рис_1

Выветривание гранита в условиях городской среды

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Facebook
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс

Панова Е.Г., Санкт-Петербургский государственный университет;

Власов Д.Ю., Санкт-Петербургский государственный университет;

Harma Paavo, Геологическая служба Финляндии

Рисунок 1. (главная фотография) Физическое выветривание гранита. Огрубление поверхности

Гранит по праву считается одним из каменных символов нашего города. В строительстве Санкт-Петербурга использованы розовые граниты рапакиви, каарлахтинский, гангутский, валаамский, из Антреа, а также серые граниты: сердобольский, ништадтский, из Ковантсари. Все они имеют свои характерные, различимые невооруженным глазом особенности окраски, зернистости, рисунка, определяемые их минеральным составом и структурой. О каменном убранстве Санкт-Петербурга, об истории добычи камня и строительстве можно прочесть в замечательных книгах А.Г. Булаха (1987, 1999, 2004 и др.). Использованию гранита в современной архитектуре Петербурга посвящены книги А.Я. Тутаковой (2011, 2014).

В XVIII веке строится Петропавловская крепость, набережные Нева были одеты гранитом рапакиви, появились изогнутые гранитные мостики и мосты через реки и каналы, лестницы и пандусы для спуска к воде. Гранитом рапакиви облицованы основания многих дворцов и домов. Огромные монолиты гранитов использованы в качестве пьедесталов памятников; наш город украшает Александровская колонна, прекрасны колоннады Исаакиевского и Казанского соборов.

Мы каждый день видим камень в архитектурных сооружениях нашего города, он вокруг нас, такой прочный, надежный и вечный. Однако это не совсем так. Под действием воды, ветра, из-за перепада температур разрушаются механические связи между частицами камня. Породообразующие минералы (такие так полевые шпаты, слюды, пироксены, амфиболы и другие) превращаются в глинистые минералы и вымываются из породы. Вредное химическое воздействие оказывают газы и вещества, находящиеся в воздухе и воде. При растворении углекислого газа воздуха в дождевой воде образуется угольная кислота, которая начинает кислотное выщелачивание. За счет кислорода воздуха происходит окисление и переход химических элементов в закисные формы. В результате ветровой эрозии пыль, а также семена низших растений (мхов и лишайников) попадают в поры и трещины камня, оказывая биодеструктивное воздействие на камень.

Неудивительно, что разрушение камня в городской среде протекает значительно быстрее, чем в естественных условиях. Это обусловлено комплексным воздействием физических, химических и биологических факторов, которые тесно взаимосвязаны. Исследования показали, что развитию биоколоний предшествуют повреждение камня за счет абиотических факторов. Они подготавливают поверхность камня для его последующей биологической колонизации. Прежде всего это связано с изменением структуры поверхности и появлением трещин, каверн, неоднородностей поверхности, где могут аккумулироваться и развиваться микроорганизмы.

На основе проведенных исследований выделены три группы разрушений: абиогенное (физическое и химическое), биогенное и антропогенное (Оценка.., 2015; Панова, Власов, 2015).

Физическое выветривание – это дезинтеграция породы без существенного изменения состава обломков. Физическое выветривание происходит в основном под действием изменения температуры, замерзания/оттаивания воды, кристаллизации содержащихся в капиллярной воде солей, а также ветра. Особое место занимает ударное действие ветра, роль которого возрастает в крупных мегаполисах из-за большого количества пыли, которая оказывает абразивное воздействие на породу. Загрязненная атмосфера – один из самых мощных, постоянно действующих факторов воздействия на камень в архитектуре крупных мегаполисов. Пыль – это мельчайшие твердые взвешенные частицы, которые могут иметь как природное, так и техногенное происхождение. Источником частиц природного происхождения являются продукты выветривания облицовочного камня и архитектурных построек, а техногенные частицы поступают в атмосферу в виде выбросов предприятий и транспорта.

Физическое выветривание представлено следующими типами: огрубление поверхности, впадины и углубления, отслаивание, трещины, сколы и утрата фрагментов (рис. 1).

Химическое выветривание относится к абиогенному типу и представляет собой процесс химического преобразования минералов и горных пород под воздействием воды, кислорода, углекислого газа, органических кислот, а также вследствие биохимических процессов.

Рисунок 2. Химическое выветривание гранита. Окисление сульфидов приводит к изменению цвета породы

Основные внешние агенты химического выветривания – это вода, угольная, серная, азотная и органические кислоты, кислород, сероводород, метан, аммиак и др. Согласно Государственному руководству за контролем качества воздуха (РД 52.04.186-89, 1991) в Санкт-Петербурге установлены следующие воздушные загрязнители: пыль, CO, NO2, SO2, HF, Cl2, HCl, P2O5, H2S, CS2, аэрозоли H2SO4 и HPO3, CH2O, HCN, тяжелые металлы (Fe, Cd, Cb, Mn, Ni, Cr, Zn, Pb, Te, Hg), неорганические соединения мышьяка, азота, ароматических аминов.

Результат внутренних факторов химического выветривания заметен в связи с изменением цвета камня, обусловленного в первую очередь разложением сульфидов и появлением гидроксидов железа (рис. 2).

Биогенное выветривание связано с воздействием на горные породы живых организмов. Под биообрастанием (biofouling) обычно понимается развитие (аккумуляция) живых организмов (микроорганизмов, грибов, растений) на твердом субстрате. Часто этот термин заменяют словосочетанием «биологическая колонизация» (biological colonization). Биообрастание может иметь различную продолжительность и сопровождаться постепенным разрушением (деструкцией) субстрата. Биодеструкция – особый вид разрушения пород и материалов, связанный с воздействием живых организмов или продуктов их жизнедеятельности. Развитие деструктивных процессов может приводить к потере основных свойств материала, его последовательному и полному разрушению. По мнению большинства исследователей, основной ущерб гранитным сооружениям наносят микроорганизмы, обладающие очень высокой деструктивной активностью.

Рисунок 3. Биодеструкция гранита. Зеленая биопленка на поверхности гранита

Рисунок 3. Биодеструкция гранита. Зеленая биопленка на поверхности гранита

К деструкторам гранита относят бактерии, микроскопические водоросли и грибы, лишайники, споровые и высшие растения.

Темные пленки связаны с развитием цианобактерий (рис. 3). Такие пленки можно наблюдать в местах постоянного повышенного увлажнения. Цианобактерии выделяют слизь, которая защищает их от высыхания. В местах интенсивного развития цианобактерий создаются условия для развития и накопления сапротрофных бактерий и диатомовых водорослей (рис. 4). В составе микробного сообщества преобладали спорообразующие бактерии рода Bacillus.

В выветрелой корке на гранитных памятниках и сооружениях было выявлено 29 видов микроскопических грибов. К явным доминантам относятся темноокрашенные анаморфные грибы Alternaria alternata и Cladosporium cladosporioides. Среди микроколониальных разностей преобладают темноокрашенные дрожжеподобные грибы Coniosporium sp. родов Penicillium и Fusarium (рис. 5).

Рисунок 4. Биодеструкция гранита. Клетки диатомовых водорослей на поверхности гранита. Сканирующая электронная микроскопия

Рисунок 4. Биодеструкция гранита. Клетки диатомовых водорослей на поверхности гранита. Сканирующая электронная микроскопия

Среди лишайников, встреченных на набережных исторического центра Санкт-Петербурга, десять видов представлены шестью родами: Caloplaca, Candelariella, Lecanora, Phaeophyscia, Physcia, Xanthoria. Наиболее встречаемым лишайником, как на связующем растворе, так и на граните, является Candelariella aurella (Hoffm.) Zahlbr. (рис. 6).

В биологической колонизации набережных участвуют споровые (мхи, хвощи, плауны, папоротники) и семенные (травянистые, кустарниковые и древесинные) растения (рис. 7, 8). В результате проведенных исследований всего на гранитных набережных центральной части Санкт-Петербурга к настоящему моменту обнаружено и идентифицировано 110 видов растений. Растения в основном приурочены к щелям между гранитными блоками. Кроме того, они повсеместно встречаются на выступающих частях набережных – бордюрах, тумбах и местах их стыков с чугунными решетками, высеченных орнаментах, фигурных изображениях. Особенно активно заселяются элементы набережных, имеющие хозяйственное назначение: швартовочные кольца, знаки, регулирующие движение водного транспорта, сточные трубы, кабели. Наибольшее число видов наблюдается вблизи парков и скверов – потенциальных источников заноса семян и спор, а также около мостов. Как правило, видовое разнообразие выше на теневой стороне набережной.

Рисунок 5. Биодеструкция гранита. Микроколония грибов на поверхности гранита. Сканирующая электронная микроскопия

Рисунок 5. Биодеструкция гранита. Микроколония грибов на поверхности гранита. Сканирующая электронная микроскопия

Среди выявленных видов растений к аборигенной группе относится 72%, а к адвентивной – 28%. Проведенный анализ соотношения жизненных форм показал, что преобладающими являются травянистые многолетние растения (50%), а в пространствах между блоками гранита часто встречаются древесные растения. Растения на набережных могут произрастать как одиночно, так и образовывать сообщества. Наиболее часто встречаемыми являются сообщества Polygonum aviculare L., Lepidium ruderale L., Artemisia vulgaris L., произрастающие на кузнечненских гранитах, и Pohlia nutans (Hedw.) Lindb., Poa pratensis L., Salix caprea L., встречающиеся на гранитах рапакиви.

Рисунок 6. Биодеструкция гранита. Обрастание гранита лишайником из семейства Physciaceae

Рисунок 6. Биодеструкция гранита. Обрастание гранита лишайником из семейства Physciaceae

Антропогенное выветривание включает следующие типы воздействия на камень: атмосферные грязевые наслоения, цементирование дефектов камня, солевые натеки при разрушении межблочного цемента, натеки от окисления металлических конструкций, деформации камня, надписи краской, граффити (рис. 9, 10).

Практически все виды антропогенного выветривания приводят к ускорению механического и химического разрушения. Натеки и поверхностные образования приводят к созданию среды, способствующей проникновению химических веществ в глубь породы. Деформация плит приводит к ускорению в несколько раз процесса механического разрушения (сколы, потери фрагментов). Нанесение различных надписей и знаков на поверхность камня портит эстетическую целостность объекта архитектуры.

Рисунок 7. Биодеструкция гранита. Древесное растение Betula sp. на граните

Рисунок 7. Биодеструкция гранита. Древесное растение Betula sp. на граните

Проблема разрушения камня вызывает большой интерес у современных архитекторов и дизайнеров, а также у компаний по добыче камня. Наиболее важными вопросами являются:

— оценка долгосрочных изменений камня (цвета и структурно-текстурных особенностей),

— длительность срока службы,

— возможность использования камня для различных строительных целей,

— оценка повреждения камня от температурных перепадов и качества воздуха,

— механическая прочность камня,

— степень биодеструкции и ее зависимость от типа камня,

Рисунок 8. Биодеструкция гранита. Растение Chamaenerion angustifolium (L.) Scop. на граните

Рисунок 8. Биодеструкция гранита. Растение Chamaenerion angustifolium (L.) Scop. на граните

— влияние цементирующего материала швов на механическую, химическую и биологическую деструкцию камня.

Несомненно, что анализ механизмов разрушения природного камня требует комплексного подхода, предполагающего использование широкого арсенала современных аналитических методов и применения профессиональных усилий специалистов различных направлений: геологии, минералогии, биологии, физики, химии, материаловедения. Знание факторов и понимание механизмов разрушения гранита позволяет создать методическую основу для правильного выбора камня при строительстве современных и реставрации исторических объектов, а также разработать методы очистки и консервации каменного материала, что позволит сохранить историю, запечатленную в камне для будущих поколений.

 

Рисунок 9. Антропогенное разрушение. Солевые натеки от разрушения цемента

Рисунок 9. Антропогенное разрушение. Солевые натеки от разрушения цемента

Рисунок 10. Антропогенное разрушение. Натеки от окисленных металлических конструкций

Рисунок 10. Антропогенное разрушение. Натеки от окисленных металлических конструкций

Литература

Булах А.Г., Абакумова Н.Б. Каменное убранство центра Ленинграда. Изд-во ЛГУ, 1987. 145 с.

Булах А.Г. Каменное убранство Петербурга. Этюды о разном. Санкт-Петербург, «Сударыня», 1999, 105 с.

Булах А.Г., Борисов И.В., Гавриленко В.В., Панова Е.Г. Каменное убранство Петербурга. Книга путешествий (5). СПб, «Сударыня», 2004, 235 с.

Тутакова А.Я., Романовский А.З., Булах А.Г., Лир Ю.В. Облицовочный камень Ленинградской области. Граниты Карельского перешейка в современной архитектуре Санкт-Петербурга. СПб, «Русская коллекция», 2011, 80 с.

Тутакова А.Я. Природный камень Карельского перешейка в архитектуре Санкт-Петербурга. СПб, «Русская коллекция», 2014, 88 с.

Оценка состояния гранита в памятниках архитектуры /Ред. Е.Г. Панова, Д.Ю. Власов. СПб: «Наука», 2015, 190 с.

Панова Е.Г., Власов Д.Ю. и др. Биологическое выветривание гранита в условиях городской среды /Биосфера, 2015, т.7, №1, стр. 61-79.

 

Создать комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *