3.2.3. Реставрация конструктивных элементов каменных сооружений

Реставрации несущих и ограждающих фрагментов каменных зданий должно предшествовать тщательное и подробное исследование натурных остатков с целью выявления и правильного выбора породы камня, определения геометрической формы восстанавливаемых элементов, воспроизводства техники и рисунка кладки, специфики взаимодействия сооружения со средой эксплуатации.

При выборе пригодных для реставрации каменных блоков следует ориентироваться на камень, добываемый в местных карьерах, поскольку использование материала исходного месторождения обычно осложнено невозможностью возобновления его разработки. Обязательно определяются основные физико-механические характеристики камня, трудоемкость его обработки, нюансы цветовых оттенков и фактуры, т.е. факторы максимально сближающие реставрационный элемент с утраченным или частично разрушенным подлинником.

В случае регулярного характера рисунка кладки восстанавливаемых частей или замены отдельных блоков с заранее известными размерами заготовка последних производится вне стройплощадки. При нерегулярной кладке из груботесанных блоков или валунов подбор блоков осуществляется непосредственно на месте.

Разрушение материала каменных зданий происходит в основном за счет увлажнения их конструктивных элементов. В данном случае имеется ввиду совместное разрушающее действие атмосферных осадков, капиллярного подсоса грунтовых часто минерализованных вод, конденсационное увлажнение камня за счет перепада температур по сечению кладки. Атмосферная влага, скапливающаяся в порах и неплотностях камня, является одним из факторов, связанных с процессами физического выветривания, определяющими морозо- и атмосферостойкость ограждающих конструкций.

Поднятие влаги из грунта обусловлено в основном капиллярным подсосом кладкой высокостоящих (2-2,5 м) грунтовых вод, а также воды «верховодки», скапливающейся в верхних слоях от выпадения дождей и тающего снега. Причиной увлажнения ограждающих элементов сооружения являются также водяные пары, двигающиеся из толщи грунта вверх к его охлажденным слоям. Интенсивность такого процесса диффузии зависит от характера, степени влажности и паропроницаемости грунта непосредственно под фундаментом здания.

В ряде случаев разрушение каменной кладки связано с увлажнением ее минерализованными водами. Минеральные соли могут содержаться как в самих строительных материалах сооружения (камень, кладочный или штукатурный растворы), так и подсасываться из насыщенных этими солями грунтовых вод. Кроме этого они могут содержаться в атмосферной влаге промышленных населенных пунктов. Механизм разрушения камня в данном случае взаимосвязан с капиллярными процессами, идущими в кладке, в результате чего минерализованная вода, двигаясь из толщи к поверхности ограждающих конструкций, испаряясь, обогащает их наружные слои солями, которые, кристаллизуясь, разрушают поровую структуру материала.

Интенсивность такого разрушения зависит от состава солей. Так, сульфаты натрия и магния, связывая при кристаллизации значительное количество воды, образуют кристаллогидраты больших размеров, которые превращают поверхностный слой камня в мучнистую осыпь или вызывают отрыв штукатурных слоев.

Основными способом борьбы с выходом солей на поверхность кладки является устойчивое и постепенное снижение ее влажности за счет использования эффективных методов отвода воды, не устраняя при этом диффузии водяного пара через ограждающие конструкции. Что касается ограничения проникновения в кладку атмосферной (дождевой) воды, то здесь наилучший результат достигается за счет гидрофобизации поверхности камня.

Следует иметь в виду, что гидрофобизирующий эффект резко снижается при засоленности кладки, вследствие чего предварительно необходимо провести работы по удалению из нее растворимых солей. С этой целью для плотных пород камня производится поверхностная промывка, а потом – вытяжка солей из более глубоких слоев кладки путем накладывания на поверхность бумажных пульп из разваренной или фильтровальной бумаги обильно смоченной дистиллированной или охлажденной кипяченой водой. Подобная операция производится при многократной замене засоленной бумаги чистыми тампонами. Для ускоренного вывода солей в бумажную массу используется электродиализ – очистка (отделение) раствора от примесей под влиянием приложенного электрического поля.

Наиболее эффективным способом защиты памятников архитектуры от физико-химического разрушения является сочетание глубинной и поверхностной пропитки камня гидрофобизирующими составами на основе кремния при сохранении высокой паропроницаемости пропитанного слоя.

К этой категории гидрофобизаторов, в частности, относятся составы на основе метилфенилсилоксановых олигомеров (КО-921, К-9), полиметилсилозана (МСН-7), тетраэтоксилана и др. Высокий, но не долговременный эффект достигается обработкой кладки 1-5% растворами таких гидрофобизаторов, как ГКЖ-94 и ГКЖ-94М.

Поскольку кремнийорганические соединения сами по себе не отличаются значительным укрепляющим действием, то для реставрационных работ рекомендуется использовать их смеси с полиакрилатами и поливинилацетатами. Это способствует достижению оптимальных значений таких показателей композитов, образующихся при пропитке реставрируемых материалов, как прочность, эластичность, газо- и паропроницаемость, прозрачность и др.

Для гидрофобизации и укрепления штукатурок и высокопористых известняков можно использовать низкомолекулярные полиэтиленовые воски в виде 5-10% растворов в уайтспирите по нагретой до 50-60°С поверхности камня.

Поскольку каменная кладка работает совместно с растворами, скрепляющими отдельные блоки в единую ограждающую конструкцию, то в процессе реставрации необходимо учитывать специфические свойства растворных смесей, использованных старыми мастерами. В данном случае залогом успеха реставрационных работ является выбор составов близких по своим физико-механическим свойствам к подлинным. Хорошее сцепление новых растворов с основной кладкой достигается при их минимальной усадке, в связи с чем предпочтительно использование тощих растворных смесей. Стремление повысить сцепление за счет введения в раствор современных полимерных добавок привод к росту усадочных деформаций, снижению паропроницаемости и, как результат, нарушению кладочных швов и штукатурных покрытий.

Необходимо также учитывать и разницу в величине коэффициента температурного расширения различных по составу растворов – для жирных цементных смесей он в два раза выше, чем для известковых. Из старых кладочных материалов наиболее подходящими являются трассо-цементно-известковые растворы, обладающие высокой эластичностью, однородностью, хорошо выравнивающие влажность по сечению шва.

Для укрепления кладки надземных каменных конструкций без ее разборки используются инъекционные (вводимые в трещины) растворы. Они должны хорошо проникать в тонкие трещины, не расслаиваясь при этом; обладать после отвердевания необходимой механической прочностью и сцеплением с кладкой при минимальной усадке; характеризоваться коэффициентами температурного расширения и паропроницаемостью близкими по значению к соответствующим показателям укрепляемой кладки; хорошо противостоять образованию высолов, не оказывая при этом вредного влияния на фрески и другие виды декоративной стенописи. Наиболее целесообразным является использование в инъекционных растворах дающего меньшие выцветы шлакопортландцемента (или портландцемента марок 200-300), отличающегося высокой водоудерживающей способностью и пониженной вязкостью в разжиженном состоянии.

Для зачеканки раскрытых швов в кладке сводов возможно применение полусухих растворов на водонепроницаемом расширяющемся цементе (ВРЦ).

Снижение степени вязкости, повышение паропроницаемости инъекционных растворных смесей и приближение их к свойствам старых кладок возможно за счет введения в эти смеси органических пластифицирующих и тонко молотых минеральных добавок. Наиболее эффективными пластификаторами в данном случае являются:

а) сульфитно-спиртовая барда (ССБ) (0,2-0,5% от массы вяжущего) – для укрепления сильно увлажненных кладок при наличии в них тонких (1,5-2 мм) трещин;

б) абистат натрия (0,02-0,03% от массы вяжущего) с добавлением тонкомолотого минерального наполнителя – при инъектировании средних и широких трещин;

в) поливинилацетатная эмульсия 50% концентрации (2-5% от массы вяжущего) – для кладок, подвергшихся непрерывному увлажнению;

г) мылонафт (0,2-0,3% от массы вяжущего) – для укрепления фрагментов каменной кладки, подвергающихся действию резких колебаний температуры.

В качестве дисперсных минеральных добавок обычно используются: тонкомолотый кирпич (цемянка) – для растворов, нагнетаемых в трещины массивной и, особенно, влажной кладки; известковая пыль – для закрепления сухих частей зданий и тонкостенных конструкций.

Для закрепления кладки, расположенной вблизи грунтов стенописи, применяются растворы на основе извести-кипелки в сочетании с добавками – замедлителями твердения (ССБ и др.). Укрепление не подвергающихся увлажнению элементов сооружений, возведенных из обладающих повышенным коэффициентом температурного расширения, плотных пород камня (плотные известняки, песчаники и др.), возможно растворами на гипсовых вяжущих, но только с добавками (15-20%) цемянки и замедлителей схватывания.

В случае восстановления на старой каменной кладке штукатурных растворов необходимо сначала на предварительно очищенное основание нанести набрызгом цементно-песчаную смесь так, чтобы она покрыла всю поверхность и проникла на достаточную глубину в швы кладки.

После схватывания «набрызга» наносятся второй более жирный, эластичный, выравнивающий слой цементно-известково-трассного раствора и по нему – слой верхний с бóльшим содержанием извести. При теплоизоляционной штукатурке (на пористом заполнителе), отличающейся пониженным сцеплением с водопоглощающей кладкой, покрытие осуществляется по изготовленной из нержавеющей стали арматурной сетке.

Хорошо инъектируемые, обладающие повышенной текучестью цементные и известковые растворы, отличающиеся пониженной усадкой и повышенными прочностными характеристиками получают за счет введения в эти рабочие смеси увеличивающихся в объеме при твердении добавок сульфоалюмината кальция (САК) – 2СаО·3Аl₂O₃·СаSО₄.