Экспериментальные исследования

Были отобраны образцы на влаго- и солесодержание материалов строительных конструкций собора. Применялся также диэлькометрический (неразрушающий) метод измерения влагосодержания при помощи влагомера ВСКМ-12.

Для изучения влажностного и солевого состояния материалов различных частей строительных конструкций отбирались образцы, где имелись высолы, обширные участки биологического поражения, следы потёков, разрушающийся штукатурный слой, признаки появления конденсата.

Для выявления основных закономерностей распределения и динамики влагосодержания материалов конструкций были рассчитаны средние значения исследованных величин для различных выборок. Каждый фрагмент конструкции включался в определённую выборку, чтобы определить степень влияния различных факторов на влажностное состояние разных участков конструкций.

Для анализа временных изменений были выбраны два отрезка времени — с мая по июль 1994 г. Согласно закономерностям в изменениях влажностного режима строительных конструкций неотапливаемых зданий (что подтверждено работами наших предшественников) именно в этом временном интервале в материалах конструкций происходят наиболее интенсивные изменения влагосодержания.

Обработанная нами выборка образцов, взятых для определения влажностного состояния материалов в аркосолиях, показала, что увеличение влагосодержания в период с мая по июль при высоте замеров 50 см составляет 28%, что на 10% выше среднего значения в основной совокупности на той же высоте. Это свидетельствует о том, что скорость изменения влагосодержания материалов — основной разрушающий фактор — в аркосолиях значительно выше, чем на участках поверхности толстых стен.

Средняя величина влагосодержания для выборки фрагментов, расположенных на поверхности угловых пилястр¹ на высоте от 30 до 130 см, превышает среднее значение по основной совокупности на 70-80%; временные изменения между маем и июлем составляют всего лишь 4%. Дело в том, что конструкции вогнутых углов зданий служат естественными накопителями влаги, особенно в неотапливаемых зданиях. Это подтвердилось при исследовании процессов вертикального распределения влажности в различных элементах строительных конструкций.

¹ Нами рассматривались пилястры, расположенные в углах примыкания северного и южного притворов к основному объему

Распределение влагосодержания по высоте

Для сравнения одновременно были обработаны результаты измерений на внутренних колоннах и наружных стенах. При этом, кроме средних по всем замерам, были найдены средние для колонн, расположенных в алтаре и в четверике.

Сравнение данных позволило установить следующее: 1) влагосодержание материалов столбов на малой высоте 20-50 см превосходит влагосодержание материалов наружных стен на 8-14%; 2) на высоте 100-150 см наблюдается противоположная картина — влагосодержание материалов столбов меньше влагосодержания материалов наружных стен на 16-35%.

Интерпретация полученных результатов должна проводиться с учетом следующих физически очевидных положений:

- влажностный режим столбов формируется под воздействием конденсационного увлажнения и испарения с поверхности колонн и, возможно, под влиянием подпочвенных вод;

- на влагосодержание материалов ограждающих конструкций, наряду с факторами, влияющими на влажностное состояние материалов внутренних столбов, воздействуют атмосферные осадки, верховодка, фильтрация влажного воздуха и интенсивное испарение с наружной поверхности, особенно в зимний период.

Таким образом, можно сделать ряд выводов.

1) Промерзание и отсутствие осушающих факторов в зимне-весенний период являются причиной того, что весной влажность внутренних столбов на малой высоте выше влажности материалов наружных стен. Введение подогрева в зимний периодпозволит стабилизировать влажностный режим столбов и ограждений.

2) Высокие среднегодовые значения фоновой влажности в ограждающих конструкциях на высоте более 50 см приводят к превышению влажности ограждений над влажностью столбов. Защита стен от атмосферных осадков (заделка трещин, оптимизация водоотводов с кровли) и введение отопления также должны стабилизировать влажностный режим столбов и ограждений.

Установлено, что сезонные изменения влагосодержания приводят к ухудшению влажностного состояния внутренней поверхности вогнутых углов собора. В рассматриваемых сечениях влажность имеет высокие значения и весьма стабильна во времени и по высоте Свидетельством того, что вогнутый угол является конденсатором влаги, служит пространственно-временное распределение влагосодержания в трех сечениях (при переходе от наиболее массивного участка сопряжения апсиды к стенке апсиды нормальной толщины).

Следующие мероприятия, несомненно, должны улучшить состояние влажностного режима в этих углах:

- введение ограниченного подогрева (прогрев этих углов должен быть постепенным);

- организация водоотвода с кровель в вогнутых углах стен собора;

- обеспечение защиты нижней части строительных конструкций от верховодки.

Необходимо отметить, что зоны влияния вогнутых углов внутри собора занимают большое пространство вдоль стен храма. Следовательно, улучшение влажностного режима вогнутых углов позволит значительно улучшить влажностный режим большей части стен собора.

Помимо общих закономерностей влажностною режима конструкций, нами были изучены некоторые локальные вопросы влаго- и солепереноса.

Для определения солесодержания также отбирались образцы материалов строительных конструкций. Разброс значений общего содержания водорастворимых солей в образцах материалов весьма велик — от 0,12% до 8,3%. Наивысшие значения солесодержания определены в кладочном растворе, затем — в образцах кирпича; наименьшие значения — в белом камне.

Применение цементной штукатурки, обладающей малой паро- и водопроницаемостью, приводит к усиленному выносу солей через расположенные рядом участки, не содержащие цемента. Особую опасность такое явление представляет для аркосолиев, где цементная штукатурка соседствует с древней живописью. Анализ одного из типичных образцов дал следующие результаты:

- участок цементной штукатурки: содержание водорастворимых солей — 1,6%, влажность — 0,84%;

- рядом расположенный участок известковой штукатурки: содержание солей — 4,75%, влажность — 3,84%.

В январе 1995 г. нами был найден кусок штукатурки, упавший с восточного ската свода южного притвора. Ранее он находился на внутренней поверхности вогнутого угла, образованного южным притвором и дьяконником, рядом с отремонтированным участком, содержащим цементную штукатурку. Такое расположение неблагоприятно отразилось на состоянии выпавшего куска штукатурки. Анализ показал, что уровень содержания в нем солей достигает 7,7%, а это значительно превосходит среднее значение для всех остальных отобранных для анализа образцов штукатурки.

Исследование влажности на поверхностях с масляной живописью, проведенное с помощью не разрушающего метода в мае 1994 г., позволило установить, что на участках, где слой краски поврежден, влагосодержание на 30-50% выше, чем на расположенных рядом неповрежденных участках. Это происходит в результате интенсивного поглощения конденсата штукатурным слоем. Напряжения, возникающие вследствие перепада влажности на соседних участках штукатурки, приводят к дальнейшему расширению дефектных участков на живописном слое. Наиболее эффективным методом борьбы с этим процессом является устранение причин образования конденсата, и в первую очередь, — введение отопления.

Температурный режим строительных конструкций при исследовании влажностного режима собора ранее не изучался. Это объясняется относительно высокой стоимостью оборудования и необходимостью специальной подготовки персонала. Однако исследование температурного режима конструкций одновременно с изучением их влагосодержания и температурно-влажностного режима воздушного объема здания позволяет разработать рекомендации по устранению отрицательного воздействия конкретных факторов на определенные участки конструкций.

В процессе изучения температурного режима строительных конструкций нами были проведены:

- контактные измерения температур на поверхности конструкций в интерьере собора в различные сезоны;

- контактные измерения температур на поверхности и в толще конструкций в наиболее неблагоприятный для выпадения конденсата период — с апреля по июнь;

- дистанционные исследования температурных полей на внутренней поверхности конструкций при помощи тепловизора.

Все это было сделано для того, чтобы определить:

- характерные участки строительных конструкций и временные интервалы, неблагоприятные из-за вероятности выпадения конденсата;

- зависимость между влажностным и температурным режимом конструкций;

- участки поверхности с сохранившейся живописью и изменяющимся во времени градиентом температурного поля.

Поясним необходимость выявления участков с переменным градиентом температур Из теории термоупругости известно, что температурные напряжения пропорциональны градиенту температуры. Ясно, что циклически появляющиеся и исчезающие, например, в разное время года или в течение суток, температурные напряжения приводят к образованию многочисленных микротрещин, и, в конечном счете, — к разрушению материалов. Отметим, что пока в научной литературе нет данных, позволяющих установить допустимые нормативные значения температурного градиента и его временных изменений для строительных материалов и настенной живописи. Однако ясно, что чем выше этот показатель, тем больше риск появления разрушений (трещин или отслоения штукатурного слоя). Кроме того, очевидно, что при температурах, близких к температуре точки росы, увеличение температурного градиента на поверхности конструкции приводит к увеличению влажностного градиента в ее материалах.

Сравнение температур на поверхности отдельных участков строительных конструкций со средними значениями температур позволяют сделать некоторые выводы.

1) Распределение температур в январе практически одинаково на всех участках стен, включая арки, аркосолии и участки внутренней поверхности вогнутых углов. Наиболее высокие значения температур — на полу.

2) Наибольший градиент температуры на конструкциях по вертикали наблюдается в период интенсивного прогрева памятника — в мае. Относительный прирост температуры от уровня пола до высоты 150 см в это время составляет 22%, а в июле — всего 6%. В мае сильно отличаются также значения температур и на поверхности различных участков стен. Так, например, относительная разность средней температуры в трех самых холодных точках (расположенных в углу между северным притвором и жертвенником) и трех самых теплых точек в мае равна 50%, а в июле — 6%.

Столь неравномерное распределение температур в мае позволяет выявлять «полюса холода», то есть наиболее охлажденные участки конструкций, где вероятность выпадения конденсата очень велика. Изучение температурных полей позволило выяснить, что такими участками являются внутренние поверхности вогнутых углов, восточная, северная и западная стены северного притвора, а также стены жертвенника.

Чтобы определить климатические ситуации, при которых риск выпадения конденсата на внутренней поверхности строительных конструкций возрастает, регулярно проводились наблюдения за температурой внутренней поверхности стен вблизи «полюсов холода». Для измерения температур был изготовлен комплект аппаратуры, состоящий из 20 термопар, соединенных по 10 штук на одном разъеме, переключателя термопар и милливольтметра. В качестве меры риска выпадения конденсата на контролируемом участке выбрана разность между температурами поверхности участка и точки росы окружающего воздуха. Температура точки росы определялась по показаниям приборов, установленных в северном притворе. Замеры, проведенные в первой половине дня, до начала экскурсий и богослужений, свидетельствуют о невозмущенном состоянии воздушного объема. Во время экскурсий и богослужений повышение относительной влажности воздуха может достигать 5-10%. Следствием возрастания влажности воздуха является увеличение температуры точки росы на 1-1,5°С. Зная температуру стен, а также относительную влажность внутреннего и наружного воздуха, хранитель может оценить риск выпадения конденсата и определить возможность проведения экскурсий.

Итак, практически весь период с апреля по май на исследованных участках ограждений собора существовала возможность выпадения конденсата. Уменьшить эту опасность можно с помощью регулируемого проветривания. Однако при низком качестве имеющихся оконных и дверных заполнений, способствующих постоянному проникновению в помещение потоков фильтрующегося через них воздуха, при существующих в это время низких температурах конструкций избежать выпадения конденсата все-таки невозможно.

Температурные поля на поверхности строительных конструкций измерялись также дистанционным методом, при помощи тепловизора. Обзорная тепловизионная съемка внутренних и наружных поверхностей ограждающих конструкций показала, что на откосах дверных и оконных проемов существуют обширные зоны температурных аномалий, свидетельствующих об интенсивной фильтрации воздуха.

Тепловизионное обследование температурного режима внутренней поверхности сводчатых покрытий проводилось в сентябре 1994 и в июне 1995 гг. Была изучена зависимость температур поверхности от инсоляции, то есть оценка теплоустойчивости сводов. Результаты обследований позволили сделать ряд выводов.

1) Наибольшие колебания температур происходят на внутренней поверхности свода южного притвора, особенно в местах примыкания свода к южным стенам основного объема и притвора. На своде северного притвора колебания температур очень малы. Установленная закономерность свидетельствует о том, что основным источником температурных колебаний является ингаляционный нагрев покрытий.

2) На полусферических сводах центральной и северной апсид также выявлены достаточно интенсивные (0,2-0,4°С) колебания температур на внутренней поверхности в течение суточного цикла инсоляции. Свод южной апсиды недоступен для наблюдений.

3) Несколько меньшие колебания температур происходят на поверхности свода в центральной части западной стены четверика, а также там, где свод примыкает к западной стене.

4) Поверхность сводов, примыкающих к северной и южной стенам четверика, практически не имеет температурных аномалий. Вероятно, одной из причин этого является их экранирование от солнечного излучения за счет световых барабанов.

Дата добавления: 2015-06-28