蘇州吳江近現(xiàn)代青磚等溫吸濕性能實驗研究

李永輝 謝華榮 王建國 李新建 吳錦繡

(東南大學(xué)城市與建筑遺產(chǎn)保護教育部重點實驗室，南京210096)

青磚是中國歷史建筑的重要組成部分.自然環(huán)境下青磚砌體中水分的變化狀況可直接或間接地加速磚砌體的物理、化學(xué)和生物破壞作用，密切影響著磚砌體性能退化的發(fā)展.等溫吸濕曲線是在等溫條件下，根據(jù)不同空氣相對濕度所測得的材料平衡含濕量繪制而成，是衡量材料在自然環(huán)境中自身水分變化強弱的基礎(chǔ)特性之一.材料的等溫吸濕特性不僅是量化研究磚砌體劣化機理的基礎(chǔ)，也是研究并獲得中國傳統(tǒng)青磚歷史建筑圍護結(jié)構(gòu)材料傳熱過程中有關(guān)特性參數(shù)、傳遞系數(shù)的基礎(chǔ).

目前國內(nèi)外學(xué)者對一些建筑材料進行過類似的實驗研究.在國外，Moropoulou等[1-2]研究了磚、石膏和石頭等建筑材料的等溫吸濕性能.Pavlík 等[3]對加氣混凝土、輕質(zhì)陶瓷磚和傳統(tǒng)陶瓷磚、某新型相變材料及自主研發(fā)的石灰石膏的等溫吸濕性能進行了研究.Lo'pez-Doncel等[4]對墨西哥中部城市瓜納華托劣化嚴重的歷史建筑的典型材料進行了吸濕性能的實驗研究.歐洲的黏土磚在組成成分及燒結(jié)工藝上與中國傳統(tǒng)青磚有較大差異，其數(shù)據(jù)無法代表中國傳統(tǒng)建筑所用的青磚.國內(nèi)，裴清清等[5]、閆增峰等[6]及李魁山等[7]對水泥砂漿、石膏板、混凝土、夯土墻、黏土磚、生土磚及EPS保溫材料等材料的等溫吸濕特性進行了實驗研究，對比了其等溫吸濕曲線的區(qū)別.但國內(nèi)文獻中沒有對實驗樣磚的產(chǎn)地、年代及具體的種類進行詳細說明，無法為傳統(tǒng)歷史建筑磚砌體劣化機理研究提供必要的數(shù)據(jù)支持.

城市優(yōu)秀近現(xiàn)代建筑一般是指從19世紀中期至20世紀50年代建設(shè)的，能夠反映城市發(fā)展歷史、具有較高歷史文化價值的建筑物和構(gòu)筑物.目前，我國大量遺存的傳統(tǒng)歷史建筑多屬于優(yōu)秀的近現(xiàn)代建筑，其建筑中的青磚也以近現(xiàn)代的青磚為主.本文將針對蘇州吳江地區(qū)歷史建筑，以清末民居的青磚(近代青磚)及20世紀80年代的青磚(現(xiàn)代青磚)為代表，主要研究蘇州吳江地區(qū)近現(xiàn)代青磚的等溫吸濕特性，對同批次不同時期、不同樣品的吸濕特性差異性進行比較研究，為中國傳統(tǒng)建筑熱濕耦合分析與建筑遺產(chǎn)保護提供基本數(shù)據(jù)支持.

1 實驗方法

1.1 實驗原理

平衡含水率是指材料在一定空氣狀態(tài)(溫度、相對濕度)下最后達到的穩(wěn)定含水率，定義式如下:

式中，μ為材料的平衡含水率，kg/kg;m為吸濕后的材料質(zhì)量，kg;m0為干燥后的材料質(zhì)量，kg.

在等溫條件下利用不同的飽和鹽溶液來創(chuàng)造不同的濕度環(huán)境，使青磚在不同環(huán)境中達到平衡狀態(tài)，并測量出青磚在該濕度狀態(tài)下的平衡含水率.然后，根據(jù)美國FSEC(Florida Solar Energy Centre)建立的常用建筑材料平衡含濕量曲線數(shù)據(jù)庫采用的表達式[8]對實驗結(jié)果進行擬合，得出等溫吸濕曲線.該表達式如下:

式中，a，b，c，d 為實驗常數(shù);ψ 為相對濕度.

1.2 實驗裝置

基本實驗裝置為真空干燥皿(見圖1)、光電式精密天平(型號為 MSE324S-000-DU，精度為0.1 mg)及溫濕度記錄儀(型號為RTR 53A).在干燥皿中利用不同的飽和鹽溶液獲得不同相對濕度的環(huán)境，并用溫濕度記錄儀對干燥皿中的溫度、濕度進行監(jiān)控.干燥皿內(nèi)有一帶孔的隔層，將被測試樣置于隔層之上，隔層上下空間通過小孔連通.由于溫度、濕度都是水分遷移的驅(qū)動力，為減小溫度對平衡含濕量的影響，將干燥皿置于溫度為(23±1)℃的環(huán)境空間中，環(huán)境溫度通過自動控溫空調(diào)機實現(xiàn).

圖1 實驗用真空干燥皿及溫濕度記錄儀

1.3 實驗過程

依照《建筑材料及制品的濕熱性能:吸濕性能的測定》(GB/T 20312—2006)，測出2種青磚在不同相對溫度環(huán)境下的樣品的平衡含濕量.為增強青磚試樣的代表性，在蘇州吳江有歷史記載的2處歷史建筑的不同位置上隨機各取6塊清末青磚和20世紀80年代青磚(磚的外觀見圖2).為消除同塊磚兩端在環(huán)境影響下老化所帶來的等溫吸濕性能差異，通過切割機在每塊樣磚的中心部位取出尺寸約為2 cm×1 cm×1 cm、質(zhì)量約為3～5 g的3塊小試塊作為該塊青磚的測試試樣(合計質(zhì)量約9～15 g).實驗中代表清末青磚的試樣有6組，分別編號為清末1～6號;代表20世紀80年代青磚的試樣也有6組，分別編號為80年代1～6號.將試樣先放在(105±5)℃的烘箱中烘干至完全干燥(前后2次測量質(zhì)量差小于0.1%，則認為達到完全干燥)，用光電式精密天平稱量質(zhì)量后依次置于具有一定相對濕度的干燥皿中.試塊在干燥皿內(nèi)進行濕交換，直到達到吸濕平衡狀態(tài)(前后2次測量質(zhì)量差小于0.1%)，然后用光電天平稱量其平衡質(zhì)量.5個干燥皿中用一合水氯化鋰、氯化鎂、硝酸鎂、氯化鈉和硝酸鉀配置飽和鹽溶液，創(chuàng)造出相對濕度為(7±1)%、(32±1)%、(52±1)%、(72±1)%和(92±1)%的5個環(huán)境，具體實測相對濕度數(shù)據(jù)如表1所示.在配制鹽溶液時溶劑使用蒸餾水，且干燥皿蓋子密封處涂抹凡士林增強其密封性，確保干燥皿中相對濕度的準確性和穩(wěn)定性.

圖2 蘇州吳江青磚實驗試樣

表1 在(23±1)℃環(huán)境下不同飽和鹽溶液所對應(yīng)的相對濕度

2 實驗結(jié)果與討論

圖3為蘇州吳江20世紀80年代1～6號青磚的等溫吸濕曲線圖.由圖3可看出，在相對濕度為7% ～92%的范圍內(nèi)，1～6號青磚的吸濕量變化區(qū)間分別為:0.97 ～ 4.95 g/kg，0.61 ～ 1.33 g/kg，2.19 ～18.65 g/kg，0.87 ～ 2.50 g/kg，1.37 ～ 6.39 g/kg，2.70 ～27.01 g/kg.圖4 為蘇州吳江清末 1 ～6號青磚的等溫吸濕曲線圖.由圖4可看出，在相對濕度為7% ～92%的范圍內(nèi)，1～6號青磚的吸濕量變化區(qū)間分別為:7.68 ～55.27 g/kg，1.54 ～8.60 g/kg，0.94 ～ 8.36 g/kg，1.17 ～ 7.97 g/kg，3.46 ～63.50 g/kg，2.25 ～22.22 g/kg.2 種青磚的吸濕量隨著環(huán)境相對濕度的增加呈冪指數(shù)增長趨勢.

圖3 蘇州吳江20世紀80年代青磚等溫吸濕曲線

圖4 蘇州吳江清末時期青磚等溫吸濕曲線

通過對比圖3和圖4可看出:對于青磚的等溫吸濕量而言，20世紀80年代1號、2號、4號與5號青磚之間差異性較小，3號和6號青磚的吸濕量明顯大于其他磚，其中6號青磚的吸濕量最大，在92%時的吸濕量達到吸濕量最小的2號青磚的20.37倍;清末時期的2號、3號與4號青磚之間差異性較小，1號、5號與6號青磚的吸濕量大于其他號磚，其中5號青磚的吸濕量最大，在92%時的吸濕量是吸濕量最小的4號青磚的7.97倍.從實驗結(jié)果可看出，由于青磚燒結(jié)過程所產(chǎn)生的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的不同，同地區(qū)同批次的青磚在等溫吸濕特性上表現(xiàn)出了較大的差異性.磚墻體因水分波動而產(chǎn)生性能劣化時，磚塊個體之間的等溫吸濕特性差異性將影響著磚墻體中同區(qū)域磚材劣化發(fā)生的起始位置和劣化程度.

圖5為蘇州20世紀80年代與清末時期青磚試樣的等溫吸濕曲線的平均值對比圖.在不同相對濕度下，清末青磚的平衡含濕量在2.84～27.65 g/kg之間，20世紀80年代青磚的平衡含濕量在1.45～10.14 g/kg之間.從圖5 可看出，在高的相對濕度環(huán)境下，清末時期青磚的平衡含濕量約為20世紀80年代青磚平衡含濕量的3倍以上，同地區(qū)不同時期的青磚等溫吸濕特性存在明顯的差異.其原因可能是磚材在使用過程中受凍融循環(huán)、結(jié)晶膨脹及風化等劣化因素的影響[9-12]，在時間的作用下除了引起其自身力學(xué)強度的衰減外，對磚材自身的等溫吸濕特性也造成了明顯影響，年代久遠的磚材具有更強的吸濕性.

圖5 蘇州吳江20世紀80年代青磚及清末青磚等溫吸濕曲線平均值與文獻[7]測試結(jié)果的比較

圖5還對比了本次蘇州吳江青磚實驗數(shù)據(jù)和文獻[7]中黏土磚的等溫吸濕特性實驗數(shù)據(jù).從圖中可看出，文獻[7]中黏土磚的數(shù)據(jù)與本實驗中的蘇州吳江清末青磚的等溫吸濕曲線接近，但與本實驗中20世紀80年代青磚有明顯的差異，其數(shù)據(jù)約是20世紀80年代青磚平衡含濕量的2倍以上.其原因是，磚質(zhì)材料是用土制成土坯后經(jīng)過人工高溫燒制而得，燒制過程中因黏土原料、焙燒溫度、制造工藝等因素的不同，將造成不同地區(qū)不同樣磚之間的等溫吸濕特性的差異.因此，從我國傳統(tǒng)建筑劣化機理研究及歷史建筑節(jié)能改造利用上來看，建議今后的磚材等溫吸濕實驗應(yīng)明確磚材的具體種類、產(chǎn)地及年代等信息來增強磚材實驗數(shù)據(jù)的代表性和應(yīng)用意義.

另外，本文基于蘇州吳江地區(qū)歷史建筑中隨機抽取的20世紀80年代與清末時期的每組6個試樣的實驗數(shù)據(jù)平均值，給出了蘇州20世紀80年代與清末時期的青磚等溫吸濕曲線的擬合公式和相關(guān)系數(shù)，如表2所示.

表2 實驗樣磚的等溫吸濕曲線擬合

3 結(jié)語

磚材在環(huán)境中平衡含水量的多少將影響磚材的凍融循環(huán)強度、風化速度、“酥堿”程度以及微生物繁殖速度等磚材劣化主因，即磚材的等溫吸濕特性影響著磚砌體劣化的速度與強度.本文比較了蘇州吳江地區(qū)以清末及20世紀80年代青磚為代表的近現(xiàn)代青磚的等溫吸濕性能，提出了蘇州吳江地區(qū)20世紀80年代青磚及清末青磚的等溫吸濕曲線擬合公式.實驗結(jié)果表明，同時期不同樣磚之間等溫吸濕性能存在明顯差異，不同時期的樣磚之間也存在明顯的差異，在同等環(huán)境濕度下蘇州清末青磚的吸濕量是蘇州20世紀80年代青磚的3倍以上，青磚在時間作用下將具有更大的吸濕量.

本文通過實驗研究得出的量化數(shù)據(jù)和曲線，可應(yīng)用到歷史建筑磚墻酥堿程度的量化確定，以便在實際的保護維修過程中，更準確地確定磚砌體的酥堿程度.另外，本文總結(jié)的公式及數(shù)據(jù)為研究中國傳統(tǒng)建筑性能劣化機理及磚構(gòu)建筑熱濕耦合分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐.

References)

[1] Karoglou M，Moropoulou A，Maroulis Z B，et al.Water sorption isotherms of some building materials[J].Drying Technology，2005，23(1/2):289-303.

[2] Moropoulou A，Karoglou M，Giakoumaki A，et al.Drying kinetics of some building materials[J].Brazilian Journal of Chemical Engineering，2005，22(2):203-208.

[3] Pavlík Z，?umár J，Medved I，et al.Water vapor adsorption in porous building materials:experimental measurement and theoretical analysis[J].Transp Porous Med，2012，91(3):939-954.

[4] Lo'pez-Doncel R，Wedekind W，Dohrmann R，et al.Moisture expansion associated to secondary porosity:an example of the Loseros Tuff of Guanajuato，Mexico[J].Environmental Earth Sciences，2013，69(4):1189-1201.

[5] 裴清清，陳在康.幾種常用建材的等溫吸放濕曲線試驗研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，1999，26(4):96-99.Pei Qingqing，Chen Zaikang.An experimental study on isothermal moisture absorption and desorption processes of some common-used building materials[J].Journal of Hunan University:Natural Sciences Edition，1999，26(4):96-99.(in Chinese)

[6] 閆增峰，劉加平，王潤山.生土圍護結(jié)構(gòu)的等溫吸濕性能的實驗研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2003，35(4):347-350.Yan Zengfeng，Liu Jiaping，Wang Runshan.Experimental study of moisture absorption isotherms of adobe building materials[J].Journal of Xi’an University of Architect and Technology:Natural Science Edition，2003，35(4):347-350.(in Chinese)

[7] 李魁山，張旭，韓星，等.建筑材料等溫吸放濕曲線性能實驗研究[J].建筑材料學(xué)報，2009，12(1):81-84.Li Kuishan，Zhang Xu，Han Xing，et al.Experimental research of isothermal sorption curve of building materials[J].Journal of Building Materials，2009，12(1):81-84.(in Chinese)

[8] Tye R P.Relevant moisture properties of building construction materials，manual on moisture control in buildings[M].Philadelphia，PA，USA:America Society for Testing and Materials Publication，1994:35-53.

[9] 韓兵康，張麗卿，李春祥.磚木結(jié)構(gòu)類保護性建筑的災(zāi)害分析與防治對策[J].自然災(zāi)害學(xué)報，2004，13(6):105-111.Han Bingkang，Zhang Liqing，Li Chunxiang.Disaster analysis and control countermeasures of brick-wood structure type protective buildings[J].Journal of Natural Disasters，2004，13(6):105-111.(in Chinese)

[10] Larbi J A.Microscopy applied to the diagnosis of the deterioration of brick masonry[J].Construction and Building Materials，2004，18(5):299-307.

[11] 和玲，甄剛，周偉強.大雁塔和法門寺磚材保護研究[J].文物保護和考古科學(xué)，2004，16(3):33-39.He Ling，Zhen Gang，Zhou Weiqiang.The deterioration and consolidation of Dayan Pagoda and Famen Temple[J].Sciences of Conservation and Archaeology，2004，16(3):33-39.(in Chinese)

[12] 楊昌鳴，成帥.近代歷史建筑磚石外墻劣化成因與修復(fù)技術(shù)探索[J].建筑學(xué)報，2011(S1):76-79.Yang Changming，Cheng Shuai.Exploration on deterioration causes and restoration technology about masonry exterior walls of modern historic buildings[J].Architectural Journal，2011(S1):76-79.(in Chinese)