Строительные (эксплуатационные) свойства характеризуют степень пригодности материала для условий эксплуатации. В этом смысле некоторые уже рассмотренные свойства камня (водопоглощение, прочность, истираемость и др.), непосредственно влияющие на эффективность эксплуатации облицовочных материалов, могут быть также отнесены к группе строительных свойств. К группе эксплуатационных свойств отнесено и такое важное комплексное свойство, как долговечность камня.
Долговечность камня – свойство, характеризующееся способностью горной породы сохранять в изделии требуемые качества (прочностные и декоративные) до предельного состояния, заданного условиями эксплуатации здания или сооружения.
Попытки оценить долговечность горных пород и классифицировать их по этому показателю предпринимались с давних времен.
Одна из первых классификаций облицовочного камня по долговечности была составлена итальянским ученым Сальмораги в 1892 г., который разделил все природные материалы в зависимости от их способности сохранять первоначальную твердость с тече-. нием времени на 10 классов: I – твердость сохраняется несколько дней (лед, каменная соль); 2 – до 1 года (низкоплотные ангидриты, мергелистые породы и т. д.); 3 – несколько лет (плотные ангидриты, низкопрочные известковые туфы, гипсовые камни и т. д.); 4 – несколько десятилетий (известняки низкопрочные, мел, породы с мергелистым цементом и т. д.); 5 – до 100 лет (известняк с включением глины, серпентина, офикальцита и т. д.); 6—100-500 лет (мраморы цветные, травертины, песчаники, гнейсы, порфиры и т. д.); 7—500-1000 лет (окаменелый песчаник, базальт, гранит, сиенит и т. д.); 8—1000-2000 лет (гранит мелкозернистый, сиенит и т. д.); 9 – свыше 2000 лет (кварцит, порфирит и т. д.); 10 — беспредельный срок.
Эта классификация до сих пор еще иногда используется в практике строительства Италии. Следует отметить, однако, что она имеет весьма приближенный харак тер, составлена применительно к климатическим условиям Италии и не учитывает время сохранения декоративных качеств камня.
Таблица 12. Классификация облицовочного камня по долговечности
| Категория (группа) долговечности | Наименование пород камня | Долговечность, годы | |
| Начало разрушения | Окончательное разрушение | ||
| I. Весьма долговечные | Кварциты, мелкозернистые граниты | 650 | |
| II. Долговечные | Крупнозернистые граниты, сиениты, габбро, лабрадориты и др. | 220—350 | 1500 |
| III. Относительно долговечные | Белые мраморы, плотные известняки и доломиты | 75—150 | 1200 |
| IV. Недолговечные | Цветные мраморы, гипсовые камни, ангидриты, пористые известняки | 20—75 | 100—600 |
Во многих современных классификациях долговечность оценивается длительностью службы камня (в годах) до появления первых признаков разрушения (начала разрушения) и окончательного разрушения. В СНГ в зависимости от величины этих показателей природные каменные материалы классифицируются (табл. 12) на четыре категории (группы). По показателям долговечности большинство разновидностей природного камня относится к числу наиболее стойких облицовочных материалов.
Наибольшей долговечностью обладают мелкозернистые кварциты и кварцитовидные песчаники, а также мелкозернистые граниты, сохранившиеся в древнейших памятниках человеческой культуры. Таковы, например, Стоунхендж – гигантское каменное сооружение (возраст свыше 3600 лет), с основанием из блоков песчаника на территории Англии, гранитные статуи фараона Рамзеса II в древнеегипетском храме Амона (возраст 3200 лет) и др. Интересно отметить и хорошую сохранность полированной фактуры камня у упомянутых статуй.
Значительную долговечность имеют породы второй категории – крупнозернистые граниты, сиениты, габбро лабрадориты и др., что также подтверждается хорошей сохранностью этих видов камня в исторических памятниках.
Менее долговечны породы третьей категории – белые мраморы, плотные известняки и доломиты: в условиях наружной облицовки они быстро утрачивают полировку, а вслед за этим темнеют от пыли и грязи. Тем не менее срок службы этих каменных материалов до полного разрушения при благоприятных условиях может быть весьма значителен, о чем свидетельствуют сохранившиеся до наших дней многочисленные беломраморные памятники античной Греции и Древнеримской империи, сооруженные 2000—2700 лет тому назад.
Наконец, к недолговечным породам, составляющим четвертую категорию, относят цветные мраморы, гипсовые камни, ангидриты и большую часть пористых известняков. Применять эти материалы для наружных облицовок не рекомендуется.
Как показывает анализ, потеря внешнего вида облицовочного камня с течением времени проявляется в следующем: изменении первоначального цвета (обычное выцветание) у некоторых видов цветных мраморов, туфов, амазонитовых гранитов; появлении разнообразных пятен на поверхности (у известняков, доломитов, травертинов, реже мраморов); утрате полированной фактуры у мраморов и мраморовидных известняков (поверхность камня становится «песчанистой»).
Разрушение камня в процессе эксплуатации может иметь разнообразные формы: шелушение поверхности, появление трещин, расслаивание, выкрашивание отдельных частиц и выпадение кусков (участков) изделия. Помимо этого, для крупноразмерных плит мрамора и аналогичных пород (например, мемориальных досок) характерно появление в процессе эксплуатации пластической деформации (прогиба), величина которой может быть существенной, что ухудшает внешний вид изделия (например, у мемориальных досок на доме № 10 по проспекту Мира в Москве и на доме № 60 по Литейному проспекту в Ленинграде прогиб в центральной части составил 20 – 30 мм).
Наблюдения за эксплуатацией каменных материалов и специальные исследования показывают, что на долговечность камня оказывают влияние агрессивные факторы климатического, механического, химического, биологического характера, причем разрушение камня происходит одновременно под действием как комплекса таких факторов, так и одного из них.
Рис. 19 Схемы пористости горных пород
Одной из главных причин, сокращающих срок службы камня, является климатическое воздействие (так называемое физическое выветривание): перемещение и испарение влаги с растворенными в ней веществами и резкие температурные колебания с переходами через нулевую температуру. На камень отрицательно действует не столько дальнейшее понижение температуры после замерзания, сколько частота перехода через 0 °C (точнее через ‑4 °С), т. е. чередование циклов замерзания, оттаивания и нового замерзания воды. Такое воздействие приводит к развитию в камне трещин, разрыву перемычек между отдельными порами, ослаблению связи между кристаллами, снижению механической прочности. При этом основная причина разрушения заключается в давлении на стенки пор камня, возникающем при замерзании воды: расширяясь (объем при этом увеличивается на 9 %), вода оказывает давление на стенки пор, достигающее иногда десятков или сотен МПа (несколько сотен или тысяч кгс/см2), В результате в замкнутом пространстве отдельные участки камня испытывают большие механические напряжения, которые могут привести к его разрушению.
В мельчайших порах и микроскопических волосяных каналах горной породы – капиллярах (от латинского капиллярис – волосной) вода не замерзает даже при температурах, которые намного ниже 0 °С. При замерзании в сравнительно крупных порах расширяющаяся вода под давлением образующейся корки льда проникает в мелкие поры и капилляры, передавая давление на стенки-перемычки и вызывая, при определённых условиях, их разрушение. В случае, когда порода имеет преимущественно крупные поры (рис. 19, а), не сообщающиеся между собой, периодическое воздействие отрицательных температур приводит к разрыву стенок между порами, снижению прочности, а иногда и к распаду камня на отдельные куски. Наоборот, если порода имеет поры, окруженные сообщающимися с ними капиллярами (рис. 19,6), то часть воды при замораживании отжимается в мелкие поры и капилляры, служащие как бы резервными емкостями, не оказывая вредное механическое действие на скелет породы (камень может быть достаточно долговечным даже при невысокой механической прочности). Примером сказанного может служить высокая долговечность подмосковных мячковских известняков, представлявших собой основной строительный материал белокаменного зодчества.
Благодаря указанным особенностям строения камня, постройки из него, возведенные в XIII – XIV вв., хорошо сохранились до нашего времени. Жетыбайский ракушечник – другая разновидность пористых известняков – также хорошо сохранился в многочисленных архитектурно-исторических памятниках Казахстана (мавзолеи и памятники Иргизбая, Темира и др.), сооруженных более двухсот лет тому назад.
Некоторые даже менее пористые и более прочные известняки с неблагоприятным строением пор являются неморозостойкими и имеют невысокую долговечность (венёвский, экларский и др.).
Иногда на морозостойкость камня оказывают преимущественное влияние только температурные колебания, вызывающие постоянное расширение и сжатие горной породы (особенно это относится к породам, имеющим порфировую структуру и темный цвет). Хотя температурный коэффициент линейного расширения у каменных материалов относительно невысок, они могут разрушаться вследствие того, что кристаллы различных породообразующих минералов по-разному меняют свои размеры при колебаниях температуры. В этом свойстве кристаллов кроется главная причина возникновения многих дефектов крупнозернистого гранита «рапакиви»:—наимёнее долговечного материала среди изверженных пород. При резких температурных перепадах он покрывается сеткой мелких трещин, дающих начало дальнейшему разрушению. Наглядным примером служит знаменитая Александровская колонна на Дворцовой площади в Ленинграде, сооруженная из пютерлакского рапакиви в 1834 г., которую пришлось реставрировать с тех пор четыре раза (в 1838, 1860, 1912 и 1963 гг.).
Значительное влияние на долговечность камня оказывают также и механические факторы, среди которых можно выделить: ударные воздействия (особенно на дорожных покрытиях, полах, ступенях), сжимающие и изгибающие нагрузки (на облицовках стен при усадке зданий), истирание (на дорожных покрытиях, полах, ступенях), воздействие абразивных частиц (на наружную облицовку). В значительной степени вредное действие указанных факторов может быть снижено при правильном выборе вида камня, с учетом его эксплуатационных характеристик.
Химические факторы в ряде случаев могут также резко сократить срок службы каменных изделий (химическое выветривание) . Так, при недостаточной гидроизоляции каменных сооружений возможен подсос в камень грунтовых вод с последующим отложением солей, приводящим к возникновению выцветов и высолов, а иногда и к разрушению слабых материалов.
В группе химических факторов большое отрицательное влияние на долговечность камня оказывает загазованность атмосферы промышленных городов: значительное содержание в ней оксида SО3 приводит при увлажнении к образованию серной кислоты или сернокислых солей, расширяющихся при гидратации. Наглядным примером быстрого разрушения камня под влиянием городского воздуха служит египетский обелиск «Игла Клеопатры» (высота 21 м), изготовленный из асуанского сиенита в период царствования фараона Тутмоса (XVI—XV вв. до н. э.). Обелиск простоял в Египте около 3500 лет. Затем в отличном состоянии он был подарен США и установлен в Нью-Йорке в 1880 г. Спустя некоторое время на сиените обнаружили признаки выветривания (шелушение и отслаивание крупных частиц породы), возникшего в результате комплексного действия влаги и серной кислоты.
В то же время обследование других памятников такого возраста – египетских сфинксов, выполненных из этого же материала и установленных в Петербурге в 1832 г., показало их вполне удовлетворительную сохранность.
В отдельных случаях существенную роль в снижении долговечности камня могут сыграть биологические факторы: корни некоторых растений (особенно лишайников), а также бактерии способны растворять поверхность камня (главным образом карбонатных пород), ухудщая ее внешний вид и приводя к разрушению материала.
Следует отметить также, что зачастую долговечность камня сокращается в результате конструктивных ошибок, допущенных при проектировании и установке деталей облицовки. Такие ошибки весьма разнообразны. Ранее уже отмечалось, что отсутствие или недостаточная герметичность специальной гидроизоляции облицовки в местах ее соприкосновения с землей способствуют подсосу грунтовых вод с отложением солей, появлением высолов, выцветов и шелушением камня. Использование для установки облицовочных изделий стальных анкеров (закреп) приводит к образованию в камне железных оксидов, вызывающих разрушение облицовки в результате увеличения объема закреп в крепежных отверстиях; побочным следствием является пропитывание облицовки (особенно мраморной) окрашенными железными и медными солями с образованием пятен (стены станции «Университет» московского метрополитена и др.).
При слишком плотной установке облицовочных и архитектурно-строительных изделий (без компенсационных швов) также возможно разрушение камня из-за недоучета, термического расширения при разогреве солнечными лучами. Часто при проектировании облицовки не принимаются во внимание усадочные деформации элементов сооружений, вследствие чего возникающие при этом нагрузки на облицовочные изделия вызывают появление в них трещин.
Нередко при возведении сооружений не учитывают эксплуатационные особенности тех или иных видов камня. Так, при недоучете направления слоистости по отношению к поверхности стены в увлажняемых конструкциях (цоколях, подпорных стенках и т. п.) происходит отслаивание камня. В этом отношении интересен пример облицовки Петропавловской крепости в Петербурге. В 60-x годах XVIII в. кирпичные стены крепости были облицованы снаружи путиловским плитчатым известняком. Однако, из-за ошибки строителей (плиты укладывались лицевой стороной параллельно слоистости) эта облицовка уже через 20 лет пришла в полную негодность (массовое расслаивание) и ее пришлось заменить на гранитную (1780—1786 гг. в царствование Екатерины II). В то же время при правильной укладке путиловского известняка (лицевая поверхность перпендикулярна слоистости) этот камень мог бы прекрасно сохраняться в течение 100—150 лет и более, о чем свидетельствуют многочисленные старинные постройки в Ленинграде, в которых известняк был использован в цоколях и фундаментах.