Химические методы защиты (консервации) камня включают: поверхностную или глубинную (обессоливание) очистку, структурное укрепление и защитную обработку (антисептирование, гидрофобизацию).
Очистка камня является сложной в техническом и эстетическом отношениях самостоятельной проблемой. В последнее время, наряду с химическими способами, все чаще применяются нейтральные по отношению к камню регулируемые методы расчистки. К ним относятся: традиционная пароструйная обработка; усовершенствованный "пескоструйный" метод, использующий в качестве абразивов частицы различного размера и твердости, от корунда до скорлупы орехов, и позволяющий регулировать энергию очищающей "струи". Кроме того, определенное распространение получили способы ультразвуковой и лазерной расчистки. Последний метод, хотя и остается весьма дорогостоящим, но уже не является редким. Промышленно выпускается лазерное оборудование для очистки камня, и существуют значительные по масштабам примеры его применения - крестильная купель и капители колонн из мрамора в монастыре St. Trophime в Арле, западный известняковый фасад собора в Пуатьево Франции. Говоря о химических методах консервации камня, следует подчеркнуть, что в данном случае речь идет о структурном укреплении и защитной обработке (гидрофобизации). Эти способы, в отличие от инженерностроительных и теплофизических, реализуются путем вмешательства в подлинный материал памятника и связаны с частичной или полной модификацией его свойств.
В этой связи уместно остановиться на проблеме "обратимости" применяемых материалов. Смысл, который вкладывают специалисты в это понятие, состоит в следующем. При работе с памятником желательно применять такие материалы, которые, в случае необходимости, можно удалить без ущерба для памятника, вернув его в состояние до реставрации. Требование, безусловно, правильное, однако следует понимать, насколько и в каких случаях оно выполнимо. При реставрации скульптуры понятие "обратимости", скорее всего, возникло при анализе таких операций, как склейка фрагментов и воссоздание утраченных деталей. Придав скульптуре или другому объекту "экспозиционный" вид, реставратор хочет иметь возможность, при получении новых сведений о произведении, видоизменить его, то есть, иными словами, "разобрать" и "собрать" заново без повреждения подлинных фрагментов. Это побудило реставраторов к подбору обратимых клеев и доделочных масс, менее прочных, по сравнению с материалом произведения, которые могут быть удалены при повторной реставрации. Предполагается, что в рассмотренном примере, реставратор имеет дело со "здоровым" материалом подлинника. Если же "состарился" сам материал, и требуется его структурное укрепление, путем пропитки химическими составами, то уже нельзя столь однозначно трактовать требование обратимости. На практике специалист может оказаться перед дилеммой: или пропитать камень укрепляющим составом, или он рассыплется. Очевидно, что в такой ситуации будет принято решение укрепить материал, независимо от того, будет этот процесс "обратимым" или нет.
Другая составляющая этой проблемы заключается в продолжительности срока службы реставрационных материалов. Дело в том, что если раньше было принято считать, что консервация должна быть сделана "на века", то сегодня вся последовательность работ по реставрации и сохранению памятников рассматривается как определенный этап мероприятий, который необходимо периодически повторять. В 1964 г. это положение уже было сформулировано в Статье 3 Венецианской Хартии - "Консервация памятников предполагает, прежде всего, постоянство ухода за ними".
В настоящее время практически все исследователи подчеркивают важность изучения причин разрушения каждого конкретного объекта: только зная их, можно определить необходимые реставрационные мероприятия. Под укреплением камня понимают упрочнение его материалом, который глубоко проникает в камень, улучшает его когезионную прочность, механические свойства и адгезию ослабленных частиц и слоев к прочным внутренним слоям.
До сих пор не получены вещества, способные консолидировать структуру камня и подлежащие, в случае необходимости, полному удалению из камня. Вероятно, это и невозможно. Кроме того, даже поверхностное проникновение укрепляющего состава может вызвать структурную модификацию камня, связанную с замещением одних веществ другими. В частности, последствия такого процесса были зафиксированы при обследовании мраморных скульптур из подмосковной усадьбы "Архангельское". Поэтому в последние годы усилия исследователей направлены на разработку и применение реставрационных материалов, близких по своей химической природе естественному и искусственному камню. Учитывая современное многообразие химических продуктов, одна из главных задач состоит в достоверной оценке эффективности и безопасности применения того или иного реставрационного материала.
Химической защитой камня как научной проблемой начали заниматься еще в первой половине ХIХ в. Говоря о "защите" камня, необходимо заметить, что в прошлом и в начале нынешнего века под защитой или "лечением" камня подразумевались, помимо расчистки, в основном способы его структурного укрепления. Как правило, именно необходимость сохранения осыпающегося, деструктированного камня вызывала потребность проведения каких-либо мероприятий. Собственно "защита" камня стала актуальной примерно во второй трети ХХ века, когда реставраторами и исследователями была осознана необходимость превентивной консервации каменных материалов в условиях воздействия атмосферы, становящейся с течением времени все более агрессивной.
По опубликованным данным, первым материалом, который использовался для структурного укрепления камня, было жидкое стекло. Во второй половине ХIХ в. была опробована пропитка камня алюминатом магния. В тот же период предлагалось применять фториды и фторсиликаты магния, алюминия, цинка и т. п. Еще раньше для этой цели была проведена апробация гидрата окиси бария. Затем в качестве активатора кристаллизации стали использовать активный ремнезем.
Вместе с тем, с древнейших времен была известна обработка камня натуральными органическими соединениями. Первые сведения о применении пчелиного воска исходят из Египта за 4200 лет до н. э. Его применяли, в частности, для покрытия мраморных скульптур. Воск, масло или их смесь наносили на поверхность каменных объектов, по всей вероятности, не только из эстетических соображений, но и из желания защитить их от воздействия атмосферы. С середины прошлого века разрабатывались составы для укрепления и защиты камня из шеллачного и дамарного лаков, льняного масла и многих других натуральных органических соединений. Однако со временем применение этих материалов становилось все более ограниченным.
Развитие органической химии в ХХ в. принесло много новых веществ для консервации камня. Для этой цели опробовались практически все искусственные смолы, но ни одно из этих средств целиком не решало проблемы. В 1861 г. впервые для укрепления камня было предложено использовать тетраэтоксисилан (эфир кремниевой кислоты). Вместе с тем, в то время не удалось достичь обнадеживающих результатов применения состава на основе тетраэтоксилана (ТЭС). По мнению ведущих специалистов, это было связано не столько с неправильным выбором укрепляющего состава, сколькос неверным подходом к самой проблеме укрепления. Считалось, что поверхностного укрепления достаточно для надежной консервации камня. Однако такая обработка не только не обеспечивает долговременной защиты, но может даже и ускорить разрушение. Это происходит по двум причинам. Во-первых, при определенных условиях, влага способна конденсироваться и накапливаться под обработанной поверхностью, проникая туда в виде пара или же в результате капиллярного всасывания дождевой и грунтовой воды через не защищенные участки. При изменении температурно-влажностных условий влага испаряется, а соли, содержащиеся в ней, кристаллизуются под обработанным слоем, что может приводить к его отслоению. Во-вторых, изменение объема тонкого поверхностного слоя под действием температуры и влаги может существенно отличаться от изменения объема внутренних слоев камня, что вызывает напряжение сдвига и современем приводит к разрушению.
Вместе с тем, несмотря на первые негативные результаты, исследования по использованию ТЭС и его различных производных были продолжены. Продукты на основе ТЭС (алкоксисиланы) казались привлекательны для консервации камня благодаря возможности использования их для глубокой пропитки, так как они могут быть превращены из легких жидкостей в полностью стабильный, неорганический конечный продукт внутри пористого камня при реальной температуре окружающего воздуха. Теоретически, конечный продукт представляет собой композицию, подобную минеральному составу самого камня. Достаточно большое число положительных примеров использования алкоксисиланов стимулировало исследователей к дальнейшему улучшению этих материалов.
Тенденция преимущественного использования материалов именно этого класса отчетливо прослеживается в реставрационной практике различных стран в последние десятилетия. При этом, как правило, продукты на основе ТЭС и его производных (алкоксисиланы, алкоксисилан - акриловые сополимеры и т.д.) используются для структурного укрепления камня. Материалы на основе силоксановых олигомеров и полимеров являются основой большинства гидрофобизирующих продуктов, используемых сегодня для защиты поверхности камня.