процессов конструкционных материалов.

Величина и радиус действия силового пол свободной поверхностной энергии твердого тела, в частности материала строительных конструкций, не является величиной постоянной, так как зависит не только от минералогического состава каменных материалов, но и от температуры. А интенсивность физико-химического воздействия поверхности твердого тела с окружающей средой зависит от химического сродства, то есть соответствия величин свободных энергий взаимодействующих материалов, в частности кристаллов твердого тела и адсорбированных частиц окружающей среды. Кроме того, в условиях трещинообразования интенсивность физико-химического взаимодействия поверхности твердого тела с окружающей средой усиливается взаимодействием силовых полей плоскостей разрыва трещин в строительных конструкциях. И чем меньше трещина, тем больше взаимное влияние силовых полей поверхностей образовавшихся трещин, и тем интенсивнее развиваются в них эрозионные процессы.

Физико-химические эрозионные процессы усиливаются с понижением температуры, так как при этом возрастает величина удельной поверхностной энергии. Из этого следует вывод, что в неотапливаемых холодных помещениях зданий эрозионные процессы на поверхности в трещинах каменных материалов развиваются интенсивней и особенно в условиях отрицательных температур. Таким образом, физико-химические процессы, развивающиеся на поверхностях деформационных разрывов в конструкциях зданий, способствуют деструкции поверхностного слоя каменных материалов и в конечном счете потере их прочности. Следовательно, способы консервации и усиления деструкцированного слоя или физико-химического его закрепления не могут дать эффективность и долговечность их усиления.

Как уже отмечалось, композиционный метод подбора состава консервантов не позволяет (прогнозированно) формировать прочность свойства связующих материалов и растворов. В свою очередь, теория физико-химических процессов рассматривает физическую сущность формирования прочностных структурных связей при консервации деформированных конструкций и программное формирование свойств восстанавливаемых строительных материалов и консервационных растворов.

С позиций физико-химических закономерностей формирование прочности любого строительного материала и конструкций определяется процессом образования структурных связей на контактных поверхностях твердой фазы связующих материалов. В то же время прочность структурных связей является основной характеристикой прочности консервационных материалов и зависит от удельной и суммарной поверхностной энергии минеральных частиц, входящих в их состав.

Как известно, величина удельной свободной поверхностной энергии зависит от свойств минерала (его плотности), а суммарная свободная энергия  конечном счете - от величины суммарной поверхности минеральных частиц, содержащихся в единице объема материала. То есть, чем дисперснее минерал одного состава при одинаковой величине удельной поверхностной энергии, тем больше его суммарная поверхностная энергия и количество структурных связей, и тем больше прочность приготовленного раствора из аналогичных материалов. Таким образом, прочность консервационных материалов при одинаковом композиционном составе можно регулировать за счет изменения дисперсности и минералогического состава применяемых композиционных минералов. Но для получения однородной прочности необходимы единственные условия структурообразования в силовом поле поверхностной энергии стенок трещин, что трудно добиться при заполнении полостей трещин с различной степенью их раскрытия.

В этом случае для увеличения прочности растворов необходимо вводить в его состав минеральные частицы с большей удельной поверхностной энергией, которые будут выполнять структурообразующую роль с повышенной прочностью кристаллизационных структурных связей в полостях с большим раскрытием трещин. То есть, при одинаковой дисперсности и количестве структурных связей появляется возможность повысить качество (прочность) структурных связей и общую прочность консервационного материала.

Анализ уже выполненных консерваций и реставраций деформированных конструкций при восстановлении архитектурных памятников традиционным способом показывает, что более долговечны те из них, где использованы технологические приемы и способы ведения работ. Не противоречат физико-химическим закономерностям.

Рассмотренные теоретические основы физико-химических представлений о формировании прочностных свойств конструкционных материалов позволили нам разработать новый способ укрепления каменных конструкций исторических памятников и получить государственный патент на изобретение этого способа.

Разработанные физико-химические технологии консервации каменных конструкций  в отличии от традиционной технологии содержит дополнительные приемы и операции, обеспечивающие необходимую прочность и долговечность восстанавливаемых конструкций. К ним относятся:

- очистка поверхностей деформационных разрывов (трещин), эрозионных каверн от дисперсных продуктов эрозии с помощью сжатого воздуха с давлением и скоростью воздушного потока, обеспечивающих очищение стенок трещин каменного материала от рыхлого поверхностного слоя и вынос отделившихся частиц;

- закрепление деструкцированного слоя очищенной поверхности каменных материалов и стенок имеющихся трещин производится внедрением в него наполненного и структурообразующего материала в виде аэрозолей, аэрозольной эмульсии с тонкодисперсными минеральными частицами наносимых на закрепляемую поверхность в струе сжатого воздуха с расчетным давлением, в зависимости от вида закрепляемого материала, площади закрепляемой поверхности, толщины деструкцированного слоя, его пористости, вида материала закрепителя и его физико-химической активности, а также от водопоглощающей способности, температуры и технологии последующей обработки поверхности для повышения ее адгезионной активности.

Аэрозоль сухого тонкодисперсного минерального порошка, как правило, используется для обработки каменных материалов с повышенной влажностью, а аэрозольные эмульсии - для обработки поверхности сухих материалов.

Закрепление деструкцированного слоя в необходимых случаях предшествует дезинфекции поверхности особенно белокаменных конструкций и каменных конструкций на известковых растворах, к которым относятся конструкции большинства зданий Древней Руси. Основанием данной рекомендации служат результаты наших исследований биотических и абиотических факторов разрушения структуры конструкционных материалов архитектурных памятников Древней Руси Владимирской области.

Биохимические и микробиологические факторы, эрозии подобно химическим, разрушают структуру конструкционных материалов, так как связаны с воздействием серной кислоты, выделяемой бактериями в процессе их жизнедеятельности.

Исследование биохимических и микробиологических факторов проводились на образцах строительных растворов, взятых из конструкций зданий соборов Рождества Богородицы в г. Суздале и Бориса и Глеба в с. Кидекше, самых древних архитектурных памятников Древней Руси во Владимиро-Суздальском княжестве отнесенных к мировым памятникам. Большая часть образцов была взята из несущих конструкций, в том числе фундаментов, стен и столбов.

Анализы образцов на наличие микроорганизмов показал принадлежность последних к сапрофитным плесневым грибам, способным приспосабливаться к специфическим условиям самых разнообразных сред обитания. Эти грибы продуцируют биологические активные вещества и интенсивно разрушают конструкционные строительные материалы белого камня и известковые растворы. Вместе с тем обнаружены неидентифицированные бактерии, способные  к анаэробному способу существования в без кислородной среде. Их наличие в старых конструкциях может стать одним из факторов быстрого процесса новых разрушений в местах проведения консервационно-реставрационных работ, обусловленного созданием благоприятных условий жизнедеятельности микроорганизмов в связи с инъецированием свежих строительных растворов.

Проведенными нами исследования показали, что идентифицированные грибы и бактерии продуцируют в среду обитания продукты обмена, изменяющие кислотные и щелочные свойства субстрата.

Описанные обстоятельства стали одним из оснований для разработки физико-химических технологий и консервационно-реставрационных работ.

Другим направлением использования физико-химических способов использования в реставрационном строительстве является создание искусственного каменного материала с монолитным восполнением частичных утрат объема каменными конструкциями архитектурных памятников.

Работы по консервации строительных частей зданий и их конструкционных материалов во внутренней конструкции, как правило, осуществляется инъекционными технологиями и относительно консервации поверхности являются более долговечными. Что касается консервации поверхностных слоев строительных конструкций, то она чаще сводится к оштукатуриванию поверхности фасадов, домазкам, переработке облицовочного слоя или защите окрасочным покрытием. Однако последний метод применим для сохранившейся, структурно ослабленной поверхности, и совершенно не приемлем для деструкцированной поверхности каменных конструкций.

Для деструкцированной поверхности каменных фасадов в зависимости от глубины структурного разрушения стен современная практика использует три основных технологии, в том числе: 1) переработка облицовочного слоя каменных стен с заменой разрушенных элементов; 2) полная замена облицовочного слоя о предварительной его разработкой; 3) оштукатуривание с последующей с последующей его окраской. Характерным недостатком всех этих способов является: большая стоимость и трудоемкость консервационных и восстановительных работ; сложность и продолжительность технологических процессов; низкая эрозионная стойкость структурных связей защитных консервирующих материалов с конструкционными материалами защищаемых стен фасадов.

Нами была предложена новая технология консервации деструкцированной поверхности каменных стен фасадов архитектурных памятников. Сущность предложенного метода заключается в расчистке разрушенных эрозией слоев каменной кладки фасада и монолитной облицовке новым высокопрочным искусственным каменным материалом с предварительным монтажом сложных элементов декора изготовленных из того же материала. Причем монолитная облицовка старых стеновых конструкций фасада, очищенных от деструкцированных слоев осуществляется с анкерным армированием, которое обеспечивает конструктивную прочность сцепления старого и нового материалов.

Для увеличения долговечности вновь сформированной поверхности фасада предусмотрена бесцветная паропроницаемая пропитка поверхностного слоя окрасочным гидрофобизирующим раствором.

Предложенный способ консервации был применен при реставрации фасада архитектурного памятника XIX века - каменного здания коммерческого банка (ныне Центробанка) в историческом ядре города Орла. Технико-экономические расчеты показали, что новая технология позволяет почти вдвое сократить сроки реставрационных работ и в 1,5 раза снизить их стоимость по сравнению с традиционными технологиями. Крайне неблагоприятные для объекта метеорологические условия первого зимнего периода стали серьезной проверкой эффективности нового метода, которая прошла успешно. Новый способ может эффективно использоваться не только для архитектурных памятников, но и для любых других обветшалых строений.

При использовании материалов сайта ссылка на источник обязательна.

© НПФ «Тектоника», 1991-2020.