ПРО+Не используйте методические пособия в качестве самоучителя. Здесь разбирается только квалифицированный специалист!
 

Акустический контроль при комплексном обследовании декоративных покрытий с отслоениями

Полупан А.В., Черненко Я.Д., Бубнов В.И., Тимченко В.И.
Полупан А.В., дтн,Черненко Я.Д. ктн, ООО «Ленстройэкспертиза»
Бубнов В.И., Тимченко В.И. ООО «Спецпроектреставрация», Санкт-Петербург
 

Для акустического контроля доступны различные типы декоративных покрытий предметов культурного наследия:

- пластины из камня или смальты на металлическом, деревянном или ином основании;

- штукатурка с росписью на кирпичном основании.

Выявление отслоений декоративных покрытий без разрушительного действия на само покрытие является весьма актуальным. Для контроля покрытий первого типа применяется ультразвуковой эхо-импульсный метод, для контроля покрытий второго типа - импедансный метод. Сравнительно невысокие значения энергии применяемых акустических импульсов обеспечивают деликатное обращение с объектом контроля.

Акустический контроль является частью комплексного обследования [1, 2-6] покрытия с целью определения его технического состояния и выработки рекомендаций о порядке его дальнейшей эксплуатации. Как правило, применительно к конкретному объекту разрабатывается методика оценивания технического состояния покрытия, в которой определяются виды состояний покрытия, критерии и диагностические признаки этих состояний. При проведении обследования используются методы визуально-измерительного и акустического контроля, методы контроля силы сцепления покрытия с основанием, методы определения химического состава материалов - клеящей мастики и материала основания.

Реализацию применяемых методов можно проиллюстрировать несколькими примерами.

В качестве первого примера покажем результаты обследования декоративного малахитового покрытия полуколонн (рис. 1) алтаря государственного музея-памятника «Исаакиевский собор» в Санкт-Петербурге, завершённого в 2005 году.

Рис. 1. Одна из полуколонн алтаря с малахитовым покрытием

По архивным сведениям полуколонны возводились в следующем порядке.

1. Изготовление и установка конструктивной основы полуколонн из чугунных цилиндров.

2. Изготовление тонкостенных профилированных тамбуров из бронзы, предназначенных для последующей установки на чугунные основы (по три тамбура на полуколонну).

3. Облицовка профилированных тамбуров малахитом.

4. Установка облицованных тамбуров на чугунные основы.

5. Облицовка малахитом стыковых краёв тамбуров с тщательным шлифованием и полировкой неровностей, что создаёт эффект цельной по всей высоте полуколонны.

Облицовка тамбуров выполнялась в мастерской методом «русской мозаики». Малахит распиливался на пластины толщиной несколько миллиметров с последующей наклейкой на основу при помощи горячей мастики из воска и канифоли. Предварительно пластины тщательно подбирались и подгонялись для образования единого рисунка камня и отсутствия видимости стыков. Облицовка завершалась тщательным шлифованием и полировкой неровностей. Для облицовки использован зелёный малахит Медноруднянских залежей, расположенных близ Ектеринбурга.

На момент обследования на отдельных участках покрытия малахитовые пластины были утрачены (рис. 2, 3). Наблюдаемые повреждения позволили предположить, что со временем адгезивные свойства клеящей мастики ухудшаются, а это приводит к ослаблению контакта пластин с металлическим основанием вплоть до отделения пластин.

Рис. 2. Участок покрытия с утраченными пластинами малахита

Рис. 3. Участок покрытия с крупными участками пористости мастики. (В металлическом основании выполнено отверстие диаметром 6 мм для отбора стружки на лабораторный анализ).

Контроль покрытия на участках повреждений позволил установить, что фактическая толщина пластин малахита составляет от 1 до 5 мм, фактическая толщина мастики на различных участках также 1-5 мм. Поверхность металлического основания из жёлтого металла покрыта зазубринами и бороздками, нанесенными ударным способом для получения развитой поверхности и улучшения сцепления мастики с основанием (рис. 2). Мастика на участках утраты пластин малахита имеет сухую хрупкую консистенцию, при этом частицы мастики легко крошатся в руках при изломе. В ходе лабораторных анализов отобранных образцов установлено, что в качестве клеящего состава использована мастика из воска и канифоли с наполнителем из малахитового порошка. Канифоль находится в хрупком состоянии, что является следствием химических процессов взаимодействия ее компонентов с медью, которая содержится в малахитовом порошке. Термопластичность клеящей композиции незначительна, размягчение происходит при температуре около 100°С и только за счет воска.

Обследование показало, что уже на этапе выполнения покрытия при возведении собора формировались физико-механические особенности соединения «малахит - мастика - основание», которые предопределяли качество соединения. К примеру, на рис. 3 видны крупные участки пористости мастики, возникшие при установке пластины малахита на мастику. Изначальное уменьшение площади контакта малахита и металла основания с мастикой за счет пористости мастики отрицательно сказывается на прочностных свойствах соединения.

Ухудшенное сцепления покрытия с основанием называется отслоением, под которым понимается существенное уменьшение (вплоть до отсутствия) сил сцепления облицовки с основанием по сравнению с благополучными участками при сохранении видимой сплошности поверхности покрытия. Отслоение не ухудшает декоративные свойства покрытия, но существенно влияет на его эксплуатационную надежность (безотказность).

Для выявления участков малахитового покрытия с отслоениями применяли ультразвуковой контроль продольными волнами. При решении задачи о поведении волн на границах сред использовали понятие волнового сопротивления среды [2]. Если имеются два разнородных материала с общей плоской границей, линейные размеры которой существенно больше толщин материалов, то при падении плоской ультразвуковой волны из первой среды по нормали на границу раздела от границы отходят две плоские волны - отраженная и проходящая. Каждая среда характеризуется величиной волнового сопротивления Z, представляющего произведение плотности среды р и скорости распространения продольной ультразвуковой волны с1.

Z = рс1.

Характеристика Z известна также под названиями звукового сопротивления, нормального акустического импеданса, удельного звукового импеданса.

Звуковое давление р является важнейшим параметром ультразвукового контроля. Величина р связана с отклонением частиц среды соотношением:

p(t) = pс1 ωξ(t) = Zωξ(t), ω = 2πf, где

ω - круговая частота ультразвуковых колебаний,

рад/с;

ξ - смещение частиц среды под действием звукового

давления, м;

t - время, с;

f- частота колебаний, Гц.

Амплитуды давления прошедшей Рпр и отраженной Pompволн, отнесенные к амплитуде давления падающей волны Р0 , определяют коэффициенты прозрачности D и отражения R по звуковому давлению на границе:

D=Рпр / Р0

R=Pomp / Р0

Значения D и R выражаются через величины волнового сопротивления двух сред, обозначенных соответственно индексами «1» и «2» [2]:

D=2Z2 / (Z2 + Z1)

R=(Z2-Z1) / (Z2 + Z1)

Волновые сопротивления минерала, мастики и металлического основания отличаются между собой на порядок. Поэтому граница раздела любой пары материалов, несмотря на наличие прочной связи, не может быть приравнена к неразрывной среде.

Для расчета параметров ультразвукового контроля многослойного соединения экспериментально определили физические константы материалов, образующих покрытие. Малахит представляет собой основной карбонат меди (CuОН)2СО3. В ходе экспериментов определяли: плотность образцов малахита и клеящего состава, скорость распространения ультразвуковой продольной волны в образцах, расчетные значения волнового сопротивления малахита и мастики, вычисленные на основе результатов измерения р и с1; расчетные значения коэффициентов D и R для различных границ; характер сигналов и показаний приборов акустического контроля при контроле элементов слоистого покрытия. Коэффициенты R и D вычисляли как в относительных единицах, так и в децибелах.

Плотность материала образцов определяли путем вычисления отношения массы образца к его объему. Массу образцов определяли взвешиванием на весах лабораторных равноплечих ВЛР-200 ТУ 25-06.1131-79 2-го класса точности с пределом измерения 200 граммов. Объем образцов определяли методом вытеснения жидкости при помощи пипетки Мора по ГОСТ 1770-84 2-го класса точности с пределом измерения 100 мл и пипетки по ГОСТ 20292-74 2-го класса точности с пределом измерения 5 мл. Для измерения скоростей распространения ультразвуковой волны использовали ультразвуковой толщиномер А1209. Относительные отклонения полученных значений от средних не превысили для плотности 4 %, для скорости ультразвука 14 %. При измерениях на 4-х образцах малахита и 4-х образцах мастики получили усредненные значения параметров, показанные в табл. 1. В качестве образцов использовались пластины уральского малахита и воскоканифольная мастика современного изготовления.

1. Экспериментальные значения плотности и скорости ультразвуковой волны для образцов малахита и мастики.

№ п/п
Материал
р, кг/м3
c1, м/с
Z, кг/(м2 • с) или (Н • с)/м3
1.
Малахит
3429
5045
17,3 • 106
2.
Мастика
1348
2075
2,8 • 106

С целью определения химического состава металла основания покрытия провели отбор проб (стружки металла) методом сверления. По результатам лабораторных исследований 4-х образцов металлическое основание покрытия выполнено из сплава меди, цинка и свинца. Медь составляет основу, содержание цинка 21-35 %, свинца 0,5-0,7 %. Современными аналогами данного сплава являются латуни из ряда марок от Л62 до Л70, в то время как по архивным данным материал основания покрытия - бронза. Установлено, что для выравнивания локальных дефектов литья при возведении металлического основания использовался сплав свинца с добавлением 10-15 % олова, современным аналогом которого является припой ПОС18.

При вычислении коэффициентов R и D рассматривали возможные сочетания контактирующих сред в покрытии, эскиз которого показан на рис. 4.

(Обозначения: 1 - пластина малахита; 2 - мастика; 3 - полость, заполненная воздухом (дефект соединения); 4 - основание; ПЭП - пьезоэлектрический преобразователь; вертикальными стрелками условно показан ход прямых и отраженных ультразвуковых волн.)

Рис. 4. Строение малахитового покрытия

Результаты вычислений показаны в табл. 2 (знак «минус» означает смену фазы волны на границе).

2. Расчетные значения коэффициентов R и D для границ раздела материалов малахитового покрытия.

№ п/п
Граница раздела сред
R
D
R, дБ
D, ДБ
1.
Малахит - мастика
-0,722
0,278
-2,8
-11,1
2.
Малахит - воздух
-1,000
0,000
0,0
-86,1
3.
Мастика - латунь
0,845
1,845
-1,5
5,3
4.
Мастика - воздух
-1,000
0,000
0,0
-70,2
5,
Мастика - малахит
0,722
1,722
-2,8
4,7

С помощью разработанной методики провели выявление отслоений на контрольных участках покрытия. Участки ухудшенного сцепления малахитовых пластин с основанием выявляли эхо-методом с использованием ультразвукового дефектоскопа УД2-102 «Пеленг» и преобразователей продольной волны на частоте 2,5 МГц. Рабочие моменты контроля покрытия показаны на рис. 5.

Рис. 5. Рабочие моменты акустического контроля покрытия (Картины на дисплее дефектоскопа: а - при выявлении отслоения, б - при удовлетворительном состоянии участка покрытия)

Установлено, что выявленные участки отслоения покрытия являются локальными. Площадь каждого из указанных повреждений лежит в диапазоне от нескольких квадратных сантиметров до нескольких десятков квадратных сантиметров.

Для подтверждения результатов выявления отслоений и уточнения численных значений силы сцепления покрытия с металлическим основанием на различных участках провели испытания по специально разработанной методике. На одной из колонн по результатам визуально-измерительного и акустического контроля малахитового покрытия выбрали два участка - с отслоением и без него. Силу сцепления определяли методом отрыва (рис. 6).

Рис. 6. Рабочий момент испытаний малахитового покрытия для подтверждения результатов акустического контроля и определения силы сцепления методом отрыва

Испытаниями установлено, что прочность сцепления покрытия с основанием при отсутствии отслоений составляет 0,0177 МПа (0,18 кгс/см2). Для справки следует отметить, что существующие нормы, например, СНиП 3.04.01-87 «Изоляционные и отделочные покрытия», определяют минимальную допускаемую прочность сцепления внутренних отделочных покрытий на уровне 0,09 МПа. На участке, где по результатам акустического контроля выявлена зона ухудшенного сцепления покрытия с основанием, малахитовая пластина отделилась от основания в ходе подготовки к испытаниям практически без приложения внешней нагрузки. Таким образом, на участках с отслоениями сцепление покрытия с металлическим основанием отсутствует, и целостность покрытия обеспечивается только за счет сцепления со смежными пластинами малахита. С учетом незначительной величины силы сцепления декоративного покрытия с металлическим основанием рекомендовано организовать систематическое наблюдение с целью исследования тенденций изменения величины силы сцепления.

В качестве второго примера применения акустического контроля следует упомянуть результаты обследования декоративного покрытия двух столешниц, выполненного в 2010 году. Конструктивные особенности одной из столешниц показаны на рис. 7.

Рис 7. Внешний вид одной из столешниц

Столы изготовлены в России, в Санкт-Петербурге в 1767-1778 (?) гг. Столы изготавливались в мастерской Е. Эрланта, на Петергофской гранильной фабрике, мастерской Я. Мартино. Материал и техника изготовления столов: дерево, смальта, прозрачное стекло, мозаика, роспись; бронза, литье, чеканка, золочение, серебрение.

По данным исторической справки два стола были выполнены в 1767-1778 гг. по заказу императрицы Екатерины II для Стеклярусного кабинета Китайского дворца. Деревянная часть столов изготовлена «резных дел» мастером Ермолаем Эрлантом. Смальтовая часть мозаики набиралась мастерами Петергофской гранильной фабрики, работавшими под руководством Я. Мартино. Работы велись в Ораниенбауме. Смальта поставлялась Усть-Рудицкой фабрикой М.В. Ломоносова.

Для составления рисунка столешницы первого стола было использовано 1562 куска смальт, второго - 1830 кусков. На облицовку подстолья каждого стола потребовалось 1040 стеклянных фрагментов.

Внешний вид горизонтальных поверхностей декоративного покрытия столешниц оставался удовлетворительным, утраты фрагментов смальты на горизонтальных поверхностях не наблюдались. На бортах столешниц имелись утраты отдельных фрагментов смальты (рис. 8).

Рис 8. Утрата смальты на борту столешницы

Определение качества соединения «смальта-мастика-основание» декоративного покрытия столешниц проводилось ультразвуковым эхо-методом. Для этого применительно к данному виду покрытия была адаптирована методика акустического контроля декоративного покрытия из малахита полуколонн алтаря Исаакиевского собора. С целью учета особенностей были уточнены акустические свойства смальты, особенности прохождения акустических волн и форма отображения сигналов дефектоскопом. Для этого, в частности, были проведены лабораторные измерения скорости продольной ультразвуковой волны в образцах смальты, соответствующей оригинальной смальте столешниц по месту и времени изготовления.

Важнейшим вопросом является определение критерия качества соединения декоративного покрытия. В силу особенностей применения акустического метода контроля критерий качества формируется путем сочетания двух оценочных шкал - относительной и абсолютной.

Применение дефектоскопа позволяет оценить качество покрытия только по относительной шкале, определяя сравнительное состояние различных участков покрытия друг относительно друга. Получив акустическим методом полный диапазон состояний от «наилучшего» до «наихудшего», определяют относительное состояние различных участков покрытия.

Чтобы составить исчерпывающую картину состояния покрытия, формируют абсолютную оценочную шкалу, по которой определяют численные значения показателей, характеризующих качество покрытия. Таким показателем, в частности, является прочность сцепления покрытия с основанием. Предельные значения показателей прочности для абсолютной оценочной шкалы, как правило, определяют экспериментально, путем отрыва нескольких фрагментов покрытия с наилучшим и наихудшим сцеплением так, как это проводили для декоративного покрытия из малахита полуколонн алтаря Исаакиевского собора.

Поставив в соответствие «наилучшему» и «наихудшему» состоянию по относительной шкале численные значения показателя качества по абсолютной шкале, переходят к исчерпывающей оценке качества покрытия с применением акустического метода. Однако, поскольку формирование абсолютной оценочной шкалы связано с частичным разрушением оригинала, такой подход может быть применён только в исключительных случаях.

Особенностью обследования столешниц являлось исключение экспериментального получения численных значений прочности сцепления смальты по абсолютной шкале в связи с необходимостью обеспечения сохранности исторического оригинала. По этой причине оценку качества соединения покрытия проводили только по относительной шкале. При этом использовали лингвистическую шкалу с тремя значениями:

• «отличное качество»;

• «хорошее качество»;

• «удовлетворительное качество».

Акустический контроль качества покрытия проводили с использованием ультразвукового дефектоскопа УДЗ-1ОЗ «Пеленг». В ходе применения контроля получили оценки состояния декоративного покрытия на различных участках. Выявлено как однородное, так и разнородное качество соединения в пределах площади различных элементов. Качество соединения отдельных элементов может характеризоваться целиком «отличное», целиком «хорошее», целиком «удовлетворительное», либо характеризоваться любым сочетанием этих трех оценок. Поэтому качество всего покрытия оценивалось не по количеству элементов, а по суммарной площади участков с различным качеством соединения. Подсчёт площади проконтролированных участков позволил получить следующую оценку качества соединения декоративного покрытия столешниц:

• 10 % площади - «отличное качество»;

• 30 % площади - «хорошее качество»;

• 60 % площади - «удовлетворительное качество».

В связи с удовлетворительным внешним видом декоративного покрытия столешниц, а также учитывая результаты акустического контроля, рекомендовалось не осуществлять радикальных реставрационных мероприятий для декоративного покрытия столешниц, ограничившись восстановлением утрат смальты на бортах. Вместе с тем, поскольку фактическая прочность сцепления покрытия остается неизвестной, для наилучшей сохранности столешниц настоятельно рекомендовалось исключить толчки, удары, вибрации, а также обеспечить только горизонтальное положение столешниц при хранении и транспортировке.

Литература

1. Павлюковский В.И., Полупан А.В., Черненко Я.Д. Комплексный расчетно-экспериментальный подход при оценке состояния памятников архитектуры и городской скульптуры // Реликвия (Реставрация. Консервация. Музеи). 2003, № 3 (3), С. 54-59.

2. Ультразвуковой контроль материалов: Справочное издание / Й. Крауткремер, Г. Крауткремер / Пер. с нем. Е.К. Бухмана, Л.С. Зенковой. Под ред. В.Н. Волченко. М.: Металлургия, 1991. 752 с.

3. Черненко Я.Д., Павлюковский В.И., Полупан А.В. Особенности обследования памятников архитектуры и городской скульптуры из чугуна // Контроль. Диагностика. 2005, № 10, С. 17-20.

4. Черненко Я.Д., Павлюковский В.И., Полупан А.В. Ультразвуковой контроль при обследовании малахитового покрытия в Исаакиевском соборе // Контроль. Диагностика. 2006, № 4, С. 61-67.

5. Черненко Я.Д., Полупан А.В., Бубнов В.И, Тимченко В.И. Неразрушающий контроль при сохранении культурного наследия // Культурное наследие: сохранение, реставрация, реновация (материалы семинара «Проблемы реставрации и беспечения сохранности памят

ников культуры и истории» - 2009, 2010) / Ред. О.Н. Крылова. СПб: Издательство журнала «Реликвия (реставрация, консервация, музеи)», 2011. 94 с. (С. 49-55).

6. Черненко Я.Д., Полупан А.В., Бубнов В.И, Тимченко В.И. Системный подход к обследованию и сохранению памятников архитектуры и городской скульптуры // Реликвия (Реставрация. Консервация. Музеи). 2008-2009, № 9, С. 26-29.

Первоисточник: 
Культурное наследие: сохранение, реставрация, реновация (Материалы семинара «Проблемы реставрации и обеспечения сохранности памятников культуры и истории» - 2011) СПб., 2012
 
 
 
 
Ошибка в тексте? Выдели ее мышкой и нажми   Ctrl  +   Enter  .

Стоит ли самостоятельно реставрировать непрофессионалу? (2018)


  1. Технические операции требуют профессиональных навыков.

  2. Представить ход работы - это одно, а сделать - совсем другое.

  3. Не каждому памятнику пригодны стандартные методики реставрации и хранения.

  4. Некоторые методики устарели из-за выявленных деструктивных последствий.

  5. Неверно подобранные материалы сразу или в будущем нанесут вред памятнику.

  6. Если возвращаете памятнику утраченную красоту, то сохраняете ли его подлинность?

________________

В этих и во многих других вопросах разбирается только квалифицированный специалист!
  • Вам в помощь на сайте представлены эксперты и мастера реставраторы.
  • Спрашивайте, интересуйтесь, задавайте вопросы на нашем форуме.
  • Обучайтесь под непосредственным руководством опытного наставника.

 

Что Вы считаете ГЛАВНЫМ в процессе реставрации? (2018)


Есть ли у вас друзья реставраторы? (2018)


Есть ли у вас друзья реставраторы? (2018)

«Дружба — личные взаимоотношения между людьми, основанные на общности интересов и увлечений, взаимном уважении, взаимопонимании и взаимопомощи». (Дружба—Википедия)

«Знакомство — отношения между людьми, знающими друг друга». (Знакомство—Викисловарь)

ЕЖЕГОДНЫЙ КОНКУРС ЛУЧШИХ РАБОТ ВЕРНИСАЖА И ВЕБ-ПОРТФОЛИО
Система Orphus

Если вы обнаружили опечатку или ошибку, отсутствие текста, неработающую ссылку или изображение, пожалуйста, выделите ошибку мышью и нажмите Ctrl+Enter. Сообщение об ошибке будет отправлено администратору сайта.