犧牲性保護(hù)在南方歷史清水墻材料修復(fù)中的應(yīng)用
——以浙江大學(xué)之江校區(qū)鐘樓立面修復(fù)為例

何 政，鐘 燕，王冰心，戴仕炳（.浙江德賽堡建筑材料科技有限公司，浙江 湖州 33008；.同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院歷史建筑保護(hù)實(shí)驗(yàn)中心，上海0009）

清水墻是一種集建筑結(jié)構(gòu)功能與裝飾美學(xué)與一體的歷史建筑構(gòu)件。與其他建筑材料一樣，磚墻本身因受風(fēng)化和其他因素影響，不可避免的會(huì)出現(xiàn)劣化破壞。南方地區(qū)歷史建筑清水墻受地區(qū)氣候影響，不同的病害機(jī)理呈現(xiàn)出不同的劣化特征。為了更好地保護(hù)歷史建筑清水墻的歷史價(jià)值和使用價(jià)值，以科學(xué)的角度提出南方地區(qū)歷史建筑清水墻犧牲性保護(hù)修復(fù)材料體系。

1 南方地區(qū)氣候特點(diǎn)及病害機(jī)理

1.1 南方地區(qū)的氣候特點(diǎn)

浙江省杭州市為典型的南方地區(qū)，地處我國(guó)東部沿海，位于東經(jīng)120°，北緯 30°，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨量充沛。一年四季呈現(xiàn)春陰雨、夏潮熱、秋干爽、冬濕冷的氣候特點(diǎn)。

杭州市氣溫和降水年際、季際、月際變化明顯。年平均氣溫 15.3 ～17 ℃，1 月最低，一般 3.0 ～5.0℃，7 月最高，月平均氣溫 28.0 ～29.0 ℃，春秋兩季氣溫轉(zhuǎn)換較快。年平均降水量在 1100～ 1600 mm 之間。降水量在一年中的變化呈現(xiàn)為兩個(gè)多雨期梅汛期和秋雨期，一個(gè)多雨時(shí)段春雨期；7、8 月和 10 月至次年2月為兩個(gè)相對(duì)干季。

杭州市年平均蒸發(fā)量為 1150～1400 mm，夏季（6～8 月）最大，春（3～5 月）、秋（9～11 月）兩季次之，冬季（12 月～次年2月）最小。年相對(duì)平均濕度和月平均相對(duì)濕度在 75%～85%，全年相對(duì)濕度以梅汛期（6月）最大，冬干期（1 月）最小。

1.2 病害機(jī)理

清水墻以磚、石、砂漿等無機(jī)孔隙材料為主構(gòu)成。到目前為止，清水墻建筑中磚、石等常見材料的病害現(xiàn)象、特征、成因的研究已十分清晰[1]（詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1）。清水墻劣化主要體現(xiàn)在墻體面層（具體數(shù)據(jù)見圖1～3），由多種因素導(dǎo)致，主要包括：鹽的因素、水的因素、氣候因素等。這些因素之間相互影響作用，共同導(dǎo)致材料的劣化破壞。

表1 南方地區(qū)歷史建筑清水墻面層病害與機(jī)理

圖1 有機(jī)涂料覆蓋

圖2 表面泛堿

圖3 植物和微生物破壞

1.2.1 鹽的因素

鹽害是導(dǎo)致清水墻劣化破壞的直接因素之一，其中以可溶鹽的鹽害為主。其陽離子包括 Na+、K+、Ca2+、Mg2+等，陰離子包括 Cl-、SO42－、NO3－等。理論上認(rèn)為鹽害導(dǎo)致的材料劣化主要基于3個(gè)原因：一是結(jié)晶壓力,即蒸發(fā)作用導(dǎo)致溶液發(fā)生過飽和作用，溶液中的可溶鹽結(jié)晶并對(duì)孔隙或裂隙內(nèi)壁產(chǎn)生膨脹壓力；二是水合壓力，即部分可溶鹽遇水發(fā)生水合作用而膨脹，對(duì)孔隙或裂隙內(nèi)壁產(chǎn)生膨脹壓力；三是溫差應(yīng)力，即可溶鹽與不可溶巖石礦物的熱膨脹系數(shù)存在差異,在快速升溫或降溫過程中巖石晶體之間產(chǎn)生溫差應(yīng)力[3]。

構(gòu)成清水墻主體的磚砌體本身含有一定的鹽分。若生產(chǎn)燒結(jié)磚的原料中含有可溶性無機(jī)鹽類時(shí)，成磚時(shí)會(huì)隱含在磚體內(nèi)部[4]。傳統(tǒng)石灰灰漿和石灰砂漿主要以生石灰 CaO 和消石灰 Ca(OH)2為主，一般只含有極少量的可溶性鹽。使用含水泥成分的砌筑砂漿和勾縫修復(fù)材料會(huì)帶入大量的鹽分，在現(xiàn)代文物保護(hù)工程中嚴(yán)禁使用水泥。除墻體外，鹽分還大量存在于清水墻鄰近的地下土體中，可通過上升毛細(xì)水進(jìn)入墻體內(nèi)。此外，大氣污染、水污染等危害都會(huì)將可溶鹽帶入到清水墻內(nèi)。

鹽分通過溶解于液態(tài)水，依靠液態(tài)水的運(yùn)動(dòng)在孔隙材料內(nèi)部運(yùn)動(dòng)。墻體內(nèi)的可溶鹽會(huì)隨水分蒸發(fā)向墻體表面富集，嚴(yán)重時(shí)會(huì)在表面結(jié)晶形成泛堿現(xiàn)象。鹽結(jié)晶通常容易吸收空氣中的水分潮解，在遇到雨水或其他外界水后又會(huì)溶解反滲回墻體表層內(nèi)部，之后隨水分蒸發(fā)又富集到表面，如此反復(fù)。這就是難以用大量清水去除墻面泛堿的主要原因?？扇茺}在材料表層反復(fù)溶解和結(jié)晶膨脹，會(huì)破壞材料孔隙結(jié)構(gòu)，造成磚體表面粉化及剝落。

1.2.2 水的因素

水是導(dǎo)致清水墻劣化破壞的重要因素。水的侵入不僅會(huì)影響墻體物理性能與耐久性，而且為植物與真菌滋生創(chuàng)造條件，墻體熱惰性也會(huì)因更多熱耗散而降低[5]。清水墻不是一個(gè)封閉的構(gòu)件，內(nèi)部存有大量孔隙，通過這些孔隙，墻體與自然環(huán)境之間形成了一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的水循環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)墻體相對(duì)干燥時(shí)，外界水分如雨水、地下水和空氣中的水分進(jìn)入墻體，使材料含水率上升；當(dāng)外界溫度升高，風(fēng)速增加會(huì)加快墻體內(nèi)的水分通過表面孔隙流失到外界環(huán)境，使材料含水率下降。由于墻體材料內(nèi)部及周邊外界環(huán)境中含有大量的可溶鹽，這些鹽隨著水循環(huán)在墻體內(nèi)遷移富集、溶解結(jié)晶。

清水墻的含水率還會(huì)造成其他病害的出現(xiàn)。當(dāng)清水墻含水率較高時(shí)容易在其表面滋生真菌和植物，真菌和植物會(huì)腐蝕材料且有蓄水功能，會(huì)進(jìn)一步提高墻體的含水率，如此惡性循環(huán)，會(huì)加速墻體的劣化。水結(jié)冰后體積會(huì)增大，水的凍融會(huì)加劇墻體材料的劣化，但南方地區(qū)一年內(nèi)出現(xiàn)冰凍的天數(shù)較少，凍融導(dǎo)致的破壞相對(duì)有限。

1.2.3 氣候因素

氣候因素如氣溫、風(fēng)速、日照等對(duì)墻體的直接破壞十分有限，但這些因素主要會(huì)影響墻體水循環(huán)速度和方向。南方地區(qū)氣候多屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，每個(gè)季節(jié)的溫度和濕度差別較大，不同季節(jié)清水墻體現(xiàn)出不同的病害特征。

綜上所述，減緩清水墻劣化的途徑是控制好清水墻內(nèi)可溶鹽含量和水循環(huán)，具體措施包括排鹽和防水等。排鹽：降低清水墻材料內(nèi)特別是表層的可溶鹽含量；防水：盡量隔絕外界液態(tài)水進(jìn)入墻體內(nèi)，可減緩和避免地下的鹽分再次聚集到墻體內(nèi)。

2 犧牲性保護(hù)修復(fù)材料選擇原則

浙江大學(xué)之江學(xué)院鐘樓位于浙江省杭州市杭富路六和塔西側(cè)，位于校園軸線的起點(diǎn)，位置顯要，初名“同懷堂”，又稱“經(jīng)濟(jì)學(xué)堂”。1936 年建成后未進(jìn)行過大規(guī)模的改建，但立面經(jīng)歷過多次修復(fù)。2016～2017 年鐘樓進(jìn)行了最新的保護(hù)修復(fù)。該次修復(fù)以外立面清水墻修復(fù)為主，主要采用敷貼清洗進(jìn)行清潔、脫鹽；采用了石灰類修補(bǔ)材料對(duì)磚砌體、勾縫破損嚴(yán)重的部位進(jìn)行了修補(bǔ)；采用有機(jī)硅憎水保護(hù)劑對(duì)外立面進(jìn)行了防水處理。

建筑材料的老化不可避免，但建筑不同部位老化速度是不同的。從病害機(jī)理上分析，這是由于鹽分和水分在建筑體內(nèi)的分布不均勻所致。一般來說，清水墻體與外部環(huán)境水汽交換頻繁的部位容易導(dǎo)致鹽分富集，這些部位破壞速度明顯快于其他部位。

從病害機(jī)理分析結(jié)果看，避免鹽分富集是保護(hù)清水墻的有效途徑。所以在材料使用上，首先要避免新的可溶鹽的引入，如避免使用含水泥的修復(fù)材料。清水墻作為一個(gè)建筑體，其內(nèi)部的鹽分富集是無法完全避免的。如果使用比原有材料有更強(qiáng)的鹽吸附能力的修復(fù)材料，那么在施工后鹽分將先集中在新的修復(fù)材料中，當(dāng)修復(fù)材料因鹽分富集等因素被破壞后，只要除去修復(fù)材料重新替換新的修復(fù)材料就可以有效出去鹽分，降低鹽分富集對(duì)原有材料造成的破壞。這就是犧牲性保護(hù)修復(fù)材料的原理。

綜上所述，犧牲性保護(hù)修復(fù)材料選擇原則主要體現(xiàn)在3點(diǎn)：不引入有害成分、可逆施工和可吸附保護(hù)主體內(nèi)的有害成分。

3 材料系統(tǒng)

目前，歷史建筑清水墻修復(fù)工序主要包括清潔、磚石修復(fù)、防護(hù)。在符合犧牲性保護(hù)修復(fù)材料選擇原則前提下，通過不同功能的修復(fù)材料組合，以達(dá)到對(duì)清水墻的保護(hù)修復(fù)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2。

表2 歷史建筑清水墻犧牲性保護(hù)修復(fù)材料體系

3.1 清潔材料

歷史建筑的清洗指清除影響歷史磚石美學(xué)與歷史價(jià)值的污染物或人工添加物，完全有別于既有建筑的翻新。歷史建筑的清洗是一種重要的干預(yù)類型，錯(cuò)誤的清洗對(duì)歷史建筑表皮的破壞常常是毀滅性的，必須小心謹(jǐn)慎[1]。清水墻清潔需考慮清水墻的材質(zhì)類型以及污染類型和程度。

3.1.1 水

水是最常用的清潔材料。常規(guī)的水清潔過程中會(huì)耗費(fèi)大量的水，清水墻吸收大量水分后容易激活墻體內(nèi)的可溶鹽，在隨后的水分蒸發(fā)中造成更嚴(yán)重的表面鹽分富集。所以在水清洗中應(yīng)盡量減少水的使用量。蒸汽清洗是利用高溫高壓飽和蒸汽進(jìn)行水清洗的技術(shù)，有清潔能力強(qiáng)、用水少的特點(diǎn)。

3.1.2 排鹽紙漿

排鹽紙漿兼具清潔和排鹽的功能，一般以植物纖維為原料，經(jīng)過特殊工藝處理成膏狀材料，具有較大的比表面積和孔隙率。將排鹽紙漿以 10 ～15 mm 的厚度掛涂覆蓋在材料表面，待其干燥到一定程度后揭除即可。因其干燥過程一般都需要數(shù)天時(shí)間，排鹽紙漿中的水可以充分軟化材料表層的污漬，達(dá)到清潔的效果。涂覆后排鹽紙漿中的水進(jìn)入材料內(nèi)部活化材料中的鹽分，被活化的鹽離子隨水分的蒸發(fā)向表層遷移，最終在排鹽紙漿中結(jié)晶。揭除排鹽紙漿后，鹽分也被排除掉。

3.1.3 脫漆材料

對(duì)于常規(guī)清洗難以去除的有機(jī)涂料或污染，必須采取化學(xué)清洗或物理清洗的方式。一般的清潔劑呈堿性或酸性，對(duì)材料有一定的腐蝕性，不建議在清水墻的清潔中使用。目前國(guó)內(nèi)已有公司研發(fā)出中性、對(duì)磚石無腐蝕性的脫漆清潔產(chǎn)品，利用長(zhǎng)時(shí)間覆膜緩釋，高效的去除有機(jī)污染物。物理清洗如噴砂清洗通常損壞材料表面，不建議在歷史建筑清水墻清潔中使用。

3.2 磚石修復(fù)材料

3.2.1 磚修補(bǔ)材料

目前磚修補(bǔ)材料按粘結(jié)材料分可分為有機(jī)和無機(jī)2類。

有機(jī)修補(bǔ)材料以環(huán)氧樹脂為代表。粘結(jié)時(shí)，有機(jī)粘結(jié)材料會(huì)滲入磚砌體的孔隙中造成孔隙封堵，使清水墻的透水、透氣性降低。其次，有機(jī)材料的應(yīng)力－應(yīng)變性能、導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹等材料基本性質(zhì)與磚砌體結(jié)構(gòu)的無機(jī)材料相差較大，不能與磚砌體長(zhǎng)期穩(wěn)定的結(jié)合。有機(jī)材料容易老化，不可逆，可能造成更嚴(yán)重的問題[6]。

無機(jī)修補(bǔ)材料以水泥類和石灰類為主。水泥中含有大量可溶鹽如有 CaSO4等，使用水泥類修補(bǔ)材料會(huì)帶入大量新的可溶鹽，修補(bǔ)區(qū)邊緣容易發(fā)生嚴(yán)重的鹽害。水泥類修補(bǔ)材料通常內(nèi)部致密，強(qiáng)度過高，修補(bǔ)部位與原清水墻在色調(diào)、質(zhì)地、透水性、熱膨脹性能等方面相差巨大，修補(bǔ)后反而會(huì)加快修補(bǔ)區(qū)邊緣的劣化。水泥類修補(bǔ)材料使用后去除困難，再次修復(fù)去除時(shí)無法避免對(duì)清水墻造成新的破壞。這不符合犧牲性保護(hù)修復(fù)材料的選擇原則。

石灰以 Ca(OH)2為主，不含或含有極低的有害可溶鹽成分。石灰類修補(bǔ)材料通常具有較大的孔隙率，可溶鹽遷移過程中優(yōu)先在其內(nèi)部富集吸附。其強(qiáng)度一般低于原磚砌體材料，后期去除不傷害磚砌體，具有可逆性。以上3點(diǎn)均符合犧牲性保護(hù)修復(fù)材料的選擇原則。常規(guī)氣硬性石灰類修補(bǔ)材料難以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到需要的強(qiáng)度，會(huì)延長(zhǎng)施工工期，采用水硬性石灰可改善其早期強(qiáng)度偏低的問題。水硬性石灰磚修補(bǔ)材料，如圖4所示。

圖4 水硬性石灰磚修補(bǔ)材料

3.2.2 勾縫材料

勾縫有2個(gè)作用：（1）功能上要求填充磚砌體之間的縫隙，增強(qiáng)磚砌體之間的連接，防止風(fēng)雨侵入墻體內(nèi)部；（2）裝飾上使立面整體整齊美觀，呈現(xiàn)不同建筑風(fēng)格。勾縫材料應(yīng)具有較強(qiáng)的耐久性能、抗?jié)B性能，力學(xué)性能上要求具有較高的粘結(jié)性能。由于勾縫屬立面垂直施工，應(yīng)對(duì)施工有更高要求。

目前很少有專門針對(duì)清水墻科學(xué)設(shè)計(jì)的勾縫材料，清水墻勾縫材料除滿足一般勾縫材料要求外還應(yīng)具有低鹽、可逆的特點(diǎn)。市場(chǎng)上常用的勾縫材料多用于瓷磚、面磚的填縫、勾縫，以有機(jī)高分子聚合物為主，摻加顏料、水泥及細(xì)砂等其他材料制成。這類勾縫材料致密防水、強(qiáng)度較高，不適合清水墻的勾縫。

傳統(tǒng)的清水墻勾縫材料以石灰為主，具有可塑性強(qiáng)、韌性好的優(yōu)點(diǎn)，但也存在硬化慢、強(qiáng)度低、硬化時(shí)體積變化大的缺點(diǎn)。傳統(tǒng)石灰工藝可以改善石灰性能，如在石灰中加入植物纖維進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間窖藏可降低石灰材料開裂、在石灰中添加桐油可增強(qiáng)石灰防水性能等，但這些工藝大多失傳，且往往需要較長(zhǎng)的制作工期和繁瑣的制作工序?？梢砸揽楷F(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)還原傳統(tǒng)工藝改善石灰材料性能，研發(fā)出符合要求的石灰類勾縫材料。符合性能要求的水硬性石灰勾縫材料見圖5。

圖5 符合性能要求的水硬性石灰勾縫材料

3.2.3 注漿材料

石灰類注漿材料主要針對(duì)墻體用于非結(jié)構(gòu)裂縫修復(fù)加固。有機(jī)類和水泥類注漿材料與原清水墻在色調(diào)、質(zhì)地、透水性、熱膨脹性能等方面相差巨大，很難與加固墻體長(zhǎng)期有效結(jié)合。石灰類注漿材料在各物理化學(xué)性能上更接近原墻體材料。其強(qiáng)度低的不足，可通過水硬性石灰替代氣硬性石灰和其他材料改性達(dá)到非結(jié)構(gòu)注漿的強(qiáng)度要求。所以推薦使用石灰類注漿材料對(duì)歷史建筑清水墻非結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行加固。

3.3 防護(hù)材料

3.3.1 有機(jī)硅防潮劑

清水墻防潮層缺失是造成墻體長(zhǎng)期潮濕的主要因素之一。在進(jìn)行清水墻修復(fù)時(shí)有必要增設(shè)、修復(fù)防潮層。防潮層增設(shè)、修復(fù)包括機(jī)械物理方法和化學(xué)注射方法兩類。機(jī)械物理方法包括抽磚（石）置換法、V形切割法、打入金屬板法、鉆孔法等。因機(jī)械物理方法對(duì)墻體干預(yù)較大，應(yīng)盡量避免使用?；瘜W(xué)注射方法通過在墻體上打孔，注射防水劑來達(dá)到防止毛細(xì)水上升的效果[7]。硅酸鉀（鈉）及甲(乙)基硅酸鉀的復(fù)合溶液可能會(huì)產(chǎn)生衍生副產(chǎn)品，不建議使用。其他非滲透性、成膜的防水劑材料應(yīng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后才可以使用。建議使用有機(jī)硅類的防水劑進(jìn)行注射，其具有滲透性好、憎水效果強(qiáng)、耐久性優(yōu)異的特點(diǎn)，已在上海等地的清水墻防潮層修復(fù)中得到很好的應(yīng)用。

3.3.2 有機(jī)硅憎水保護(hù)劑

南方地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，降雨量和蒸發(fā)量都較大。所以有必要對(duì)南方地區(qū)清水墻做表面防水保護(hù)，防止外界水進(jìn)入墻體，但不建議采用密封劑對(duì)墻體進(jìn)行密封。密封會(huì)阻隔墻體內(nèi)的水汽通過墻體表面進(jìn)入外界環(huán)境，水分長(zhǎng)期聚集在墻體內(nèi)會(huì)加快磚砌體的劣化。建議采用透氣的有機(jī)硅類憎水保護(hù)劑，可有效防止外界液態(tài)水的進(jìn)入，又不影響水汽的蒸發(fā)。有機(jī)硅類憎水保護(hù)劑防水效果見圖6。

圖6 有機(jī)硅類憎水保護(hù)劑防水效果

4 結(jié) 語

清水墻犧牲性保護(hù)修復(fù)材料的設(shè)計(jì)理念是以犧牲修復(fù)材料來保護(hù)清水墻主體。建筑的保護(hù)不可能是一勞永逸的，修復(fù)后的建筑依然會(huì)隨時(shí)間老化，在老化過程中，將可預(yù)見的破壞引導(dǎo)控制在保護(hù)修復(fù)材料內(nèi)，當(dāng)進(jìn)行下一次的修復(fù)，只要除去保護(hù)修復(fù)材料，替換新的保護(hù)修復(fù)材料即可，周而復(fù)始，長(zhǎng)期保護(hù)。

南方地區(qū)清水墻犧牲性保護(hù)修復(fù)材料組合，結(jié)合南方地區(qū)氣候特點(diǎn)和清水墻修復(fù)工藝，給出符合犧牲性保護(hù)原則的保護(hù)修復(fù)材料組合建議。采用排鹽紙漿類敷貼法進(jìn)行清潔排鹽，采用石灰類修補(bǔ)勾縫材料進(jìn)行修補(bǔ)勾縫，采用有機(jī)硅類憎水保護(hù)劑進(jìn)行防水保護(hù)。

致謝

論文寫作過程中得到了上海保文建筑工程有限公司周月娥、劉斐，浙江德賽堡建筑材料科技有限公司，上海文保建筑工程有限公司，杭州市園林工程有限公司的指導(dǎo)和幫助，在此表示感謝。