Разрушение природного камня в условиях городской среды

Сланец  обладает свойством звукоизоляции, устойчив к агрессивной среде.

     Таким образом, мы рассмотрели особенности происхождения, свойства, применение важнейших градостроительных пород нашего города.

В зависимости от состава, происхождения будут различны и формы разрушения горных пород. Далее рассмотрим наиболее характерные примеры.

2.Формы   и виды разрушений камня

Характер разрушения горных пород  зависит от их состава и строения.

 Известняки выветриваются в зависимости  от текстуры, состава и примесей.

Массивные известняки образуют первоначально  глыбы, тонкослоистые известняки и  доломиты выветриваются непосредственно  в плитковидный щебень, комковатые в щебень.

 Граниты сначала распадаются по трещинам отдельности на крупные глыбы объемом до нескольких десятков кубических метров, которые непосредственно распадаются в дресву, т.е. в мелкие угловатые обломки диаметром 2-10 мм, минуя стадию щебня. Дресва при дальнейшем измельчении превращается в аркозовые пески, состоящие из кварца и полевого шпата с небольшой примесью слюды, которая быстро разрушается. Аркозовые пески под действием химического выветривания превращаются в глинистые продукты и кварцевый песок.

 Диориты, габбро, состоящие из менее устойчивых плагиоклазов и цветных минералов,                 выветриваются быстрее гранитов. Они образуют глыбы, которые в конечном итоге превращаются в глинистые продукты выветривания красно- бурого цвета, обогащенные гидроокислами железа.(4)

Наиболее легко выветриваются  вулканические туфы, отличающиеся высокой пористостью.

Осадочные породы в целом выветриваются  быстрее, чем магматические.

 Песчаники распадаются на  плитовидные глыбы, а затем  на щебень, песок и гальку.

Глинистые сланцы обычно образуют остроугольный  плитковидный щебень, который в дальнейшем превращается в тонкий пылеватый материал.

Разрушение природного камня- общепланетарный процесс, который приводит на протяжении веков и миллионнов лет к изменению ландшафтов, образованию первичной почвы. С исторической точки зрения прочность камня и каменных сооружений весьма сомнительна. Не дошедшие до нас многочисленные памятники архитектуры и искусства многих цивилизаций- свидетельство тому, что времени подвластен и камень.

Но, к сожалению, разрушение камня  в городской (антропогенной )среде протекает значительно быстрее, чем в естественных условиях. Причиной тому являются особенности городских экосистем, где влияние антропогенного фактора на природные процессы выходит на первый план. На природный камень в облицовке исторических зданий и сооружений пагубное влияние оказывает загрязнение атмосфере, которые оседают на поверхности камня и способствуют его разрушению.(5)

Ежегодно в Петербурге сжигается  огромное количество топлива, что приводит к постоянному повышенному содержанию в атмосфере оксидов серы, превращающихся в сернистую кислоту при контакте с водой.

 Последствия отрицательного  воздействия условий города на  состояние каменных сооружений  заметно усиливаются под влиянием  различных групп организмов.

 К их числу ,прежде всего,  следует отнести бактерии ,грибы, водоросли, лишайники, мхи ,а в ряде случаев и высшие растения.(2)

     Динамика разрушительных процессов определяется не только внешними воздействиями, но и свойствами породы. Одной из важных характеристик природного камня является твёрдость. Например, уже известный сердобольский гранит ,который гораздо медленнее разрушается в различных экологических условиях в отличие от гранита рапакиви.

     В ходе исследования на большинстве памятников было обнаружено интенсивное образование черной корки в основном их кристаллического гипса.

 Содержание кремния, алюминия  и железа достигает максимальных  значений в толще гипсовой  корки и резко падает на  границе корки и основной породы.

 Подобные изменения могут  оказывать существенное влияние на распределение микроорганизмов в разрушающемся слое камня. Интенсивное образование обогащенной гипсом патины наблюдается в условиях Петербурга и на пудостском известняке. Эти данные указывают на взаимосвязь физико-химических и биологических процессов, приводящих к разрушению памятников. Наружные колонны Казанского собора на Невском проспекте вырезаны из известняка (известкового туфа) каменоломен на реке Пудость под Гатчиной .Этот камень, благодаря своим техническим характеристикам и уникальным декоративным качествам ,стал материалом для создания произведений монументально-декоративной скульптуры, вошедшей в известнейшие архитектурные ансамбли. Но он в большей степени, чем другие каменные породы подвержен разрушающим воздействиям внешней среды.

В условиях Санкт-Петербурга из-за загрязнения  воздушной среды он быстро загрязняется и теряет внешний вид.

Архитектор, построивший новое здание для Российского государственного педагогического университета, использовал для облицовки травертины.

Но травертины также быстро разрушаются из-за неблагоприятной среды и через 15-20 лет следы такого разрушения будут видны невооруженным взглядом.

 

Такие же ошибки совершают и другие архитекторы, стремясь использовать красивые, но не подходящие для местной среды породы, становящимися неустойчивыми.

Так, в Финляндии, В Хельсинки ,используется каррарский мрамор из Италии. После каждой зимы на здании дворца «Финляндия» приходится заменять некоторые мраморные блоки, искалеченные погодой.

В сзязи с этим рассмотрим наиболее известный процесс, влияющий на разрушение монументального искусства – процесс образования гипса - сульфатизация.

3. Процессы изменения состава карбонатных пород

     Основная проблема камня- образование гипсовых корочек на поверхности при участии выхлопных газов, серной кислоты, образующейся из атмосферы промышленных районов и продуктов жизнедеятельности организмов.

Процесс образования гипсовых корок  называется сульфатизацией.

Поставлен опыт

Условия эксперимента

Кристаллы кальцита погружали в  раствор медного купороса с добавлением различных активных органических кислот.

     На поверхности кальцита появилась зелёная корка, состоящая из мелкозернистых кристаллов малахита. Также видны были сильные следы растворения: ямки травления, борозды на кальците. Состав продукта замещения показал электронный микроскоп с микрозондовой приставкой, обнаружено наличие серы, меди, кальция.

CaCO₃+CuSO₄+H₂O

CaSO₄*H₂O+Cu₂CO₃ (OH) ₂

Смоделировав процесс замещения  кальцита я обнаружила, что

1.  Среда, в которой присутствуют ионы серной кислоты [ SO₄]^2- , является агрессивной для карбонатных пород, процесс замещения может происходить и без участия органических кислот.

2.  Органические кислоты усиливают, ускоряют все реакции процесса замещения.

3. В исследованных растворах все процессы начинаются с наиболее уязвимых мест кристалла, таких как дислокация и прочие дефекты.

4.  Продуктами метасоматоза кальцита являются гипс и малахит.

5.  Продукты замещения можно отнести к типу гранных и габитусных.

     Помимо сульфатизации с участием SO₂ проходят  и другие процессы такие как

• карбонатизации (при наличии  СО₂ );

• сульфатизации (при наличии SO₂ );

• окремнение (при наличии SiO₂ );

• битумизации (при наличии CnHm);

• сольфатации (при наличии С  ₁, NH₄ и др.);

• гидратации (при наличии Н₂О).

     Очевидно, что эти же процессы в разной степени могут проявляться в белом камне, слагающем старинные здании.

Наиболее естественной для известняка можно считать карбонатизацию.

    Растворение кальцита и других карбонатов, миграция их составляющих через поровое пространство камня и вторичное их отложение отмечено многими исследователями, особенно изучавшими коры выветривания и почвообразование.

Декальцитизация и кальцитизация  могут приводить как к разрушению камня, так и к «залечиванию»  существующих в нем дефектов.

 Последнее обстоятельство во  многом объясняет многовековое  использование известковых обмазок  для сохранения кладки древних  зданий.

     Слой известкового раствора, кроме того, что является механической защитой поверхности камня, обладает антисептическими свойствами, играет роль своеобразного компресса, «вытягивающего» из кладки водорастворимые соли, а также, по всей видимости, может, преимущественно на поверхности камня, пополнять «недостаток карбонатного материала», возникающий в результате атмосферной коррозии и геохимических процессов.

Процесс сульфатизации камня карбонатных  пород (мрамора, известняка, песчаника) в памятниках архитектуры и монументальной скульптуры наиболее ярко проявился  в конце XIX - первой половине XX вв. и  к настоящему времени изучен достаточно подробно.

     В природе, в зоне выветривания, известняки подвергаются окремнению, имеющему вид метасоматического замещения. Основной геохимический процесс сводится к выносу известкового и концентрации кремневого вещества.

 Использование кремнийорганических соединений при консервации камня карбонатных пород приводит к повышению концентрации кремнезема в материале и тем самым способствует этому превращению.

4.Кислотные дожди.

     Многие газообразные вещества, попадающие в атмосферный воздух, взаимодействуют с влагой, образуя кислоты. Наиболее крупный источник таких кислот – сернистый газ, который образуется при эксплуатации энергетических установок, использующих органическое топливо, а также металлургических предприятий. Выделяющийся при сжигании угля, мазута, нефти, при обжиге на воздухе полиметаллических и других сульфидных руд, сернистый газ попадает в атмосферу с отходящими газами и в присутствии паров влаги превращается в неустойчивую сернистую кислоту и окисляется до серной кислоты. Окисление сернистого газа – каталитический процесс, протекающий в присутствии следовых количеств оксидов металлов, некоторых органических соединений, возможно, активных частиц-радикалов или под действием солнечного света.(1)

     Еще один источник кислот в дождевой воде – оксиды азота. Их прародитель – обычный воздух, содержащий, как известно, в основном азот и кислород. В естественных условиях образование оксидов азота из газов воздуха происходит лишь при грозовых разрядах и в результате деятельности азотфиксирующих и разлагающих белок бактерий. В промышленности оксиды азота образуются на энергетических предприятиях, на заводах, производящих азотную кислоту («лисьи хвосты» над трубами). Могут образоваться оксиды азота и в автомобильных двигателях: развиваемая при сжигании топлива высокая температура способствуют реакции азота с кислородом. Что же происходит со всеми этими кислотами? Мельчайшие капельки кислот диаметром 0,1-1,0 мкм в виде тумана довольно устойчивы и не осаждаются, но они могут служить  центром конденсации влаги, сливаться друг с другом и выпадать на землю в виде дождя. Кислотность растворов выражают с помощью водородного показателя – рН. Чистая вода при температуре 20 оС имеет рН = 7,0, обычная дождевая вода – в среднем 5,6 (некоторую кислотность ей придает присутствующий в воздухе углекислый газ). Вода кислотных дождей имеет рН<5,0.

В некоторых районах Швеции, Норвегии, России кислотность дождевых вод составляет 4,2-4,5, а концентрация кислот в них превышает нормальную для дождей в десятки раз. Некоторые дождевые воды содержат еще больше кислоты.

 В 1994 г. в Шотландии во  время грозы рН дождевой воды  составлял 2,4, т.е. в тысячи раз  больше нормы.

     Важно отметить, что все вредные выбросы европейских стран с преобладающими западными ветрами часто проходят над территорией нашего города

     Для оценки автомобильной нагрузки у Ростральных колонн на Стрелке Васильевского острова мною были проведены наблюдения. Ниже будем рассказано о методике исследования и результатах. .

5.Мониторинг оценки чистоты атмосферного воздуха по величине автотранспортной нагрузки

1,3 млн. машин, которые есть в городе выделяют немыслимое количество выхлопных газов, в состав которых входят такие вещества как серная кислота и её соли. А как мы уже выяснили, эти вещества влияют на сохранность камня памятников и облицовки Петербурга.

     В выхлопных газах двигателей содержится 200 химических соединений и элементов, наибольший вклад в структуру загрязняющих веществ вносят оксиды углерода и азот, углеводороды, сернистые соединения, сажа.

     Загрязнения воздуха отработанными газами автомобилей отличается  значительной неравномерностью в пространстве и во времени. Поэтому очень важен оперативный и детальный  учет интенсивности и структуры транспортных потоков, особенно в крупных городах.

     Санитарные требования по уровню загрязнения допускают поток транспорта в жилой зоне интенсивностью не более 200 автомобилей в час, в других частях города может колебаться в больших пределах.

     С целью выяснения автомобильной нагрузки  в центре города, мною было проведено  наблюдение   за транспортным потоком  в течение 11 каникулярных дней на Стрелке Васильевского острова.

     Время наблюдения 12-12ч.30мин.

     Вместе с   помощницей мы подсчитывали количество автомобилей, троллейбусов, грузовых машин, проезжающих на Невский и с Невского пр.

     Особо обращалось внимание на количество машин, стоящих перед светофором ( на холостом  ходу) Результаты получились следующие. Из центра

Дата	Легковые. Грузовые	автобусы	троллейбусы	маршрутки	У светофора
21. 03	170	8	3	4	59
22. 03	201	9	5	5	61
23. 03	178	7	2	1	62
24. 03	166	6	1	5	58
25. 03	162	5	5	4	55
26. 03	168	4	4	3	66
27.03	194	6	5	5	52
28. 03	158	5	1	2	54
29. 03	182 1 гр	6	4	5	70
30. 03	175	5	5	4	66
31. 03	112	5	4	5	60