В карбонатных постройках происходят разнонаправленные, нередко компенсирующие друг друга процессы, по-своему протекающие в разных климатических и географических зонах. Они проявляются особенно выразительно, поскольку известняк строительных плит един со скрепляющим их известковым раствором, и вся постройка становится однородным по химическому составу и свойствам монолитом.
Из известняков и доломитов сложены памятники Владимиро-Суздальской Руси, Москвы, Ленинграда, Западной Украины, Прибалтики, Польши, ГДР и ФРГ, Франции, Италии, Греции… Но как по-разному этот камень ведет себя в разных землях! Контрасты эти можно уподобить различиям обычаев и темпераментов народов, населяющих эти земли. Однако в целом можно выделить три режима жизни камня: растворения, устойчивого состояния, эксфильтрации. Каждый из них — сплетение сложных процессов, и название режима мы даем лишь по суммарному эффекту.
Кальцит, относительно мало растворимое соединение, реагируя с водой осадков и конденсированной влагой, насыщенными углекислотой из атмосферы, в холодном климате превращается в растворимый бикарбонат кальция. Эта реакция идет тем активнее, чем больше растворимость углекислоты в воде, то есть чем вода холоднее. Поэтому в северных широтах карбонаты легко растворяются: следы этого процесса хорошо видны, например, на мраморных скульптурах ленинградского Летнего сада, и поэтому в холодное время над ними возводят павильоны. В Ленинграде растворяется даже известь из фундаментов зданий и остаются лишь валуны. Во Владимире и Москве растворение идет на стенах памятника выше 3―5 м от поверхности земли. Еще южнее — известняк стабилен; даже на влажном Черноморском побережье Кавказа на стенах памятников IV―IX веков, например на Иверской горе в Новом Афоне, сохранились затесы, сделанные древними строителями.
Однако растворение карбонатов усиливает растущая из-за загрязнения атмосферы «агрессивность» воды, которая, насыщаясь сернистыми соединениями, превращается в слабый раствор серной кислоты. Этот процесс усилился, когда стали топить печи каменным углем, а в наше время сера также попадает в воздух из заводских отходов и выхлопов автомобилей. Тонны сернистого газа разносятся ветрами на сотни километров, заводские выбросы из ФРГ отравляют дожди, выпадающие в Швеции; дым заводов США становится бедствием для полей Канады. Растворение карбонатов начинает проявляться и в более южных зонах: в Греции и Италии, некогда странах «вечного мрамора».
В засушливом и жарком климате при недостатке воды карбонаты не разрушаются, например, в Баку, где здания построены из рыхлого ракушечника третичного возраста. Более того, в Средней Азии (Бухаре и Самарканде) стабилен даже гипс (ганч), которым издавна скрепляют кирпичи вместо извести. В Сахаре, одном из самых засушливых мест на Земле, в городах Тегази, Бани-Абас и Альголии некоторые дома построены из… каменной соли. Соленой водой поливают дороги в пустыне Цайдам (КНР), и они становятся крепче бетонных.
Но как же предотвратить растворение карбонатных построек? На первый взгляд кажется, что достаточно покрыть стены непроницаемой пленкой, скажем, масляной краской. Нет, это недопустимо, ибо влага фильтруется из глубины стен под эту пленку, камень перестает «дышать», и уже тогда-то отслаивание приповерхностных зон камня неизбежно. Пока наиболее подходящим представляется тот способ, к которому прибегали и раньше, особенно в Новгороде и Пскове; надо регулярно белить и даже штукатурить здания, так как побелка растворяется и смывается, а стена сохраняется. Разумеется, речь идет о побелке белокаменных — известняковых — стен. Курьезом стала побелка кирпичных стен церкви Зосимы и Савватия (1637) и башен Троице-Сергиевой лавры, и особенно церкви Вознесения в селе Коломенском, красоту которой придавало чередование красного кирпича и белокаменных блоков, опоясывающих церковь подобно нитям жемчуга.
Стекая по стене, воды насыщаются кальцием, и их кислотность снижается, наступает устойчивый режим карбонатов. Процесс перехода кальцита в бикарбонат кальция сменяется противоположным: на поверхности стен осаждение кальцита происходит по той же реакции, которую мы уже приводили, но теперь идущей справа налево. Выпадая из раствора, кальцит перемешивается с побелкой, глинистыми частицами и гипсом. Последний, в свою очередь, образуется при взаимодействии кальцита и сернистого газа. Хотя гипс сам по себе — свидетельство разрушения, но его смешение с побелкой, кальцитом, глинистыми (силикатными) частицами образует на стенах белокаменных построек карбонатно-силикатно-сульфатную пленку толщиной 0,1―1 мм, защищающую поверхность стен от разрушения.
Состав пленки различен в разных климатических условиях и в разных частях построек. В северных районах она в основном карбонатная, а в южных — силикатная; в верхних частях здания — силикатная, а в нижних — карбонатная. В городах в ее составе превалирует гипс. Так как количество серы в атмосфере в разных районах разное, то различно и содержание гипса. В белокаменных постройках Москвы гипс составляет до 7 % приповерхностной зоны, а вне пределов — менее 1 %. Образующаяся на стенах памятников, особенно белокаменных, защитная пленка предохраняет их от разрушения, и удаление ее недопустимо, ибо резко усиливает разрушение стен. К сожалению, такая «реставрация» делается и пескоструйным аппаратом, и путем химической чистки специальными веществами (фтористый аммоний, трилон Б и даже кислота). Оставаясь в камне, они продолжают его разрушать.
Несомненно, что подобное «подновление» собора Парижской богоматери, который стал теперь не темно-серым, а белоснежным, очень недолговременно и ускорит разрушение его поверхности. Боюсь, что таким же будет результат аналогичной расчистки и «реставрации» Дмитриевского собора во Владимире и Георгиевского в Юрьеве-Польском. Однако и этот устойчивый режим карбонатов лишь кажется устойчивым, и здесь, увы, очаги разрушения выявляют следы неграмотных реставраций, замены одного камня другим. И особенно опасна замена извести цементом, обладающим другими физико-химическими свойствами. Впервые цемент применили при реставрации кирпичного собора Рождества Богородицы (1490) в Ферапонтове в 1908―1915 годах известные тогда реставраторы П. П. Покрышкин и К. К. Романов. При повторной реставрации в 50-х годах стало ясно, что цемент стал центром активного разрушения памятника. Этот плачевный опыт часто забывают: следы цементных доделок видны на многих памятниках Московского Кремля, Загорска, и совсем недавно цементом отремонтировали в Бухаре стены многих памятников, в том числе памятники XIII―XIV веков (Чашмы-Аюб — колодца пророка Иова).
Сходство памятника с живым растением особенно велико благодаря тому, что к стенам любой каменной постройки подсасываются грунтовые воды, которые нередко несут растворенные в них соли. Капиллярное поднятие влаги грунтовых вод тем сильнее, чем суше и жарче климат: в Средней Азии грунтовые воды поднимаются по стенам на высоту до 3 м; а они здесь обычно соленые. Более того, они проникают даже во внутренние помещения: например, жителям Казахстана хорошо известны белые высолы на стенах квартир на первых этажах. В результате камень в основании постройки расслаивается и разрушается. В Москве соли поднимаются на высоту до метра: засолонение усилилось теперь, когда посыпают тротуары солью, чтобы ускорить таяние снега. Во влажном и холодном Новгороде и в Пскове и тем более в Ленинграде эксфильтрация почти отсутствует — даже фундаменты находятся в зоне растворения.
Почвенные соли пропитывают и лежащие в них археологические предметы, поэтому, например, керамика, вынутая из влажной земли раскопок, через 2―3 дня становится покрытой горькими на вкус солями, выступившими на ее поверхности, чтобы их удалить, находки многократно вымачивают. Засолонение стен памятников архитектуры из почвенных вод изучили В. Я. Степанов и К. П. Флоренский, предложившие принципы научного геохимического контроля за их состоянием, в частности, комплекс мер по борьбе с засолонением: промывку стен, наложение на них компрессов, которые втягивают в себя соль из стен, и т. д.[26]
Там же, где вода не испаряется, стены памятников сырые и на них поселяются водоросли: на северной стороне и вообще в тени стены зеленеют. Разрушение водорослями не менее вредно, чем разрушение солями. Очень хорошо отсасывают грунтовые воды деревья, но растущие рядом со зданиями растения иногда корнями разрушают фундамент. (Так произошло в Москве: корни лип, посаженных на Красной площади в 50-е годы, проникли в подвалы ГУМа и в образовавшиеся трещины стала протекать вода.) В Средней Азии, чтобы понизить уровень соленых грунтовых вод, выкачивают дренажные колодцы, из которых откачивают воду насосами. Однако в других районах можно, напротив, пробурить колодец глубже и сбрасывать грунтовые и дождевые воды в более глубокие, «сухие» горизонты, если они есть. Такой способ, как один из вариантов дренажа Рязанского холма, предложил С. Н. Чернышев. Одновременно с понижением уровня грунтовых вод необходима гидроизоляция фундамента. В постройках Древней Руси таким гидроизолятором был слой бересты (который особенно характерен для XVII―XVIII веков), а в памятниках Средней Азии — слой циновок из камыша на 10―30 см выше поверхности. Гидроизоляция известна очень давно: вот как строилась, например, Вавилонская башня: «Наделаем кирпичей и обожгем огнем. И стали кирпичи вместо камней, а земляная смола вместо извести».[27] Земляная смола — битум — играла здесь роль не только цементирующую, но и гидроизолирующую.
Как видно, постройка неразрывно связана с гидрогеологической обстановкой, а через нее — с геологией района. Как благополучие растения зависит от корней, так и сохранность строения в значительной степени определяет фундамент, на устойчивость которого влияют просадки грунта и многие другие процессы, рассматриваемые в инженерной геологии.[28]