Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Древесина - основной строительный материал Европейского Севера. Факторы, определяющие долговечность построек 8
Глава 2. Объекты и методы исследования 17
2.1. Объекты исследования 17
2.1.1 Преображенская церковь, о Кижи 17
2.1.2. Покровская церковь, о. Кижи 20
2.1.3. Модельные постройки 22
2.2. Методы. Исследования 24
2.2.1. Физико-химические свойства древесины 24
2.2.2. Микологический анализ 24
2.2.3. Свойства древесины после химической консервации 25
2.2.4. Влияние условий эксплуатации на развитие биоповреждений 25
2.2.5 Мониторинг состояния деревянных памятников 28
Глава 3. Изменение свойств древесины при длительной эксплуатации в условиях Европейского Севера 32
3.1. Изменение химического состава древесины 33
3.2. Изменение механических свойств древесины 36
Глава 4. Дефекты древесины архитектурных памятников 46
4.1. Дефекты длительно эксплуатируемой древесины 46
4.2. Дефекты, возникшие после химической консервации длительно эксплуатируемой древесины 58
Глава 5 Мониторинг памятников деревянного зодчества 66
5.1. Основные принципы 66
5.2 Влияние условий эксплуатации на развитие биоповреждений 67
5 3 Опыт организации мониторинга памятников деревянного зодчества 74
53 1 Характеристика состояния объекта 74
5 3.2. Особенности климатических условий 78
5.3.3. Микроклимат постройки 81
5.3.4 Влажность древесины 88
5.3.5 Интенсивность процессов биологического разрушения. 104
5.3.6. Практические рекомендации 109
Основные выводы 112
Список использованной литературы 114
Приложение 123
- Древесина - основной строительный материал Европейского Севера. Факторы, определяющие долговечность построек
- Изменение механических свойств древесины
- Дефекты, возникшие после химической консервации длительно эксплуатируемой древесины
- Влажность древесины
Введение к работе
Введение
Актуальность темы. В последние годы все большее внимание уделяется проблеме сохранения мирового культурного наследия, неотъемлемой частью которого являются памятники деревянного зодчества. Русский Север - родина деревянных сооружений разного типа, сохранившихся до наших дней. Этот культурный потенциал может быть утрачен, если не будут приняты неотложные меры по его сохранению.
При проведении реставрационных и ремонтных работ оценка качества старой древесины является первоочередной задачей. Особые трудности создают ограниченные возможности отбора образцов для стандартных испытаний на прочность. Недостаток информации об изменении физико-механических свойств древесины при длительной эксплуатации вызывает необоснованную замену исторического материала памятника.
Для памятников деревянного зодчества отсутствуют описания наиболее типичных дефектов и научно обоснованные рекомендации по их устранению. В 60-80-е годы для защиты деревянных построек от биоповреждений широко использовались химические методы, не безопасные для человека и загрязняющие окружающую среду. Часто мероприятия по сохранению памятников ограничивались только химической защитой деревянных конструкций, без поддержания нормальных условий эксплуатации.
Несмотря на то, что с 1982 года страны-участницы Конвенции по защите культурного наследия стараются выработать основные принципы оценки состояния памятника, до настоящего времени общепринятая система выполнения такой процедуры отсутствует. В связи с этим представляет интерес разработка и обоснование системы мониторинга памятников деревянного зодчества, включающей наблюдение за состоянием древесины и микроклиматом здания.
Цель и задачи исследования - оценить состояние древесины после длительной эксплуатации, обосновать экологически безопасные методы обеспечения долговечности деревянных конструкций памятников. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
оценить изменения, произошедшие в древесине после длительной эксплуатации, на примере памятника деревянного зодчества XVIII века - церкви Преображения (о.Кижи, Карелия);
выявить типичные дефекты деревянных конструкций и наиболее значимые факторы, вызывающие их образование;
оценить эффективность химической консервации древесины на примере церкви Покрова (1774 г., о.Кижи);
разработать систему мониторинга состояния архитектурных памятников, обеспечивающую их долговременную сохранность.
Научная новизна проведенных исследований
Установлены изменения химического состава и прочностных свойств древесины, произошедшие вследствие ее длительной эксплуатации в условиях Карелии.
Выявлено влияние качества древесины и условий эксплуатации строений на развитие биоповреждений.
Разработана и апробирована схема мониторинга памятников, позволяющая оценить интенсивность развития биоповреждений древесины.
Определено состояние древесины, подвергнутой химической консервации.
Обоснованность и достоверность выводов подтверждаются комплексным характером исследований, значительным объемом экспериментального материала и использованием современных методов обработки полученных данных.
Основные положения, выносимые на защиту:
результаты исследования химических и физико-механических свойств длительно эксплуатировавшейся древесины;
компьютерный способ измерения размеров макрообразований (анатомических зон и пороков) древесины;
принципы мониторинга состояния памятников деревянного зодчества Европейского Севера.
Практическая значимость и реализация результатов исследований В процессе выполнения диссертационной работы была разработана и реализована система мониторинга, позволившая получить достаточно полную информацию о микроклимате уникального памятника архитектуры - Преображенской церкви (о.Кижи), динамике влажности древесины отдельных элементов конструкции и оценить активность процессов биоразрушения. Анализ полученных физико-механических показателей и химического состава древесины, эксплуатировавшейся более 280 лет, позволил сделать вывод о том, что она в достаточной мере сохранила свои прочностные свойства. Были выявлены закономерности повреждения древесины деревоокрашивающими и дереворазрушающими грибами. Результаты исследований были использованы при составлении концепции сохранения и реставрации Преображенской церкви, разрабатываемой по заданию Министерства культуры Российской Федерации.
Организация исследований. Работа была выполнена в Институте леса КарНЦ РАН и в исследовательском центре VTT Building Technology, Финляндия. Основной объем экспериментального материала получен в 1995-1999 гг. в ходе выполнения НИР по хоздоговорным темам "Оценка состояния древесины Преображенской церкви", "Мониторинг биоразрушений древесины Преображенской церкви" и "Атлас дефектов Преображенской церкви", а также в рамках проекта "Hirren, riveen ja pinta-kasittelyn yhteispelia" ("Взаимодействие бревна, утеплителя и защита поверхности", VTT Building Technology, Финляндия).
Исследования выполнены при поддержке фонда World Monuments Watch, предоставившего современное оборудование для контроля влажности древесины и параметров окружающей среды, а также программное обеспечение.
Личное участие автора в исследованиях состоит в разработке методики и проведении экспериментальных работ, анализе и интерпретации результатов эксперимента. Автор был руководителем и ответственным исполнителем подразделов "База данных "Преображенская церковь"", "Приборный контроль в миколого-древесиноведческом мониторинге деревянных объектов" хоздоговорных тем.
Апробация и публикация результатов исследований
Основные положения и результаты работы докладывались на 2-м Международном симпозиуме "Строение, свойства и качество древесины-96", Москва, 1996 г.; международной научной конференции "М.В.Ломоносов и национальное наследие России", Архангельск, 1996 г.; международной конференции "Preservation of Russian antiquities, its impact on Russia's rejuvenation", Санкт-Петербург-Москва, 1997 г.; международной конференции "Karelia and Norway: the main trends and prospects of scientific cooperation", Петрозаводск, 1997 г.; 3-м международном симпозиуме "Insect Pest Control in Museums", Стокгольм, 1998 г.; 4-м международном симпозиуме "Measurement Technology and Intelligent Instruments ISMTH'98", Мишкольц, Венгрия, 1998 г., международном симпозиуме "Актуальные проблемы исследования и спасения уникальных памятников деревянного зодчества", Ненокса-Петроза-водск-Кижи, 1999 г.; Высшем экспертном совете Министерства культуры Российской Федерации, Москва, 1999 г.; сессии Координационного Совета по современным проблемам древесиноведения и семинаре "Древесина в строительстве", Москва, 1999 г.
По результатам исследований в соавторстве опубликовано 12 работ.
Структура и объем диссертации. Работа изложена на 124 страницах машинописного текста и состоит из введения, 5 глав, основных вы-
водов и приложения. Список использованной литературы включает 109 источников, в том числе 45 иностранных. Работа содержит 18 таблиц, 40 рисунков.
Древесина - основной строительный материал Европейского Севера. Факторы, определяющие долговечность построек
Древесина — старейший строительный материал, известный своими высокими прочностными характеристиками, легкостью обработки. хорошими звуко- и теплозащитными свойствами. К достоинствам следует также отнести и тот факт, что в отличие от других строительных материалов древесина относится к возобновляемым ресурсам. Проблема обеспечения долговечности построек является одной из важнейших как для развития современного строительства, так и для сохранения памятников деревянного зодчества. Скорость и степень деградации древесины при эксплуатации под открытым небом определяются целым рядом параметров (рис 1), таких как факторы окружающей среды, качество древесины, защитная обработка, проводимые ремонты и т.д Согласно стандарту ISO 6421 (ISO, 1984), факторы окружающей среды, разрушающие древесину при эксплуатации, подразделяются на термические, механические, химические, биологические, электромагнитные.
При строительстве деревянных зданий на Севере традиционно большое внимание уделялось качеству материала. Для разных целей использовались различные породы дерева, кондовая (мелкослойная) сосна и лиственница из-за прямизны ствола и устойчивости к биоповреждениям — для срубов домов, церквей; ель — для отдельных частей зданий или дворовы х построек; осина — для кровельного лемеха, а дуб - для свайных фундаментов (Скрябучинский, 1871, Забелло и др., 1942). Рекомендовалось заготавливать древесину из спелых насаждений, растущих на сухом месте. Лучший сезон рубки — зимние месяцы Заготовленные бревна подвергались окорке и сушились в штабелях в тени.
Тщательный выбор места для строительства был одним из факторов, используемых древнерусскими зодчими для повышения долговечности строений (Варфоломеев. 1991; Шаповалова, 1994). Об этом свидетельствуют результаты анализа условий эксплуатации 388 различных деревянных объектов Архангельской области. В большинстве случаев строения размещали на возвышенностях (47 7% от общего числа объектов) и на открытых местах (51.5%), обеспечивая тем самым их наилучшую аэрацию Из обследованных 122 однотипных сооружений неудовлетворительное состояние имели 45.5 о объектов. расположенных на возвышенности. 60.5% — на равнине и 100 о — в низменности.
Северному деревянному зодчеству присущи лаконичность форм и компактность (Ополовников, 1955, Foliente. 1997; Малков. 1997, Мильчик, 1999) Практически все жилые и хозяйственные постройки, ряд культовых сооружений имели прямоугольную форму в плане без каких-либо пристроек, позволяющую избежать скопления снега в наружных углах постройки Двускатные кровли домов, высокие шатровые или луковичные крыши церквей и часовен способствовали быстрому удалению атмосферных осадков (дождь, снег). Большинство построек ставилось прямо на землю, без фундамента Вследствие контакта с грунтом происходило активное биопораженне нижних венцов, и их приходилось заменять каждые 50-100 лет.
Поверхностная зона древесины наружных строительных конструкций непосредственно подвергается воздействию климатических факторов - осадков, солнечного излучения, температуры и влажности воздуха. Это приводит к ее интенсивной эрозии, которая сопровождается растрескиванием, изменением цвета, повышенной восприимчивостью к биопоражениям и со временем развивается вглубь. Из-за разницы в структуре древесины эрозия поверхности различается по интенсивности. В большинстве случаев, чем выше плотность, тем меньше скорость разрушения (Feist, Hon, 1983).
Ф.Брауни ( по Feist, Hon, 1983) сообщал, что процесс эрозии под воздействием факторов окружающей среды настолько медленный, что « только 1/4 дюйма (6.4 мм) поверхности разрушается за столетие». Однако для древесины, эксплуатирующейся в условиях северного климата, эта величина была оценена как 1 мм/100 лет. Данные об эрозии, полученные для искусственного ускоренного старения ели, дугласии (Pseudotsuga taxifolid), ели Энгельмана (Picea Engelmanri) и сосны западной желтой (Pimis ponderosa) использовались для оценки скорости естественного старения. Результаты показали, что эти породы разрушаются со скоростью приблизительно 6 мм/100лет (значение близко приведенному Брауни). К.Боргин ( цит. по Feist, Hon, 1983) описывал разрушение деревянной обшивки церкви в Норвегии и оценил, что обшивка толщиной 10 мм разрушилась на 50% за несколько сотен лет. Потеря массы до 10% была зарегистрирована для образцов хвойных пород ( туя гигантская, ель, ироко и тик ) при 10-летней экспозиции. Было обнаружено, что профиль поверхности незначительно влияет на степень эрозии (Feist, Hon, 1983)
Древесина способна поглощать все длины волн электромагнитного излучения для инициации фотохимических реакций, однако на развитие эрозии главным образом влияет УФ-излучение с небольшой глубиной проникновения (до сотых долей миллиметра) (Feist. Hon. 1983. Tolvaj, Faix. 1995). ИК —излучение вызывает дополнительный нагрев поверхности, повышая скорость фотохимических и окислительных реакций. В условиях прямого солнечного света УФ —лучи поглощаются группами -С=0 и -С=С целлюлозы и лигнина. Связи при этом диссоциируют и образуют новые комплексы, окрашенные в темный цвет. Эта фотоокислительная деструкция древесины сопровождается гидролитическими и окислительными реакциями. Поскольку лигнин наиболее интенсивно поглощает УФ-излучение ( в общем коэффициенте поглощения его доля составляет 80-95%). то его разрушение происходит более интенсивно. Это подтверждают и исследования образцов древесины ( P. sylvestris) из норвежских деревянных церквей возрастом несколько сотен лет (Фенгел. Вегенер. 1988) В облученной зоне древесины волокна частично отделялись; а иногда в них полностью отсутствовали первичная стенка и внешний слой вторичной стенки клеточной оболочки Si. Водорастворимые продукты деструкции лигнина вымываются осадками и на поверхности остаются волокна с высоким содержанием целлюлозы. Деструктивные процессы ограничиваются тонким слоем в 2-Змм. Этот слой эффективно защищает основную массу древесины от разрушения, т.к. целлюлоза плохо поглощает УФ—лучи.
В климатических условиях Севера гидролиз поверхности деревянных изделий, эксплуатируемых под открытым небом, протекает достаточно медленно из-за сравнительно малой концентрации веществ кислого характера и низкой температуры воздуха. Процессы гидролитического разрушения древесины в поверхностных и внутренних слоях протекают неодинаково, что объясняется не только неравномерностью распределения по объему веществ кислого характера, но и различием в температуре. При эксплуатационных воздействиях в древесине гидролизуются как целлюлоза, так и гемицеллюлозы. Их гидролиз протекает через стадию образования растворимых полисахаридов. Целлюлоза сначала утрачивает волокнистую структуру и превращается в гидроцеллюлозу Этот процесс протекает быстро даже при мягких условиях гидролиза (Варфоломеев. 1991, Шаповалова, 1994).
Для защиты поверхности бревенчатых стен от эрозии начиная с XIX века. применялась защитная обшивка их досками. Она предохраняла стены от атмосферных осадков и солнечного излучения, стабилизировала температурно-влажностный режим внешних поверхностей. Однако эта зашита оказывалась эффективной лишь в том случае. когда она была устроена с соблюдением правил аэрации и водоотвода (Kairamo. 1997; Шаповалова. Вешняков. 1998; Хеймовски, 1999)
Априори деревянные постройки считаются менее долговечными, чем каменные. Именно этим объясняется недостаточная востребованность древесины как строительного материала для современных домов (Riipola, 1996, Кислый, 1997). Большинство исследовагелеи считают, что с течением времени прочностные качества древесины значительно снижаются под влиянием длительных нагрузок при переменных температуре и влажности (Hearman&Paton. 1964; Gerhards, 1977). По мнению А.Шнивинда ( Schniewind, 1967; Schniewind&Lyon. 1972) для элементов конструкции большого сечения это снижение не столь значимо.
При многократных циклических изменениях влажности древесины, подвергающейся нагрузке, происходит снижение прочности и жесткости древесины, называемое гигроусталостью (Ugolev&Skuratov. 1995, Eriksson, 1997, Уголев и др. 1997). Наиболее значительные изменения наблюдаются на первых циклах сорбции-десорбции. При длительной эксплуатации (число циклов N — со) наибольшее влияние начинают оказывать амплитуда колебаний влажности и нагруженность образца. При растяжении поперек волокон изменение амплитуды колебаний влажности от 4 до 8% приводит к снижению модуля упругости образца на 0,06%, а увеличение нагрузки на 10% - к уменьшению этого показателя на 0,15%. Именно поэтому наиболее важной является конструкционная защита наиболее нагруженных элементов строения от влаги.
Изменение механических свойств древесины
Для оценки состояния древесины Преображенской церкви возрастным буравом отбирались образцы диаметром 5 и длиной 200 мм по внутренней и по внешней части строения Причем, сверление велось строго в горизонтальной плоскости по максимальному диаметру бревна. В таблице 2 приведена характеристика образцов древесины, отобранных для анализа. Сопряженные части бревен в данной работе не исследовались. При взятии материала определяли качественное состояние древесины керна - его целостность, наличие и размер гнили, окраску.
Разрушение древесины кернов наблюдалось примерно у 30% исследованных бревен. Глубина разрушений в среднем составила 2,3 см, однако, максимальная глубина у некоторых образцов достигала 13 см. Примерно 11% исследованных образцов было поражено деревоокрашивающими грибами и, в частности, синевой.
При обследовании архитектурных памятников возможность отбора проб древесины для испытаний по стандартным методикам ограничена. В связи с этим была предпринята попытка оценить прочность древесины по такому показателю, как плотность, которую можно определить неразрушаюшим методом. Снижение прочностных показателей зависит от таких факторов, как степень поражения, вид дереворазрушающего гриба, порода дерева, длительность и условия эксплуатации. В качестве комплексного показателя, позволяющего оценить степень повреждения древесины, принято использовать потерю массы (Wilcox. 1978; Viitanen. Ritchkoff, 1991а)
Плотность древесины сосны для Южной Карелии составляет 450-550 кг/м при 12% влажности (Боровиков. Уголев. 1989, Полубояринов. 1997) Это совпадает и с нашими данными по Преображенской церкви, приведенными в табл. 3
На рис.9 а.б приведены диаграммы распределения плотности древесины и ширины годичных слоев. Более половины образцов имеют плотность 430-490 кг/м3 и от 6 до 14 годичных слоев на 1 см и только 20% представлены узкослойной древесиной с количеством годичных слоев в 1 см 18. Учитывая равномерность отбора образцов, можно считать, что этот показатель соответствует всему массиву бревен Распределение выборки значений плотности соответствует нормальному - эксцесс 0.5. коэффициент Шаппро-Уилкса 0.95.
Зачастую хорошую сохранность памятников деревянного зодчества объясняют использованием в постройках только высококачественной специально отобранной древесины (Горшин и др., 1992, Alsvik. 1998. Шаповалова. Вешняков, 1998. Гусев, 1999).
Для большинства памятников такой отбор действительно проводился, примером может СЛУЖИТЬ церковь Успения в г Кондопога (Карелия) Однако детальный анализ качества древесины Преображенской церкви это не подтверждает.
Полученные данные (табл. 3) позволяют сказать, что узкослойная древесина ( п=17 год.ел./см ) с высокой плотностью ( Pi2= 525 кг/м ) использовалась лишь для нижних венцов строения. Основной объем храма построен из древесины со средней плотностью 440 кг/м . причем разброс значений плотности здоровой древесины, начиная с отметки 3.10 м до отметки 22.4м. практически отсутствует. Для верхних восьмериков использовалась широкослойная древесина ( п=5 год.ел..см ) с пониженной плотностью (Pi2= 396 кг/м5).
Выявленные закономерности указывают на экономное использование строительного материала. При этом достигалось уменьшение нагрузки на нижние венцы от собственного веса конструкции, более прочная древесина использовалась в наиболее нагруженных зонах, упрощался процесс строительства Первые два условия невольно наталкивают на мысль о том, что создатели храма учитывали принципы строительной архитектоники растущего дерева, в котором наиболее нагруженная комлевая часть имеет большую плотность.
Плотность древесины тесно коррелирует с рядом прочностных показателей (Перелыпш. 1969; Боровиков. Уголев, 1989)
Для расчета механических характеристик древесины были использованы регрессионные уравнения пересчета 3.2.1 -3.2.4 , предложенные Ю А.Лобановым и Т.Б.Кабановой ( Лобанов, Кабанова. 1989) для древесины Преображенской церкви
В таблице 4 приведены значения прочностных показателен, вычисленные по формулам 3.2.1-3.2.4 для панелей основного восьмерика Преображенской церкви.
Наблюдается значительный разброс всех исследованных показателей физико-механических свойств древесины. Наиболее важной характеристикой для срубовых конструкций является предел прочности при сжатии поперек волокон, который составил 3,5 МПа. Предел прочности при сжатии вдоль волокон, являющийся наиболее представительной характеристикой древесины, практически совпадает со значением, приведенным в СНиП 11-25-80, и составляет 43,7 МПа.
Как было отмечено в главе 3.1, в древесине произошло частичное разрушение макромолекул целлюлозы с образованием водорастворимых веществ, что привело к снижению физико-механических показателей. Для древесины, эксплуатирующейся под открытым небом, прочность при сжатии волокон в среднем на 17 о ниже значения. полученного для образцов древесины, отобранных внутри здания Влияние условий эксплуатации более существенно для нижних, наиболее нагруженных венцов церкви -здесь разница между показателями в среднем равна 17,5о тогда как для верхних венцов она составляет 10%.
По сравнению со статистическими данными ГССД 69-84 по физико-механическим характеристикам древесины сосны, произрастающей на севере европейской части России прочность древесины Преображенской церкви при сжатии вдоль волокон ниже стандартного значения на 16,5% при изгибе - на 17%, а при сжатии поперек волокон - на 31,4% ( табл. 4). Плотность исследуемой древесины на 19% ниже стандартной плотности древесины сосны (Рр=546 кг/м ). поэтому если сравнивать полученные значения со статистическими данными, они будут ниже примерно на ту же величину.
Приведенные результаты относятся ко всей выборке внешне неповрежденной древесины Преображенской церкви, которая сохранила свои прочностные характеристики после 285-летней эксплуатации
При проведении реставрационных работ необходима оперативная информация по каждому элементу конструкции для определения его дальнейшей пригодности В этом случае применение стандартизованных разрушающих методов определения прочности и жесткости, невозможно. Именно поэтому в последнее время все большее внимание уделяется разработке неразрушаюших методов контроля
За последние 10 лет, при изучении степени повреждения древесины Преображенской церкви, были опробованы оригинальные методы неразрушаюшего контроля - гвоздевой метод ("Прочностные и упругие характеристики... ",1992), огнестрельный метод Кашкарова (Отрешко, 1957) и метод гамма-дефектоскопии ( Никитин. Ошкаев, 1992). Практически все они основаны на взаимосвязи исследуемых параметров с плотностью материала. Полученные результаты дают возможность сравнения предлагаемых методик.
По методу Кашкарова прочностные показатели рассчитывались по глубине проникновения пули в исследуемый материал. Данные хорошо согласовывались с показателями, полученными традиционными методами (отбор стандартных образцов с последующим испытанием в типовых условиях). Однако этот метод вряд ли может быть рекомендован к использованию на любом уникальном объекте, поскольку его сложно реализовать без специальных лесов, установленных вокруг объекта Кроме того, в "пулевом" методе разброс показаний из-за качества пороха порой превышает разброс показаний, обусловленных качеством материала. Результаты, полученные по этой методике, не позволяют выявлять внутренние гнили.
В исследованиях, проведенных институтом «Гипротеатр». прочность древесины оценивалась по глубине внедрения гвоздя под действием удара постоянной силы. При извлечении гвоздя фиксировалась сила, необходимая на преодоление трения покоя Исходя из этих параметров, были рассчитаны показатели механической прочности для значительного количества бревен сруба (более 60%). Было выявлено различие в прочностных показателях по высоте сооружения (табл. 5), отмеченное выше при оценке плотности и механических показателей древесины (табл.3.4) Расчеты показали, что в отличие от субъективных органолептических оценок степени сохранности древесины. показатели механической прочности, определенные гвоздевым методом, МОГУТ быть достаточны для расчета устойчивости всей конструкции. Авторами работы был рассчитан срок службы конструкции -100 лет, т.е. до 2080-2090 гг. (Прочностные и упругие характеристики.. , 1992 г.)
Дефекты, возникшие после химической консервации длительно эксплуатируемой древесины
В течение долгого времени считалось, что только химическая зашита способна обеспечить длительный срок эксплуатации памятников деревянного зодчества
В 80-е годы для зашиты многих объектов музея - заповедника Кижи от биоповреждений использовались методы химической консервации (Горшпн. 1985. Горшин и др., 1992). Наиболее широко применялись водорастворимые антисептики на основе пентахлорфенолята натрия (ПХФН): ПББ-21 1 (ПХФН, б\ра. борная кислота) и ПЗС (пентахлорфенол-2. зеленое масло-10, уайт-спприт-88). Способ глубокой панельной пропитки, обеспечивающий проникновение антисептирующего раствора на глубину 2-? см. гарантировал, по мнению сотрудников Сенежской лаборатории. 100-летний период безопасной эксплуатации памятников.
Наши исследования показали, что глубокая консервация древесины таким методом вызвала появление дополнительных дефектов. После окончания пропитки, при которой в древесину вводилось значительное количество воды, снимали ограждающую пленку и следовала интенсивная сушка древесины. Так как влага в древесине была распределена неравномерно, возникали внутренние напряжения, которые приводили к расширению старых трещин и появлению новых. Характерно, что, так же как и на необработанных бревнах, наиболее значительное растрескивание произошло в верхней четверти бревен (рис. 19), а на косослойных бревнах - по всей поверхности. Вследствие более сильного нагрева поверхности южные панели оказались более поврежденными.
Глубина и ширина образовавшихся трещин могут служить мерой внутренних напряжений, возникших в этом процессе. Для сравнения были выбраны бревна на южной панели Покровской церкви, пропитанные ПББ-211 панельным способом и необработанные бревна юго-восточной панели основного восьмерика Преображенской церкви. Глубина и ширина трещин пропитанных бревен оказались в два раза больше, чем непропитанных. что свидетельствует о значительных внутренних напряжениях, возникших в процессе сушки пропитанной древесины (табл. 6 ).
Из-за изменения химического состава и ультратонкой структуры обработанной древесины (Минина и др. 1980), процессы ее увлажнения и сушки протекают по-разному. Для древесины Покровской церкви, подвергнутой глубокой консервации, характерны большая влагоинерционная способность при изменениях состояния внешней среды Можно отметить, что обработанная древесина хотя и имела меньшую влажность в дождливые дни ее влажность резко увеличивалась (рис. 20) А при последующей десорбции довольно быстро снижалась. Это вызывало значительные перепады влажности по сечению, что и могло привести к появлению значительных внутренних напряжений.
ПХФН достаточно хорошо удерживается в древесине. Так, отмечалось его присутствие в образцах древесины через 20 лет после обработки ( Scheffer&Eslyn, 1978). В таблице 7 представлены результаты определения содержаний фенольных соединений в древесине Покровской церкви Химический анализ выявил наличие достаточного количества фенольных соединений в древесине спустя 24 года после панельной обработки.
Использование только одного метода консервации без создания безопасного режима эксплуатации памятника оказалось недостаточным для предотвращения развития дереворазрушающих грибов. До осени 1998 г. крыша Покровской церкви была в аварийном состоянии, что не могло не сказаться на сохранности древесины, помимо этого. в подклете здания отсутствовала вентиляция. Повышенная влажность возд\ха создавала благоприятные условия для поселения и развития дереворазрушающих грибов.
На чердаке церкви были выявлены несовершенные и сумчатые грибы, вызывающие серую смешанную гниль В 1995 году в подклете Покровской церкви было выявлено развитие настоящего домового гриба (Serpula lacrymam) (Kozlov, Krutov, Kisternaia. 1997) (рис.21 а.б). После проведения рекомендованных нами мер санации, выразившихся в восстановлении продухов с целью повышения аэрации, удаления прилегающего к опорам грунта, активность развития настоящего домового гриба существенно снизилась.
На балках и досках чердачного помещения над сенями церкви обнаружены очаги развития северного точильщика. После интенсивных дождей древесина в поврежденных зонах превратилась в темно-коричневую кашеобразную массу, влажность которой превышала 60%. Такие зоны зафиксированы на чердаке над сенями - северо-восточный угол (глубина повреждения более 20 мм).
При панельном антисептировании Покровской церкви было использовано несколько тонн антисептиков, содержащих ПХФН, в результате чего возникла неблагоприятная обстановка для персонала и посетителей.
Запреты или ограничения на использование хлорфенольных антисептиков действуют практически во всех странах Европы - Швеции. Голландии. Дании. Германии. Швейцарии и др с начала 90-х годов Наряду с высокотоксичнымп хлорфенольными соединениями примененные антисептики выделяют в атмосфер) диоксины, являющиеся чрезвычайно опасными соединениями (Yalo. 1984)
Как было показано выше. ПХФН до настоящего времени присутствует в древесине В 1998 году было проведенное детальное обследование всех помещений церкви на содержание фенольных соединений. Зоны контроля располагались как внхтрн церкви, так и вблизи здания
Практически во всех контрольных точках содержание фенольных соединений превышало среднесуточные предельно допустимые концентрации (ПДК) (рис 22) В непосредственной близости от стен их уровень превысил ПДК для разовых выбросов, который равен 0,01 г/м3. Пропитанная сильными антисептиками древесина Покровской церкви оказывает отрицательное влияние на здоровье человека за счет постоянного выделяемых в атмосферу фенольных соединений, особенно в летний период при повышенных температурах.
Таким образом, можно заключить, что глубокая химическая консервация привела к дополнительным нарушениям целостности древесины, не обеспечила надежную защиту- от биоповреждений и создала неблагоприятную экологическую обстановку в Покровской церкви.
Влажность древесины
Влажность древесины наряду с температурой является основным фактором. определяющим развитие деревонаселяющих грибов Считается, что минимальная влажность субстрата, при которой возможно размножение и рост наиболее типичных патогенных организмов составляет 18-20% (Hocking et al. 1994) Различные виды дереворазрушаюших (домовых) грибов характеризуются различными требованиями к влажности древесины и температуре окружающей среды Так. минимальная влажность древесины, при которой происходит развитие спор и рост мицелия плесневых грибов составляет 14-16% при температуре выше 5 С. При низких значениях влажности и температуры появление первичные признаков поражение может происходить через несколько недель, месяцев и даже лет. В то время как при благоприятных условиях, они появляются уже через несколько дней или недель. Для развития дереворазрушаюших грибов значение минимальной влажности близко к пределу гигроскопичности древесины Для успешного развития S.lacrimans достаточной считается влажность 20-22%. для C.vaporarius, С. cerebe/la. P.gigantea, G.sepiarium, F.rosea - почти в два-три раза выше. Минимальная, максимальная и оптимальная температуры для грибов бурой гнили зависят от экспозиции, питательной среды, влажности воздуха и субстрата, как и от генетических факторов и вида гриба. Для развития большинства дереворазрушаюших грибов оптимальная температура воздуха 22-27 С. минимальная от 5 до 9С, а максимальная - 34-37 С (Рипачек, 1967, Viitanen. Ritchkoff. 1991а. Viitanen. 1998).
Постоянный мониторинг микроклимата постройки позволил рассчитать равновесную влажность древесины эксплуатирующейся как внутри так и снаружи здания ( рис 32.33)
Как отмечалось выше, период наблюдений характеризовался относительно теплой погодой (превышение среднемноголетней температуры составляло 26-45%), в то же время различия в количестве выпавших осадков были более существенными. Так. в 1997 году осадков выпало на 52% меньше, а в 1998 году - на 75% больше нормы ( табл. 12) Климатические условия 1997 года способствовали снижению равновесной влажности древесины церкви, так для внутренних конструкций среднемесячные значение составило 10,5-16%, причем коэффициент вариации показателей был небольшим - 2% (Рис 32) Большой вариативностью - от 5 до 30% характеризовались значения равновесной влажности в 1998 году. Значительное превышение нормы осадков сказалось на повышении среднемесячной влажности) наружных конструкций до 14.7-20,3 % (рис. 33).
Вне зависимости от погодных условий, равновесная влажность древесины. эксплуатирующейся в здании церкви, была на 6-10 о выше соответствующего показателя для наружных конструкций. Обращает на себя внимание тот факт, что диапазон изменения влажности достаточно широк - от 10 до 30 о.
В 1997 году минимальные значения равновесной влажности были зафиксированы в июле (15.5о), а максимальные - в октябре (22.5о). В 1998 году - в мае (2 1,3о) и сентябре -26.8%.
Если 1995-1997 годы были неблагоприятным для развития большинства выявленных на Преображенской церкви дереворазрушающих грибов (в частности грибов бурой деструктивной гнили), жизнедеятельность которых начинается при влажности субстрата 1 8-20%. то в 1998 году возникла вероятность их активизации. Вероятность их развития внутри церкви существовала в течение всего периода наблюдений даже за счет гигроскопической влаги. Поскольку атмосферная влага не единственный источник увлажнения древесины, для получения полной информации необходим непосредственный контроль влажности древесины
Для получения полной картины 3 раза за сезон (весна, лето, осень) проводилось измерение влажности основного восьмерика и прирубов.
Выявлено, что для церкви характерна достаточно большая вариация влажности по отдельным бревнам от 7 до 50-60%.
Наблюдается уменьшение влажности снизу вверх по всем панелям строения. характерное для деревянных сооружений Влажность древесины в весенний период выше, чем летом. Последнее, вероятно, связано с поглощением снеговой влаги и особенностями летних сезонов 1995 - 1997 годов - малое количество осадков в летний период, в среднем 50% от среднемноголетнего уровня.
Степень увлажнения различных панелей церкви не одинакова (рис 34). в силу ряда причин Наиболее влажные панели с северной стороны, что обусловлено недостаточной инсоляцией, особенно северо-восточной панели основного восьмерика В этой зоне наблюдается наибольшее разрушение древесины сруба дереворазр\ тающими грибами и насекомыми, произошедшее в период аварийного состояния кровли и обшивки сооружения, те. более 25 лет назад. Наибольшее количество бревен, влажность которых превышает 20% зафиксировано на северо-восточной панели (рис.34).
Обращает на себя внимание факт высокой влажности бревен юго-западной панели. Это обусловлено, преобладанием осадков с западными ветрами. Есть определенная доля и конструктивных нарушений: на уровне 42-43 бревен имеется окно, поставленное без гидроизоляции. Во время западных дождей поступающая влага стекает по врезке окна на нижележащие бревна, повышая влажность поверхностных слоев древесины на 5-10 о. На этой панели также достаточно высокая влажность нижних венцов Наиболее вероятный источник дополнительного увлажнения - грунт в подклете трапезной
Юго-восточная панель основного восьмерика имеет достаточно высокий процент неповрежденной древесины (более 80 о) Как и на северо-восточной панели не зарегистрировано превышение уровня влажности (30 о) на протяжении всего срока наблюдений (рис 34). Влажность древесины сохраняется на уровне 16 - 2о в период с мая по первую декаду сентября, несколько увеличиваясь в октябре - сентябре
Влажность древесины северо-западной панели основного восьмерика также не превышает предела гигроскопичности древесины. Несколько повышенные значения влажности 20-30%. обусловленные недостаточной вентиляцией, наблюдаются для 1-2. 5-7 и 11-16 венцов (рис.34)
Постоянный контроль влажности древесины в 1995-1997 годах проводился по 15 точкам, в 1998 году - по 34 точкам (рис 7). Анализ данных, полученных уже в первый год наблюдений, показал, что по характеру изменения влажности, все контролируемые зоны можно разделить на 3 категории: первая - влажность древесины изменяется от 10 до 18 % вторая - влажность древесины 10-24 %, а осенью до 30% третья - влажность древесины 24-55% Характер изменения влажности по этим зонам достаточно близкий, т.е. повышение и снижение влажности наблюдается одновременно во всех зонах, однако амплитуда изменений наиболее высокая на бревнах третьей группы (рис 35). Он оставался постоянным в течение всего периода наблюдений ( табл. 14).
Влажность древесины первой и второй зон не превышает предела насыщения волокна и обусловлена гигроскопической влагой. Динамика равновесной влажности древесины (Wp) сходна с изменениями фактической влажности древесины (W). Однако значение Wp выше W. что объясняется инерционностью гигроскопичного материала. Как показано на рис.33 бревна первой категории расположены в основном в восточной, а второй категории - в западной части строения Достоверных различий по качеству древесины (плотность, ширина годичных слоев, биоразрушение) для этих двух зон выявить не удалось. Следовательно, на характер изменения влажности большее влияние оказывает внутренний микроклимат постройки.
Влажность древесины 3-й категории всегда выше предела гигроскопичности, что вызвано, по всей вероятности, поглощением влаги из почвы или ее поступлением в результате тротечек.