內蒙古中部地區(qū)古建筑凍害與機理研究★

郝 煜 王玉清 王 濤 賈亞婕

(內蒙古工業(yè)大學土木工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051)

1 概述

我國古建筑結構形式多種多樣，建筑材料豐富。其中砌體結構在我國應用廣泛，是古建筑主要結構形式之一。磚砌建筑是一個時代歷史的縮影，具有極高的歷史價值。然而，在自然環(huán)境、地理環(huán)境等因素共同影響下，磚砌體耐久性大幅度下降，且出現(xiàn)不同程度的病害。磚砌體常見的病害主要有凍害、潮濕、風化、腐蝕、老化、坍塌、生物破壞和人為破壞等[1-5]。

內蒙古中部呼和浩特市素有“召城”之稱，作為蒙古地區(qū)藏傳佛教的發(fā)源地，在明清幾百年的歷史發(fā)展中，形成了獨具特色的“召廟文化”。在建國初期，呼和浩特地區(qū)有“七大召、八小召、 七十二個免名召”的召廟建筑群，現(xiàn)如今已只有少量的召廟、寺院、府邸等古建筑存在。其分布廣泛，建設年代不同，建筑損害程度輕重不一。該地區(qū)古建筑大部分為砌體結構，性能較好且無內燃青磚修建[6]。雖然磚砌體有著良好的耐久性，但仍表現(xiàn)出不同程度的損傷，如墻體開裂；磚表面酥堿分層剝落；砌筑砂漿材料粉化脫落；墻體泛堿；墻體潮濕等[7-14]。因此，對內蒙古中部呼和浩特地區(qū)古建筑損傷原因探究有著十分重要的意義。

由于呼和浩特地處西北高山強度凍融區(qū)[15]，凍融是造成建筑損傷主要原因之一。為了解呼和浩特地區(qū)不同時期古建筑凍害情況，對該地區(qū)現(xiàn)有古建筑進行調查取樣，分析凍害形式規(guī)律及凍害機理，為后期修繕提供科學依據。

2 凍害調查狀況與分析

呼和浩特市被譽為召廟之城，擁有大量的寺廟、府邸等，建筑結構主要為砌體結構。其建筑時間久遠，已出現(xiàn)不同程度的凍害損傷。為了總結呼和浩特地區(qū)古建筑凍害損傷規(guī)律，進而探索凍害產生原因，進行大量的前期調研工作。調研席力圖召、乃莫齊召、無量寺、觀音寺、五塔寺、清真寺、將軍衙署、公主府、昭君墓等15處不同時期的各類古建筑，共取樣調研50棟磚構建筑(見圖1，圖2)。調查兼顧不同建筑年份、建筑位置及凍害損傷形式，重點分析呼和浩特地區(qū)古建筑的主要的凍害形式、凍害位置與凍害程度。

通過調研統(tǒng)計，墻體裂縫、墻體酥堿和墻體灰縫脫落為呼和浩特地區(qū)主要的三種凍害形式。其中，發(fā)生墻體裂縫的古建筑有43棟，約占樣本總數(shù)的86%；發(fā)生墻體酥堿的古建筑有37棟，約占樣本總數(shù)的74%；發(fā)生墻體灰縫脫落的古建筑有35棟，約占樣本總數(shù)的70%，且墻體灰縫脫落往往伴隨墻體酥堿出現(xiàn)。

2.1 墻體裂縫

墻體裂縫是磚構建筑常見損傷的現(xiàn)象，在43棟古建筑中墻體裂縫約為185條，裂縫按其形態(tài)分為豎向裂縫和斜向裂縫，出現(xiàn)豎向裂縫概率大于出現(xiàn)斜向裂縫概率。豎向裂縫垂直地平面且貫穿多層磚體形成，通常裂縫較寬，長度在1 m～3 m之間，損傷較為嚴重，主要位于山墻兩側、背立面和山墻屋檐下(見圖3)。斜向裂縫沿著灰縫呈折線向外延伸形成，由于受力原理復雜，裂縫程度輕重不一，主要位于山墻兩側和背立面(見圖4)。有豎向裂縫出現(xiàn)125條，約占裂縫總體情況的68%，斜向裂縫出現(xiàn)60條，約占裂縫總體情況的32%。由此可得，呼和浩特地區(qū)古建筑墻體豎向裂縫比斜向裂縫出現(xiàn)概率大(見表1)。

表1 墻體裂縫形態(tài)

墻體裂縫樣本照片裂縫類型豎向裂縫豎向裂縫斜向裂縫位置山墻兩側墻體山墻屋檐下墻體山墻屋檐下墻體形態(tài)貫穿磚體并沿豎向灰縫開裂貫穿磚體并沿豎向灰縫開裂斜向貫穿磚體開裂

2.2 墻體酥堿

墻體酥堿是指材料中的堿和鹽類物質溶解析出，結晶固化聚集在墻體的表層，在物理化學的雙重作用下，墻體表層酥軟剝落。在37棟古建筑中墻體酥堿有145處，按墻體損傷程度分為嚴重酥堿和輕微酥堿。嚴重酥堿為有大面積墻皮脫落且青磚磚體裸露，有鹽類物質析出，主要位于墻角0.2 m～1 m處、山墻兩側0.1 m～1 m處和基座0 m～0.5 m處(見圖5)。輕微酥堿為有小面積或沒有墻皮脫落，青磚磚體淺層粉化，無鹽類物質析出，主要分布在屋檐下0.5 m～1 m處、窗下和山墻兩側(見圖6)。有嚴重酥堿出現(xiàn)82處，約占酥堿總體情況的56.6%，輕微酥堿出現(xiàn)63處，約占酥堿總體情況的43.4%。由此可得，呼和浩特地區(qū)古建筑墻體嚴重酥堿比輕微酥堿出現(xiàn)概率大(見表2)。

2.3 墻體灰縫脫落

墻體灰縫脫落多數(shù)會伴隨著墻體酥堿一起發(fā)生，磚間的灰縫砂漿層由于水分侵蝕強度降低，砂漿發(fā)生粉化，又在凍融作用下砂漿脆性增加，導致砂漿淺層發(fā)生開裂脫落。在37棟古建筑中墻體酥堿有140處，按墻體損壞程度分為嚴重灰縫脫落和輕微灰縫脫落。嚴重灰縫脫落主要表現(xiàn)在現(xiàn)為灰縫和青磚磚體裸露，砂漿深層粉化，其粉化程度大于青磚的粉化程度。主要位于墻角的0.3 m～1.0 m處，山墻兩側0 m～1 m處和基座0.1 m～0.5 m處(見圖7)。輕微灰縫脫落為砂漿淺層粉化，其粉化程度于青磚的粉化程度相似。主要分布在屋檐下0.5 m～1 m處、窗下和山墻兩側(見圖8)。約有嚴重灰縫脫落出現(xiàn)78處，約占酥堿總體情況的55.6%，輕微灰縫脫落出現(xiàn)62處，約占酥堿總體情況的45.4%。由此可得，呼和浩特地區(qū)古建筑墻體嚴重灰縫脫落比輕微灰縫脫落出現(xiàn)概率大(見表3)。

表2 墻體酥堿形態(tài)(一)

表3 墻體酥堿形態(tài)(二)

墻體灰縫脫落樣本照片酥堿類型嚴重灰縫脫落嚴重灰縫脫落輕微灰縫脫落位置青磚、灰縫裸露且砂漿深層粉化,有晶體析出青磚、灰縫裸露且砂漿深層粉化,有晶體析出青磚淺層粉化形態(tài)山墻兩側墻角屋檐下

3 凍害機理分析

調查數(shù)據表明，近90%的呼和浩特地區(qū)古建筑存在凍害現(xiàn)象，并有明顯的凍害損傷特征。磚構建筑出現(xiàn)凍害損傷主要是由凍融循環(huán)作用導致，且與呼和浩特地區(qū)的自然環(huán)境、古建筑材料等因素共同促使該地區(qū)凍害損傷加重。凍融循環(huán)是指隨溫度變化磚體內水分按液態(tài)水—固態(tài)冰—液態(tài)水的形態(tài)循環(huán)變化。循環(huán)過程中，液態(tài)水變成固態(tài)冰體積發(fā)生膨脹，形成較大膨脹應力，破壞磚內孔隙壁結構，形成微裂縫。隨著循環(huán)頻率增加，形成貫通式裂縫，進而引起磚面分層甚至脫落，影響結構的耐久性。根據砌體凍害損傷機理，具體原因按以下因素分析。

3.1 自然環(huán)境因素

內蒙古中部為嚴寒C類區(qū)[16]，且為典型的溫帶大陸性氣候，冷暖變化劇烈，一般從頭年11月至次年3月有5個多月的寒凍期，冬季平均氣溫在0 ℃以下，1月最冷，月平均氣溫分布在-10 ℃～-32 ℃，有少量降雪。低溫嚴寒環(huán)境下嚴重影響建筑的耐久性，古建筑凍害損傷更加嚴重。

建筑發(fā)生凍害損傷主要原因之一是磚砌體內的水分。磚砌體內水分在0 ℃上下變化時，毛細孔中的水凍結成冰，體積膨脹對孔壁造成很大壓力，進而在孔周圍的微觀結構中產生拉應力，產生裂縫，最終導致結構破壞。磚中的水分主要來源于地下潛水和積雪融水。地下水可按照埋藏條件分成上層滯水、潛水、承壓水、毛細水等。呼和浩特地區(qū)地下有大量的潛水，潛水面以上為砂土，土中有大量的孔隙，潛水在毛細作用下通過孔隙中升高變?yōu)槊毸?，這些毛細水會再次利用毛細作用，通過與其接觸的建筑結構部分的孔隙通道進入并滯留在磚中。呼和浩特地區(qū)冬季有少量降雪，天氣干燥寒冷，積雪消融速度較慢，在墻邊、墻角等處，形成潮濕環(huán)境，融化的雪水通過磚體孔隙進入且保留其中。且晝夜溫差大，頻繁發(fā)生凍融循環(huán)，導致建筑損壞嚴重。

3.2 材料自身因素

呼和浩特地區(qū)古建筑用磚為青磚，燒制溫度低，無內燃。青磚的微觀結構特點是孔隙率高，密實度低，力學性能比現(xiàn)代內燃磚差，吸水率高，耐水性差，滲透壓大，易受凍融破壞嚴重。青磚強度會因為吸水后其內部顆粒的粘結力下降，材料強度降低。在0 ℃下水結冰對孔隙壁產生膨脹應力，導致磚體內部產生微小裂縫。在凍融循環(huán)下，裂縫向各個方向延伸，形成貫通式裂縫，最后使磚體崩解或粉化。建筑砌體嵌縫砂漿采用石灰砂漿，由熟石灰、水和沙骨料按照一定配合比混合形成。石灰砂漿的孔隙大，在凍融循環(huán)過程中，水分滯留在其中較多，在零下溫度結冰時，孔隙內產生較大的膨脹應力，孔隙中應力不斷循環(huán)，導致表層砂漿的脫落。表層砂漿脫落后，磚與磚之間的縫隙裸露，水分更易進入磚中。

3.3 建筑自身構造與人為因素

建筑凍害損傷程度除了取決材料自身的抗?jié)B性和抗凍性之外，還與其自身的建筑構造有關，特別是防水構件，如散水構件、防潮層等。呼和浩特地區(qū)古建筑大部分散水結構不合理或者缺失，由于地基膨脹導致部分散水構造失效。且建筑屋頂均未采用集中排水方式，融化雪水沿屋檐落地濺濕墻壁或者落到地面。部分建筑表面的防水層年久失修，磚和砂漿裸露與水直接接觸，墻體酥堿與灰縫脫落十分嚴重，并造成墻體大面積潮濕，向未發(fā)生凍害部位擴散。地基土壤中水分增加，促使地基土產生膨脹，導致室外地面高于室內地面，使建筑的基礎防潮層失效，地下水通過毛細作用進入墻體。同時由于人們生活習慣，習慣將積雪堆積于墻根、墻角和基座角處，導致該處墻體一直處于潮濕狀態(tài)，且該部分損害也最為嚴重。

4 結語

1)內蒙古中部為高緯度嚴寒地區(qū)，氣候寒冷干燥并伴有少量降雪且寒凍期長，對建筑物的耐久性影響嚴重。調研數(shù)據分析表明，內蒙古中部呼和浩特地區(qū)主要的三種凍害形式為墻體裂縫、墻體酥堿和墻體灰縫脫落。墻體裂縫出現(xiàn)情況最多，墻體酥堿往往伴隨墻體灰縫脫落同時出現(xiàn)。

2)墻體裂縫分為豎向裂縫和斜向裂縫，出現(xiàn)豎向裂縫概率大于出現(xiàn)斜向裂縫概率。豎向裂縫主要位于山墻兩側、背立面和山墻屋檐下，斜向裂縫主要位于山墻兩側和背立面。

3)墻體酥堿分為嚴重酥堿和輕微酥堿，墻體嚴重酥堿比輕微酥堿出現(xiàn)概率大。嚴重酥堿主要位于墻角0.2 m～1 m處、山墻兩側0.1 m～1 m處和基座0 m～0.5 m處。輕微酥堿主要分布在屋檐下0.5 m～1 m處、窗下和山墻兩側。

4)墻體灰縫脫落分為嚴重灰縫脫落和輕微灰縫脫落，嚴重灰縫脫落比輕微灰縫脫落出現(xiàn)概率大。嚴重灰縫脫落主要位于墻角的0.3 m～1.0 m處，山墻兩側0 m～1 m處和基座0.1 m～0.5 m處。輕微灰縫脫落主要分布在屋檐下0.5 m～1 m處、窗下和山墻兩側。

5)內蒙古中部呼和浩特地區(qū)凍害損傷主要是由凍融循環(huán)導致，在使用中建筑防水構件消效，地下水與融化雪水進入磚體內部，材料自身性能不足等因素影響了凍害損傷的程度。通過定期檢修墻體表面防水層，并改良現(xiàn)有防潮層或修建新的防潮層，減少磚體內水分，進而減輕凍害對古建筑耐久性的影響。