Федеральный государственный образовательный стандарт

Для проведения лабораторных физико-химических исследований осуществляется отбор микропроб камня с неповрежденных участков, различных по функциональному назначению белокаменных элементов, применяемых в здании-памятнике с учетом класса качества камня I, II, III, IV и продуктов коррозии камня. В каждом случае отбирается не менее трех параллельных проб.

С помощью минимикроскопа SPIRIG-30 определяется состояние поверхности исследуемого объекта. На участках с повреждениями, идентифицируются зоны с однотипными и разнотипными повреждениями. Для исследования природы загрязнителей в материале памятника и оценки причин повреждений, связанных с расположением памятника и влияния на него агрессивной среды для экспериментального лабораторного исследования отбираются образцы белого камня с наиболее корродированных поверхностных слоев объекта. На участках с видимой неоднородностью проявления повреждений количество отбираемых микропроб увеличивали до 10 шт. Наибольшее количество отбираемых проб всегда приходит на зоны максимального риска повреждений памятника – карнизы, цоколь, колонны.

Важным этапом электронно-микроскопического исследования является расшифровка изображения. Для уверенной расшифровки электронно-микроскопического изображения необходимо:

- провести эталонизацию исследуемых объектов, т.е. получить электронные микрофотографии их простых составляющих;

- провести электронный микроанализ и определить химический состав вещества в микрообъеме (электронный микроанализатор работает в комплексе с микроскопом);

- для каждого объекта, на ряду с электронно-микроскопическими данными, использовать результаты других независимых методов исследования.

Одним из таких методов исследования является рентгенографический анализ (назначение см. табл.4).

Результаты испытаний заносятся в рабочие таблицы журнала испытаний. Постоянный уровень зеркала воды, обеспечивающий неизменную глубину погружения образцов на 1 см, поддерживается при помощи специальной бюретки.

Испытания проходят при t=201⁰C и =602%.

Тот факт, что уровень постепенного поднятия воды на многих из образцов не бывает строго горизонтальным, говорит о неоднородности состава материала (белого камня).

Испытания проводятся до полного водонасыщения всех образцов.

Образцы природного камня перед испытанием предварительно высушивают при температуре плюс 105-110^оС до постоянной массы. Массу образца считают постоянной, если разница двух последовательных взвешиваний после высушиваний не превышает 0,2%.

_ср =m/V, [кг/м³], где

m - масса образца, кг.

V – объем образца

m₁ - масса насыщенного водой образца, кг;

m - масса образца, высушенного до постоянной массы, кг.
Образцы укладывают в сосуд с водой температурой плюс 15-20^оС в один ряд на решетку так, чтобы уровень воды соответствовал 2мм образца, ¼ образца, ½ образца, ¾ образца, целиком выше верха образца на 2 см. (рис. 9).



Рис. 9. Схема испытания образцов на капиллярное водопоглощение

Образцы выдерживают в воде в течение 30 минут, 1час, 1час 30минут, 2 часов, 2 часов 30 минут, 3 часов извлекаются из емкости с водой, обтирают влажной тканью и немедленной взвешивают и определяют их водопоглощение. Массу воды, вытекшей из образца на чашку весов, включают в массу насыщенного водой образца. Эта операция производится до полного насыщения раствором испытываемых образцов. Далее образцы высушивают при комнатной температуре и также взвешивают через 1час, 6 часов, 12 часов, 24 часа, 2 суток, 3 суток до полного высушивания.

Адсорбционно-структурный метод представляет собой комплекс способов изучения пористой структуры сорбентов (к числу которых можно отнести белый камень) и природы поверхности материала.

Преимущества метода заключаются в многообразии получаемых структурных характеристик адсорбента (объем сорбирующих пор, удельная поверхность, степень неоднородности поверхности, распределение объема пор по размерам и т.д.)

Исследуя влияние техногенных и эксплуатационных факторов на свойства материала, необходимо количественно оценивать качественные изменения микропористости, вводя для этого соответствующие показатели. Путем сопоставления получаемых показателей можно установить однородность микропористой структуры материала, а также кинетику разрушения материала при различных внешних воздействиях.

Применив метод адсорбции из растворов, можно посредством выбора адсорбтива с определенной величиной молекул ограничить нижний диапазон измеряемой пористости зоной «опасных» пор, исключив ультрамикропористость, и таким образом значительно увеличить точность измерений в интересующей нас области.

Для определения однородности микропористости материала (белого камня) с выводом коэффициента однородности К_одн-к. применялся метод адсорбции красителей.

Данный метод определения величины адсорбции красителя на материале (белом камне) сводится к следующему:

Гранулы размером 3-10 мм отмываются ацетоном от пылевых частиц и высушиваются до постоянного веса при температуре не выше +70⁰С. Навеска материала 1г помещается в 20 мл рабочего раствора красителя (известной оптической плотности) и выдерживают в растворе в течение времени, необходимого для установления адсорбционного равновесия; затем производят отбор прозрачного раствора в кювету фотоэлектроколориметра типа ФЭК при светофильтре №3 и замеряют оптическую плотность равновесного раствора.

Величину адсорбции а_р, которая служит критерием оценки качества микропористой структуры материала и которая условно именуется «степенью деструкции» (Сд), определяют по формуле:
Сд = ,
где D_o – оптическая плотность исходного (рабочего) раствора красителя;

D_р – оптическая плотность равновесного раствора (после пребывания в нем до установления адсорбционного равновесия пробы исследуемого образца материала).

Относительная ошибка измерений, характеризующая точность метода при расчетах по приведенной формуле, составляет в среднем 2,5%.

Рабочий раствор должен быть инертным по отношению к испытуемым материалам и химически не взаимодействовать с ними. Для белого камня используется гексановый раствор.

Механизм повреждения белого камня в условиях городской среды, определяющий гипердинамический режим прохождения камня через цикл «выветривание – осаждение – выветривании» сводится к двум вариантам K-I и K-II, представленный на рис. 10.

Для памятников, расположенных на территориях типа II (с нарушенным экологическим равновесием) изменился механизм коррозионного повреждения камня. Обычно механизм повреждения белого камня (вариант К-I) сводится к поверхностным повреждениям и сопровождается образованию корки и, как правило, скорость ее образования не более 1мм/100лет. Нарушение экологического равновесия привело к смещению граничных условий карбонатного равновесия (рН 5,6-8,3) в сторону уменьшения рН. При таком условии механизм системы самозащиты камня отсутствует (вариант К-II), образование корни не наступает и происходит быстрое неравновесное растворение кальцита и наблюдается интенсивное рассыпание материала. Процесс коррозии распространяется в объем камня, и скорость повреждения при этом составляет в среднем от 1 до 10 мм/1год.

На основании данных химического анализа проб камня с неповрежденных участков объектов исследования строится график для определения ресурса долговечности (Р_д-к) белого камня по процентному содержанию СаСО₃ в камне I, II, III, IV класса качества (рис. 11). Этот показатель используется для оценки ресурса долговечности (Р_д-к) камня, как показатель «нормы» с учетом поправки на наличие в камне метастабильных фаз и загрязнителей из окружающей среды.



Рис. 11. График определения ресурса долговечности (Р_дк)

По данным химического анализа микропроб, отбираемых с поврежденных участков объектов исследования, составляется номограмма интенсивности процесса выветривания карбоната при переходе его в: гидрокарбонат, нитрат, сульфат, хлорид (рис. 12).

Интенсивность коррозии камня зависит от различных вариантов загрязнения камня и может определяться серией кривых показанных на рис. 5, которые представляют собой граничные условии перехода кальцита в соответствующее соединение под действием загрязнителей. Последовательность кристаллизации солей в камне будет определяться, в основном, их растворимостью. 8,9% содержания сульфатов в присутствии хлоридов достаточно для полного разрушения камня в зоне повреждения.

Данные структурных особенностей камня, график и номограмма определения ресурс долговечности камня (Р_д-к) используются при выборе системы реставрационных мероприятий и вариантов по «уходу» за памятниками, эксплуатируемыми на территориях с нарушенным экологическим равновесием.

Деструкция происходит по законам экологии с активным вовлечением в эти процессы микробиотических структур экосистем и строительного материала памятника в биогенные и химические круговороты веществ, характерные для окружающей природной среды.

Таким образом, все природно-техногенные факторы по степени и силе негативного влияния на памятник, можно представить следующими убывающим рядом: увлажнение – загрязнение - биохимическая коррозия - солевая коррозия (сульфатная, хлоридная), усиленная физико-химическими процессами («высыхание - увлажнение», «замораживание - оттаивание») - углекислотная коррозия.

Глава 6. Методика мониторинг состояния белого камня памятников на территории с нарушенным экологическим равновесием

Правительство Москвы законодательно закрепило понятие «мониторинг», включив в Закон № 26 от 14 июля 2000г. города Москвы «Об охране и использовании недвижимых памятников истории и культуры» статью 40 «Мониторинг технического состояния памятников истории и культуры», который гласит: «Государственный орган охраны памятников не реже одного раза в пять лет обязан проводить обследование технического состояния недвижимых памятников истории и культуры, расположенных на территории Москвы, в том числе фасадов зданий-памятников, с целью разработки текущих и перспективных программ реставрационных работ, обновления данных государственного учета недвижимых памятников истории и культуры и ведения мониторинга».

Для того, чтобы разовое обследование могло считаться составной частью мониторинга, необходимо проводить его по определенной методике, основанной на единых критериях оценки, обработанных по заранее разработанной форме, проводящейся квалифицированными специалистами, при наличии, инструментальной базы и результаты которого заносились в доступную единую информационную систему.

Таким образом, понятию «Мониторинг» в сфере сохранения и охраны памятников можно дать следующее определение - система постоянных наблюдений, оценки, диагноза, прогноза, и управления культурным наследием и исторической средой, проводимая по заранее намеченной программе и в целях обеспечения оптимальных условий сохранения культурного наследия.

Основная цель организации экологического мониторинга по модели:

памятник материал окружающая среда состоит в получении информации о характере и механизме коррозионных повреждений в материале для обеспечения системы управления качеством реставрационного проектирования и технологий реставрации.

В систему мониторинга вошли следующие основные процедуры:

1. Выделение объекта наблюдения;

2. Предварительное исследование;

В состав предварительного этапа работ по организации наблюдений вошло:

• 
  архитектурные чертежи (схемы, планы и т.п.) объекта;
  
• 
  документации по объекту (памятнику и т.п.) сведения по истории строительства, строительных материалов, документация о последних восстановительных работах;
  
• 
  результаты инженерно-геологических изысканий в зоне объекта (уровень грунтовых вод, высота подъема в весенний период и т.п.);
  
• 
  результаты анализа грунтовых вод;
  
• 
  экологическая ситуация рассматриваемой территории.
  

4. Составление информационной модели для объекта наблюдения;

5. Планирование измерений;

6. Оценка состояния объекта наблюдений и идентификация его информационной модели;

7. Прогнозирование изменения состояния объекта наблюдения;

8. Предоставление информации в удобной для использования форме и доведение его до потребителя.

Для эффективного контроля за процессом воздействия окружающей среды на материалы зданий и сооружений предложено ввести систему мониторинга - слежения, наблюдения за процессами, происходящими на поверхности строительного материала, за состоянием материала (степенью увлажнения, засоленностью и т.д.) Таким образом, система мониторинга включает методы позволяющие определять следующие характеристики:

• 
  гигроскопичность;
  
• 
  адсорбционная активность поверхности;
  
• 
  диффузионная проницаемость;
  
• 
  степень и характер увлажнения.
  

• 
  химическим и минералогическим составом;
  
• 
  фазовым составом;
  
• 
  характером пористой структуры.
  

Схема алгоритма экологического мониторинга повреждений представлена на рис. 13. В первый год комплексное обследование следует проводить 2 раза в год. Визуальное наблюдение проводится каждые 3 месяца.

Целью организуемых наблюдений является выявление причин повреждений памятника, диагностика состояния материала и кинетика его разрушения для разработки системы ухода за объектом исследования на период эксплуатации и системы мер по обеспечению надежной защиты от разрушения, в первую очередь, конструкций с максимальным процентом износа.

Для осуществления мониторинга используются представленные в главе 4 методы принятые при материаловедческом обследовании памятника.

Основные исходные данные, методы и результаты обследований заносятся в «Карту обследования объекта» (рис. 14) сразу после проведения очередного обследования.

Для выбора системы мероприятий по санации с учетом механизма повреждения белого камня по вариантам К-I и К-II представлена матричная модель системы мероприятий для защиты камня и сохранения ресурса долговечности белокаменных памятников, учитывающую природу камня и экологические факторы (рис 15).

В матричной модели для определения направления выбора тех или иных мероприятий защиты или замены камня необходимо обязательно учесть функциональное назначение и класс качества камня, а также предъявить требования по однородности к реставрационному камню предназначенного для замены разрушенного камня в памятнике. Для этого в первую очередь необходим контроль состояния камня памятников и реставрационного камня на макро и микроуровнях.

Далее необходима очистка камня от загрязнителей. Методы очистки камня хорошо разработаны и широко используются в реставрационной практике. К инновационным технологиям XXI века можно отнести лазерную и биотехнологическую очистки камня. Биоочистка является наиболее перспективной, так как не меняя структурные и эксплуатационно-технических свойства камня позволяет увеличить срок службы камня без дополнительного ухода.

Систему очистки каменной кладки следует выбирать по результатам оценки типа и стадии повреждения камня, степени загрязнения камня и наличия защитного покрытия (корка, штукатурка, побелка, окраска и т.п.).

Во всех случаях после очистки камня (кроме биоочистки) его необходимо защитить от воздействия агрессивных сред. Для этого в первую очередь необходимо выровнять пористость камня в кладке методом кальматации, а затем провести обработку поверхности антисолевыми и биоцидными составами в зависимости от наличия в камне тех или иных загрязнителей. Далее следует осуществить гидрофобизацию кладки.