Методы сохранения памятников из камня от внешних атмосферных воздействий

Б. Сизов, зам. директора по науке Центральных научно-реставрационных проектных мастерских Министерства культуры РФ

Взгляд на проблему сохранения памятников культуры с позиции выяснения взаимосвязей в системе "памятник - окружающая среда" позволяет детально рассмотреть процессы старения (разрушения), выявить основные факторы, влияющие на эти процессы, и выработать меры по снижению отрицательного воздействия этих факторов. Без этого невозможно определить допустимую степень реставрационного вмешательства в памятник, разработать оптимальные реставрационные технологии и, главное, обеспечить условия его сохранности. Подобный системный подход к сохранению историко-культурных объектов стал применяться сравнительно недавно.

Современные методы обеспечения сохранности памятников из камня от воздействия природных и антропогенных факторов можно свести к трем взаимодополняющим направлениям.

Инженерно-конструктивные методы защиты.

Эти методы наиболее традиционны, так как и в древности, и сейчас они защищают материалы памятника от одних и тех же факторов: осадков, грунтовых вод, верховодки. При натурном изучении памятников были выявлены примеры широко распространенных и по сей день приемов. Это прокладка бересты в качестве гидроизоляции, обмазка фундаментов и подземных частей стен глиной (устройство глиняных "замков"), а также дренаж для защиты от увлажнения грунтовыми водами. Вблизи Ферапонтова монастыря удалось обнаружить дренажные системы в виде глубоких рвов, заполненных валунами средней величины, вдоль крутого берега ручья, соединяющего Барадавское и Пасское озера, и сохранившиеся до наших дней в рабочем состоянии. Были и другие оригинальные технические решения. Например, устройство фундамента из крупных валунов, уложенных "на сухо", то есть без раствора, при возведении Успенского собора (XV в.)  Кирилло-Белозерского монастыря. Подобная система кладки препятствовала подсосу грунтовых вод. С началом применения в постройках воздушных металлических связей появился способ защиты металла от коррозии, заведенного в стену. Это достигалась путем оборачивания концов связей, находящихся в контакте с камнем, не обезжиренной овечьей шерстью, которая, обладая гидрофобными свойствами, защищала металл от влаги, находящейся в камне. Кроме того, шерсть играла роль теплоизоляции и, одновременно, предотвращала конденсационное увлажнение участков каменной кладки, примыкающих к металлу. Примеры такой комплексной защиты выявлены при реставрации Троицкой церкви XVIII века в Свиблово.

Существуют единичные примеры улучшения теплозащитных свойств тонкостенных конструкций древних памятников. В 1980 г. при реставрации Архангельского собора Московского Кремля на своде главы Покровского предела XVI в. были обнаружены остатки войлочной теплоизоляции. При шлемовидной форме главы предела, металлические кровельные листы (или черепица) укладывались на слой войлока, защищенный от гниения известью. Такая конструкция предохраняла тонкий кирпичный свод главы от промерзания.

Постепенно технический арсенал инженерно-конструктивных способов расширялся и видоизменялся. Для защиты стен и декора фасадов зданий от увлажнения осадками начали значительно увеличивать вынос кровли, а водометы, характерные для Средневе ковых построек, постепенно стали заменять водосточными трубами. Это можно видеть в совершенно разных по стилю и времени сооружения постройках: Успенском соборе XII в. во Владимире, стенах и башнях XV-XVI вв. Московского Кремля и др. Со временем увеличивают размеры, а, следовательно, и защитные функции навесов над наружными иконами и стенописями, как, например, в соборе НовоСпасского монастыря XVII в. в Москве. В наше время этот прием получил дальнейшее развитие. В церкви Спаса Преображения на Ильине улице XIV в. в Новгороде наружная икона, написанная над западным входом, помимо металлического навеса над ней, имеет фронтальную защиту из прозрачного оргстекла. В целом эта конструкция приближается к музейной витрине и способна предохранить памятник не  только от атмосферных воздействий, но и от актов вандализма.

Значительное техническое развитие в ХХ веке получили методы защиты памятников от влаги, поднимающейся снизу (грунтовые воды и верховодка). Так, например, для защиты от поднимающейся влаги построек Ферапонтова монастыря московским институтом "Спецпроектреставрация" были разработаны проекты кольцевого и пластового дренажей, первый из которых осуществлен. По уровню надежности и эффективности работы эти решения не сопоставимы с примитивными дренажными траншеями. В 60-х годах итальянским инженером G. Massari был предложен метод сплошной горизонтальной гидроизоляции. Суть метода состоит в том, что в стене путем последовательного сверления прорезается горизонтальная "щель", в которую заводится листовая, чаще свинцовая, гидроизоляция. Работа выполняется небольшими захватами на всем увлажняемом участке стены. Таким способом, например, была защищена стена с росписями Перуджино в монастыре Santa Maria Maddalena de' Pazzi во Флоренции. Развитием метода сплошной горизонтальной гидроизоляции является его сочетание с химической пропиткой. В этом случае сверление стены производится с определенным шагом и в полученные отверстия нагнетается гидрофобизирующий раствор, который пропитывает камень и создает сплошной водонепроницаемый слой.

С середины нашего столетия помимо чисто инженерных методов с переменным успехом применяются электрофизические способы осушения каменных конструкций. Так, электроосмотический метод осушения был применен во дворце Монплезир в Петродворце, в доме наместника Киево-Печерской лавры, в церкви Святой Анны XV в. в Вараве и в ряде других зданий.

В отдельных случаях над памятником археологии или архитектуры возводятся специальные сооружения. В качестве примеров можно упомянуть защитные павильоны различных конструкций: над археологическими остатками Спасской церкви ХI в. в г. Переяславе-Хмельницком (Украина), над руинированным зданием мавзолея Айша Биби XIV в. в г. Джамбуле (Казахстан) и т. д. Отдельно, как пример оригинального современного технического решения, соединяющего конструктивные и теплофизические способы, следует назвать защитное сооружение над храмом Аполлона Эпикурейского V в. до н. э., расположенного в горах западного Пелопоннеса (Греция) на высоте 1130 метров над уровнем моря. Сравнительно легкая, что немаловажно, учитывая труднодоступность памятника, тентовая конструкция с вантовым креплением защищает от атмосферных воздействий постройку размером 38,24 х 14,48 м и позволяет создавать с помощью простых воздушных обогревателей микроклимат, необходимый для сохранения мрамора, из которого сооружен памятник. Греческие реставраоры рассматривают такую защиту как временную меру, до тех пор пока не будут найдены составы для консервации данного вида мрамора. Поэтому срок службы защитного тента рассчитан на 15 - 20 лет.

Теплофизические методы.

Теплофизические методы сохранения направлены на стабилизацию термодинамического состояния камня как сложной гетерогенной системы. Известно, что интенсивность процессов переноса энергии (тепла) и вещества в твердом теле (в данном случае в камне), обусловливающих его изменение (старение), зависит, прежде всего, от скорости изменения параметров окружающей среды. Под параметрами среды, прежде всего, понимают температуру и относительную влажность воздуха, которые можно регулировать (поддерживать). Это позволяет замедлить процессы старения в камне и обеспечить его сохранность. В музейных условиях это требование выполнить просто. Достаточно в помещении или витрине, где находится экспонат, поддерживать постоянные температуру и влажность. Гораздо сложнее обстоит дело с памятниками, находящимися на открытом воздухе, параметры состояния которого непрерывно меняются. В этом случае нужно или изолировать памятник от внешних воздействий, как это сделано с наружной иконой церкви Спаса Преображения на Ильине улице в Новгороде или с храмом Аполлона Эпикурейского в Греции, или менять температуру и относительную влажность воздуха внутри здания таким образом, чтобы "компенсировать" воздействие внешнего климата, то есть снизить тепломассоперенос через стену. Поэтому теплофизические способы применимы для объектов музейного хранения и декора (включая монументальную живопись) в интерьере памятников архитектуры. В отдельных случаях эти методы могут оказаться эффективными для не полностью замкнутых архитектурных пространств, как в случае Крестовой галереи Домского собора в Риге. В результате натурных исследований, проведенных на этом памятнике, были выявлены основные источники увлажнения белокаменного декора: верховодка и конденсат. В данном случае в качестве мер для нормализации влажностного состояния камня, наряду с гидроизоляцией фундаментов и другими общестроительными мерами, был рекомендован ограниченный воздушный обогрев конструкций в зимний период.

Химические методы защиты (консервации)

Химические методы защиты (консервации) камня включают: поверхностную или глубинную (обессоливание) очистку, структурное укрепление и защитную обработку (антисептирование, гидрофобизацию).

Очистка камня является сложной в техническом и эстетическом отношениях самостоятельной проблемой. В последнее время, наряду с химическими способами, все чаще применяются нейтральные по отношению к камню регулируемые методы расчистки. К ним относятся: традиционная пароструйная обработка; усовершенствованный "пескоструйный" метод, использующий в качестве абразивов частицы различного размера и твердости, от корунда до скорлупы орехов, и позволяющий регулировать энергию очищающей "струи". Кроме того, определенное распространение получили способы ультразвуковой и лазерной расчистки. Последний метод, хотя и остается весьма дорогостоящим, но уже не является редким. Промышленно выпускается лазерное оборудование для очистки камня, и существуют значительные по масштабам примеры его применения - крестильная купель и капители колонн из мрамора в монастыре St. Trophime в Арле, западный известняковый фасад собора в Пуатьево Франции. Говоря о химических методах консервации камня, следует подчеркнуть, что в данном случае речь идет о структурном укреплении и защитной обработке (гидрофобизации). Эти способы, в отличие от инженерностроительных и теплофизических, реализуются путем вмешательства в подлинный материал памятника и связаны с частичной или полной модификацией его свойств.

В этой связи уместно остановиться на проблеме "обратимости" применяемых материалов. Смысл, который вкладывают специалисты в это понятие, состоит в следующем. При работе с памятником желательно применять такие материалы, которые, в случае необходимости, можно удалить без ущерба для памятника, вернув его в состояние до реставрации. Требование, безусловно, правильное, однако следует понимать, насколько и в каких случаях оно выполнимо. При реставрации скульптуры понятие "обратимости", скорее всего, возникло при анализе таких операций, как склейка фрагментов и воссоздание утраченных деталей. Придав скульптуре или другому объекту "экспозиционный" вид, реставратор хочет иметь возможность, при получении новых сведений о произведении, видоизменить его, то есть, иными словами, "разобрать" и "собрать" заново без повреждения подлинных фрагментов. Это побудило реставраторов к подбору обратимых клеев и доделочных масс, менее прочных, по сравнению с материалом произведения, которые могут быть удалены при повторной реставрации. Предполагается, что в рассмотренном примере, реставратор имеет дело со "здоровым" материалом подлинника. Если же "состарился" сам материал, и требуется его структурное укрепление, путем пропитки химическими составами, то уже нельзя столь однозначно трактовать требование обратимости. На практике специалист может оказаться перед дилеммой: или пропитать камень укрепляющим составом, или он рассыплется. Очевидно, что в такой ситуации будет принято решение укрепить материал, независимо от того, будет этот процесс "обратимым" или нет.

Другая составляющая этой проблемы заключается в продолжительности срока службы реставрационных материалов. Дело в том, что если раньше было принято считать, что консервация должна быть сделана "на века", то сегодня вся последовательность работ по реставрации и сохранению памятников рассматривается как определенный этап мероприятий, который необходимо периодически повторять. В 1964 г. это положение уже было сформулировано в Статье 3 Венецианской Хартии - "Консервация памятников предполагает, прежде всего, постоянство ухода за ними".

В настоящее время практически все исследователи подчеркивают важность изучения причин разрушения каждого конкретного объекта: только зная их, можно определить необходимые реставрационные мероприятия. Под укреплением камня понимают упрочнение его материалом, который глубоко проникает в камень, улучшает его когезионную прочность, механические свойства и адгезию ослабленных частиц и слоев к прочным внутренним слоям.

До сих пор не получены вещества, способные консолидировать структуру камня и подлежащие, в случае необходимости, полному удалению из камня. Вероятно, это и невозможно. Кроме того, даже поверхностное проникновение укрепляющего состава может вызвать структурную модификацию камня, связанную с замещением одних веществ другими. В частности, последствия такого процесса были зафиксированы при обследовании мраморных скульптур из подмосковной усадьбы "Архангельское". Поэтому в последние годы усилия исследователей направлены на разработку и применение реставрационных материалов, близких по своей химической природе естественному и искусственному камню. Учитывая современное многообразие химических продуктов, одна из главных задач состоит в достоверной оценке эффективности и безопасности применения того или иного реставрационного материала.

Химической защитой камня как научной проблемой начали заниматься еще в первой половине ХIХ в. Говоря о "защите" камня, необходимо заметить, что в прошлом и в начале нынешнего века под защитой или "лечением" камня подразумевались, помимо расчистки, в основном способы его структурного укрепления. Как правило, именно необходимость сохранения осыпающегося, деструктированного камня вызывала потребность проведения каких-либо мероприятий. Собственно "защита" камня стала актуальной примерно во второй трети ХХ века, когда реставраторами и исследователями была осознана необходимость превентивной консервации каменных материалов в условиях воздействия атмосферы, становящейся с течением времени все более агрессивной.

По опубликованным данным, первым материалом, который использовался для структурного укрепления камня, было жидкое стекло. Во второй половине ХIХ в. была опробована пропитка камня алюминатом магния. В тот же период предлагалось применять фториды и фторсиликаты магния, алюминия, цинка и т. п. Еще раньше для этой цели была проведена апробация гидрата окиси бария. Затем в качестве активатора кристаллизации стали использовать активный ремнезем.

Вместе с тем, с древнейших времен была известна обработка камня натуральными органическими соединениями. Первые сведения о применении пчелиного воска исходят из Египта за 4200 лет до н. э. Его применяли, в частности, для покрытия мраморных скульптур. Воск, масло или их смесь наносили на поверхность каменных объектов, по всей вероятности, не только из эстетических соображений, но и из желания защитить их от воздействия атмосферы. С середины прошлого века разрабатывались составы для укрепления и защиты камня из шеллачного и дамарного лаков, льняного масла и многих других натуральных органических соединений. Однако со временем применение этих материалов становилось все более ограниченным.

Развитие органической химии в ХХ в. принесло много новых веществ для консервации камня. Для этой цели опробовались практически все искусственные смолы, но ни одно из этих средств целиком не решало проблемы. В 1861 г. впервые для укрепления камня было предложено использовать тетраэтоксисилан (эфир кремниевой кислоты). Вместе с тем, в то время не удалось достичь обнадеживающих результатов применения состава на основе тетраэтоксилана (ТЭС). По мнению ведущих специалистов, это было связано не столько с неправильным выбором укрепляющего состава, сколькос неверным подходом к самой проблеме укрепления. Считалось, что поверхностного укрепления достаточно для надежной консервации камня. Однако такая обработка не только не обеспечивает долговременной защиты, но может даже и ускорить разрушение. Это происходит по двум причинам. Во-первых, при определенных условиях, влага способна конденсироваться и накапливаться под обработанной поверхностью, проникая туда в виде пара или же в результате капиллярного всасывания дождевой и грунтовой воды через не защищенные участки. При изменении температурно-влажностных условий влага испаряется, а соли, содержащиеся в ней, кристаллизуются под обработанным слоем, что может приводить к его отслоению. Во-вторых, изменение объема тонкого поверхностного слоя под действием температуры и влаги может существенно отличаться от изменения объема внутренних слоев камня, что вызывает напряжение сдвига и современем приводит к разрушению.

Вместе с тем, несмотря на первые негативные результаты, исследования по использованию ТЭС и его различных производных были продолжены. Продукты на основе ТЭС (алкоксисиланы) казались привлекательны для консервации камня благодаря возможности использования их для глубокой пропитки, так как они могут быть превращены из легких жидкостей в полностью стабильный, неорганический конечный продукт внутри пористого камня при реальной температуре окружающего воздуха. Теоретически, конечный продукт представляет собой композицию, подобную минеральному составу самого камня. Достаточно большое число положительных примеров использования алкоксисиланов стимулировало исследователей к дальнейшему улучшению этих материалов.

Тенденция преимущественного использования материалов именно этого класса отчетливо прослеживается в реставрационной практике различных стран в последние десятилетия. При этом, как правило, продукты на основе ТЭС и его производных (алкоксисиланы, алкоксисилан - акриловые сополимеры и т.д.) используются для структурного укрепления камня. Материалы на основе силоксановых олигомеров и полимеров являются основой большинства гидрофобизирующих продуктов, используемых сегодня для защиты поверхности камня.