N1(4), 2001

ИСТОРИКО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТОВ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА КОМПЛЕКСА ЗДАНИЙ НОВОГО ЭРМИТАЖА

Р.Э. Дашко, Л.П. Норова

ДАШКО Регина Эдуардовна – доктор геолого-минералогических наук, профессор Санкт-Петербургского государственного Горного института им. Г.В. Плеханова (технического университета), член РНК МГ и Ф.

Основные направления научной деятельности – геоэкологические аспекты освоения подземного пространства, механика грунтов, инженерная геология. Автор более 150 опубликованных работ, 5 монографий, учебников и учебных пособий.

НОРОВА Лариса Павловна – старший научный сотрудник кафедры гидрогеологии и инженерной геологии Санкт-Петербургского государственного Горного института им. Г.В. Плеханова (технического университета).

Основные направления научной деятельности – инженерная геология, геотехника, геоэкология. Автор более 20 опубликованных работ.

Новый Эрмитаж – первое здание в России, построенное специально для хранения и постоянных выставок обширного собрания художественных коллекций. Необходимость создания такого музея была продиктована тем, что к началу XIX века для размещения приобретенных ценностей (картин, ваз, монет, скульптур и др.) не хватало помещений в Зимнем дворце, Малом и Старом (Большом) Эрмитаже. В 1838 году Николай I посетил Баварию (в связи со свадьбой своей дочери Марии Николаевны) и осмотрел два музея, построенных в Мюнхене, один из которых предназначался для хранения и выставок скульптур, а второй - для коллекций картин. Рациональность и архитектурное решение этих музеев в стиле неогрек настолько понравились российскому императору, что он изъявил желание познакомиться с их автором и создателем – архитектором Лео Кленце, который и был приглашен Николаем I для строительства здания Императорского музеума в Санкт-Петербурге. В 1839 году вышел в свет официальный документ, подписанный императором, “Предположение об устройстве музеума в Шепелевском дворце и Эрмитажном здании с перестройкой оных” (СПб, 1839).

Возведение корпусов Нового Эрмитажа Л. Кленце предполагал осуществлять только на свайных фундаментах. В. П. Стасов, который был не только руководителем работ, но и главным архитектором Адмиралтейской части Санкт-Петербурга, отверг это предложение,. и специальная комиссия своим решением от 5 февраля 1840 года решила строить здание на ленточных фундаментах, возводимых на деревянных лежнях со шпонками, уложенных на гранитную плиту, которая в процессе строительства была заменена на путиловскую (доломитизированный известняк из деревни Путилово).

Строительство комплекса Нового Эрмитажа началось в январе 1842 года на месте расположения старых конюшен и манежа арх. Ю. Фельтена (были разобраны стены, оставлены фундаменты и подвальная часть здания), Шепелевского дворца арх. И.Е.Старова (здание полностью снесено и разобран его фундамент), корпусов лоджий Рафаэля арх. Дж. Кваренги (от последних оставлены стены и фундамент), а также полного сноса дежурных конюшен арх. С. Шустова в центре Эрмитажного двора. Вдоль набережной р.Невы было сохранено здание Большого Эрмитажа (арх.Ю.Фельтен) (рис.1). Фундаменты здания на месте Шепелевского дворца шириной 3,73 м были возведены из кирпичной кладки на известковом растворе. Аналогичная кладка использована для возведения наружных и внутренних стен подвалов и здания, которое было подведено под крышу в 1845 году. Начиная с 21 сентября 1850 года оно стало официально именоваться Новым Эрмитажем, а 5 февраля 1852 года состоялось освящение музея и его открытие.

Конец XVIII века – начало XIX века (до 1826 г.).	1829 г. – 1840 г.
Рис. 1 Функционирование зданий Эрмитажного комплекса и систем водоотведения в конце 18 – первой половине 19 вв.
а)   - из конюшен;  - из канализационной сети;  б) - за счет складирования хозяйственно-бытовых отходов.

2. Анализ геоэкологической ситуации  и геотехнических условий в подземном пространстве территории Нового Эрмитажа.

До настоящего времени работы по реконструкции и реставрации зданий исторического центра Санкт-Петербурга, а также других городов проводились без должного изучения и анализа существующей ситуации в подземном пространстве, служащим основанием и средой памятников градостроительства и архитектуры, а также действующих коммуникаций.

Прогрессирующее разрушение многих зданий и инженерных сетей, в том числе и Нового Эрмитажа, которое находит свое выражение в развитии неравномерных осадок несущих конструкций, трещинообразовании в стенах, разрушении фундаментов и их гидроизоляции, затоплении подвалов, коррозии труб канализационных и водопроводных систем и др., вызвано постепенным ухудшением состояния и свойств грунтов основания, повышением агрессивности подземных вод и грунтов в условиях локального подтопления и загрязнения территорий. В свою очередь, негативные изменения химизма грунтовых вод и окислительно-восстановительной обстановки подземной лито- и гидросферы часто протекают одновременно с активизацией микробиологической деятельности в обводненной толще грунтов. Интенсификация и адаптация микрофлоры к изменяющимся условиям ее существования, с одной стороны, способствует деградации природной и техногенной органики, а также некоторых неорганических соединений в подземном пространстве и, с другой, - вызывает значительный рост биомассы и продуктов метаболизма микроорганизмов. Химические, физико-химические и биохимические процессы приводят к значительному преобразованию подземных вод, состава, состояния и свойств грунтов, материалов кладки фундаментов и подвальных помещений, а также коррозии труб. Соответственно, возникает необходимость специального подхода при обосновании и выполнении проектов реконструкции и реставрации архитектурных памятников культурного наследия с учетом не только природной обстановки, но и истории локальных техногенных воздействий, которые во многом предопределяют экологическое состояние подземного пространства.

Интенсивность трансформации подземного пространства исторического центра Санкт-Петербурга, в том числе и в пределах застройки Нового Эрмитажа, определяется рядом природных и техногенных факторов. Среди природных факторов особое место занимает специфика инженерно-геологического разреза этой территории:

1) прочные коренные (дочетвертичные породы) залегают на глубине более 70 м;

2) в разрезе четвертичных пород прослеживаются песчано-глинистые грунты, в верхней зоне часто заторфованные и содержащие прослои торфов различной степени разложенности; четвертичные грунты характеризуются, в основном, как слабые неустойчивые разности с высокой степенью их чувствительности к техногенным воздействиям, таким как изменение напряженного состояния, в том числе и под действием динамических нагрузок, физико-химической и термодинамической обстановки, а также активизации микробиологической деятельности;

3) наличие высокого уровня зеркала грунтовых вод определяет интенсивность их загрязнения за счет инфильтрации различного типа стоков (канализационных утечек, нефтепродуктов и пр.);

4) формирование застойного гидродинамического режима горизонта грунтовых вод за счет существования непроницаемых облицовок и шпунтовых ограждений берегов основных водных артерий, в данном случае р.Невы, Зимней канавки и р. Мойки, ускоряет процессы загрязнения подземных вод и генерацию анаэробных условий (при наличии органических соединений различного генезиса).

Наличие торфов и заторфованных отложений, засыпанных грунтами, которые извлекались в процессе расчистки и дноуглубления, а также строительство каналов в районе Нового Эрмитажа (Зимняя канавка, Адмиралтейский канал) способствовало активизации биохимических процессов в разрезе грунтов ниже такой искусственной отсыпки. Аналогичную роль играют и погребенные торфа. Исследования болотного биогеоценоза, проведенные в МГУ, свидетельствуют о разнообразии различных типов микроорганизмов, а также о весьма существенной величине биомассы торфов. Вес сухой микробной массы может достигать сотен т/га (в зависимости от мощности болотной толщи), биомасса эукариот (82-99%) значительно превышает биомассу прокариот, а актиномицетный мицелий составляет 25% от биомассы бактерий (табл.1). При засыпке торфов глинистыми отложениями с малой газо- и водопроницаемостью в разрезе грунтов ниже торфяного слоя обычно наблюдается снижение окислительно-восстановительного потенциала, увеличение численности анаэробных форм микроорганизмов, трансформация химического состава подземных вод, а также физико-механических свойств грунтовой толщи на глубину 20-30 метров и более.

Таблица1

Вес микробной биомассы и соотношение ее компонентов в различных торфяниках (А.В. Головченко, 1993)

Примечание: пересчет сухой биомассы: а) на 1,0 м; б) на всю указанную толщу торфов

Кроме того, ухудшению экологической ситуации в подземном пространстве рассматриваемой территории способствовало уничтожение (засыпка) Адмиралтейского канала в середине XIX века, который был проложен по Миллионной улице. Вокруг таких засыпанных каналов в подземной среде наблюдается подтопление, повышение агрессивности подземных вод, вызванной рядом химических и биохимических процессов, наличие слабых грунтов, обладающих плывунными и тиксотропными свойствами.

С момента основания города участок размещения комплекса зданий Нового Эрмитажа постоянно застраивался и перестраивался. Особенно активное поступление контаминантов в обводненную толщу грунтов наблюдалось в конце XVIII – начале XIX веков, когда на месте западного корпуса Нового Эрмитажа располагались конюшни и манеж, а в центре большого двора между конюшнями и Лоджиями Рафаэля (восточное крыло) располагался Мастеровой двор, застроенный деревянными и каменными одноэтажными домами, где жили конюхи, прачки, кучера и другой обслуживающий персонал дворцовых служб (см.рис.1). Наличие выгребных ям, клозетов и пр. предопределили большой объем поступления биогенных веществ, органических соединений, органического и неорганического азота, сульфатов, фосфатов в толщу грунтов. Мастеровой двор просуществовал до 1826 года.

Комиссия 1825 года, обследовавшая эту территорию, установила, что ни одно из строений не находилось в удовлетворительном состоянии, многие из домов были фактически или частично разрушены. Можно предполагать, что массовое разрушение этих построек было вызвано деформацией их несущих конструкций за счет неравномерных осадок фундаментов, в основании которых прослеживались слабые, интенсивно загрязненные грунты. Не исключена также возможность разрушения материалов кладки фундаментов в агрессивной среде, сформировавшейся за счет утечек фекально-бытовых стоков и сброса твердых и жидких отходов из конюшен.

С 1829 года построенные дежурные конюшни (арх. С. Шустов) в центре Мастерового двора вместо разобранных жилых и подсобных помещений дали дополнительный источник загрязнения (см.рис.1). До 1840 года загрязнение подземного пространства шло, в основном, за счет выноса органических и биогенных компонентов из функционировавших конюшен, а также канализационной системы Шепелевского дворца. Следует подчеркнуть, что количество органических и биогенных веществ, которые образуются при содержании одной лошади, сопоставимы с отходами жизнедеятельности десяти человек. Количество различных компонентов в отходах на 1000 кг живого веса лошади в кг/ год составляет: азота –128, фосфора – 19, взвешенных веществ – 3960, в том числе общее содержание различных веществ в отходах одного взрослого животного в кг/сутки может быть охарактеризовано следующими величинами:

Кроме того, в навозных стоках количество бактериальных клеток исчисляется десятками миллионов.

Органические соединения отходов животных и человека относятся к числу легкоокисляемых в химических реакциях и утилизируемых микроорганизмами. Именно поэтому наблюдается быстрая трансформация окислительной обстановки в грунтовых водах и переход ее в восстановительную.

Период строительства Нового Эрмитажа вплоть до 1852 года, очевидно, характеризуется относительным самоочищением подземного пространства на данной территории. Основное загрязнение шло со стороны Малого Эрмитажа, куда были перемещены конюшни, а также за счет возможных утечек из канализационных систем Зимнего Дворца.

Ввод в эксплуатацию Нового Эрмитажа вместе с дополнительными подземными коммуникациями в двух малых и Большом Эрмитажном дворах вновь создало дополнительную угрозу загрязнения грунтовых вод и грунтов фекально-хозяйственными стоками. Особенно неблагоприятное положение отмечалось на тех участках, где были проложены деревянные трубы и принимающие стоки бревенчатые срубы, которые частично разрушались уже в первые десять лет эксплуатации. Замена неисправной деревянной канализационной сети началась только в конце XIX века. Канализационная система в виде полупроходных галерей из кирпичной кладки также разрушалась за счет неравномерных деформаций основания, выщелачивания известкового раствора из кладки, «гниения» кирпича и пр. Состояние современной канализационной системы следует оценивать как неудовлетворительное по результатам обследования финских специалистов.

3. Влияние утечек из систем водоотведения на состояние природных вод и грунтовой толщи

Загрязнение грунтовых вод за счет утечек фекальных стоков имеет свою специфику, определяемую, прежде всего, их составом. Известно, что эти стоки характеризуются довольно стабильным содержанием определенных компонентов: азота аммонийного 60-130 мг/л, хлоридов – 70 – 190 мг/л, кроме того, в них отмечается присутствие заметного количества фосфатов, сульфатов, калия, натрия и др. Величина химического потребления кислорода (ХПК) –бихроматная окисляемость варьирует в пределах 35-120 мгО₂/л, при этом показатель биологического потребления кислорода за 20 дней (БПК₂₀) составляет около 85% от величины ХПК. Значение БПК (полное) достигает 1000 мгО₂/л. Нерастворимые вещества присутствуют в форме взвесей, причем коллоидная часть фекальных вод представлена белками, жирами, углеводами. Относительное содержание минеральных веществ в них приблизительно равно 42%, органического – 58%. В 1 мл фекальных стоков находится 10⁷ – 10⁸ клеток. При численности бактерий 10⁸ кл/мл объем бактериальной массы составляет 0,4 мл на 1 л или 400 л на 1000 м³ воды. Значительная часть бактерий принадлежит к сапрофитам, которые, как известно, живут и размножаются на мертвом органическом субстрате, кроме того, в стоках содержатся нитрито- и нитратофицирующие группы (при наличии кислорода) и в бескислородной среде - аммонификаторы. Необходимо также отметить, что в сточных водах широко распространены грибковые культуры, в том числе дрожжевые и плесневые, а также микроскопические водоросли.

В грунтовых водах под воздействием бактерий один из основных компонентов фекальных вод - мочевина подвергается гидролизу с образованием аммонийных солей: СO(NH₂)₂ + 2H₂O → (NH₄)₂CO₃. В дальнейшем карбонат аммония может разлагаться с образованием аммиака и углекислого газа (NH₄)₂CO₃ → 2NH₃ + СО₂ + H₂O

Накопление в водной среде NH₃ и СО₂ приводит к существенному повышению ее агрессивности. Соединения азота в грунтовой воде в зависимости от величины рН и температуры могут присутствовать в форме растворенного аммиака и/или в виде иона аммония NH₄⁺. В нейтральной среде обычно отмечается наличие NH₄⁺, при высокой щелочности воды (рН≥12) – только растворенный газ – аммиак, и при относительно невысокой и средней щелочности (7<pH <12) фиксируется присутствие NH₄⁺ и NH₃.

Преобразование карбоната аммония происходит и с помощью различных физиологических групп бактерий. При температуре выше 4⁰С и наличии кислорода происходит процесс нитрификации – образование азотистой кислоты и, соответственно, нитритов и при дальнейшем окислении – азотной кислоты и нитратов

(NH₄)₂СO₃ + 3O₂ → 2NHO₂ + СО₂ + 3H₂O;  2NHO₂ + О₂ → 2NHO₃

Нитрификация рассматривается как конечная стадия минерализации азотсодержащих органических соединений и имеет принципиальное значение в трансформации сточных вод. При этом накапливается запас кислорода для последующего окисления органических безазотистых соединений в случае полного расхода растворенного (свободного) кислорода. При воздействии микроорганизмов связанный кислород отщепляется от нитратов и нитритов и используется для окисления органического вещества. При этом азотсодержащие соединения восстанавливаются до аммиака или аммония (аммонификация), либо наблюдается процесс денитрификации с выделением свободного азота.

Следует отметить, что при утечках из канализационной сети сжигание свободного кислорода в грунтовой толще происходит довольно интенсивно. В восстановительных условиях активно накапливаются ионы NH₄⁺, образуется аммиак, снижается до минимума содержание нитритов и нитратов.

На настоящем этапе химический состав грунтовых вод свидетельствует о значительном влиянии утечек из канализационной системы: отмечается высокое содержание аммония и бикарбонатов. Содержание агрессивного СО₂, рассматриваемого как продукт биохимической трансформации органического вещества, и «дыхания» микроорганизмов, достигает 30 мг/л и выше. Кроме того, даже в поверхностных водах отмечается присутствие аммония (табл.2). Существование восстановительных условий в верхней части водовмещающей толщи исследуемого разреза подтверждается низкими значениями окислительно-восстановительного потенциала (Eh меньше 35 мВ) и изменением соотношения закисной и окисной форм железа Fe²⁺/Fe³⁺  от 1 (вне зоны влияния канализационных утечек) до 4 ( в зонах утечек).

Таблица 2

Химический состав грунтовых и речных вод

Исследования показали, что грунтовые воды, характеризующиеся как слабокислые, нейтральные или слабощелочные, отличаются по своему химическому составу от вод в подвальных помещениях, имеющих ярко выраженную высокую щелочность (табл.3).

Таблица3

Химический состав воды в подвалах

Примечание: I – бывшие лоджии Рафаэля; II – внутренний корпус, наружная стена со стороны Б.Эрмитажного двора

Щелочность подвальных вод определяется значительным содержанием соединений NaOH и KOH, реже Ca(OH)₂ за счет выщелачивания раствора и разрушения путиловской плиты, которая находится в основании кладки фундамента. Как уже отмечалось выше, при pH≥12,0 ионы аммония в водной среде отсутствуют, компоненты канализационных стоков присутствуют в форме аммиака, сульфатов, хлоридов, карбонатов и нитритов.

Следует подчеркнуть, что при таких высоких pH твердение цементных, либо цементно-глинистых растворов, которые широко применяются в практике инъекционного закрепления фундаментов и других подземных конструкций старинных зданий не происходит. Это положение подтверждается проведенным экспериментом в подвалах корпуса Нового Эрмитажа со стороны Миллионной улицы. В специально пробуренную скважину был инъецирован цементный раствор с маркой по прочности 40. За три месяца не наблюдалось твердение цемента: раствор сохранил пластичную консистенцию, хотя влажностной режим его твердения был оптимальным.

Следует отметить, что высокая степень обводненности разреза, наличие органических и неорганических веществ, существование природных биоценозов в погребенных торфах, дополнительный привнос микрофлоры с канализационными стоками, поступление техногенных тепловых потоков от подземных коммуникаций и сооружений, низкие скорости движения подземных вод способствуют активному развитию микробиологической деятельности в толще дисперсных пород, которая сопровождается накоплением  бактериальной массы, состоящей из живых и мертвых клеток микроорганизмов, а также продуктов метаболизма белковой и небелковой природы.

По результатам исследований выявлена тенденция роста бактериальной массы с глубиной (от 50 до 250 мкг/г сухой породы), что связано с общим нисходящим движением подземных вод, а также повышением сорбционной способности грунтов по мере увеличения содержания глинистой фракции вниз по разрезу (рис.2). Следует также отметить, что даже в песчаных породах отмечается значительное содержание бактериальной массы по сравнению с фоновыми величинами (10-12 мкг/г), причем в зоне интенсивного воздействия канализационных стоков показатель бактериальной массы (БМ) в среднем достигает 112 мкг/г (табл.4). В тоже время в разрезе при слабом воздействии загрязненных вод (вне влияния канализационных утечек) величина БМ  не превышает 80 мкг/г и в среднем равна 62 мкг/г сухой породы для того же типа песчаных отложений.

Таблица 4

Содержание бактериальной массы (БМ) в песчаных отложениях разреза Нового Эрмитажа

Особо следует отметить негативную роль жизнедеятельности микроорганизмов в водонасыщенных песчаных отложениях, фильтрационная способность и водоотдача которых резко снижается по мере накопления бактериальной массы, что способствует переходу песков в плывунное состояние. Биохимическое газонасыщение песчаных разностей повышает степень разуплотнения и подвижности. О плывунных свойствах свидетельствует такой показатель, как седиментационный объем  (устойчивость суспензий во времени), который составляет более 16 см³ для исследованных песков в основании зданий Нового Эрмитажа. Для грунтов, не обладающих такими свойствами, эта величина не превышает 3,3 см³).

При наличии сорбированной бактериальной массы коэффициент фильтрации песчаных отложений (средне-мелкозернистые пески), определенный в компрессионно-фильтрационном приборе, составил n*10^-2 – n*10^-4 м/сут ( при градиентах напора 20). Разрушение и удаление этих соединений при  высушивании песков при 100-105ºС приводит к увеличению этого параметра до 4-20 м/сут, что вполне отвечает их гранулометрическому составу.

Анализ результатов экспериментальных исследований позволил  получить определенные закономерности изменения сопротивления сдвигу и показателей деформационных свойств: текучепластичные и заторфованные супесчаные прослои характеризуются нулевым трением и минимальным сцеплением (0,005-0,01МПа); в водонасыщенных песчаных отложениях отмечается наличие сцепления за счет формирования на дисперсных частицах органической пленки и снижение угла внутреннего трения (φ). Так, для среднезернистых, средне-мелкозернистых песков сцепление составляет 0,01-0,014 МПа, φ=18-21º. По мере увеличения содержания тонкозернистой и пылеватой фракции параметр С возрастает до 0,025 МПа, а угол внутреннего трения снижается до 13-16º.

Таким образом, специфика инженерно-геологических условий, существование анаэробной обстановки ниже уровня грунтовых вод и активизация процессов в водонасыщенной дисперсной толще приводит к ухудшению геотехнических параметров песчано-глинистых отложений, вызывают уменьшение их несущей способности, развитие неравномерных осадок, трещинообразование в несущих конструкциях [1,6]. Указанные негативные тенденции в наибольшей степени выражены в южной и юго-восточной частях комплекса зданий Нового Эрмитажа со стороны Миллионной улицы, где песчано-глинистые образования характеризуются большей заторфованностью, максимальным содержанием бактериальной массы (см. рис.2), высокой влажностью, низкой и неравномерной проницаемостью и прочностью.

4. Роль биокоррозии в разрушении строительных материалов подземных конструкций Нового Эрмитажа.

Длительный срок эксплуатации зданий Нового Эрмитажа при наличии в разрезе оснований слабых песчано-глинистых отложений с локальным развитием торфов и заторфованных пород, а также высокая степень загрязнения грунтовых вод и интенсивная микробиологическая деятельность, заставляет уделить особое внимание специфике деградации строительных материалов.

Выполненные исследования позволили оценить состояние кладки фундаментов зданий Нового Эрмитажа. С этой целью было пройдено более 20 скважин (колонковым способом) по 4 створам, положение которых задавалось с учетом времени возведения фундаментов и состояния конструкций здания. Два створа были заданы по поперечникам внутреннего и южного корпусов в районе сквозной трещины (постройка Лео Кленце, 19 в.). Данные бурения по двум следующим створам должны были охарактеризовать состояние кладки фундаментов второй половины 18 века (постройка Дж. Кваренги, бывших конюшен Ю.Фельтена).

Состояние кладки фундаментов оценивалось по степени сохранности извлеченного при бурении скважин керна. При этом учитывались размер и форма обломков неправильной формы, а также состояние выбуренного материала (дискование кирпича и раствора, сохранение прочности отдельных фрагментов кладки, наличие кирпичной крошки и дезинтегрированного до тонкодисперсного состояния материала кладки). Кроме того, проводилась полуколичественная оценка соотношения фрагментов разной степени сохранности по отдельным скважинам и по створам.

Выполненные исследования позволили представить общую картину состояния фундаментов Нового Эрмитажа и выявить некоторые закономерности дезинтеграции материала кладки по всем пройденным створам.

Кирпичная кладка фундаментов всех  обследованных корпусов ансамбля Нового Эрмитажа отличается плохой степенью сохранности. Более 40% керна, извлеченного при бурении скважин, по всем створам представлено материалом кладки, дезинтегрированным до тонкодисперсного состояния и до состояния крошки (размер мелкой дресвы) (табл.5). При этом самое высокое содержание дезинтегрированного материала кладки фиксируется в керне из фундамента южного корпуса (поперечный профиль под портиком) – 86% и наиболее старых фундаментов бывших конюшен – 75%. В материале керна из южного корпуса наблюдается и наибольшее разрушение кирпича до тонкодисперсного состояния – 42%. Состояние кладки фундаментов по внутреннему корпусу Нового Эрмитажа можно рассматривать как наиболее благоприятное по сравнению с другими створами. Доля керна с хорошей и удовлетворительной степенью сохранности составляет 53%.

Путиловская  плита сохранилась только на отдельных участках; при отсутствии плиты нижняя часть кладки фундаментов оказывается наиболее сильно поврежденной. В таком случае деревянные лежни либо полностью разрушены, либо сохранена структура дерева только в отдельных фрагментах. При этом отмечается изменение цвета дерева: серые, реже красновато- желтые и зеленоватые оттенки свидетельствуют о грибковом поражении.

Таблица 5

Степень сохранности керна в процессе бурения (в процентах)

Выполненный анализ состояния кладки фундаментов по результатам бурения  позволяет сделать вывод о значительной их разрушенности в постройках различного времени. В связи с этим, необходимо установить причины, определившие интенсивную трансформацию строительных материалов вплоть до их перехода в тонкодисперсную массу, обладающую повышенной гидрофильностью, что не характерно для керамических материалов.

Исследование водных вытяжек из фундаментной кладки, где наблюдалась максимальная дезинтеграция кирпича, дало возможность убедиться в том, что  отмечается заметное содержание сульфатов, нитраты не обнаружены, а нитриты присутствуют как в верхних, так и нижних зонах кладки (табл.6).

Таблица 6

Содержание нитратов, нитритов и сульфатов в разрушенном кирпиче фундаментов

Водные вытяжки, приготовленные из разрушенной кирпичной кладки стен подвалов Нового Эрмитажа (1,5 м выше пола подвального помещения бывших конюшен, вне зоны влияния грунтовых и подвальных вод) показали аномально высокие содержания сульфатов и нитратов (табл.7).

Таблица 7

Содержание соединений азота и серы в водных вытяжках

Еще  в 1915 году известный микробиолог академик Б.Л. Исаченко фиксировал разрушение кирпича с высокой влажностью в стенах и подвалах зданий нашего города. На таких кирпичных стенах и в трещинах формировался налет, содержащий сернокислые и азотнокислые соли. Выполненные Б.Л. Исаченко исследования позволили выявить деятельность аэробных нитрифицирующих и тионовых бактерий, которая приводит к образованию солей азотной и серной кислоты и их последующему выносу[2,3,6]. Вклад аэробных форм микробиоты в разрушение подземных частей фундаментов и других конструкций зданий наблюдается только в зоне аэрации, которая в Санкт-Петербурге имеет относительно малую мощность.

Соответственно, можно утверждать, что в конструкциях подземного контура зданий Нового Эрмитажа наблюдается биокоррозия пористых строительных материалов. Подтверждением вышесказанному служат данные по содержанию бактериальной массы в разрушенном материале  фундаментов (табл.8). Наибольшее содержание бактериальной массы отмечается в пробе с повышенным содержанием древесных остатков (43,0 мкг/г), что объясняется более высокой сорбционной способностью древесины по сравнению с кирпичом.

Таблица 8

Содержание бактериальной массы в разрушенной кладке фундаментов

Выявленный уровень содержания бактериальной массы в деградированном материале фундамента кладки, сопоставленный с таковым для природных грунтовых толщ с близкой сорбционной способностью (например, для средне- мелкодисперсных песков) является веским подтверждением его микробной пораженности.

По данным современных микробиологических исследований биокоррозия вызывается бактериями, грибами, микроводорослями и простейшими, причем деятельность этих микроорганизмов, в большинстве случаев, сопутствует и усиливает химическое, электрохимическое и другие виды коррозионного воздействия. Установлено, что наибольшую роль в коррозии играют бактерии и грибы [4]. Культуры последних, как уже было показано ранее (см. табл. 1), характерны для торфяных отложений.

Бактериальное разрушение строительных материалов реализуется преимущественно путем создания агрессивных сред за счет накопления таких продуктов метаболизма бактерий, как минеральные и органические кислоты (НNO₂, HNO₃, H₂SO₄, CH₃COOH и др.), агрессивные газы (СО₂, Н₂S, NH₃) и др., а также за счет непосредственной деятельности самих микроорганизмов.

Среди анаэробных бактерий наиболее опасными для строительных материалов являются сульфатредуцирующие бактерии, которые способны восстанавливать сульфаты с образованием сероводорода: SO₄^2- + 8[H] → Н₂S + 2H₂O + 2OH^- .

Образующийся сероводород агрессивен по отношению к пористым материалам (в первую очередь, к бетону) и металлам в виде раствора, имеющего кислотные свойства, и в виде газа (в газовоздушных средах с влажностью 40-50 %) [5]. Попадая в поры бетона H₂S, в первую очередь, нейтрализует гидроксид кальция, а затем вступает во взаимодействие с кристаллогидратами цементных минералов с образованием кальциевых солей различной растворимости, что и служит причиной разрушения бетонных и железобетонных конструкций [1].

Агрессивное воздействие сульфатредуцирующих бактерий на металлы следует оценивать с двух позиций:

1) прямое химическое воздействие биогенного сероводорода как соединения кислого характера;

2) активизация электрохимической коррозии. Сульфатредуцирующие бактерии имеют особую систему ферментов (гидрогеназа и оксидаза), способных непосредственно влиять на кинетику электродных процессов, инициируя катодные процессы (восстановление протонов).

Кроме того, эти бактерии способны ускорять процесс катодной деполяризации (кислородная деполяризация не может быть реализована в анаэробных условиях), удаляя пассивирующий слой атмосферного водорода с катодной поверхности металла в процессе диссимиляторной сульфатредукции. Накопление продуктов коррозии (FeS, Fe(OH)₂ и др.) на поверхности металла приводит либо к ослаблению коррозионных процессов (при формировании плотной корки), либо к их усилению при образовании рыхлого непрочного слоя, что наблюдается чаще всего при коррозии чугуна.

Установлено, что 50 % всех потерь от коррозии подземных трубопроводов на городских территориях происходит за счет биокоррозии, причем при загрязнении ПП нефтепродуктами около 80% подтверждений вызывается именно сульфатредуцирующими бактериями.

Наряду с сульфатредуцирующими бактериями агрессивное воздействие на подземные конструкции оказывают анаэробные уролитические бактерии, широко распространенные в канализационных стоках. В таких условиях устойчивость бетонов снижается за счет генерации растворимой соли CaSO₄(NH₄)₂SO₄*3H₂O, которая либо вымывается из бетона, либо кристаллизуется при высоких концентрациях, предопределяя развитие физической коррозии.

Особое место в биокоррозии занимают грибы, для которых характерны высокая адаптационная способность к изменению условий среды обитания: колебаний температуры, влажности, варьирование значений Eh, рН и др. Среди строительных материалов грибной коррозии наиболее подвержена древесина, широко применявшаяся для устройства фундаментов в 18 – 19 вв. (лежни, сваи и др.). Грибы разлагают стенки клеточных оболочек, которые состоят из целлюлозы (главный компонент), лигнина, пектинов и др. Исследование остатков древесины лежней в конструкции фундаментов Нового Эрмитажа дало возможность убедиться в разнообразии возбудителей грибной коррозии, что фиксировалось по цвету и характеру изменения структуры древесины. Так, лигнинразрушающие грибы размягчают древесину – она легко разделяется на волокна; целлюлозоразрушающие – взывают разложение древесины, которое в обиходе принято называть гниением. Отдельные виды грибов способствуют «выщелачиванию» дерева – при визуальном сохранении структуры древесины ее плотность и прочность резко снижается. Многие виды грибов вызывают окрашивание древесины: сумчатые – в сине-серые цвета, Chlorosplenium – в зеленоватые, пенифоры и фузарии – придают древесине красноватые оттенки и пр.

На основании вышеизложенного необходимо сделать вывод, что реконструкция и реставрация зданий и сооружений, эксплуатируемых в течение длительного времени в сложных, постоянно ухудшающихся условиях подземного пространства при интенсивном его загрязнении, требует индивидуального подхода и комплексных исследований по специально разработанным программам. При этом следует принимать во внимание возможную трансформацию не только грунтовых вод, но и непосредственно песчано-глинистых отложений, а также деградацию строительных материалов под воздействием нарастающей агрессивности среды, особенно при активизации микробиологической деятельности. Таким образом, возникает сложная проблема по выбору и обоснованию применения материалов, устойчивость которых может быть гарантирована в существующей реальной обстановке.

Литература

1. Алексеев С.И. К вопросу о деформациях фигур атлантов портика Нового Эрмитажа//Реконструкция городов и геотехническое строительство, 2000, №2.

2. Исаченко Б.Л. О нитрификации на стенах и о нарушении вследствие этого кирпича//Журнал микробиологии,1915,т.2.

3. Исаченко Б.Л. Избранные труды. Т.II,1951.

4. Микробная коррозия и ее возбудители//Андреюк Е.И., Билай В.И., Новель Э.З., Козлова И.А./ Киев, Наукова думка, 1980

5. Рубенчик Л.И. Микроорганизмы как фактор коррозии металлов и бетонов. Киев, 1950.

Фондовая литература

6. Основные положения предпроектных разработок с целью обоснования реконструкции и гидроизоляции фундаментов зданий Нового Эрмитажа.// Отчет. Научный руководитель - д.г.-м.н, проф. Дашко Р.Э. Фонды Эрмитажа, СПГГИ (ТУ), СПб, 1994.