Федеральный государственный образовательный стандарт

ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ СТАНДАРТ
МАРХИ		Московский архитектурный институт (Государственная академия)
		УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

кафедра «Архитектурное материаловедение»

Москва 2014

В настоящем учебном пособии рассматриваются основные причины разрушения и повреждения белого камня памятников архитектуры г. Москвы в условиях нарушенного экологического равновесия мегаполиса. Приводятся основные методы исследования качества белого камня, принципиальная схема мониторинга за состоянием белого камня в рамках международного стандарта ИСО 9000, механизм разрушения камня, а также технологические особенности сохранения камня памятников.

Приводимые в пособии конкретные методы исследования качества камня, дают основание считать настоящее издание полезным не только для архитекторов-реставраторов, но и тех, кто работает в различных областях реставрационного проектирования при выборе инженерно-реставрационных мероприятий по сохранению белокаменных памятников архитектуры с учетом вида, характера разрушений и экологического состояния современного города.

Введение

В настоящее время в практику реставрационного проектирования и реставрации памятников архитектуры во всем мире внедряется концепция рационального выбора материалов с точки зрения экологического взаимодействия реставрационных материалов с материалами памятников в условиях нарушенного экологического равновесия мегаполисов. Все больше внимания уделяется понятиям: качество, экологическая оценка, жизненный цикл материала (ЖЦМ), экологически целесообразный выбор строительных и реставрационных материалов и др. Требования к качеству и экологической чистоте материалов для реставрации определяются всемирной концепцией «Устойчивого развития» и международными стандартами ИСО 14040 –14044, ориентированными на экологическое качество продукции. Такой подход направлен на обеспечение «устойчивой реставрации». Приоритетными являются задачи выбора качественных, долговечных, экологически безопасных реставрационных материалов и их использование при реставрационном проектировании памятников архитектуры и сохранении Культурного наследия страны.

Качество материала - это не только физико-механические свойства (прочность, морозостойкость, химическая стойкость и др.), которые характеризуют лишь их технические возможности, но и совокупность свойств, характеризующих их микроструктуру. Требования к реставрации белокаменных памятников архитектуры, прежде всего, связаны с качеством реставрационного камня, которое напрямую зависит от степени однородности его микропористой структуры и совместимости с историческим камнем памятников.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специализации «Реконструкция и реставрация в архитектуре»

Белый камень - известняк, получивший свое название по цвету камня, добыча которого была начата много столетий тому назад в районе подмосковного с. Мячкова, является непосредственным “участником” возникновения и развития русского каменного дела и зодчества.

Известняк добывался в Подмосковье с XII в., близ устья р. Пахры и по берегам р. Москвы, в районе старинных сел Мячкова, Тучкова и Домодедова. Добывали белый камень также вблизи г. Старицы на Волге и под Касимовым на Оке, но в более скромных масштабах. Таким образом, древние породы - белые известняки сложились слоями в целый горизонт, который получил свое название “Мячковский”. Слои¹ мячковских известняков сформировались 230 - 240 миллионов лет тому назад из морских осадков в каменноугольный период, когда на этой территории бушевали волны древнего моря. Верхние² слои мячковского горизонта разрабатывали в районе с. Мячково и ст. Пески на правом берегу р. Москвы; средние слои - по р. Пахре, от устьев до д. Новлинской. Самые нижние слои мячковских отложений служили для добычи белого камня в окрестностях подмосковных сел и городов: близ Тучкова, Подольска, Домодедова, Коробчеева, Шурова и Дубенков.

Известняк - это простое минеральное соединение, сложенное почти полностью из кальцита (СаО – 56%, СО₂ – 44% - продукты жизнедеятельности биосферы). Если же вместе с кальцитом имеется минерал доломит, либо опал или глинистый минерал, известняк к имени своему получает и “отчество”, становясь доломитизированным, либо окремнелым или глинистым, чаще его называют “мергелем”. Но все они объединяются названием: “карбонатные породы”.

Чистый известняк содержит не более 5% примесей³: углекислого магния, кремнезема, глинистых частиц. Без примесей белый цвет, при наличии оксидов железа, глинистых и органических (битумных) остатков, кварца, приобретают различные оттенки: серый, желтый, розовый и т.п.

Кальцит, выпадая из морской воды в виде очень тонкого осадка, смешанного с бесчисленными обломками раковин (детритусом), с обломками скелетов морских лилий с фузулинами и с продуктами жизнедеятельности беспозвоночных, образует карбонатный ил, который за миллионы лет накапливается в виде пластов на огромных площадях. Под колоссальным давлением ил постепенно твердеет, или, как говорят геологи, литифицируется и частично кристаллизуется, превращается в известняк.

Горообразовательные процессы во многих районах Земли смяли в мощные складки карбонатные породы. Самые глубокие скважины теперь погружаются в эти породы на глубину нескольких километров. Они обнаруживают слои карбонатного камня, чередующиеся то с глинами, то с углем или с песчаниками (схему - гидрогеологический разрез см. рис.1).



Рис. 1 Схема – гидрогеологический разрез с участием известняка

Если рассматривать белый камень как простую экосистему, участвующую в круговороте веществ в природе, то следует первую очередь рассмотреть карбонатную систему. Карбонатная система - carbonate system. Гетерогенная система, состоящая из растворённых в воде CO_2, H₂CO₃, ионов НСО₃^-_, CO₃^2- и H⁺, а также газообразного СО₂ и твердого СаСО₃.

Эта равновесная система - самая сложная в природных водах. Общее содержание её компонентов выражается в виде суммы концентраций в моль/л:

 = [CO₂] + [H₂CO₃] + [НСО₃^-] + [CO₃^2-].

Помимо угольной кислоты и её производных, с системой карбонатной непосредственно связаны ионы водорода и кальция и косвенно - весь комплекс растворённых веществ. Таким образом, гетерогенное равновесие карбонатной системой определяется химическим равновесием угольной кислоты

СО₂ (газ) + H₂O ↔^.H₂CO_3,

первой и второй ступенями её диссоциации:

Н₂СО₃ ↔Н⁺ + НСО₃^-_,

НСО₃^-↔Н⁺ + CO₃^2-

и равновесием, определяющим растворимость твёрдой фазы:

СаСО₃ ↔Са²⁺ + СО₃^2-_.

Считается, что для большинства природных вод соотношение концентраций угольной кислоты и её ионов является одним из важных факторов, определяющих величину рН. В действительности же, как раз наоборот - соотношение форм карбонатного равновесия определяет значение рН. Основными формами, от которых зависит равновесие, являются Н₂СО₃ и Са²⁺: первый поддерживает растворимость СаСО₃, а ионы кальция, ограничивая растворимость СаСО₃, влияют на концентрацию СО₃ ^2-_.

В настоящий период, с 1992 года возобновлена добыча известняка Мячковского горизонта. Выработка производится по безвзрывной технологии, что позволяет сохранить структуру, качество и надежность камня.

Схема изменения условия работы камня при смещении карбонатного равновесия в сторону растворения СаСО₃ для определения механизма повреждения камня представлена на рис.2

Экологическая оценка территории по сумме факторов устанавливает взаимосвязи между природно-климатическими, градостроительными характеристиками территории города и самим памятником.

Комплексный экологический анализ территории города позволяет определить степень экологической нагрузки, а также выявить какие из факторов наиболее негативно влияют на памятник, что может быть учтено при разработке системы мероприятий по смягчению воздействия окружающей среды на памятник.

Сбор информации о взаимодействии городской среды с памятниками архитектуры осуществляется методами архивно-библиографической системы, геоинформационной системы (ГИС) с включением пакета экологических карт (см. рис. 3.) имеющихся в системе городских служб экомониторинга за окружающей средой.

При формировании блоков данных содержащих информацию о системе показателей окружающей среды и основных видах нагрузок на памятник на данной территории, сортировка и анализ материала проводится с учетом риска негативного взаимодействия памятника и среды. Для оценки рисковых событий при взаимодействии памятника с окружающей средой и возникающих повреждений используется следующий набор характеристик:

0. 
   «опасность» (О), которая определялась серьезностью последствий,
   
1. 
   «вероятность» (В), определялась реальностью наступления разрушения памятника,
   
2. 
   «статус риска» (С), величина риска (в теории вероятности определяемая как С = О x В ),
   
3. 
   «приоритетность» (П), важность контроля,
   
4. 
   «связанность» (СВ), влияние на другие риски.
   

Цифрами обозначены памятники архитектуры Москвы, где белый камень является либо основным конструкционным материалом, либо декоративно-отделочным:

• 
  общая экологическая ситуация;
  
• 
  состояние рельефа территории;
  
• 
  оползни и карстово-суффозные явления;
  
• 
  подтопление территории грунтовыми водами;
  
• 
  утечка из подземных водонесущих коммуникаций;
  
• 
  изменение коррозионной активности грунтов;
  
• 
  уровень загрязнения;
  
• 
  загрязнение подземных вод;
  
• 
  загрязнение геологической среды по уровню микробных процессов;
  
• 
  загрязнение почв;
  
• 
  загрязнение снежного покрова;
  
• 
  пылевое загрязнение снегового покрова;
  
• 
  загрязнение атмосферного воздуха.
  

Комплексная схема зонирования и распределения нагрузок по агрессивным для памятника показателям и параметрам городской среды по пространственному (территориальному) признаку используется при анализе наиболее вероятных взаимодействий в системе «памятник – окружающая среда».

Анализ воздействия окружающей среды на памятник и результатов наблюдений и исследований последствий этого воздействия выполняется с помощью методов системного анализа успешно используемом в системе планирования и прогнозирования природопользования.

По результатам анализы выделили четыре типа территорий по опасности видов нагрузки со стороны городской среды, представленные в виде четырех групп риска возникновения в конструкциях памятника невидимых повреждений и риска разрушения материала:

• 
  территория с возможным возникновением чрезвычайных нагрузок природного и техногенного характера (группа ЧН) - наиболее опасные территории, на которых возможна утрата памятника за счет серьезных разрушений и потери конструкционного качества материала. В группу показателей ЧН включены - состояние рельефа территории, оползни и карстово-суффозные явления, подтопление территории грунтовыми водами, утечки из подземных водонесущих коммуникаций, общая экологическая ситуация и уровень загрязнения.
  
• 
  территория с высоким потенциалом техногенных нагрузок (группа ВН) - возможны сильные повреждения памятника (разрушение отдельных конструкций и сильное повреждение конструкционных и конструкционно-отделочного материалов). Потребуется замена разрушенного материала на новый. Возникает другой риск – несовместимость материалов и появляется проблема выбора надежной системы защиты от повреждений, так как для систем с повышенным энтропийным фактором заведомо характерна неустойчивость
  

• 
  территория со средним потенциалом техногенных нагрузок (группа СН) - возможны локального характера повреждения памятника (локальные разрушение частей конструкций и сильное повреждение и загрязнение верхних слоев конструкционно-отделочных материалов). Возникает потребность в частых ремонтах, при этом основной материал памятника (белый камень, исторические кирпичные кладки и др.) утрачивает свою историко-культурную и научную ценность за счет искажения информации о первоначальной структуре, составе и т.п. исторического (традиционного) строительного материала используемого зодчими Москвы.
  
• 
  территория с низким потенциалом техногенных нагрузок (группа НН) - возможны незначительные повреждения памятника (разрушение отделочных и поверхностных слоев). Возможно устранение дефектов корректирующей системой мероприятий (в случае послереставрационного периода, предусмотренной для данного памятника системой ухода за ним.
  

При анализе данных ГИС о нагрузках и выборе экологических факторов, определяющих риски утраты памятников составлена матричная модель (рис.5) оценки влияния нагрузок окружающей среды на белый камень с учетом функционального назначения белого камня по классу качества (рис.6) и независимо от вероятности их наступления.

Из схемы зонирования видно, что более 50 % территории города, в основном территория исторического центра, где сосредоточено 90% памятники белокаменного зодчества, находятся в условиях чрезвычайных и высоких техногенных нагрузок, для них существует в первую очередь опасность повреждения и разрушения за счет режима высокой степени агрессивности городской среды.

Одной из причин такого режима является нарушение экологического равновесия городской среды в целом и на отдельных ее территориях, о чем свидетельствует процентное соотношение природной и техногенной составляющей городской среды (32,5%:67,5%).

Если считать, что экологическое равновесие среды наступает при соотношении 35% : 65% (природных охраняемых территорий и интенсивно эксплуатируемых соответственно) для природной зоны №3 – смешанный лес⁴, то сложившаяся ситуация в Москве является неравновесной, что служит главной причиной повреждений памятников и в первую очередь белокаменных, так как материал памятника (известняк) принимает активное участие в природных циклах круговорота веществ и сам выполняет узловую роль в поддержании карбонатного равновесия экосистем.

На отдельных территориях города, особенно ЦАО в 70-ти случаях значение показателя природной составляющей снижается до 10 %. Степень нарушения экологического равновесия можно охарактеризовать индексом устойчивости экосистемы (К_у -эс) (табл.1) и принять равным 1 для соотношения 35% : 65%, которое по данным Н.Ф. Реймерса является необходимым условием сохранения равновесия в экосистеме города.

Таблица 1.

Процентное соотношение природного и техногенного комплекса	Индекс устойчивости экосистемы, Куэс	Примечание
35% : 65%	1,0	Устойчивая ЭС
25% : 75%	0,62	Неустойчивая ЭС
15% : 85%	0,33
5% : 95%	0,03

Однако следует отметить, что для определения вероятности разрушения памятника в рамках негативного профиля ОС необходимо конкретизировать экологическую ситуацию для конкретного участка расположения памятника в городской системе.

Степень опасности высоких и чрезвычайных нагрузок среды на памятники зависит от показателя природной составляющей охранной зоны памятника и определяется вариантами: «А», «Б», «В», «Г» (рис.7). Вариант «А» относится к территории с устойчивой экосистемой (тип I, Ку-эс=1), снижающей степень нагрузки на памятники. Варианты «Б», «В», «Г» к территории с неустойчивой экосистемой (тип II, Ку-эс1), где экологическая устойчивость не может быть обеспечена природными компонентами и поэтому на таких территориях воздействие чрезвычайных и высоких нагрузок на памятники оказывается реально опасным.

Вариант «А» - на территории зеленых массивов, архитектурных комплексов	Вариант «Б» - в границах тесной застройки	Вариант «В» - в границах улиц и дорог (красной линией является тротуар)	Вариант «Г» - на территории или вблизи промышленных предприятий, свалок и т.п.
Тип I – устойчивая экосистема, Куэс =1		Тип II – неустойчивая экосистема, Куэс 1

Рис. 7. Ситуационные планы типичных вариантов расположения памятников в городской среде с учетом К_уэс и группы риска повреждений

Экологический анализ факторов городской среды и определение вероятности их влияния на памятник в зоне его непосредственного территориального расположения выполнен методом слоевого пространственного соотнесения информации внутри блока данных экологической информационной системы.

Мячковский известняк мягок и податлив, его можно скоблить ножом и вырезать в нем барельефы; его легко пилить и колоть, но вместе с тем этот камень достаточно прочен и легко выдерживает нагрузку стен, карнизов и колонн в зданиях и сооружениях. Надежность Мячковского пористого известняка определяется не только его прочностью, а преимущественно условиями службы камня в сооружении. Чтобы известняк служил долго, необходимо защитить изделия, выполненные из этого материала, от проникновения влаги. Карнизы и капельники должны обеспечивать сброс дождевых вод; подошвы цоколей из плотных пород должны предотвратить капиллярный подсос грунтовых вод; в креплении наружных плит не должно быть металлических ржавеющих деталей. Поверхность камня должна быть пиленой или шлифованной (но не колотой), не дающей застаиваться дождевой воде или тающему снегу. Необходимо также отметить, что с ежегодным повышением агрессивности окружающей среды и влиянием ее на известняк, уже недостаточно выше перечисленных требований для предотвращения разрушения камня, поэтому следует использовать современные методы защиты камня от агрессивного воздействия среды воздействия.

Для известняка водопоглощение, объемная масса, прочность при сжатии и растяжении, морозостойкость, пористость определяют стойкость и надежность каменной породы как архитектурно-строительного камня. Для того чтобы оценить пригодность и надежность Мячковского известняка, следует рассмотреть способы их определения.

Чем определяется долговечность сооружения? Помимо конструктивных характеристик, большое влияние на его долговечность оказывает качество материала, которое и определяет срок службы данного сооружения. Понятие “качество” каменного материала является неопределенным до тех пор, пока оно не расчленено на те составные элементы, которыми являются минеральный состав, структура и текстура каменных горных пород. От них зависят все эксплуатационно-технические свойства строительного материала.

Под качеством материала следует понимать совокупность свойств, определяющих степень их пригодности для использования по назначению. Свойства камня - это его физико-механические компоненты, по которым он отличается или похож на другой камень и через которые соотносится с окружающей средой. К таким свойствам строительных материалов и изделий на их основе следует отнести прочность, выносливость, морозостойкость, химическую стойкость, жаростойкость и др. Однако, все эти свойства не могут полностью характеризовать их качество, они характеризуют лишь их технические возможности.

Известняк делится на четыре класса качества (табл. 2)

Группы известняка по классу качества

Для полной характеристики качества материалов необходимо знать их способность сохранять эти показатели в течение возможно более длительного времени, т.е. строительные материалы должны быть долговечными. В то же время долговечность - одна из составляющих комплексного свойства надежности. Долговечность природных камней, как правило, связана с их твердостью. Известняк относится к породам средней твердости, его средняя плотность составляет 1800-2300 кг/м³. В состав твердых природных камней входят миниралы, имеющие твердость по шкале Мооса 6-7. Аналогичный показатель у камней средней плотности 3-5, у мягких 1-2.

К числу принципиальных дефектов относятся сравнительно высокая пористость, которая меняется в весьма широких пределах (таблица), влагоемкость и истираемость, которая имеет особое значение для природных каменных материалов. У большинства природных камней средней твердости истираемость равна 1 - 5 г/см², у твердых материалов - не более 0,5 г/см²., а также относительно невысокая стойкость к воздействию кислых жидкостей и газов.

Действие воды, замораживания, а также механических нагрузок на свойства природных каменных материалов в большей мере зависит от пористости (0,36 – 27% макропор содержит известняк).

Однако по данным Степанова В.Я. и Флоренского К.П. для белого камня - известняка мячковского горизонта - 87% пор составляют неопасные, с точки зрения морозостойкости, поры. Следовательно, белый камень можно считать морозостойким материалом. Это подтверждается многочисленными обследованиями построек из белого камня, а также лабораторными испытаниями на морозостойкость. Твердые природные камни (гранит, диорит, сиенит, габбро) выдерживают 300 и более циклов лабораторных испытаний; диабаз, базальт - 50 и более. Природные камни средней твердости - более 25 циклов, мягкие -15 циклов и более.

Водопоглощение у природных камней средней твердости 0,1 - 40% в том числе мрамора - 0,1 - 0,7, известняка - 0,5 - 40, песчаника - 0,2 - 2,5%, туфов - 4 - 40%.

Механическая прочность известняка зависит от твердости камня. Степановым В.Я. и Флоренским К.П была составлена таблица 3 для сравнения известняков различных месторождений по пределу прочности при сжатии.

Механическая прочность известняков их некоторых месторождений

Из таблицы 2 видно значение коэффициента размягчения (Кр) при расчете среднего значения предела прочности при сжатии (Rcж) в сухом и насыщенном водой состоянии колеблется от 0,62 до 1,0, что свидетельствует о качестве и долговечности камня.

Основные физико-механические свойства известняка добываемого с карьеров последних лет (первые разработки известняка возобновились с 1992 г.) представлены в таблицах 4.

Таблица 4

Перечень возможных источников сырья для производства белого камня

в Центральном регионе РФ.

№ п.п	Месторождение/ Местоположение	Разведанные запасы, Тыс.м3	Выход блоков, %	Основные физико-механические свойства
				Средняя плотность, кг/м3	Временноесопротивление сжатию, МПа		Коэффициент размягчения, Кр	Водопоглощение,%	Морозостойкость, F
					В сухом состояни	В водонасыщен-ном состоянии
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	Афанасьевское/ МО, Воскресенский р-н	214	20	2310	32	21,8	0,68	8,13	30
2	Попова Гора/ То же	1936	51,3	2360	51	40,8	0,8	3,4	25
3	Горское/ МО, Коломенский р-н	7812	9	2300	20	13,6	0,68	6,0	25
4	Коробчеевское (уч. Северный)/ То же	5106	18	2270	69	51,1	0,74	8	25
5	Мячковское (уч.Каменно-Тяжинский)/ МО, Раменский р-н	73	40	2080	32	25	0,78	12	25
6	Рыбушкин Овраг (Домодедовское) МО, г.Домодедово	Н/д	4	2100	36	26,7	0,74	11,6	25
7	Молоковское, Тверкая обл., Стариицкий р-н	1494	16	2500	24,7	22	0,89	7	25

Данные, представленные в таблице, показывает значительный разброс для камня примерно одной средней плотности показателей прочности и значительное ее снижение при водонасыщении.

В реставрационной практике критерием выбора камня при замене и реставрации является коэффициент размягчения (К_р). Этот показатель для камня, добываемого в 60-е годы XX в. на территории бывшего СССР, включая камень мячковского горизонта, составлял 0,62 (Подольский) – 1,0 (Мячковский). Коэффициент размягчения камня мячковского горизонта добываемого в XXI составляет - 0,68 (Афанасьевский) – 0,78 (Мячковский, Раменского р-на) (таблица 3). Это свидетельствует о снижении эксплуатационно-технических свойств реставрационного камня добываемого сегодня и в этом смысле можно говорить о проблеме истощения ресурсов качественного камня.

Неоднородность камня по К_р связана с особенностями микроструктуры камня и, прежде всего, с наличием метастабильных фаз.

Одним из наиболее важных свойств камня при выборе его для реставрационной практики является его однородность микропористой структуры. Однородность камня определяется методом сорбции красителей. Тип камня по показателю однородности микропористой структуры камня определяется по таблице 5.

Таблица 5.

Характерная неоднородность камня по этому показателю предопределяет различную стойкость камня при эксплуатации и характер его повреждения в кладке. Различия в значениях и объясняют часто наблюдаемое сегодня повреждение в виде каверн и обнажение микрораковин, ранее визуально не различаемых

Для определения вида и характера видимых повреждений; вида трещин и характера их расположения; «макродефектов» используется метод визуально-инструментального обследования с фотофиксацией. Данный метод обследования проводится с целью получения объективной информации о состоянии конструкций и элементов, выполненных из белого камня, выявления дефектов, повреждений, установления причин их возникновения и взаимодействия с агрессивной окружающей средой. Эти методы позволяют прогнозировать разрушения и причины их вызывающие.

Для определения зон критического увлажнения (вид, характер, причины увлажнения); зон критической засоленности (вид, степень загрязнения); зон биохимических повреждений (степень биохимической коррозии и характера); зон дискомфорта по температурно-влажностным параметрам; зон риска биологического загрязнения в помещениях, используется экспресс методов неразрушающего физико-химического контроля на объекте.

Представленный на рис. 8 схеме метода KARSTENА (KARSTEN TUBE), позволяет фиксировать величину адсорбционного водопоглощения поверхностей камня и судить о структуре материалов кладки и качестве защиты материала от атмосферного воздействия, а так же позволяет показать простоту и эффективность метода при решении проблемы несовместимости материала при замене исторического камня.