В настоящее время проблема точности и достоверности при проведении реконструкционных и реставрационных работ на объектах историко-культурного наследия приобретает особую актуальность. В зависимости от категории сложности и состояния объекта культурного наследия формируется технико-экономическое и архитектурное обоснование для проведения реконструкционных и (или) реставрационных работ. При этом особое внимание уделяется диагностике технического состояния несущих конструкций сооружения, требований по прочности и надёжности основных или замещающих (искусственно воссозданных) конструктивных элементов и здания в целом.
Вместе с тем существующие методы реконструкции и реставрации объектов культурного наследия во многом не отвечают возросшим требованиям к достоверности и качеству воссозданных строительных материалов. Во многом благодаря отсутствию системных требований и нормативов к основному строительному материалу искусственные «замещающие» реконструкции и реставрация современным материалом «под старину» приводят к ошибкам, которые не только искажают облик исторического объекта, но и могут быть источником неверных расчётов несущих конструкций сооружения, серьёзных просчётов при виртуальной реконструкции. В этом отношении важно знание физико-технологических характеристик основного строительного материала древних строений.
В Золотой Орде плинфа (плоский кирпич) была основным строительным материалом [1, c. 95–97; 2, с. 79]. Плинфа широко использовалась для возведения стен и других конструктивных элементов зданий [3, с. 75]. Характерным примером данной технологии являлся город Укек (сейчас Увекское городище, расположенное в городской черте Саратова). Благодаря геолого-археологическим исследованиям последних двадцати лет на территории Увекского городища было выявлено свыше 80 строений, выложенных плинфой, часть из которых была вскрыта археологическими раскопками в 2004–2013 гг. [4, с. 8–10]. Сохранившийся историко-культурный потенциал Увекского городища, подтверждённый участниками международной научно-практической конференции «Укек: прошлое, настоящее, будущее» (г. Саратов, 4–6 июня 2015 г.), позволяет претендовать на включение археологического памятника в список объектов Всемирного наследия ЮНЕСКО [5, с. 254–255]. В настоящее время разработано значительное число проектов по музеефикации Увекского городища, с элементами реконструкции отдельных зданий из плинфы [6, с. 458–464; 7, с. 224–227].
Целью исследований являлась дефиниция теплофизических и прочностных характеристик плинфы из строений Увекского городища для технико-экономического и историко-архитектурного обоснования при проведении реконструкционных и реставрационных работ, твердотельного моделирования в системах виртуальной реальности. Работа выполнена в Саратовском отделении Института истории имени Ш. Марджани АН Республики Татарстан (рук. д.и.н., профессор Ф.А. Рашитов) при участии испытательной лаборатории кафед-
ры «Строительные материалы и технологии» Саратовского государственного технического университета имени Ю.А. Гагарина (зав. лаб., к.т.н., доцент Д.К. Тимохин) и лаборатории информационных технологий в гуманитарных и естественнонаучных исследованиях Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского (зав. лаб., к.и.н., доцент Р.А. Сингатулин). Консультации исследований осуществляли: к.арх.н., доцент В.К. Ищенко из Института урбанистики, архитектуры и строительства Саратовского государственного технического университета имени Ю.А. Гагарина (СГТУ) и к.т.н., доцент А.П. Рамзаев из Института электронной техники и машиностроения СГТУ.
Материалом для исследований служили данные археологических отчётов 2004–2016 гг., выполненные к.и.н., доцентом СГУ Р.А. Сингатулиным, и коллекция подъёмного материала (плинфы) из фондов Энгельс-
ского краеведческого музея.
Среднестатистические размеры плинфы с Увекского городища по данным археологических отчётов составляют 234х228х5,2 мм. Датировка строительного материала из раскопанных средневековых зданий привязывалась к монетному материалу, чекан которых соответствовал 1361–1362 гг. [8, с. 139–155].
По современной классификации способ формования данного кирпича (плинфы) относится к пластическому. На поверхности исследуемого образца имеются выемки, предположительно нанесённые пальцами руки – вдавливанием на глубину до 4–10 мм (рис. 1). Предположительно, что данные выемки были сформированы для обеспечения лучшего сцепления с раствором в кладке. Подобные плинфы прослеживаются в золотоордынских зданиях по всей территории городища, строго фиксируются на верхней поверхности каменных фундаментов, сложенных из крупных булыжников.
Рис. 1. Общий вид керамического кирпича (плинфы) из Увекского городища
В ходе проведения лабораторных исследований установлено, что внутренняя структура керамического кирпича (плинфы) не является однородной и содержит включения в виде боя керамики, песка и различных органических добавок (рис. 2). Данные наполнители формируют пористость и снижают среднюю плотность кирпича, но и вместе с тем повышают теплотехнические характеристики продукции. Эффективные глинопесчаные композиции плинфы, модифицированные различными органическими добавками, в дальнейшем предлагается выявлять по разработанной технологии для глиноцементных композиций [9, с. 199–205], однако для этого требуется значительный статический материал. В этом случае откроются перспективы по выявлению качественных особенностей приготовления теста плинфы.
Рис. 2. Внутреннее строение керамической полнотелой плинфы в разрезе
Рис. 3. Образец размером 50х50х50 мм
Были проведены лабораторные исследования на соответствие представленного образца керамического кирпича действующим нормативным требованиям, согласно ГОСТ 530-2012 «Кирпич и камень керамические. Общие технические условия» [10].
Согласно п. 3 ГОСТ 530-2012 представленный образец относится к керамическому полнотелому кирпичу. Состав керамического образца обычно включает в себя глину и второстепенные наполнители (песок, шамот, органика). Смеси придают необходимую форму и сушат, после чего производят высокотемпературный обжиг.
Представленный на рис. 1 образец для проведения испытаний имеет номинальные размеры 221х220х50 мм. Данные геометрические параметры современной нормативно-технической документацией не регламентируются.
В ходе проведения лабораторных исследований были определены: средняя плотность плинфы, её группа по теплотехническим характеристикам, водопоглощение по массе, пределы прочности изделия при сжатии и изгибе, а также его марка. Полученные результаты сравнивались с регламентируемыми параметрами действующего ГОСТ 530-2012.
Для определения средней плотности были изготовлены три образца-кубика размером 50х50х50 мм (рис. 3).
Основной материал (глина) и дополнительные включения, применяемые при производстве плинфы, оказывают влияние на её плотность. Согласно п. 5.2.1 (табл. 5) ГОСТ 530-2012 средняя плотность изготовленных образцов составила 1196 кг/м3, что соответствует классу средней плотности изделия 1,2.
Согласно п. 4.1.6 (табл. 1) ГОСТ 530-2012 группы изделий по теплотехническим характеристикам, представленный образец относится к эффективным.
Среднее значение водопоглощения по массе испытанных образцов составило 14 %. Согласно п. 5.2.4 данный параметр соответствует требованиям ГОСТ 530-2012, предъявляемым для не клинкерного керамического кирпича.
Для проведения испытаний по определению пределов прочности при изгибе были изготовлены три балочки с размерами 160х50х40 мм. Испытания проводились на специализированном стенде на гидравлическом прессе ПМ-20МГ4 со средней скоростью нагружения 0,2 МПа/с. Среднее значение составило 0,7 МПа.
Для проведения испытаний по определению пределов прочности при сжатии из испытанных на изгиб образцов были изготовлены шесть образцов-кубиков с размерами 50х50х40 мм. Испытания проводились на гидравлическом прессе ПМГ-100МГ4 со средней скоростью нагружения 0,2 МПа/с. Среднее значение составило 4,88 МПа. Результаты испытаний образцов представлены в таблице.
Испытания образцов по определению пределов прочности при изгибе и сжатии
|
Маркировка образца |
Геометрические размеры образца, мм |
Разрушающая нагрузка при сжатии, кН |
Разрушающая нагрузка при изгибе, кН |
Предел прочности при изгибе, МПа |
Предел прочности при сжатии, МПа |
|
1 |
161х52х40 |
– |
1,48 |
0,74 |
– |
|
2 |
160х51х40 |
– |
1,34 |
0,67 |
– |
|
3 |
159х52х40 |
– |
1,42 |
0,71 |
– |
|
1–1 |
50х52х40 |
10,92 |
– |
– |
5,461 |
|
1–2 |
50х51х40 |
9,05 |
– |
– |
4,524 |
|
2–1 |
50х52х40 |
10,03 |
– |
– |
5,014 |
|
2–2 |
50х52х40 |
9,12 |
– |
– |
4,562 |
|
3–1 |
50х51х40 |
9,66 |
– |
– |
4,833 |
|
3–2 |
50х51х40 |
9,77 |
– |
– |
4,887 |
Согласно п. 5.2.3 (табл. 7) испытанный керамический кирпич (плинфа) соответствует марке М35. В данном случае марка М35 означает, что керамическая плинфа способна выдержать нагрузку, равную 35 кг на один квадратный сантиметр или, при общей площади плинфы в 486,2 см2, статическая нагрузка составит 17017 кг.
Несколько заниженные прочностные характеристики плинфы связаны с её значительным возрастом (656 лет) и продолжительным нахождением во влажной, неблагоприятной среде. В исследуемой партии были образцы и с более высокими прочностными характеристиками, однако структура, химический состав, технологические особенности и хронологические рамки их существенно отличались от описанной в данной работе плинфы. В значительной степени исследования опирались на хорошо задокументированную базу археологических данных и были направлены на промежуточную задачу – найти нижний предел прочности основного строительного материала.
Заключение
Проведённые исследования показали, что средняя плотность золотоордынской плинфы, её группа по теплотехническим характеристикам, водопоглощению по массе, пределы прочности изделия при сжатии и изгибе, её марка соответствуют строительным нормам для индивидуального строительства. Несмотря на 656-летний возраст плинфы и её продолжительное пребывание в водонасыщенном грунте, современные регламентируемые параметры действующего ГОСТ 530-2012 позволяют использовать данный строительный артефакт при реконструкции и реставрации как утраченных, так и сохранившихся архитектурных и археологических памятников эпохи Золотой Орды. Вопрос о реконструкции древней технологии производства золотоордынской плинфы необходимо сопоставлять одновременно с аналогичными исследованиями по новгородской, киевской и среднеазиатской плинфе.