CC BY
28
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
УДК 624.138.24
Т. Т. АБРАМОВА, канд. геол.-минер. наук,
К.Э. ВАЛИЕВА,
МГУ, Москва
УПРОЧНЕНИЕ КАМЕННОЙ КЛАДКИ АРХИТЕКТУРНО-ИСТОРИЧЕСКОГО ПАМЯТНИКА ХУ-ХУН ВВ.
Целью исследований явилось изучение влияния высолов, образующихся на поверхности известняков, слагающих стены исторического музея. Показано, что состав высо-лов зависит от свойств поровых растворов и их взаимодействия с вмещающей породой кладки исторического памятника («Палаты ХУ-ХУП вв. в Зарядье»). Использование новой разработки позволило значительно снизить количество высолов, укрепить и восстановить целостность каменной кладки.
Во многих странах исторические памятники, противостоящие воздействию времени и окружающей среды на протяжении столетий, сейчас подвергаются ускоренному разрушению, что в ряде случаев наносит им непоправимый ущерб. Это явление не ограничивается определенными географическими районами, и поэтому меры защиты приобретают всемирное значение. Наиболее эффективны те, которые предпринимаются заблаговременно, препятствуя таким образом началу разрушительных процессов. Однако в большинстве случаев приходится делать основной упор на остановку процессов, развивающихся на памятниках в связи с изменением геологических, гидрогеологических и других условий.
Наиболее сложной проблемой при сохранении исторических памятников является борьба с солевой коррозией, которая может привести как к частичному, так и полному их разрушению. Эта проблема освещена многими учеными (Е.М. Пашкин, А. А. Ануфриев, В.М. Кувшинников, В.В. Пономарев, О.В. Телин, Л.В. Бахирева, Е.Л. Киселева, В.Н. Коломенская, Г.Л. Кофф, Э.Л. Лихачева, Е.Е. Яранцева, К.Р. Массарш, Р.К. Вейл, К. Оливер и др.), хотя до конца является не изученной [3, 4, 5, 8, 9].
К каждому объекту необходимо подходить индивидуально, рассматривая его в единой системе «памятник - геологическая среда», учитывая минеральный состав и структуру камня, характер имеющихся разрушений. Одним из таких объектов является уникальный архитектурный памятник Отечества,
© Т.Т. Абрамова, К.Э. Валиева, 2008
редкий образец гражданского зодчества средневековой Руси, единственное строение, сохранившееся от усадьбы бояр Романовых. Сейчас в этом здании находится музей «Палаты ХУ-ХУ11 вв. в Зарядье», который является филиалом Государственного исторического музея. В 2006 г. музей отметил своё 150-летие. В настоящее время состояние памятника постоянно ухудшается под всё возрастающим влиянием техногенных и природных процессов. На стенах сооружения образуются высолы в виде белых кристаллов, что приводит к разрушению строительного камня. Подверженность конструкций физическому разрушению и коррозии зависит от свойств материалов кладки (кирпич или белый камень, песчаник, гранит и др.), вяжущего (песчаноизвестковый, романцементный или портландцементный) и химического состава вод, формирующих высолы. При этом единого подхода к выбору «рецепта» спасения памятников не существует.
Для сохранения данного памятника в рабочем состоянии необходимо учитывать, что техногенная нагрузка в ближайшее время в Москве не снизится, а, возможно, и возрастёт. В связи с этим необходимо решить очень сложную проблему по борьбе с высолами при соблюдении всех требований, записанных в «Хартии Венеции», сохранив естественную структуру, состав, цветовую гамму строительного камня и цементной кладки. Такой вид работ требует привлечения научных школ из различных областей знаний: реставрации, строительства, геологии, технической мелиорации. В связи с тем, что в проблемной лаборатории геологического факультета МГУ на протяжении ряда лет ведутся работы по изучению влияния техногенных поровых растворов на искусственно преобразованные грунты, администрация Государственного исторического музея обратилась за помощью в поиске и применении новых современных растворов и материалов по упрочнению каменной кладки данного памятника.
Рельеф места, где расположен памятник, отличается резким перепадом высот и составляет 7,5 м. За пять веков памятник так погрузился в склон, что подклет и большая часть первого этажа по улице Варварка оказались скрыты землей (рис. 1). Расположение памятника на поверхности второй надпойменной террасы р. Москвы приводит к регулярным подтоплениям вследствие плохой работы дренажной системы. Кроме этого, можно выделить еще несколько причин, приводящих к подтоплению данного сооружения. Берега реки забетонированы, поэтому разгрузка грунтовых вод затруднена. Маленькие реки Москвы, такие как Неглинка и другие, закрыты в трубы, что осложняет естественную разгрузку природных вод. Эти причины привели к подъему грунтовых вод и постоянному взаимодействию пород фундамента памятника с фильтрующимися поровыми водами [1].
В связи с активной деятельностью промышленного города, а также большого количества автомобилей увеличивается загазованность атмосферы. Это способствует выпадению кислотных дождей. Осадки, фильтруясь через блоки известняка, повышают агрессивность поровых вод и способствуют процессам растворения и окисления карбонатной породы. Кроме этого, при снеготаянии и различных технических проливах в грунтовые воды попадают такие химические реагенты, как хлорид натрия и нитратный азот.
Рис. 1. Общий вид памятника
Таким образом, из-за различных причин: повышения уровня грунтовых вод, капиллярных процессов, благодаря которым протекает постоянный подсос в основание фундамента памятника, миграции растворов вследствие различных потенциалов влаги - происходит постоянный контакт известняков с фильтрующимися поровыми водами. При рассмотрении путей миграции и источников формирования химического состава поровых растворов в отличие от природных условий следует отметить ту особенность, что вмещающей средой являются как каменная кладка, так и породы, и грунты основания памятника.
Полученные результаты литолого-петрографических исследований «белого» камня данного исторического сооружения позволяют отнести изученные известняки к мячковскому горизонту. Это органогенно-обломочные известняки (карбонатный пелитоморфный цемент). Обломочная часть известняков представлена как зернами кальцита, так и фауной от микрораковин до раковин крупного размера. Раковинный детрит состоит из фрагментов фораминифер, криноидей, брахиопод, остракод, мшанок, кораллов, трубочек, червей. Пористость пород представлена ультрапористостью и порами-микрокарстовками, размером от 0,04 до 0,5 мм в поперечнике. Во многих образцах наблюдается ожелезнение, которое приурочено к кавернам, порам и трещинам (рис. 2).
а б
Рис. 2. Органогенно-обломочный известняк, обилие мелких трещин (20х0,2, скрещенные николи) (а); органогенно-обломочный известняк, ультратонкие зерна кальцита в трещине (20х0,2, скрещенные николи) (б)
Исследование образцов с помощью электронного микроскопа ЬББ-1450-УР с приставкой 1К0Л-300 показало, что пелитоморфные известняки сложены в основном зернами кальцита различной дисперсности. Мелкие зерна сцементированы в агрегаты. Поверхность зерен не разъедена (рис. 3, а). Однако в некоторых образцах растворение поверхности кальцита произошло настолько сильно, что структура стала напоминать ячеисто-сотовую (рис. 3, б). В других случаях на растворенной поверхности кальцита-1 нарастают нитевидные кристаллы кальцита-2, в сильной степени изогнутые и скрученные, которые создают «мостики-маты» между зернами (рис. 3, в). Нитевидные кристаллы - своеобразная и относительно редкая форма. Размер зерен кальцита от 1-2 до 20 микрон. Длина нитей до 20-60 микрон [7].
а (Мав = 4.00КХ; БИТ = 30.00кУ)
б (Мав = 10.00КХ; БИТ = 30.00кУ) в (Мав = 30.00КХ; БИТ = 30.00кУ)
Рис. 3. Кальцит в образцах известняка, снимки в отраженных электронах:
а - зерна кальцита; б - разъеденные зерна кальцита; в - скрученные нити кальцита
Изучение процессов выветривания известняков осуществлялось в лабораторных условиях на образцах, отобранных из различных мест памятника.
Все изученные образцы были разделены на 3 группы. К I и II отнесены структурно-устойчивые. II группа образцов отличается от первой тем, что, сохраняя свою незначительную прочность, они начинают отслаиваться от каменной кладки. В III группу включены образцы, полностью разрушенные до дисперсного состояния, напоминающего муку (табл. 1).
Таблица 1
Химический и минеральный состав изученных образцов
Тип обр. р. Химический состав, % Минер. состав, %
Солянокислая вытяжка
М.н.о. П.п.п. СаО МяО МпО БеО ЯОэ- Кальцит
Структурно-устойчивые I 1 0,62 43,50 54,25 0,38 0,02 нет 0,02 99,0
2 3,05 42,63 52,22 0,88 0,02 0,07 нет 98,5
3 4,93 41,86 51,03 0,81 0,02 0,16 0,09 98,0
4 3,64 40,72 48,48 1,77 0,02 0,05 0,03 97,0
II 7 2,87 43,26 52,91 нет 0,02 0,07 0,02 89,0
9 3,53 42,75 51,87 1,01 0,02 0,03 нет 80,2
12 2,86 43,42 51,10 0,13 0,02 0,05 0,18 75,5
Структ.- неустойч. III 14 1,70 42,82 42,41 9,20 0,03 0,08 1,12 42,5
15 3,67 41,58 45,32 1,89 0,03 0,05 1,54 45,0
16 15,70 37,76 41,13 1,64 0,03 0,05 0,37 40,0
Примечание. М.н.о. - минерально-нерастворимый остаток; П.п.п - потеря при прокаливании.
Из приведенных данных химического состава изученных образцов видно, что содержание СаО и кальцита снижается у образцов, полностью потерявших структурную устойчивость. Для них характерно высокое содержание 8О3_ (до 1,54 %) и сухого остатка (до 6,7 %), что говорит об их засоленности (табл. 1, рис. 4).
Изменение физико-механических свойств пород подчиняется известным закономерностям. За счет выщелачивания кальцита и солеобразования пористость выветрелых образцов возрастает с 15 до 49 %, что ведет соответственно к уменьшению плотности с 2,29 до 1,32 г/см3 (табл. 2). Изучение состава и свойств образцов показало, что порода обладает большой влагоемкостью и малой сопротивляемостью к агрессивным и минерализованным водам, благодаря этому блоки известняка, слагающие стены белокаменного подвала и лестничные проемы, все время находятся во влажном состоянии.
Кальцит, %
Рис. 4. Зависимость количества сухого остатка от содержания кальцита в образцах
Таблица 2
Физические и водно-физические свойства изученных образцов
Тип образцов № обр. о, МПа К, % Р5, г/см3 Ра г/см3 п, % е, дол. ед. ^пог, %
1 сут 15 сут
Структурно-устойчивые I 1 о, іл" ЛІ 0,07 2,69 2,29 15 0,17 5,2 8,2
2 0,20 2,70 2,19 19 0,23 5,7 8,8
3 0,04 2,72 2,16 21 0,26 5,9 8,2
5 0,11 2,69 2,25 16 0,20 11,7 14,5
6 0,19 2,70 2,22 18 0,22 5,0 7,5
II 7 0,05-0,1 0,12 2,68 1,84 31 0,46 - -
8 0,31 2,67 1,75 34 0,53 - -
9 0,16 2,69 1,83 32 0,47 - -
11 0,35 2,68 1,73 35 0,55 - -
Структурно- неустойчивые III 13 О 1,31 2,62 1,43 45 0,83 - -
10 1,87 2,73 1,54 44 0,77 - -
17 1,97 2,59 1,32 49 0,96 - -
18 1,52 2,61 1,35 48 0,93 - -
19 1,43 2,58 1,35 48 0,91 - -
На стенах белокаменного подвала, самой древней части памятника (XV в.), где экспонируются исторические ценности (рис. 5), происходит регулярное выделение новообразований в виде белых кристаллов солей, что не
только нарушает его экспозиционный вид, но и приводит как к частичному, так и к полному выщелачиванию строительного камня и древнего вещества, цементирующего его кладку (рис. 6). Избыточное содержание влаги в порах породы, которая насыщена агрессивными компонентами, такими как 804-, N03 , СГ, усиливает процессы его растворения и выщелачивания.
Рис. 5. Общий вид белокаменного подвала (XV в.)
Рис. 6. Выщелоченные участки каменной кладки южной стены белокаменного подвала
В составе новообразований выделено 15 минералов, подразделяющихся на 4 группы: карбонаты, сульфаты, хлориды и нитраты (6 из них - кристаллогидраты) (табл. 3). Преобладающими являются такие минералы, как галит, гипс, селитра. Кристаллизация солей внутри породы является вначале скрытым процессом и обнаруживается только с появлением новообразований на поверхности известняка и цементной кладки (рис. 7). Гидратация солей приводит к увеличению их объема и может соответствовать давлениям до 10 МПа (рис. 8). Под действием давления растущих кристаллов порода разрушается.
Таблица 3
Минералы, кристаллизующиеся на поверхности и внутри каменной кладки белокаменного подвала
Группа Минералы
№ Название Безводные Водные
1 Карбонаты Кальцит - СаС03 Магнезит - MgC03 Сидерит - БеС03 Анкерит -Са(М&Ре)(С0з)2 Термонатрит - №2С03 • Н20 Трона - №2С0з • NaHC0з • 2Н2О Гейлюссит - №2Са(С03)2 • 5Н20 Сода (натрон) - №С03 • 10Н20
2 Сульфаты Тенардит - №2804 Ангидрит - Са804 Гипс - Са804 • 2Н20 Галотрихит - БеЛ12(804)4 • 22Н20
3 Нитраты Калиевая и натриевая селитры - К(№^03
4 Хлориды Галит - №С1 Карналлит - KMgC13 • 6Н20
Проведенные исследования показали, что лучшим способом по приостановлению роста новообразований и разрушению каменной кладки может явиться гидроизоляция грунтов основания данного памятника. Однако на данном этапе это сделать невозможно по финансовым соображениям.
Уровень чистоты камня оказывает большое влияние на глубину проникновения химических растворов и прохождение физико-химических реакций между раствором и камнем. Перед осуществлением мероприятий по консервации выветрелого органогенного известняка в данном музее были произведены следующие виды чисток: сухая - механическая и водная - с использованием горячей дистиллированной воды (^ = 70-90 °С) и глинистой суспензии.
Рис. 7. Новообразования на поверхности каменной кладки
Mag = 10.00 KX I Probe = 100 pA Signal A = SE1 Dal
EHT = 30.00 kV WD = 8 mm File Name = b-01 .tif Tin
Рис. 8. Гидратация солей в древнем известковом растворе (XV в.)
С древнейших времен использовались различные виды обработки камня в попытке продлить его жизнь. Так, еще в Древнем Риме практиковалась пропитка камня воском. Решение проблемы, связанной с консервацией и упрочнением выщелоченной каменной кладки данного памятника, осуществлялось при сравнительных характеристиках с применением наиболее известных и современных методик.
В настоящее время в мировой практике для сохранения камня существуют два основных метода. Первый включает изменение химического состава камня, а второй - химическую пропитку с целью упрочнения и гидрофобизации.
Первый метод основывается на осаждении ВаСОз из растворов ВаСЬ и Ва(ОН)2, вводимых в пространство пор камня. Основным принципом этого метода является образование карбоната бария, обладающего меньшей растворимостью, чем карбонат кальция, и лучшей устойчивостью к сульфатному воздействию [3]. Результаты наших исследований на северной стене белокаменного подвала показали, что после использования перечисленных растворов на поверхности известняковой кладки образуется множество труднорастворимых солей карбоната бария, которые резко ухудшают экспозиционный вид белого камня памятника. В связи с этим этот метод больше не применялся на данном памятнике.
В качестве укрепляющих и восстанавливающих средств для камня памятников архитектуры в отечественной и зарубежной практике используется широкий спектр кремнийорганических соединений. Это полиорганосиликона-ты щелочных металлов (ГКЖ-10, ГКЖ-11), полиорганосилазаны, полиоргано-гидросилоксановые жидкости (ГКЖ-94, ГКЖ-94М), силиконовые эфиры, по-лиорганосилоксаны и др. [6].
Специфика задач по консервации каменной кладки архитектурноисторического объекта определяет необходимость соблюдения при её хими-
ческом закреплении, кроме традиционных, дополнительных условий: возможности равномерной и глубокой пропитки камня; высокой адгезионной способности химического раствора к карбонатной породе; улучшения свойств каменного материала без изменения цвета и текстуры; длительной сохранности упрочненного известняка в условиях попеременных высушивания-замачивания (ПВЗ) и замораживания-оттаивания (ПЗО). Недоучет вышеперечисленных требований к консервации архитектурных памятников может привести к негативным последствиям.
Второй метод, который использовался на каменной кладке белокаменного подвала данного памятника, включает пропитку известняка гидрофоби-зирующим веществом метилсиликонатом калия (рекомендация научнопроизводственной компании СОФЭКС) и органосиликатным раствором РОС (разработка проблемной лаборатории геологического факультета МГУ).
Кремнийорганическое соединение «СОФЭКСИЛ-40» имеет ряд преимуществ по сравнению с другими покрытиями, так как не только не изменяет внешний вид материала, но и придает ему хорошую морозо-коррозионную стойкость, снижает капиллярный подсос, предотвращает появление высолов. Его выбор был обусловлен тем, что он в отличие от других кремнийорганиче-ских материалов увеличивает устойчивость к солевым образованиям каменной кладки, особенно в растворах №2804.
Органосиликатный раствор РОС, разработанный для закрепления различных типов грунтов, отвечает следующим требованиям: а) высокой проникающей способности; б) стабильности при отсутствии заметных изменений физического состояния раствора и прочности геля под влиянием разбавления, воздействия карбонатов, гипса, других солей и органических веществ; в) наличию в растворе внутреннего ресурса в виде активного реагента для полимеризации остаточной кремниевой кислоты. В результате исследований определено, что структурно-неустойчивые породы, закрепленные раствором РОС, обладают способностью длительно сохранять приобретенные свойства при воздействии техногенно-агрессивных сред с высокой кислотностью (рН до 0,1) и минерализацией (до 20 г/л) [2].
Лучшие результаты по консервации выветрелых известняков данного сооружения показал РОС. После использования растворов «СОФЭКСИЛ-40» и «СОФЭКСИЛ-Защита М» на поверхности известняка через некоторое время выделились площадные труднорастворимые новообразования, которые ухудшили его внешний вид.
Образцы выветрелой известняковой породы, упрочненной раствором РОС, исследовались в лабораторных условиях в течение 5 лет. Определено, что при длительном насыщении их дистиллированной, минерализованной (N2804, М = 2,5-20 г/л) и сернокислой (Н2804, 0,01 н, рН = 1,80) водами, образцы сохраняют приобретенные прочностные свойства и выдерживают 25 циклов попеременных высушивания-замачивания и замораживания-оттаивания.
Восстановление физической целостности выветрелых известняков памятника осуществлялось с помощью композиционного материала, состоящего из известково-доломитовой муки, подобранной по цветовой гамме естествен-
ного камня и РОС с учетом всех требований, записанных в «Хартии архитектурного наследия».
Упрочнению и восстановлению подверглась западная стена белокаменного подвала у лестничного проема. Она была в самом плохом состоянии, так как в верхней части отсутствовали фрагменты камня и кирпича (рис. 9). За искусственно преобразованным участком каменной кладки памятника в течение четырех лет осуществлялся авторский надзор. Каких-либо видимых изменений в упрочненном камне не наблюдалось.
Рис. 9. Общий вид закрепленной каменной кладки у лестничного проема западной стены белокаменного подвала
Таким образом, проведенные исследования показали, что данный исторический памятник подвергся воздействию как природных, так и техногенных процессов, которые способствовали частичному разрушению каменной кладки. Изменение водного баланса - один из основных факторов. Следствием этого явилось усиление агрессивного воздействия воды, содержащей ионы 804—, N03-, С1- и растворимых солей (галита, гипса, натриевой и калиевой селитры и др.) на карбонатную породу. Вред, причиняемый строительному камню, вызван как растворением и выщелачиванием известняков, так и растворением солей и их кристаллизацией и гидратацией. Использование растворов РОС в белокаменном подвале (XV в.) позволило значительно снизить количество высолов, приостановить процесс разрушения известняков и восстановить утраченную целостность каменной кладки. Для снижения и устранения указанных процессов необходимо проведение:
- специальных мероприятий, направленных на создание гидроизоляционной и антикоррозионной защиты заглубленных частей данного памятника;
- работ по организации водоотводов, регулирующих поверхностный
сток;
- систематических наблюдений за техническим состоянием коммуникаций;
- консервации, упрочнения каменной кладки памятника и восстановления её физической целостности.
Библиографический список
1. Абрамова, Т.Т. Химическое выветривание известняков памятника XV-XVII вв. / Т.Т. Абрамова // Сергеевские чтения. Инженерно-экологические изыскания в строительстве: теоретические основы, методика, методы и практика : сб. материалов годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии). - Вып. 8. - М., 2006. - С. 90-94.
2. Абрамова, Т.Т. Определение устойчивости силикатизированных грунтов в агрессивных средах / Т.Т. Абрамова, К.Э. Валиева // Реконструкция исторических городов и гидротехническое строительство : сб. Международной конференции по геотехнике, посвященной 300-л. Санкт-Петербурга. Т. 2. Секция 3. Геоэкология. - СПб., 2003. -С. 395-398.
3. Геоэкологические основы охраны архитектурно-археологических памятников
и рекреационных объектов / Л.В. Бахирева, Е.А. Киселева, В.Н. Коломенская [и др.]. -М. : Наука, 1991. - 157 с.
4. Оллиер, К.К. Выветривание / К.К. Оллиер. - М. : МИР, 1987. - 237 с.
5. Условия формирования высолов на памятниках архитектуры г. Москвы / Е.М. Пашкин, А.А. Ануфриев, В.М. Кувшинников [и др.] // Геоэкология. - № 5. - 1998. - С. 70-80.
6. Рекомендации по применению новых типов защитно-конструктивных полимерраство-ров для реставрации и консервации памятников и исторических зданий из камня и бетона. - Ч. II. - М., 1987. - 106 с.
7. О минеральных образованиях русской платформы, порожденных четвертичным оледенением / Э.М. Спиридонов, Д.Я. Янакиева, Т.Т. Абрамова [и др.] // Минералогические исследования и минерально-сырьевые ресурсы России : сб. материалов годичного собрания РМО. - М., 2007. - С. 131-134.
8. Massarsch, K.R. Salrage of Pharaonic Monuments in Egupt / K.R. Massarsch // Reconstruction of Historical cities and geotechnical engineering. -Vol. 1. - Saint Peterburg, 2003. -P. 47-54.
9. Vell, R.K. The solution kinetics of calcite / R.K. Vell. - T. Geol. - 1968. - 166 p.
T.T. ABRAMOVA, K.E. VALIEVA
THE MASONRY STRENGTHENING OF THE ARCHITECTURAL AND HISTORICAL MONUMENT OF 15TH-17TH CENTURES
The purpose of this research was to study the influence of the salt spots appearing on the surface of limestone walls of a historical museum. There has been made an analysis if the changes occur in the chemical composition and in the physical-mechanical properties of limestone composing the walls of the historical monument (“Palaty in Zaryadje”, 15th - 17th c.). A new technology which makes possible to decrease the salt formations on the limestone and to strengthen and restore the primary appearance of the monument masonry has been worked out.
