Реставрация каменных зданий

Начиная с 1959 г. в строительстве приме-няется разработанный Институтом оснований способ закрепления мелких песков карбамидной смолой. Карбамидная смола, продукт поликонденсации формальдегида с мочевиной и ее производными, способна полимеризоваться при нормальной температуре в присутствии отвердителя -- соляной, щавелевой кислот или хлористого аммония. Закрепление мелкозер-нистых песчаных грунтов карбамидной смо-лой (КМ с отвердителем в виде 3- и 5%-ного НС1), обеспечивающее этим грунтам достаточ-но высокую прочность закрепления порядка 50 --80 кгс/см², успешно применяется в строи-тельстве. В связи с развитием химии и уде-шевлением исходных для закрепления хими-ческих продуктов он находит все более широ-кую сферу использования.

Для закрепления просадочных лессовых грунтов применяется однорастворная силика-тизация, заключающаяся в нагнетании в грунт силиката натрия с удельным весом 1,13. Прочность закрепления 15--40 кгс/см². Для закрепления глинистых грунтов используется явление электроосмоса. При вводе в грунт химических растворов этим способом глини-стому грунту сообщается водостойкость и лик-видируется его пучинность.

Располагая таким арсеналом приемов химического закрепления грунтов при лечении основания памятника архитектуры, всегда можно подобрать, в зависимости от геологии участка и фильтрационных свойств грунтов, наиболее рациональный в данных условиях метод.

Уменьшение несущей способности естест-венных грунтовых оснований связано главным образом с лессовыми просадочными грунтами.

Одним из примеров значительных дефор-маций на таких грунтах и последующих меро-приятий по их ликвидации может служить Одесский оперный театр. Здание театра пост-роено в 1887 г. архитекторами Ф. Фельнером и Г. Гельмером (рис. 107, 108). Театр имеет 5 ярусов и двухэтажный подвал. Высота здания 30 м, площадь 5000 м², объем 100 тыс. м³. Ос-новной несущий остов здания -- каменные стены из кирпича и плотного известняка. Фун-даменты здания ленточного типа из плотного известняка шириной от 2 до 0,6 м. В 1900 г. были обнаружены значительные неравномер-ные осадки: восточная сторона здания осела местами до 21 см, полы осели от 6,5 до 11 см. Некоторые стропильные фермы также значи-тельно изменились. Экспертная комиссия ре-комендовала исключить замачивание под фун-даментами путем прокладки коммуникаций в проходных тоннелях. Это было выполнено, но осадки продолжались.

Закрепление проводилось в полукруглой части здания в два ряда инъекторов, в прямо-угольной--в один ряд. Инъекторы забива-лись вертикально на расстоянии 10--15 см от стены (1 ряд) и на 1 м друг от друга. Забивка осуществлялась с помощью колонкового перфората КИМ-4, в котором бур был заменен бойком. Скорость забивки составляла 12-- 20 м/ч, радиус закрепления от одного инъектора--0,6 м. Силикатный раствор рабочей концентрации нагнетали по заходкам сверху вниз, величина заходки 1,3 м. Число заходок зависело от мощности напластования лессо-вых грунтов и колебалось от 3 до 8. В каж-дую заходку нагнетали 514 л раствора. Нагне-тание раствора осуществлялось тремя шести-плунжерными насосами НС-1. Давление при нагнетании раствора в основном колебалось в пределах 1---3 атм. Скорость нагнетания раствора в среднем составляла 4 л/мин. Од-новременно нагнетали в 6 и более инъекторов. За сутки при работе в 3 смены (по 18 человек в смену) закреплялось 50 м³ грунта.

Число инъекционных точек 2300. Общий по-гонаж забивки шгьекторов 22 тыс. м. Закачено раствора 5400 м^э. Израсходовано силикат-глыбы {разварка псоизволилась на месте) 1200 т.

Объем закрепленного грунта--15 436 м³. Контроль результатов работ показал монолит-ность закрепления и его кубиковую проч-ность, равную 15--25 кгс/см². Наблюдения, проводимые параллельно работам по силика-тизации, показали затухание осадок в процес-се работ, а по окончании работ полное их прекращение.

Гниение в насыпных грунтах органических примесей -- одна из распространенных при-чин, вызывающих неравномерные осадки фун-даментов. Это в значительной степени объяс-няется тем, что памятники архитектуры чаще всего строились в сложившихся частях горо-да, где уже имелся значительный культурный слой.

Здание Потешного дворца в Московском Кремле подвергалось, например, незатухаю-щим осадкам в течение почти 300 лет. За это время они составили около 1 м. Причина -- наличие в основании здания мощного слоя (10--11 м) насыпного грунта с большим со-держанием органических примесей, так как площадка, на которой был сооружен дворец, расположена рядом с царскими конюшнями. Неравномерное распределение органических веществ привело к неравномерным осадкам отдельных частей здания. В состав насыпных грунтов здесь входят пески, супеси, суглинки и перегной. Проектом усиления основания дворца предусмотрено химическое закрепле-ние грунтов, слагающих насыпную толщу. В результате проведения лабораторных работ на грунтах из основания здания в качестве закрепляющего раствора был рекомендован щелочной силиказоль следующего состава: силикат натрия с удельным весом 1,3 г/см³ (3,5 объема) + кремнефтористоводородная кислота с удельным весом 1,1 г/см³ (1 объем) со временем гелеобразования при температу-ре 14°С30--35 мин.

Предложенная рецептура была проверена в натурных условиях на одном из участков Потешного дворца путем инъекции закреп-ляющего раствора в грунт. Опытные работы, проводимые трестом Гидроспецстрой и Инсти-тутом оснований, предусматривали закрепление всех грунтов, залегающих ниже бетонного по-ла до глубины 7 м. Инъекция раствора в грунт осуществлялась через инъекторы, забитые в четырех точках, три из которых располага-лись по треугольнику на расстоянии 120 см друг от друга, четвертая--контрольная--внут-ри треугольника. Учитывая неравномерное за-крепление грунтов, инъекция раствора в грунт производилась короткими полуметровыми заходками. В каждую заходку нагнеталось до 150 л силиказоля со средним расходом 2--3 л/мин. При этом давление на насосе не превы-шало 2,5 атм. Результаты вскрытия шурфа се-чением 1,5Ч1,5 м и глубиной 5 м показали, что грунт по всей глубине имел прочное закрепле-ние. Предел прочности при сжатии отобран-ных образцов составил; для песков 15-- 20 кгс/см², для супесей с большим содержа-нием перегноя 10--15 кгс/см², для перегноя от 5 до 2,5 кгс/см².

В 1970 г. в Московском Кремле проводи-лись работы по закреплению грунта в осно-вании церкви Св. Лазаря, для чего был при-менен новый способ закрепления -- газовая силикатизация. Закреплено 100 м³ насыпного грунта. Результаты закрепления оказались положительными: прочность закрепления со-ставила 10--20 кгс/см².

При строительстве многих зданий, особен-но соборов, осуществлялась забивка коротких деревянных свай длиной около 1 м. Это поз-воляло уплотнить грунт на дне траншеи, за-тем засыпать ее камнем и залить известковым раствором. При строительстве Успенского со-бора в Москве в 1475--1479 гг. на мелких песках без перегноя архит. А. Фиорованти под всеми стенами забил деревянные сваи дли-ной 0,5 саж. Прошло 150 лет, сваи сгнили и стены получили значительные неравномерные осадки. При предварительных работах по закреплению грунтов в основании Успенского собора и расположенной рядом церкви Ризположения исследователи столкнулись с труд-ностями при инъекции закрепляющих раство-ров. Дело в том, что технология забивки инъекторов и закачки растворов, существующая до настоящего времени, пригодна при верти-кальном или наклонном положении вводи-мых в грунт инъекторов и для грунтов с сравнительно большой проницаемостью. В прак-тике химического закрепления все чаще при-ходится сталкиваться в малопроницаемыми грунтами и с условиями производства работ, когда вертикальная или наклонная забивка инъекторов по ряду причин невозможна. Именно такие условия и выявились на указан-ных объектах. В связи с этим была предло-жена схема горизонтального задавливания инъекторов в грунт, в основу которой заложен принцип продавливания труб при прокладке ряда трубопроводов и использование инъекто-ров с манжетным устройством.

Работа по новой схеме сводится к следую-щему : отрывается шурф, в котором одна из стен крепится целиком, другая (ближняя к фундаменту) имеет несплошное крепление, так как через нее ведутся работы по задавливанию инъекторов. У стенки со сплошным креплением устанавливается верти-кальная металлическая плита размером 1,5Ч Ч1>5м, толщиной 2--З см для упора задавливающего механизма, который устанавлива-ется в шурфе. Один конец механизма закреп-лен на оси и упирается в металлическую пли-ту. Механизм может свободно разворачивать-ся под различным углом к оси (в одной пло-скости), благодаря чему можно получать ве-ерообразное расположение инъекторов в грун-те. Механизм может устанавливаться на лю-бую высоту, создавая таким образом массив закрепленного грунта любых габаритов. Инъектор для горизонтального задавливания изго-тавливается из металлических толстостенных труб диаметром 56--70 мм и собирается из секций длиной от 1 до 1,5 м. По длине инъектора через каждые 33 или 50 см просверлены по 4 отверстия диаметром 6--8 мм, закры-вающиеся манжетами из эластичного матери-ала.

Во многих зданиях, построенных 100 и бо-лее лет назад, фундаменты укладывались на лежни. Так, в Ленинграде при строительстве Московского вокзала в 1850-е гг. с целью перераспределения нагрузки на основание под фундаментами были положены лежни диамет-ром 20--25 см. Долгое время они находились ниже уровня грунтовых вод. В связи с устрой-ством тоннелей метро уровень грунтовых вод понизился, лежни оказались в зоне перемен-ной влажности и начали гнить. На стенах одно-го из залов вокзала в результате начавшейся осадки появились трещины. Непосредственно под фундаментом здания отсыпана песчаная подушка (1 м) из среднезернистого песка с коэффициентом фильтрации 10--15 м/сут; далее идет насыпной слой грунтов, состоящий из песка с примесью шлаков, битого кирпича и строительного мусора (1--2 м); ниже пылеватые пески (0,8--2 м) с коэффициентом фильтрации 0,2--0,7 м/сут; их подстилают слоистые суглинки.

Для прекращения деформации здания бы-ла предложена антисептическая обработка лежней раствором фтористого натрия с после-дующей их консервацией путем закрепления окружающего песчаного грунта карбамидной смолой. Смолизацией достигалось также уп-рочнение основания в тех местах, где лежни успели разрушиться. Кроме того, смола ввиду наличия в ее составе свободного формальде-гида, в свою очередь, обладает антисептичес-кими свойствами, что также способствует сохранению лежней. Поскольку основная цель работ -- омоноличивание деревянных лежней, зона закрепления распространялась лишь на глубину до 1 м. Закачка растворов в грунт производилась в две заходки с помощью инъекторов, забитых с одной внутренней стороны стены под углом 45--60° на расстоянии 1,1 м друг от друга. Вначале в зону рас-положения лежней нагнетался 3%-ный ра-створ фтористого натрия. Через 3--4 суток про-изводилась закачка раствора соляной кисло-ты для предварительной обработки грунта, а затем закрепляющего раствора -- смеси кар-бамидной смолы и соляной кислоты.

Для выполнения инъекционных работ бы-ла применена новая технология: нагнетание раствора в грунт проводилось с помощью пневмоустановки, а смешение растворов-ком-понентов (смолы и кислоты) осуществлялось в инъекторе, снабженном специальным наго-ловником с тройником. Общий объем работ составил 630 м³. Осмотр шурфов, вскрытых по окончании работ, показал, что омоноличи-вание лежней произошло полностью. Твердая масса, образовавшаяся в результате полимери-зации карбамидной смолы, равномерно запол-нила все поры грунта, а также все близкорас-положенные пустоты в нижней части фунда-мента. Испытание образцов закрепленного грунта показало прочность при сжатии, равную 8--15 кгс/см². Последующее регулярное наб-людение показало полное отсутствие осадки здания, деформация стен прекратилась. Эти-ми работами открылась еще одна область применения химического закрепления-- кон-сервация деревянных конструкций под соору-жениями.

Вымывание мелких фракций песчаных грунтов, лежащих в основании зданий и со-оружений, при изменении режима грунтовых вод также часто вызывает осадку их фундамен-тов. Примером тому могут служить неравномерные осадки и деформация здания Воскре-сенского собора в Угличе--уникального па-мятника архитектуры XVII в., возникшие в связи с сооружением ГЭС. Для предотвраще-ния дальнейшей деформации в срочном по-рядке было осуществлено закрепление мел-кого водонасыщенного песка в основании со-бора способом смолизации с применением карбамидной смолы (КМ) и соляной кислоты.

Предварительно грунт обрабатывался 3 % -ным раствором соляной кислоты. Обработка грунта закрепляющим раствором велась метровыми заходками по глубине свер-ху вниз. Инъекторы располагались в восемь рядов по периметру фундаментов, из них че-тыре снаружи и четыре внутри помещения. Расстояние между инъекторами в ряду 1 м. Такое расположение инъекторов предусматри-вало создание под фундаментами полосы из закрепленного грунта шириной 8 м (при шири-не фундамента 2,5 м), глубиной 4 м. Ввиду наличия в верхней насыпной двухметровой толще включений кирпича, бе-тона, обломков древесины и другого строи-тельного мусора забивка инъекторов велась комбинированным способом. Сначала в на-сыпной грунт (неводонасыщенная толща) с помощью перфоратора до подошвы фундамен-та пробуривались скважины-шпуры, в кото-рые вставлялся и забивался до проектной глубины (6 м) инъектор. Для безотказной работы в условиях полного водонасыщения мелких песков инъекторы были снабжены за-щитными резиновыми кольцами. Закачка ра-створов в грунт производилась при помощи сжатого воздуха с

применением пневмобака. В каждую заходку нагнеталось до 335 л со-ляной кислоты (для предварительной обра-ботки) и такое же количество раствора-кре-пителя. Средняя величина расхода раствора при давлении 5,5 атм составляла 7 л/мин. По окончании работ были пробурены конт-рольные скважины диаметром 127 мм в пяти точках ПО' периметру фундамента и отобраны керны закрепленного грунта для испытания на прочность. Средняя величина предела прочности при сжатии составляла 30 кгс/см². Осадки здания, за которыми в течение 8 мес. велись наблюдения, прекратились.

Гораздо реже причинами осадок становят-ся производство подземных выработок и со-трясение (вибрация) от промышленных уста-новок или транспорта. Так, в Ленинграде здание Театра оперы и балета им. Кирова со времени постройки неоднократно подвергалось реконструкции, что привело к неравномерным осадкам его отдельных частей. В 1958-- 1960 гг. также проводились работы по рекон-струкции театра, и вдоль Крюкова канала были забиты сваи, что привело к резкому уве-личению осадок (80 мм за 1,5 года) и возоб-новлению деформаций. Под фундаментами и здесь залегает мелкий водонасыщенный песок с коэффициентом фильтрации 0,5--1,5 м/сут. Для закрепления был применен 25%-ный ра-створ карбамидной смолы (удельный вес 1,08 г/см³) и 3%-ный раствор соляной кис-лоты. Закрепление грунта проводилось только под стенами сцены здания. Общий объем закрепления составил 2000 м³. При выполнении .инъекционных работ эксплуатация театра не прекращалась. Прочность закрепления соста-вила 18--29 кгс/см². Осадки полностью прекра-тились.

Аналогичные по составу грунты находятся под Малым залом Ленинградской филармо-нии. Закрепление грунта здесь выполнялось в связи с сооружением второго наклонного хода станции метрополитена «Невский прос-пект», который проходили способом заморажи-вания. Вследствие последующего оттаивания можно было ожидать больших деформаций. Чтобы этого не случилось, грунт под ленточ-ными фундаментами на глубину 2,9 м был закреплен способом смолизации.

Химическое закрепление грунтов в сравне-нии с другими методами имеет ряд преиму-ществ: простоту производства работ; порта-тивность применяемого оборудования; корот-кие сроки выполнения работ; долговечность закрепления; возможность закрепления грунта на любой глубине без проведения каких-либо специальных выработок и земляных работ; возможность проведения подземных работ без прекращения эксплуатации здания или соору-жения. Приведенные случаи применения хи-мического метода закрепления грунтов под-тверждают эффективность и целесообразность использования этого метода в целях сохране-ния уникальных памятников архитектуры.

Усиление фундаментов и оснований с помощью корневидных свай

В связи с реконструкцией старых городов, их центральных районов и реализацией пла-нов по подземной урбанизации часто возника-ет необходимость передачи в новых условиях нагрузок на большую глубину, тем самым обеспечивая сохранность зданий-памятников. Из-за плохого состояния многих памятников архитектуры исключается возможность обыч-ного способа понижения уровня передачи на-грузки на грунт с помощью забивных свай, устанавливаемых посредством ударных и виб-рационных механизмов. Нет возможности при-менять забивные сваи и тогда, когда наруше-но устойчивое равновесие памятников в результате изменения гидрогеологического ре-жима или изменения нагрузок, а также про-изводства подземных работ вблизи памятни-ков. При этом, однако, возможно использова-ние корневидных свай.

Корневидные сваи представляют собой бу-ровые сваи малого диаметра, заполненные цементным раствором под давлением, распо-лагаемые практически под любыми углами к дневной поверхности и способные образовы-вать совместно с грунтом единую комплексную

структуру. В эту структуру могут быть вовле-чены и конструктивные элементы памятника: фундаменты и стены. На рис. показана схема установки корневидных свай, одновре-менно усиливающих стены, фундаменты и основания. За счет давления при подаче раст-вора в скважину происходит некоторое увеличение диаметра сваи (до 30--50%), неравно-мерное по ее длине, вследствие чего сущест-венно увеличивается сцепление материала сваи с грунтом.

Проходка ствола скважин осуществляется буровыми стайками вращательного (иногда пневмоударного) бурения. В качестве рабо-чего органа служат буровые коронки, армиро-ванные победитом, шарошечные или кресто-вые долота. Для бурения могут быть исполь-зованы высокопроизводительные дизельные станки и менее производительные, но малога-баритные станки с электроприводом, приспо-собленные для производства работ в подва-лах высотой до 2 м и в стесненных условиях. При бурении в неустойчивых грунтах (супеси, пески) стенки скважин крепятся обсадными трубами соответствующих диаметров. В этих случаях обсадные трубы выполняют роль бу-рильных труб.

Бетонирование свай производится через нагнетающие трубы диаметром 18--60 мм в за-висимости от диаметра скважин под давле-нием 3--6 атм. с одновременным, по мере за-полнения скважины, подъемом обсадных труб. Нагнетающие трубы собираются на муфтах. Перед бетонированием в случае засорения скважины грунтом производится промывка во-дой. В отдельных случаях применяется опрессовка скважин воздухом, что позволяет созда-вать расширение свай (например, под укреп-ляемым фундаментом).

Диаметры корневидных свай применяются от 89 до 280 мм, длина свай может коле-баться в пределах 7--40 м и определяется геологическими условиями, характером соору-жения и величиной нагрузки. Сваи выполняются как с армированием, так и без армиро-вания. При армировании свай используется одиночная арматура диаметром 12--16 мм. В отдельных случаях в скважинах оставляют обсадные трубы или трубы для подачи ра-створа, которые выполняют роль арматуры. Расстояние между сваями определяется в за-висимости от нагрузки и несущей способности сваи. Минимальное расстояние между сваями в пределах 3--5 диаметров свай.

В проектах на основе имеющихся сведе-ний о геологическом строении участка, опре-деляется диаметр свай, их количество, нагруз-ка на сваю, которая определяется в резуль-тате статических испытаний. По результа-там испытаний свая диаметром 100 мм (по обсадной трубе), длиной 7 м, установленная в аллювиальных песках, выдерживает нагруз-ку до 22--25 т. При принимаемом коэффици-енте запаса 2,5--3,0 расчетная нагрузка на сваю в этом случае составит 10 т.

Применение корневидных свай имеет боль-шие возможности по сравнению с забивными как в отношении несущей способности, так и в проявлении значительно меньших динамичес-ких нагрузок на памятники архитектуры. Большое значение корневидных свай при при-менении их в практике реставрационных ра-бот заключается в возможности одновремен-ного усиления ими старых фундаментов, стен и оснований памятников

архитектуры.

Схема установки корневидных свай

Укрепление наземных конструкций

Укреплению наземных конструкций камен-ных зданий уделено уже достаточное внима-ние в специальной литературе, в том числе и по отношению к памятникам архитектуры. Современная строи-тельная техника способна в большинстве слу-чаев обеспечить дальнейшую сохранность разрушающейся кладки без ее разборки, и, следовательно, реставратор обязан всемерно избегать каких-либо разборок и перекладок древних частей, обеспечивая комплекс аутен-тичности реставрируемого памятника. Одним из наиболее эффективных средств укрепления разрушающейся кладки без ее разборки яв-ляется уже опробованная на многочисленных объектах инъекция.

Работы по приданию кладке монолитности нагнетанием в ее трещины раствора могут выполняться при условии предварительного устранения причин, вызвавших трещины, ина-че кладка будет снова разорвана в другом месте. Растворы для инъекции кладок памят-ников архитектуры должны проникать в тон-кие трещины; проходить, не расслаиваясь, по шлангам и широким трещинам кладки, обла-дать после твердения необходимой механиче-ской прочностью и сцеплением с кладкой, при небольшой усадочности; приближаться по фи-зическим свойствам, т. е. коэффициенту тем-пературного расширения и паропроницаемо-сти, к укрепляемой кладке; сводить до мини-мума образование высолов на поверхности кладки и исключать вредное влияние раство-ра инъекции на стенопись. Приемы проведе-ния инъекционных работ не должны, по воз-можности, оставлять заметных следов на поверхности ее.

Можно отметить целесообразность приме-нения для инъекции шлакопортландцементов или портландцементов средних и низких ма-рок 200--300. Основное предпочтение следует отдать шлакопортландцементам, обладаю-щим более высокой водоудерживающей спо-собностью, меньшей вязкостью в разжижен-ных инъекционных растворах и дающим мень-ше выцветов на поверхности кладки. Расши-ряющиеся тампонажные цементы (ВРЦ и др.) для инъекционных растворов не могут быть рекомендованы¹.

Наибольший эффект укрепления кладки инъекционным путем достигается при предва-рительном увлажнении примерно до 40--50% предельного насыщения. Можно ввести воды и меньше, имея в виду, что чем суше кладка, тем большую водоудерживающую способность должен иметь применяемый раствор.

Для улучшения качества растворов и при-ближения их физических свойств к свойствам древних кладок следует использовать добав-ки неорганических и органических пластифи-каторов и молотые минеральные вещества. Исследования показали, что малые дозы до-бавок поверхностно-активных веществ (ПАВ) значительно снижают степень вязкости инъек-ционных растворов. Наиболее эффективно вводить сульфитно-спиртовую барду (ССБ) 0,2--0,25% от веса вяжущего, особенно при укреплении сильно увлажненной кладки и на-личии тонких трещин (1,5--2 мм), абиетат натрия (аб. н.) 0,02--0,03% с добавлением тонкомолотых минеральных веществ, преиму-щественно при средних и широких трещинах. «Поливинилацетатная эмульсия (50% ПВАЭ) в количестве 2--5% эффективна при укрепле-нии кладки, где недопустимо значительное ув-лажнение ее предварительной промывкой, а также нежелательна и в дальнейшем постоянная влажность, снижающая прочность ра-створа с ПВАЭ. Обеспечивающие повышен-ную морозостойкость и снижающие появление высолов добавки мылонафта в количестве 0,2--0,3% следует применять для укрепления наружных деталей и фрагментов каменной кладки, находящихся в условиях резких ко-лебаний температур, например наружных ко-лонн, парапетов и др.

При нагнетании со значительным количеством во-ды эффекта расширения в таких цементах не происхо-дит. Но они с успехом могут использоваться для зачеканки полусухим раствором раскрытых швов в кладке сводов -- операции, часто сопутствующей инъекционным работам.

Вопрос долговечности укрепления инъек-ционными растворами каменной кладки па-мятников архитектуры тесно связан со сни-жением коэффициента температурного линей-ного расширения вводимых растворов. Этот коэффициент для кирпичной кладки на изве-стковом растворе колеблется в пределах 4,5--10⁶ до 6-10^-6 и для кирпича близок к величине 4,5--5-10^-6. Чисто цементный ка-мень, в зависимости от водоцементного отно-шения, при котором он затвердел, имеет коэф-фициент температурного расширения около 18-10^-6 при В/Ц =0,3 и снижается примерно до 10-10^-6 при В/Ц=0,5. Поверхностно-ак-тивные добавки мало снижают коэффициент температурного расширения, сильнее влияют включения мелкомолотых веществ.

При инъекции трещин, проходящих парал-лельно наружной поверхности стен, серьез-ное значение будет иметь достаточная паропроницаемость затвердевшего инъекционного раствора, которая для старых известково-песчаных растворов сравнительно велика и достигает 1,6--1,8-10^-2 г/м-ч-мм. Растворы цементно-песчаные имеют паропроницаемость не более 1,1-10^-2 г/м-ч-мм, а жирные бес-песчаные еще меньшую.

Повысить паропроницаемость инъекцион-ных растворов можно с помощью шлакопортландцемента, а также введения поверхностно-активных веществ и тонкомолотых добавок. Минеральные добавки следует применять с вы-сокой тонкостью помола (через сито в 10 000 отв/см²). Молотый кирпич рекомендуется ис-пользовать при нагнетании в трещины массивной и особенно влажной кладки, а из-вестковую пыль -- в сухих частях здания, особенно при более тонких конструк-циях.

Гипсовые растворы, легко разрушающиеся при увлажнении и имеющие высокий коэф-фициент температурного расширения, могут быть допущены с добавками 15--'20% тонко-молотой цемянки (тертого кирпича) и замед-лителей твердения лишь при укреплении сухих массивов, обладающих повышенным коэффи-циентом температурного расширения, напри-мер кладок из твердых разновидностей изве-стняка, песчаника и др. Глиняные растворы применимы лишь для заполнения пустот в кладке фундаментов, особенно при влажных грунтах, но с обязательной добавкой во всех случаях не менее 15--20% цемента.

Инъекционные, растворы на основе моло-той извести-кипелки, в сочетании с замедли-телями твердения (ССБ и др.), могут быть рекомендованы лишь для особых случаев при укреплении грунта стенописи и расположенной вблизи нее кладки. Технология применения таких растворов всецело зависит от индиви-дуальных свойств кипелки и требует подбора состава раствора на основе лабораторных опытов.

Добавка к цементу извести в тесте (10-- 15% на сухое вещество) применима при за-полнении большинства трещин в кладке на-земных конструкций, однако в случае трещин размером более 15--20 мм следует вводить еще в равном количестве молотую минераль-ную пыль, а при тонких '(менее 1,5--2 мм) и 0,2--0,25% ССБ.

Применение ускорителей схватывания це-ментного раствора (хлористого кальция и др.) способствует появлению выцветов на поверх-ности кладки. Употребление таких добавок может быть оправдано только для быстрей-шего укрепления аварийных конструкций.

Нагнетание растворов в трещины кладки без пробивки отверстий и вмазки в них тру-бок успешно осуществляется при помощи при-жимных инъекторов (рис. 114, 115). Для этого над трещинами формуются при помощи де-ревянного пуансона гипсовые розетки с отвер-стием в дне. После обмазки трещин к ро-зетке прижимается инъектор с резиновой оболочкой и раствор нагнетается в толщу кладки насосом (рис. 116). При преобладании широких трещин может быть использован и конический тип инъектора, для которого от-верстия формуют не на поверхности, а уже в самой трещине, в толще кладки.

Разрушающиеся конструкции архитектур-ных памятников нуждаются, однако, и в ук-реплении самого их материала, теряющего свою прочность под влиянием агрессивных воздействий природы. В отдельных случаях приходится заменять разрушенные материалы новыми. Но выбирать постоянно такие реше-ния---значит встать на путь подмены ориги-нальных древних сооружений макетами. От-сюда очевидна вся важность укрепления мате-риала памятника.

Разрушение материала каменных зданий, т. е. самого камня, происходит прежде всего от увлажнения. Характер воздействия атмос-ферных осадков наиболее ясен и очевиден. Менее ясен характер увлажнения в результате поднятия по капиллярам грунтовых вод, как и

конденсационное увлажнение каменных кон-струкций. Их часто путают между собой, потому что нередко один и другой вид совмещаются в одном массиве кладки. В кон-тинентальном климате переход к весенне-лет-нему потеплению, а также резкое потепление зимой сопровождается выпадением влаги воз-духа на еще холодный камень. При резком потеплении (на 20--25°С) разность темпера-тур наружного воздуха и стен доходит до 10-- 20°С. В этом случае теплый воздух, охлаж-даясь у стен здания снаружи и внутри, до-стигает в пристенном слое предельного насы-щения влагой, выпадающей на холодный ка-мень в виде росы и замерзших кристаллов. Такое увлажнение отчетливо можно наблю-дать на колоннах, сложенных из изверженных пород (гранит, базальт). Выпадение влаги воздуха на колонны и стены здания, сложенные из известняка или кирпича, менее заметно, так как конденсирующая вла-га впитывается в поры камня. Например, мас-сивные колонны Большого театра в Москве, диаметром 1,8 м, после суровой зимы весной 1972 г. при начале оттепели имели внутри кладки влажность, доходившую до 16--17%.

Перемещение влаги в кладке и ее концен-трация в отдельных зонах и плоскостях зави-сят от многих причин: водяной пар переме-щается из области, где упругость водяного пара выше, в область более низких давлений; часть водяного пара может быть перемещена в виде паровоздушной смеси под действием ветрового напора; жидкая влага перемещает-ся в капиллярах за счет капиллярного всасы-вания материала, заполняя в первую очередь более узкие капилляры. При разной темпера-туре наружной и внутренней плоскости стены влага перемещается к более холодному слою кладки. Например, при температуре +10°С и 60% влажности упругость водяных паров со-ставляет е₁= 9,21·0,6 = 5,54 мм рт. ст., а при температуре -- 10°С и 80% влажности воздуха всего е₂=1,95·0,8 = 1,56мм рт. ст. Разность давления е₁ -- е₂ = 5,54--1,56 = 4 мм рт. ст. бу-дет вызывать перемещение водяных паров из теплой в холодную зону. В весенний период увлажнение кладки происходит преимущественно в результате передвижения водяных паров внутрь охлажденной кладки. Летом начинается капиллярный выход влаги обратно к наружным плоскостям кладки. Однако и при этом продолжается передвижение водяных паров в толщу отстающей в прогреве кладки. Осенью и в первой половине зимы происходит перемещение водяных паров, но уже из тол-щи еще теплой . кладки к наружной поверх-ности стен. Древние здания обладают, как правило, очень массивными стенами в нижних ярусах, толща которых прогревается значи-тельно медленнее, что создает условия их по-вышенного увлажнения за счет конденсата паров воды. Наличие заглубленных в землю подклетов, слабо прогреваемых летом, создает в этой зоне здания еще более влажную среду.

На микроклимат пристенного слоя сильно влияет наличие водорастворимых солей в кладке. Известно, что давление на-сыщенного пара-растворителя (воды) над раствором солей падает. Таким образом, по-рог конденсации водяного пара над участ-ками кладки, содержащими солевой раствор, будет ближе и выпадение конденсата начнется раньше. Практически это значит, что влага будет выпадать в виде конденсата не при 100% относительной влажности при-стенного слоя воздуха, а уже при 90% никог-да даже при 80%. Это явление получило ин-тересное подтверждение при исследовании кладки мавзолея Гур-Эмир в Самарканде. Некоторое увеличение абсолют-ной влажности воздуха в июне 1969 г. в связи с выпавшим накануне дождем, со-впавшее с похолоданием, привело к выпаде-нию конденсата в интерьере только из-за при-сутствия хлористых соединений в штукатурке.

ЗАПАДНАЯ СТЕНА

% содержание

S0_э

/у гробницы Воронцова/

Сферический инъектор

Схема инъектирования трещин

1 - бак; 2 -- вороыка для промывки водой; 3 -- запорный кран; 4 -- сггускной кран; 5 -- шланг

10 20

глубина взятия проб в см.

см

По прямым расчетам, без учета солей влаж-ность воздуха не достигала еще точки росы. При исследовании климата Дмитриевского собора во Владимире нами было, в частности, установлено, что наличие в камнях кладки хлористых солей (NаС1) снижало порог кон-денсации воздуха. Например, при температуре воздуха +1°С -- на 0,64 мм рт. ст., что соответствовало началу выпадения конденсата при 87% влажности воздуха, а при +9°С -- на 0,95 мм рт. ст., что соответствует примерно от-носительной влажности воздуха 89 %. Еще силь-нее влияют СаС1₂-6Н₂О, снижающие, например, давление при +10°С на 1,30 мм рт. ст., что вы-зывает выпадение конденсата при 86% влаж-ности воздуха. При тех же условиях наличие солей МgSО₄·6Н₂О снижает давление на 0,83 мм рт. ст., а NаSО₄·10Н₂О на 0,97 мм рт. ст. Дж. Массари наблюдал в церквах Ве-неции на поверхности мрамора, имевшего зна-чительную засоленность, выпадение конденса-та уже при 76% относительной влажности воздуха.

Поднятие влаги из грунта может само по себе иметь три причины. При высоком стоянии грунтовых вод, например, в пределах обычной 2--2,5 м глубины фундаментов обеспечено под-нятие воды по капиллярам кладки. Древние строители знали это. Поэтому в болотистых районах севера, где до грунтовых вод иногда не было и метра, они часто применяли для фундаментов валунную безрастворную наброску, т. е. кладку, не дававшую никакого ка-пиллярного поднятия влаги из грунта. В более южных районах в качестве связующего для кладки фундаментов применялась глина, не всегда дошедшая до нашего времени в хоро-шем состоянии. Второй источник поступления влаги из грунта -- вода, скапливающаяся в верхних слоях от выпадающих дождей и таю-щего снега, так называемая «верховодка». При наросшем культурном слое она непосред-ственно подходит к кладке стен. В древних памятниках этот вид увлажнения встре-чается очень часто, особенно при ску-ченном расположении зданий, высоком куль-турном слое, отсутствии должной отмостки и задерживающей сток растительности. Мно-гое зависит от наслоений грунта, от расположения водоупорных слоев. Может случиться, что и широкая отмостка во-круг здания не будет иметь эффекта и потре-буется устройство дренажной системы. Приме-ром может служить мавзолей Гур-Эмир в Са-марканде. Двор вокруг мавзолея вымощен плитами, но это, однако, не спасает цоколь памятника от увлажнения верховодкой и ливнями. Вода проникает также под настил через швы и оставленные открытыми участки для клумб.

Третьим источником влаги, поступающей к фундаментам из грунта, следует назвать водя-ные пары, двигающиеся из толщи грунта вверх к охлажденным слоям земли. Это происходит под влиянием разницы парциаль-ного давления водяных паров при различной температуре. В глубине при температуре око-ло +5°С давление насыщенного пара составит 6,54 мм рт. ст., а на поверхности земли зимой у промерзшего грунта или фундамента при минусовой температуре (--5°С) -- всего 3,01 мм рт. ст. Поднимающийся пар охлаж-дается, конденсируется и частично превра-щается в лед, который весной оттаивает, увлажняя грунт и кладку. Этот эффект изве-стен в агротехнике и до некоторой степени способствует сохранению деревьев, окольцо-ванных асфальтом на улицах большого города. Интенсивность увлажнения путем диффузии зависит от степени влажности залегающего внизу грунта, а главным образом от степени паропроницаемости его непосредственно под фундаментом здания. В противоположность верховодке накопление влаги будет более ин-тенсивным при отсутствии глинистых просло-ек, при песчаном зернистом грунте. Кроме того, как это ни парадоксально звучит, посто-янная уборка снега вокруг памятника охлаж-дает грунт и способствует более интенсивному притоку диффузионной влаги к верхним слоям грунта под отмосткой и фундаменту здания.

Атмосферная влага, особенно при ливневых дождях, сама по себе оказывает постепенное, хотя и медленное, разрушающее влияние на кладку. Увлажнение конструкций любым путем, с последующим замораживани-ем, также нарушает поверхностные структуры камня, а иногда приводит и к растрескиванию его, особенно когда внутри каменных конст-рукций находится железная арматура (в этом случае растрескивание происходит из-за кор-розирующего металла).

Одним из наиболее активных разрушаю-щих агентов при увлажнении кладки являют-ся минеральные соли. Источники засоления кладки весьма многообразны. Соли могут на-ходиться в строительных материалах здания, поступать в результате подсоса минерализо-ванных грунтовых вод; из атмосферы часто заносятся сернистые соединения от дыма и копоти котельных. Источником засоления яв-ляются также материалы, используемые в ре-ставрации и при ремонтах: известь, камень, цемент, антисептики. Суть разрушения солями заключается в том, что вследствие капиллярно-го движения влаги создается приток минерали-зованной воды из толщи камня к поверхности кладки. В результате испарения воды проис-ходит обогащение поверхностных слоев камня солями и при их кристаллизации начинается разрушение кладки. Особенно интенсивное разрушение возникает в местах, не подвержен-ных естественному промыванию дождевой водой или систематически не очищаемых. На процесс разрушения сильное влияние может оказывать состав солей. Сульфаты натрия или магния, например, связывают при кристалли-зации значительное количество воды в кристаллогидрат. Образующиеся при этом кристаллы большой величины способствуют превращению поверхностных слоев камня в мучнистую осыпь, а при наличии настенной живописи вызывает отрыв и разрушения левкасного слоя с фреской. При этом следует учитывать, что основная борьба с выходом со-лей к поверхности кладки -- это устойчивое и постепенное снижение влажности кладки. Чем быстрее влага испаряется с поверхности кам-ня, тем скорее он будет разрушаться, тем глубже пойдет процесс разрушения, конечно при прочих равных условиях --засолении камня, степени влажности и температуры. Следовательно, повышенная вентиляция па-мятника снаружи и внутри может способство-вать более быстрому разрушению белого камня или кирпича, насыщенного сернокис-лыми солями. Это, на первый взгляд, пара-доксальное положение подтверждается иссле-дованиями лаборатории ВПНРК, проводивши-мися в основном на Дмитриевском соборе во Владимире в 1969--1971 гг.

Часто при обследовании древних памятни-ков можно встретить несколько разновидно-стей разрушения камня солями. Верхняя часть стен под венчающим карнизом, как правило, не увлажняется и разрушений там почти не-заметно. Промежуточный пояс увлажняется почти при любом дожде, как и нижняя цо-кольная часть стен. Выступающие на по-верхность солевые растворы внизу у цоколя смываются водой и, при наличии надлежащей отмастки, уходят за пределы памятника. В худшем положении находятся камни под увлажняемым поясом. Вода, поглощаемая этим карнизом, растворяет находящиеся в толще каменной кладки соли, выносит их па поверхность под поясом, где они не смывают-ся дождями, а затем влага быстро испаряется, соли же, кристаллизуясь, разрушают кладку.

Внутри помещений увлажнение кладки мо-жет происходить за счет подсоса грунтовых вод или за счет конденсата влаги из воздуха, возможно и сочетание обоих источников ув-лажнения.

Чтобы защитить камень памятников архи-тектуры от разрушения или, во всяком случае, максимально его замедлить, необходимо пре-дельно сократить действующие процессы не-прерывного увлажнения в конструкциях. Первостепенное значение при этом приобрета-ют правильно сконструированные и организо-ванные крыши, кровли и водостоки. Уже с XVII в. у русских строителей определилось, в этой связи, стремление перейти к четырех-скатному покрытию с большими, чем ранее, свесами кровли. Такие переделки имели место на многих памятниках. При подобных пере-стройках, конечно, изменился облик памятни-ка, а иногда и повреждались архитектурные конструкции в пределах кровли. Однако следу-ет подчеркнуть, что такие перестройки спасли от полного разрушения и сохранили до нашего времени не один древний памятник архитек-туры.

В процессе реставрации эти памятники часто вновь переделываются с целью возвра-щения им сложных, но более декоративных деталей кровельных покрытий. Вместо про-стых кровель вновь появляются позакомарные покрытия, имеющие открытые каменные кров-ли или галереи и много незащищенных камен-ных декоративных фрагментов. Все эти детали более красивы, но менее удобны в эксплуата-ции. А самое главное---несомненно более уяз-вимы для разрушительных сил природы. Поэ-тому решение о восстановлении первоначально-го покрытия должно приниматься только при наличии веских доводов и на тех уникальных памятниках, где может быть обеспечен посто-янный, значительно более сложный и трудоем-кий уход за позакомарной кровлей.

Комплекс мероприятий по защите памятни-ка от увлажнений должен быть продуман, за-ложен в проект "реставрации и осуществлен одновременно с общим процессом производст-ва работ. В противном случае можно поду-мать, что наши стремления к воссозданию эле-ментов памятников ограничиваются лишь це-лями их лицезрения «на сегодня», без жела-ния сохранить культурное наследие для наших потомков.

Если все же принимается решение перейти к первоначальному виду кровли, то при вос-становлении и реставрации каменных покры-тий, и особенно водостоков, должен быть про-думан и организован весь путь прохождения ,воды с тем, чтобы исключить возможность ее задержки из-за обратного уклона или засоров падающей листвой и намерзания льда. Сле-дует также исключить возможность подтека-ния воды из-за отсутствия капельников. Ре-комендуется также на пути следования воды применять безусадочный раствор, исключаю-щий возможность образования усадочных раз-рывов, в которые проникала бы вода. Особен-ное внимание должно обращаться на водометы. Ни обыкновенный бетон, ни тем более раствор на кирпичном или слабоизвестняковом щебне, ни средней прочности известняковый камень не выдерживают суровых условий этих посто-янно увлажняемых конструкций водосброса. Металлические лотки не допускают больших выносов и при обмерзании весной быстро ломаются. Разрушение водометов, к сожалению, довольно частое явление в нашей практике, отрицательно сказывающееся на сохранности памятников, -- вода не отбрасывается, а стека-ет по стенам, разрушая кладку и повреждая декоративные элементы. Водометы должны из-готовляться из специально подобранных плот-ных известняков либо приготовляться по пра-вилам для гидротехнических бетонов, с вводом в их состав воздухововлекающих или, что луч-ше, гидрофобизирующих добавок. Неплохой результат может дать изготовление водометов из некоторых видов пластмасс по примеру ка-пителей, отлитых для Борисоглебского собора в Чернигове.

Можно защитить и непосредственно самую поверхность камня. За последние годы значи-тельную популярность приобрели составы, гидрофобизирующие поверхность кладки, чем снижается увлажнение ее от капельножидкой влаги. Миграция водяных паров через слой гидрофобизированного камня должна оста-ваться.

Кремнийорганические полимеры все больше находят применение для защиты каменных ма-териалов от увлажнения. Молекулы этих веществ, адсорбируясь на поверхности гидро-фильного (легко увлажняемого) твердого тела, ориентируются своими гидрофобными (водо-отталкивающими) концами наружу, создавая своего рода гидрофобную щетку, которая и образует защиту против смачивания ранее гидрофильного твердого тела. Наиболее пол-ный эффект защиты на 8'--10 лет достигается при определенном, максимально возможном покрытии гидрофильной поверхности ориен-тированным мономолекулярным слоем этого вещества. Количество и концентрация наноси-мого гидрофобизатора должны быть строго регламентированы.

В начале 1960-х гг. раствором этилтрихлорсилана, после очистки от загрязнений, был покрыт Мраморный дворец в Ленинграде. Эта обработка имела ограниченный успех, вероят-но, из-за образования следов соляной кисло-ты -- продукта, образующегося при распаде силанов.

Значительно лучше сохранились выполнен-ные временно из гипса наружные порталы Спасского собора Андроникова монастыря в Москве, обработанные в 1960 г. тем же пре-паратом.

Работы по гидрофобизации кладки ослож-няются ее засоленностью. Многие памятники архитектуры, особенно из естественного белого камня, содержат много водорастворимых со-лей. В результате увлажнения камня осадка-ми, подсосом грунтовых вод или в результате выпадения конденсата соли в жидкой фазе мигрируют к поверхности камня, влага испа-ряется, а кристаллизующиеся соли отклады-ваются либо на поверхности, либо в наруж-ных слоях камня. Последнее приводит к посте-пенному разрушению камня, особенно когда в составе солей присутствуют сернокислые сое-динения. При кристаллизации эти соединения связывают большое количество воды и твер-дые кристаллогидратные соединения увеличи-ваются при этом в объеме. Многие памятники Владимиро-Суздальской земли подвержены такому разрушению.

Если создать гидрофобный поверхностный слой на засоленной каменной кладке, то мигрирующая влага в камне, достигая изнут-ри, у поверхности камня, этого слоя, проходит наружу в виде пара, соли же остаются в кам-не. Постепенно накапливаясь, соли отрывают поверхностный слой камня толщиной уже в несколько миллиметров. Причем слой тем толще, чем интенсивнее была проведена гидрофобизирующая обработка камня. Исследова-ния лаборатории ВПНРК установили значи-тельное снижение эффекта гидрофобизации (примерно на 50%) при засоленности кладки.

Как правило, насыщенность солей у по-верхности стен внутри здания выше наружной поверхности кладки. Так, например, кладка Дмитриевского собора во Владимире посте-пенно разрушается в столбах и на внутренних плоскостях стен благодаря кристаллизации сернокислых соединений в поверхностном слое камня с образованием кристаллогидратов. На наружном фасаде соли смываются дождя-ми, за исключением мест в аркатур ном поясе под арочками, куда дожди не попадают и со-ли кристаллизуются. Там камень местами раз-рушен на глубину 5--8 см.

Гидрофобизация известнякового камня и других материалов, ослабленных временем в древних архитектурных сооружениях, должна проводиться с большой осторожностью, Необ-ходимо до производства работ, особенно вбли-зи цоколя и в самом цоколе, проверить соле-вой состав камней и строительных растворов, а также применять соединения, исключающие возможность появления водорастворимых со-лей из самого гидрофобизирующего продукта, которым обрабатывается кладка.

Для сохранения материала кладки сущест-венно удалить из него водорастворимые соли. Казалось бы, что наиболее простой способ уда-ления солей из камня --это периодическая промывка его водой. Подобная промывка -- опрыскивание -- применялась в 1962 г. при реставрации брюссельской ратуши, сооружен-ной из известнякового песчаника и известня-ка. К сожалению, очистка камня путем по-верхностной промывки не решает этого вопро-са для всех случаев. Камни плотной структу-ры -- изверженные породы и некоторые дру-гие, -- очевидно, легко могут быть очищены промывкой. Что же касается известняка и других камней с относительно рыхлой струк-турой, то при промывке часть солей из поверх-ностного слоя неизбежно переместится в тол-щу камня вместе с водой, которую камень жад-но впитывает, а затем в зависимости от степе-ни его увлажненности эти соли или отложатся в его порах, или снова будут мигрировать в поверхностные слои. Следовательно, вопрос о полезности промывки каменной кладки сле-дует решать конкретно в каждом отдельном случае.

При сильно разрушенной засоленной по-верхности камня промывку водой следует за-менить вытяжкой солей с помощью наклады-вания бумажных пульп из разваренной или фильтровальной бумаги, обильно смачиваемой дистиллированной или охлажденной до ком-натной температуры кипяченой водой. При этом время от времени засоленная бумага сме-няется чистой, и процесс возобновляется сна-чала. Вероятно, этот способ можно совместить с поверхностной промывкой. Остающаяся пос-ле вытяжки часть сернокислых солей может быть переведена в нерастворимые соединения путем нагнетания в кладку растворов солей ба-рия. Необходимо попутно отметить возмож-ность ускоренного вывода солей в бумажную массу путем так называемого электродиализа. Такой прием был осуществлен П. И. Костро-вым при выводе солей из снятых уже со стен Пенджикентских росписей.

Обработка водой и паром, проводившаяся еще в конце XIX в. в Париже и Лондоне, по мнению Р. Дж, Шеффера, одного из наиболее компетентных английских специалистов по консервации камня, давно не использовалась из-за появившихся повреждений камня. Воз-можно, что они возникли в связи с добавлени-ем в воду соды. Промывка кирпичной кладки Московского Кремля с помощью пара в 1974 г. показала эффективность этого способа при применении его на кладке с достаточно проч-ной поверхностью. Предложенный в Германии метод извлечения солей путем циркуляции во-ды сквозь толщу камня применим пока лишь для музейных объектов. За последние годы при промывке каменной скульптуры все чаще при-меняются также 'различные смеси с орграстворителями и поверхностно- активными добав-ками.

Систематическое обессоливайте благопри-ятно для сохранения камня. В то же время даже небольшие, необмываемые рытвины и каверны могут служить местом накопления со-лей и дальнейшего солевого разрушения кам-ня. Образовавшиеся глубокие каверны в цо-кольных камнях дворца в Боголюбове будут развиваться дальше. Наилучший способ кон-сервации, после некоторого обессоливания, должен заключаться в заделке этих каверн раствором, достаточно хорошо пропускающим миграцию солей к поверхности кладки.