基于環(huán)境變遷影響的古磚孔結(jié)構(gòu)及飽和系數(shù)

湯永凈，邵振東

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海200092；2.上海仰韶古建筑保護(hù)科技發(fā)展有限公司，上海200333）

環(huán)境變遷導(dǎo)致的磚的風(fēng)化，是自然界中溫度、水、二氧化碳、氧長期作用的結(jié)果[1].溫度變化導(dǎo)致磚顆粒和孔隙的空間尺寸增大，在壓力作用下促進(jìn)了磚裂縫的擴(kuò)展[2]，裂縫的擴(kuò)展減小了磚的密度和抗壓強(qiáng)度，磚密度和抗壓強(qiáng)度的減小削弱了磚砌體截面剛度和結(jié)構(gòu)承載能力，降低了磚砌體結(jié)構(gòu)安全度[3].風(fēng)化速率是長期風(fēng)化作用的時間函數(shù).中國四川樂山大佛風(fēng)化速率為每年0.264～0.279 mm[4]，山西平遙古城墻638 d風(fēng)化厚度為8.03～32.30 mm[5].磚的耐久性取決于磚合理的孔徑分布和孔隙率[6]，環(huán)境變遷導(dǎo)致磚孔結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，小于5μm孔直徑孔隙對鹽析和凍融循環(huán)的變化十分敏感[7].

溫度變化導(dǎo)致古磚孔隙水產(chǎn)生循環(huán)凍融，長期的循環(huán)凍融可改變不同孔徑孔隙的原有級配；干濕交替、熱脹冷縮導(dǎo)致古磚產(chǎn)生可逆的體積變化，這種體積變化會導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)；氧、二氧化碳的作用導(dǎo)致古磚材料產(chǎn)生新的化學(xué)物質(zhì)，例如大氣中的二氧化碳導(dǎo)致磚中礦物成分方解石和白云石分解生成生石灰（氧化鈣）并最終生成碳酸鈣[4].舊物質(zhì)的分解和新物質(zhì)的生成都會改變原孔結(jié)構(gòu)狀態(tài)，主要表現(xiàn)為古磚的總孔隙率和孔徑分布發(fā)生變化[8].美國ASTM－C67－14燒結(jié)磚標(biāo)準(zhǔn)[9]和中國燒結(jié)磚標(biāo)準(zhǔn)[10]用飽和系數(shù)指標(biāo)評定磚的抗風(fēng)化性能，而磚的抗風(fēng)化性能是環(huán)境變遷影響的結(jié)果.磚的孔結(jié)構(gòu)和飽和系數(shù)都是和水傳輸相關(guān)的指標(biāo)，Hansen等[11]提出用黏土磚的閾值孔隙率和總孔隙率比值作為飽和系數(shù)的評定指標(biāo).Maage[12]提出用孔隙率與大于3μm孔徑孔隙體積分?jǐn)?shù)作為評定古磚抗凍性能的評定指標(biāo).Surej等[13－14]評價了文獻(xiàn) Maage方法的不足，建議用孔隙率、飽和系數(shù)、吸水率作為評定磚耐久性指標(biāo).還有不少文獻(xiàn)[15]通過壓汞實(shí)驗(yàn)指標(biāo)評定磚耐久性能.因此，用磚的孔結(jié)構(gòu)的變化指標(biāo)評定磚的抗風(fēng)化性能是可行的.但是，這些方法涉及的參數(shù)都來自于特定磚樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不適用于中國古磚的評價.

山西長治市氣候溫差大，年最低氣溫在－30～－20℃.高原的濕陷性黃土含有較多的水溶鹽，最大水溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%[16]，呈固態(tài)或半固態(tài)分布在各種顆粒的表面；濕陷性黃土顆粒主要為粉土顆粒，基本上無大于0.25 mm的中砂顆粒.

古建筑土壤中的水溶鹽因磚毛細(xì)孔吸附力進(jìn)入古建筑磚體，氣候變化導(dǎo)致古磚凍融.鹽結(jié)晶和凍融循環(huán)導(dǎo)致孔隙率和孔徑分布的變化[4]，磚裂紋擴(kuò)展.一般情況下，由于氣候影響，山西古建筑的磚基礎(chǔ)部位大多受淡水凍融和水溶鹽共同作用（鹽水凍融），而古建筑中部和上部的磚主要受淡水凍融作用，氣候溫差和水溶鹽對古磚的影響隨時間的推移呈現(xiàn)加劇狀態(tài).

本文探討了山西古磚在環(huán)境變遷影響下孔結(jié)構(gòu)與飽和系數(shù)的關(guān)系.由于孔結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)所需樣品體積小、數(shù)量少，現(xiàn)場取樣滿足了盡可能少干擾文物建筑之目的，對磚石文物建筑抗風(fēng)化能力的評定具有很好的適用性.

1 實(shí)驗(yàn)樣品與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品來自中國山西某山村19世紀(jì)古民居外墻磚（圖1）.古民居和本文第4節(jié)中的5個古建筑聚集在方圓5 km2的同一區(qū)域.該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，干燥少雨，年平均降水562 mm，冬季歷史最低溫度－30℃.該古民居不屬于文物建筑，擬拆遷重建.外墻磚尺寸為29 cm×14 cm×7 cm.飽和系數(shù)樣品為每組5塊整磚[17]，飽和系數(shù)實(shí)驗(yàn)共用外墻磚40塊；壓汞實(shí)驗(yàn)樣品為1 cm×1 cm×2 cm的長方體，樣品取自同一塊裸露外墻磚的外側(cè)面，壓汞樣品共24個；用X射線熒光光譜分析儀判斷外墻磚化學(xué)成分，樣品來自裸露外墻磚的外側(cè)面，取樣后研磨至粉末狀，每個樣品的質(zhì)量為20 g.

圖1 19世紀(jì)古民居Fig.1 Ancient residence of 19th century

從19世紀(jì)直到實(shí)驗(yàn)階段，環(huán)境變遷對該古民居磚的影響主要表現(xiàn)為淡水凍融和鹽水凍融，因此實(shí)驗(yàn)采用人工模擬其環(huán)境變遷條件，同時用不同凍融次數(shù)模擬不同時間.人工模擬各樣品實(shí)驗(yàn)代碼見表1.

1.2 實(shí)驗(yàn)前樣品處置

所有樣品在105℃干燥箱中干燥24 h，測量并記錄各樣品外觀尺寸.把 DX0，DX15，DX30，DX50，DG15，DG30，DG50樣品置放在20℃淡水中浸泡24 h，把YDX0，YDX15，YDX30，YDX50，YDG15，YDG30，YDG50置放在20℃的4%NaCl水溶液中浸泡24 h.

表1 人工模擬各樣品實(shí)驗(yàn)代碼Tab.1 Specimen code for simulation of freeze－thaw condition

1.3 凍融實(shí)驗(yàn)

根據(jù)墻磚試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[17]，把 DX15，DX30，DX50，DG15，DG30，DG50樣品置放在凍融設(shè)備的淡水溶液凍融盒中，YDX30，YDX50，YDX15，YDG15，YDG30，YDG50置放在4%NaCl鹽水溶液凍融盒中，水面均高于樣品2 cm，樣品處于飽水狀態(tài).試件中心凍融溫度為－20～＋20℃，降溫時間3 h，升溫時間2 h，凍融循環(huán)次數(shù)分別為15，30，50次.實(shí)驗(yàn)采用HDY－15型自動循環(huán)凍融箱.

1.4 飽和系數(shù)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)墻磚試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[17]，飽和系數(shù)實(shí)驗(yàn)時，把所有飽和系數(shù)樣品置于105℃鼓風(fēng)干燥箱中烘至恒質(zhì)，稱其干質(zhì)量（m0）.然后將試樣浸泡于20℃淡水中24 h，稱其濕質(zhì)量（m24）.再放入蒸煮箱中淡水沸煮5 h，稱量其濕質(zhì)量（m5）.按照公式（1）計(jì)算其飽和系數(shù)K.

1.5 壓汞實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用美國麥克儀器公司生產(chǎn)的AutoPoreIV9500型壓汞儀.為了減少制作方法對古磚壓汞樣品微觀結(jié)構(gòu)的影響，形狀為1 cm×1 cm×2 cm長方體的壓汞樣品采用微型切割機(jī)切割后研磨而成.把樣品在105℃干燥箱中干燥24 h去除樣品中的游離水.再把所有干燥至恒質(zhì)的壓汞樣品置于膨脹計(jì)頭部，密封、稱重并計(jì)算膨脹計(jì)質(zhì)量.將密封好的膨脹計(jì)送入低壓站分析，抽真空到50μm汞柱以下；低壓分析結(jié)束后取出膨脹計(jì)，再次稱重（試樣、膨脹計(jì)與低壓壓入汞的總質(zhì)量）后送入高壓站中繼續(xù)分析.充汞至3.45 k Pa（0.5 Psia），接著由儀器自動分步控制加壓至413.70 MPa（60 000 Psia），每步平衡時間（equili－bration time）為10 s.公式（2）為進(jìn)汞壓力與相應(yīng)孔徑的關(guān)系.

式中：p為壓力，Pa；σ 為汞的表面張力（4.15 Pa·cm－2）；r為毛細(xì)管半徑，nm；θ為試樣與汞液的接觸角，130°.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 飽和系數(shù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)公式（1）計(jì)算飽和系數(shù)，結(jié)果見表2.

表2 飽和系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of saturation coefficient

2.2 壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果

壓汞實(shí)驗(yàn)所得淡水及鹽水凍融后的孔隙率及孔結(jié)構(gòu)結(jié)果見表3.

表3 壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of MIP

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 飽和系數(shù)

飽和系數(shù)S≤0.850為磚的抗風(fēng)化性能合格數(shù)值[10]，飽和系數(shù)數(shù)值越小反映磚的抗風(fēng)化性能越好.由圖2可以看出，基準(zhǔn)比對樣品DX0飽和系數(shù)值最?。?.835），具有一定的抵抗風(fēng)化能力；DX15，DX30飽和系數(shù)值（0.837，0.840）≤0.850，說明在短期單一淡水凍融風(fēng)化條件下，古磚抗風(fēng)化能力已經(jīng)開始削弱但是仍屬于合格數(shù)值；YDX0樣品雖然凍融次數(shù)為0，但由于被4%NaCl水溶液浸泡，其抗風(fēng)化系數(shù)≥DX15，DX30；YX30飽和系數(shù)0.870≥0.850，YDX30受水溶鹽作用，其飽和系數(shù)值（0.924）大于沒有水溶鹽作用的DX50（0.912），YDX50飽和系數(shù)（0.932）鹽凍次數(shù)最多，飽和系數(shù)值最大.

飽和系數(shù)反映磚連通孔隙和不連通孔隙的相對含量，飽和系數(shù)越大，反映磚連通孔隙相對數(shù)量越多[18].水、二氧化碳、氧及其各種衍生物質(zhì)首先進(jìn)入磚的連通孔隙對孔壁進(jìn)行風(fēng)化作用，溫度的變化導(dǎo)致磚裂縫的產(chǎn)生，風(fēng)化介質(zhì)通過裂縫持續(xù)進(jìn)入不連通孔隙進(jìn)行風(fēng)化作用.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證磚在自由狀態(tài)下的吸水性能和時間的平方根成正比[11].壓汞實(shí)驗(yàn)中的閾值孔徑可作為區(qū)分連通孔隙和不連通孔隙 的臨界值 .連通孔隙數(shù)量越多，磚的初始風(fēng)化速率越大.

圖2 古磚不同工況的飽和系數(shù)Fig.2 Saturation coefficients of ancient bricks in different weathering conditions

3.2 孔徑分布

圖3中的進(jìn)汞累計(jì)曲線和圖4中的孔隙入口孔徑分布曲線由壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表3）得出.圖3的進(jìn)汞累計(jì)曲線表明所有試樣總進(jìn)汞量均在0.20～0.25 m L·g－1之間；圖4的孔隙入口孔徑分布曲線主要分布在0.02～4.00μm之間，最大分布孔徑在0.50～2.00μm之間.

圖3 進(jìn)汞累計(jì)曲線Fig.3 Cumulation of mercury intrusion

圖4 孔隙入口孔徑分布曲線Fig.4 Distribution range of entrance pore diameter

3.3 孔隙率

圖5由壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表3）得出，反映了不同風(fēng)化形式導(dǎo)致古磚孔隙率的變化.其中DG30的孔隙率（37.4431）和 DG50 的 孔隙 率（36.857 2）均大于DG15的孔隙率（36.227 1）和 DG0的孔隙率（35.921 1），反映凍融產(chǎn)生的物理風(fēng)化中，磚孔隙率隨時間呈現(xiàn)緩慢增長趨勢.300年時間里，物理風(fēng)化導(dǎo)致古磚孔隙率增大1%[8].圖5中 YDG50，YDG 30，YDG15樣品孔隙率均大于YDG0，同樣反映凍融對孔隙率的作用.但是，水溶鹽產(chǎn)生的化學(xué)風(fēng)化中磚孔隙率變化是復(fù)雜的，例如YDG15的孔隙率大于YDG50.

圖5 古磚不同工況的孔隙率Fig.5 Porosity of ancient bricks in difference weathering conditions

3.4 不同孔徑孔隙體積的變化

根據(jù)表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制各不同工況時小于1 μm孔徑孔隙體積占孔隙總體積百分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律，如圖6所示；繪制各不同工況時1～5μm孔徑孔隙體積占孔隙總體積百分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律，如圖7所示.

圖6中，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，小于1μm孔徑孔隙體積逐漸減小，其中DG30的孔隙體積比DG15減少了3.61%，而對應(yīng)的YDG30的孔隙體積比YDG15的減少了0.34%；DG50的孔隙體積比DG30的減少了4.73%，而對應(yīng)的YDG50的孔隙體積比YDG30的減少4.74%.

圖7中，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，1～5μm孔徑孔隙體積逐漸增加，其中DG30的孔隙體積比DG15的增加了4.15%，對應(yīng)的YDG30的孔隙體積比YDG15的增加了3.50%；DG50的孔隙體積比DG30的增加了4.73%，而對應(yīng)的YDG50的孔隙體積比YDG30的減少了0.85%.

鹽結(jié)晶和凍結(jié)性導(dǎo)致孔隙率和孔徑分布發(fā)生變化[6].淡水凍融導(dǎo)致磚孔隙率隨時間呈現(xiàn)緩慢增長趨勢（圖5）；磚小于1μm孔徑孔隙體積逐漸減小，從D15到D50共減少了8.34%（圖6）；1～5μm孔徑孔隙體積逐漸增加，從D15到D50平均增加8.88%（圖7）.鹽水凍融導(dǎo)致磚孔隙率呈現(xiàn)減少趨勢（圖5）；磚小于1μm孔徑孔隙體積逐漸減小，YDG15到Y(jié)DG50共減少5.08%（圖6）；1～5μm孔徑孔隙體積逐漸增加，YDG15到Y(jié)DG50共增加4.35%（圖7）.但是，鹽水凍融也常常中斷了這種規(guī)律性變化，例如圖6中的YDG15到Y(jié)DG30以及圖7中的YDG30到Y(jié)DG50，其孔徑分布變化幾乎停止.由此看出，淡水凍融導(dǎo)致磚孔隙率和孔徑分布呈現(xiàn)規(guī)律性變化，鹽水凍融導(dǎo)致磚孔隙率和孔徑分布呈現(xiàn)間歇性變化.

鹽水凍融包含了化學(xué)風(fēng)化和物理風(fēng)化.化學(xué)風(fēng)化對孔隙率和孔徑分布的影響是復(fù)雜的.無論是氯離子擴(kuò)散過程中形成的液膜，還是硫酸根離子生成的含有結(jié)晶水的“白色絮狀物”硫鋁酸鈣都會充填磚的孔隙[19]，同時硫鋁酸鈣硬化后的膨脹更改變了磚的孔隙?；瘜W(xué)風(fēng)化的復(fù)雜性導(dǎo)致磚孔隙率和孔徑分布的變化呈現(xiàn)間歇性。古磚小于5μm孔直徑孔隙對鹽和凍融循環(huán)的變化十分敏感[7].

磚的性能是材料性質(zhì)和微觀環(huán)境的時間函數(shù)[11].19世紀(jì)的古磚在人工模擬風(fēng)化條件下，孔徑分布隨凍融次數(shù)發(fā)生了變化：小于1μm孔徑孔隙體積逐漸減少，1～5μm孔徑孔隙體積逐漸增加，測試結(jié)果和文獻(xiàn)[7，11]中反映的磚風(fēng)化特性基本吻合.人工模擬風(fēng)化條件中，凍融循環(huán)次數(shù)表示時間，鹽水和淡水表示不同風(fēng)化形式.孔隙率和孔徑分布的變化與風(fēng)化條件（含風(fēng)化形式和風(fēng)化時間）具有很好的相關(guān)性.

3.5 不同孔徑孔隙體積對應(yīng)的飽和系數(shù)

人工模擬風(fēng)化條件下，19世紀(jì)古民居磚不同孔徑孔隙體積和對應(yīng)飽和系數(shù)的關(guān)系見圖8，9.

圖8，9分別表明，隨著飽和系數(shù)的提高，小于1 μm孔徑孔隙體積減少，1～5μm孔徑孔隙體積增加.圖9中直線和二次曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式的相關(guān)系數(shù)分別為0.963 0和0.955 2，反映1～5μm孔徑孔隙體積的變化和飽和系數(shù)具有很好的相關(guān)性.

飽和系數(shù)實(shí)驗(yàn)至少需要5塊古磚樣品[17]，這對于文物建筑是很難實(shí)現(xiàn)的.孔結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)只需要少量古磚碎塊樣品，用孔結(jié)構(gòu)指標(biāo)評定文物建筑抗風(fēng)化性能具有可行性.

圖8 小于1μm孔徑孔隙體積占比與飽合系數(shù)的關(guān)系Fig.8 Volume fraction of pore diameter of less than 1 μm versus saturation coefficient

圖9 1～5μm孔徑孔隙體積占比與飽和系數(shù)的關(guān)系Fig.9 Volume fraction of pore diameter of 1 to 5μm and saturation coefficient

4 工程實(shí)例驗(yàn)證

采用自然風(fēng)化條件下文物建筑實(shí)體古磚樣品對圖6，7的人工模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)采用壓汞法，樣品分別來自5個不同建造年代的文物建筑外墻磚中裸露的外側(cè)面，取樣部位為室外地面以上1 m，見圖10.壓汞樣品為1 cm×1 cm×2 cm的長方體.5個文物建筑的建造年代分別為10世紀(jì)，11世紀(jì)，12世紀(jì)，14世紀(jì)，16世紀(jì).5個文物建筑的地理位置和19世紀(jì)古民居坐落于方圓5 km2的相同區(qū)域范圍.壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4.

圖10 文物建筑壓汞樣品取樣位置圖Fig.10 Position of brick sam ples in ancient buildings

圖11根據(jù)壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表4數(shù)據(jù)繪制，表示自然風(fēng)化條件下古磚孔結(jié)構(gòu)的變化.由圖11可以看出，人工模擬風(fēng)化條件和自然風(fēng)化條件古磚樣品的孔徑分布變化特征基本相同：隨著年代的增長，小于1μm孔徑孔隙體積逐漸減少，1～5μm孔徑孔隙體積逐漸增大.

圖11 不同年代古建筑磚不同孔徑孔隙體積百分?jǐn)?shù)Fig.11 Volume fraction of pore diameter of ancient bricks from ancient buildings in different centuries

表5為各種磚樣品的X射線熒光光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果。樣品來自各古磚裸露的外側(cè)面，重復(fù)實(shí)驗(yàn)取平均值.

磚的礦物組成和制造工藝（燒結(jié)溫度）是導(dǎo)致孔隙率和孔徑分布變化的主要因素[6，11].表5中各樣品不僅主量成分含量相近，微量成分含量也十分相近，如Ti2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在在0.59%～0.70%范圍內(nèi)；中國從公元前1世紀(jì)到公元16世紀(jì)使用同一傳統(tǒng)制磚工藝——“埏泥”和“還原氣氛”[20－21]；表4中自然狀態(tài)下的6個古磚孔徑分布變化規(guī)律相近，由此可以得出，19世紀(jì)古民居磚和5個古建筑磚具有一定的可比性.

表5 化學(xué)成分組成Tab.5 Chemical composition

5 結(jié)論

（1）淡水凍融導(dǎo)致山西古磚孔隙率和孔徑分布呈現(xiàn)規(guī)律性變化：孔隙率緩慢增長，小于1μm孔徑孔隙體積占孔隙總體積百分?jǐn)?shù)逐漸減少，1～5μm孔徑孔隙體積占孔隙總體積百分?jǐn)?shù)逐漸增大；鹽水凍融導(dǎo)致磚孔隙率和孔徑分布呈現(xiàn)間歇性變化.

（2）環(huán)境變遷條件下，山西古磚小于1μm孔徑孔隙體積和飽和系數(shù)具有很好的相關(guān)性，利用該性質(zhì)評定磚石文物建筑風(fēng)化性能具有可行性.

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