Материал: Строительная механика и сопротивление материалов

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

УДК 669.01(075.8)

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ ПРИ РЕСТАВРАЦИИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ XIX ВЕКА

А.С. Орлов1, Е.Г. Рубцова2, А.С. Щеглов3, С.Ю. Зибров4, И.Ю. Зиброва5

Воронежский государственный технический университет1,2,3,4,5 Россия, г. Воронеж

1Д-р техн. наук, проф. кафедры металлических конструкций и сварки в строительстве

2Канд. техн. наук, доц. кафедры металлических конструкций и сварки в строительстве

3Канд. техн. наук, доц. кафедры металлических конструкций и сварки в строительстве

4Заведующий лабораториями кафедры металлических конструкций и сварки в строительстве

5Магистрант кафедры металлических конструкций и сварки в строительстве

Тел.: +7(473) 278-30-15, e-mail: alex@mk.vrn.ru

Статья посвящена актуальной проблеме ремонта металлических конструкций при реставрации объектов архитектурного наследия. На основании изучения свойств и структуры металла фермы, изготовленной в XIX веке, установлены значительный разброс показателей механических свойств, структурных составляющих и химическая неоднородность в пределах одной конструкции. Все это учитывалось при выборе способа и режима сварки для ремонта «исторических» конструкций.

Ключевые слова: архитектурное наследие, археометаллография, микроанализ, стилоскопирование, сварка.

DEVELOPMENT OF WELDING TECHNOLOGY DURING METALWARE

OF XIX CENTURY RESTORATION

A.S.Orlov1, E.G. Rubtsova2, A.S. Shcheglov3, S.Yu. Zibrov4, I.Yu. Zibrova5

Voronezh State Technical University1,2,3,4,5

1Dr. of Tech. Sc., professor of the department of metalwares and welding in construction

2PhD of Tech. Sc, associate professor of the department of metalwares and welding in construction

3PhD of Tech. Sc associate professor of the department of metalwares and welding in construction

4Head of laboratories of the department of metalwares and welding in construction

5Undergraduate of the department of metalwares and welding in construction

Tel.: +74732783015, e-mail: alex@mk.vrn.ru

The article is devoted to the actual problem of metalwares rehabilitation during the restoration of architectural heritage sites. Based on the study of the properties and structure of the metal frame made in the XIX century, a significant spread of indicators of mechanical properties, structural components and chemical heterogeneity within a single farm was ascertained. All this was taken into account at choosing the welding method and mode for "historical" structures rehabilitation

Keywords: architectural heritage, archaeological metallography, microanalysis, styloscoping, welding.

Введение

В отличие от других областей строительства реставрационные технологии более консервативны, а применение новых материалов и конструкций допускается в том случае, если это не вредит памятнику и не искажает его первоначальный вид [4].

___________________________________________________________________________

© Орлов А.С., Рубцова Е.Г., Щеглов А.С., Зибров С.Ю., Зиброва И.Ю., 2018

65

Вобширной литературе по реставрации деревянных и каменных культовых сооружений содержится множество сведений и практических наработок [3, 10, 12, 13, 17,18], однако очень мало данных приводится по исследованию и реставрации металлических конструкций сооружений, построенных в последние два-три столетия. Атрибуция физико-механических характеристик материалов для определения прочности и расчетного сопротивления кирпичной кладки, металла и дерева входит в обязательный перечень работ при комплексном обследовании памятников архитектуры наряду с историко-архивными, инженерногеологическими и геофизическими изысканиями, обмерными и геофизическими работами, проверочными расчетами зданий [9]. Поэтому работа по изучению структуры, состава и свойств материала металлических конструкций представляется достаточно важной и в дальнейшем позволит рекомендовать способы восстановления, ремонта или реставрации конструкций без потери аутентичности и несущей способности конструкции.

Одним из основных методов в изучении внутреннего строения и свойств металлических артефактов с выходом на технологию производства является метод археологической металлографии (археометаллографии), разработанный Б.А. Колчиным и его учениками [6, 8, 11]. В принципе археометаллографии лежит определение на основании микроскопических данных технологической схемы изготовления изделия. Массовый структурный анализ железных изделий Древней Руси обнаружил два вида стали, который применяли русские кузнецы: цементованная (томленая) сталь с однородным строением и равномерно распределенным по всей массе металла углеродом и сталь сварочная неоднородного строения с ферритной структурой. С большим сожалением следует отметить, что изученные железные артефакты относятся к периоду до XV века, данные об исследованиях изделий, и особенно металлических конструкций более поздних веков, нам не встречались.

«Исторические» металлические конструкции условно можно разделить на две группы. К одной отнести в основном литые или кованые элементы, выполняющие не только несущие функции, но и обладающие художественной ценностью и являющиеся предметами охраны. К другой – исключительно несущие конструкции, выполненные из кованых профилей и, скорее всего, не обладающие художественной ценностью. Инженерная реставрация металлоконструкций первой группы подразумевает замену и воссоздание поврежденных элементов, тем более современные технологии позволяют «состарить» свежий металл под любую эпоху. А вот несущие конструкции второй группы подлежат проверочному расчету и при необходимости усилению.

Самым распространѐнными повреждениями металлических конструкций старинных зданий являются: нарушение или отсутствие защитного покрытия, коррозия [16] (может быть самого разного типа и вызываться разными причинами), различные механические и усталостные повреждения, потеря устойчивости [15]. При определенных условиях все эти повреждения могут вызвать хрупкое разрушение конструкции, и в конечном итоге обрушение стены, части здания или здания целиком.

При проведении реставрации и ремонта старинных зданий (особенно представляющих историческую ценность, памятников архитектуры) существует несколько, скажем так, морально-технических проблем. Во-первых, необходимо по максимуму сохранить аутентичность конструкции и всего сооружения в целом (т.е. по возможности минимизировать вмешательство, чтобы сохранить замысел древнего зодчего); во-вторых, максимально укрепить конструкции, чтобы сохранить и для будущих поколений и для возможного использования в настоящем (особенно здания религиозного культа) [14].

Вработе была поставлена задача: определить возможность ремонта конструкций из кричного ковкого железа ручной дуговой сваркой. С этой целью был проведен ряд исследований материала исходной конструкции (фермы), снятой при очередном ремонте со здания бывшей семинарии (ныне Воронежский монтажный техникум), дата постройки предположительно 1812 год (рис. 1). Конструкция находилась в защитном козырьке над входом в здание,

66

была демонтирована из кирпичной кладки, по возможности очищена от известкового раствора и перевезена в лабораторию кафедры сварки и металлических конструкций. Для изучения была выделена небольшая часть профиля с петлей (ширина 42-48 мм, толщина 23-30 мм). В комплекс исследований входили: макроанализ, микроанализ (археометаллография), стилоскопирование, механические испытания.

Рис. 1. Вид металлической конструкции

Методика проведения исследований

Макроанализ. На поверхности конструкции визуально наблюдается толстый слой окислов железа (ржавчины) рыжего цвета переменной толщины до 2-3 мм. Образцы для макроанализа вырезались в поперечном направлении по сечению профиля. Макрошлифы готовились по стандартной технологии (шлифование, полирование), травление в данном случае не требовалось, т.к. внимание в основном уделялось внутренним макродефектам. Невооруженным глазом и с использованием небольшого увеличения (2-3-кратное) хорошо видны продольные крупные неметаллические включения темного цвета, которые придают всей макроструктуре характерную полосчатость. Наличие таких включений (шлаковых, оксидных или углеродных) связано с технологией проковки железных полос, применявшейся в XIX веке (т.н. кузнечная сварка). Аналогичные дефекты наблюдались при изучении металла кованых каркасов глав Спасо-Преображенского собора в г. Муроме [16]. В настоящее время наличие таких дефектов считается недопустимым и подобные изделия бракуются.

Микроанализ. Образцы для микроанализа также были приготовлены по стандартной технологии. При травлении в реактиве «ниталь» проявляется микроструктура и происходит очень сильное растравливание включений.

Структура металла конструкции очень неоднородна по сечению профиля, если рассматривать микроструктуру по поперечному срезу от поверхности к середине образца, то последовательно залегают следующие слои:

-на поверхности находится цементированный слой на глубину до 2,5 мм;

-перлитная структура с наличием сетки цементита вторичного по границам зерен перлита (структура заэвтектоидной стали), толщиной ≈ 1 мм;

-видманштеттова структура (структура перегрева), ее наличие связано с превышением температуры ковки;

-ферритно-перлитная структура с включениями цементита по границам зерен перлита

(рис. 2);

67

-ферритная структура с «островками» третичного цементита по границам зерен (соответствует структуре технического железа);

-ферритная структура (минимальное количество углерода до 0,006 %)

Рис. 2. Вид феррито-перлитной структуры с цементитной сеткой

Наблюдается значительная разнозернистость металла по сечению: от 1 балла в средней части образца до 5 баллов по периферии.

Такое различие фазового и структурного строения металла по сечению свидетельствует о разном содержании углерода в слоях изучаемого сплава железа. Поверхность сплава обогащена углеродом (содержание до 2 %), далее происходит постепенное уменьшение его содержания к середине изучаемого образца (меньше 0,02 %).

Также на микрошлифах наблюдаются участки шлаковых включений (типа сульфидов) с эвтектическим (скелетообразным) строением, свидетельствующем о частичном их переходе в жидкое состояние. Такое явление в современной теории ковки носит название «красноломкость» и связано с повышенным количеством серы в структуре стали. Таким образом, нагрев под деформацию (ковку) проводился без применения защитных сред, кроме того поверхность металлической фермы не была специально подготовлена, о чем свидетельствует наличие большого количества шлаковых включений. Технология подогрева под ковку соответствует существующей в XIX веке [1, 2]: неоднократный нагрев в горне на поверхности горящего древесного угля (отсюда и науглероживание поверхностных слоев) и многократная проковка молотом с запрессовкой частичек угля и окислов с поверхности.

Химический анализ исследуемого сплава выполнен методом отбора стружки по сечению образца. Результаты исследований представлены в табл. 1.

Химический анализ, выполненный по объему (усредненный для всего изучаемого образца), показал соответствие сплава среднеуглеродистой стали марки 35 ГОСТ 1050.

Был проведен еще один качественный анализ на наличие примесей в металле образцов – стилоскопирование. Так как анализ выполнялся на образцах, вырезанных из разных

68

частей конструкции, и выборка велась на разных точках по сечению образцов, то наблюдается значительный разброс данных и по количеству углерода (от 2 до 0,01 %), фосфор (от 0,01 до 0,57 %), сера (0,01 до 0,25 %), в сплаве присутствует небольшое количество марганца и

кремния.

Таблица 1

Химический состав металла (усредненный)

Химический состав исследованных образцов сильно отличается от муромских [16]. По данным авторов в образцах из каркаса глав собора углерода содержится 0,001 %, и металл определяют как химически чистое железо (что в корне неверно, так как такой сплав – технически чистое железо). И в то же время по современной классификации считают, что образцы соответствуют марке стали Ст0, что опять неверно, так как по ГОСТ 380 в Ст0 содержание углерода не более 0,23 %.

Такой разброс данных по углероду, полученный методом химического анализа, связан с технологией изготовления конструкции и подтверждается данными микроскопического анализа. Сера и фосфор в сплавах железа часто образуют сегрегации (скопления), что подтверждается наличием крупных неметаллических включений. Так как в XIX веке рафинирование металлов не применялось, то повышенные количества примесей в разных участках по сечению профиля вполне возможны.

Механические свойства. Для оценки механических свойств исследуемого сплава были проведены следующие исследования: испытания на растяжение, испытания на ударный изгиб и измерение твердости.

Для изучения прочности и пластичности при растяжении согласно ГОСТ 6996 были изготовлены образцы тип XIII в продольном направлении (вдоль проковки) со снятием корродированного слоя. Результаты представлены в табл. 2.

В зоне разрушения наблюдается значительное расслоение металла вследствие наличия крупных неметаллических включений (рис. 3.). Прочность исследуемого металла примерно соответствует прочности поковок из стали марок 30 или 35 (ГОСТ 8479), пластичность несколько снижена. В образцах из Мурома [16] прочность на растяжение не превышает 160 МПа, характеристики пластичности не указаны.

69