可溶鹽溶結循環(huán)對清水墻結構的風化影響

秦海洋 湯永凈2，，* 邵振東 谷志旺 陳智遠

（1.同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系，上海200092；2.同濟大學浙江學院土木工程系，嘉興314051；3.上海仰韶古建筑保護科技發(fā)展有限公司，上海200434；4.上海建工四建集團有限公司，上海201103；5.上海市黃浦區(qū)教育局校產(chǎn)管理站，上海200025）

0 引 言

截至目前，中國乃至世界建成有大量的清水磚建筑，這些建筑的壽命少則幾年幾十年，多則上百年，其結構或多或少的遭受了風化影響，水凍融循環(huán)與可溶鹽溶結循環(huán)是導致墻體風化的主要因素［1-2］。其中，就上海、南京等南方城市而言，由于氣溫較高，水凍融的機會較少。因而周期性環(huán)境中干濕交替形成的可溶鹽溶結循環(huán)成為南方地區(qū)清水墻結構風化的主要因素。

針對可溶鹽對清水墻結構的風化機理，國內(nèi)有不少學者對此展開了研究［3-4］。其中，湯永凈和邵振東［5］通過對古磚砌體孔隙率和孔徑分布的室內(nèi)實驗研究，認為孔隙率較大是導致整個風化過程的重要原因；范永麗等［6］通過X 熒光光譜與熱力學軟件HSC 等方法對磚體內(nèi)部的物理及化學反應進行了觀察與驗證，指出可溶鹽是導致清水墻破壞的主要因素；白憲臣等［8］對河南大學齋房建筑群古磚墻粉化脫落現(xiàn)象進行了分析，認為地下水分遷移、墻體的熱濕狀況及環(huán)境溫度交替引起的可溶鹽溶結循環(huán)是導致墻體風化的主要原因。上述成果極大推動了可溶鹽對清水墻風化影響的研究進展，但卻沒有將凍融循環(huán)與溶結循環(huán)放在一起進行計算模型與計算結果的對比性分析，同時可溶鹽溶結對清水墻的風化研究主要以實驗研究為主，尚沒有應用專業(yè)有限元軟件對破壞機理做進一步驗證，且截至目前尚沒有系統(tǒng)化的專業(yè)軟件可以直接模擬這一過程。鑒于此，本研究對比分析了水凍融循環(huán)與可溶鹽溶結循環(huán)的作用特點與數(shù)學模型，并通過線性關系將二者聯(lián)系起來，進而采用適用于水凍融循環(huán)分析的溫度-應變耦合模型來近似模擬可溶鹽溶結循環(huán)對清水墻結構的影響，進一步揭示出可溶鹽溶結循環(huán)對清水墻風化影響的規(guī)律，以期為相應的理論分析和工程實踐提供借鑒。

1 數(shù)學模型分析

1.1 對比性分析

水凍融循環(huán)與可溶鹽溶結循環(huán)是導致清水墻結構風化的主要因素。其中，水凍融循環(huán)過程中，水冰相態(tài)的轉變會導致結構體積的變化，進而產(chǎn)生應力累積；可溶鹽溶結循環(huán)過程中，溶化與結晶相態(tài)的轉變也會導致結構體積的變化，進而產(chǎn)生應力累積。由此可見，水凍融循環(huán)與可溶鹽溶結循環(huán)具體破壞機理的相似性。截至目前，雖然無法直接模擬可溶鹽溶結循環(huán)對清水墻結構的風化影響，但是基于“溫度-應變耦合”模型的水凍融循環(huán)過程模擬已經(jīng)十分成熟。因此，如果存在某對比研究方法可以證明凍融循環(huán)與可溶鹽循環(huán)間存在聯(lián)系，且可以通過數(shù)學關系表達出來，那么便可以采用發(fā)展較為成熟的凍融循環(huán)“溫度-應變耦合”模型來近似模擬可溶鹽溶結循環(huán)過程，深化研究可溶鹽溶結循環(huán)對清水墻結構風化影響的客觀規(guī)律，如圖1所示。

圖1 水凍融循環(huán)與可溶鹽溶結循環(huán)的對比性分析Fig.1 Contrast analysis of freeze-thaw cycle and meltcrystallization cycle

1.2 相關性分析

1.2.1 條件假設

（1）零攝氏度為凍融循環(huán)的轉化界線，臨界含濕度為可溶鹽的轉化界線；

（2）溶結循環(huán)中，可溶鹽始終處于飽和狀態(tài)，假設可溶鹽的結晶量變化與環(huán)境濕度變化線性相關。

1.2.2 數(shù)學模型

（1）凍融模型。溫度T在0 ℃以下時，對于單位體積的凍融模型，溫度每下降1 ℃，模型各邊長延伸β，如圖2所示。

圖2 單位凍融模型中的體積變化Fig.2 Volume change in freeze-thaw model

因而，單位體積增加量為：A=（1+β）3-1，其中，β為凍融模型的線膨脹系數(shù)。

（2）溶結模型。環(huán)境濕度低于臨界含濕度α%時，對于單位體積的飽和溶結模型，其孔隙體積為1×φ。因而環(huán)境濕度c%每下降c%×1%，單位體積墻體結構中水分減少c%×1%×（1×φ）。假設可溶鹽的溶解度為m%，則可析出可溶鹽的量為c%×1%×（1×φ）×m%。因而可得B=cφm×10-6，如圖3 所示。其中，c%為環(huán)境濕度，φ為溶結模型的孔隙比，m%為可溶鹽的溶解度。

圖3 單位溶結模型中的體積變化Fig.3 Volume change in melt-crystallization model

1.2.3 相關性分析

上述關于凍融模型和溶結模型的分析可知：凍融模型中，溫度每降低1 ℃，單位體積增加量為A=（1+β）3-1；溶結模型中，環(huán)境濕度c%每降低原來的1%，單位體積結晶量增加B=cφm×10-6。因此可通過上述兩式確定出體積增量相同時，可溶鹽溶結循環(huán)與水凍融循環(huán)間的關系。即，溶結模型中，環(huán)境濕度c%每降低1%，對應于凍融模型中，溫度將降低Al，其中

水凍融模型與可溶鹽溶結模型存在破壞機理的相似性，且兩者的控制因素環(huán)境溫度T與環(huán)境濕度c%之間存在上述相關性，即B=Al。因此，可通過上述關系將溶結模型近似轉化為凍融模型，進而通過“溫度-應變耦合”模型方法進行可溶鹽溶結循環(huán)過程的有限元分析，來探究溶結循環(huán)對南方清水墻風化影響的規(guī)律。

2 ABAQUS有限元模擬

以上海地區(qū)清水墻取樣材料為例，并參考《砌體結構設計規(guī)范》等規(guī)范［10-12］，取線膨脹系數(shù)β為10-5/℃，孔隙比φ取值0.3，則由式（1）可確定出相關系數(shù)l，

則溫度-應變耦合模型中的溫度變化幅值Al為10 ℃。

2.1 循環(huán)參數(shù)

基于“溫度-應變耦合”方法的可溶鹽溶結循環(huán)近似分析中，按上述結果取溫度幅值為-10 ℃～10 ℃，每12 h 經(jīng)歷一次升溫或降溫的溫度變化，即 24 h 經(jīng)歷一次可溶鹽溶結循環(huán)［13］。以 10 次循環(huán)過程為例，總時長為240 h，溫度變化曲線如圖4所示。

圖4 溫度變化曲線Fig.4 Temperature curve

2.2 模型參數(shù)

為了盡可能模擬清水墻的受力特征，模型尺寸取清水墻斷面尺寸，長×高=300 mm×2 000 mm的二維平面模型，模型上下邊界固定x與y方向的位移。在ABAQUS 6.14 版本中，設置步長為1 的固定分析步，總時長為240 h。整個模型的初始溫度為幅值溫度10 ℃，其右側邊界為清水墻外側，設置為溫度變化邊界。模型尺寸及相關信息如圖5所示。

圖5 計算模型Fig.5 The FEM model

導熱系數(shù)、比熱、熱膨脹系數(shù)、楊氏模量及泊松比隨溫度的變化如表1所示。

表1 模型參數(shù)Table 1 Modek parameters

3 結果與分析

3.1 計算結果

圖6 所示為溶結循環(huán)過程的不同時間點中，模型在x方向上的位移云圖。

圖6 溶結循環(huán)過程中的位移變化Fig.6 Displacement changes in the melt-crystallization cycle

3.2 節(jié)點位移的時間變化

提取圖5 節(jié)點A 和節(jié)點B 在水平方向上隨時間變化的節(jié)點位移，繪制成曲線圖，如圖7所示。

圖7 節(jié)點位移時間變化曲線Fig.7 Displacement-time curve

可以發(fā)現(xiàn)，隨著可溶鹽溶結循環(huán)過程的進行，節(jié)點A 與節(jié)點B 的水平位移波動增大，且整體趨勢為逐步趨于穩(wěn)定，節(jié)點A 的最大水平位移為5.8 mm，節(jié)點B 的最大水平位移為5.4 mm。說明隨著可溶鹽溶結循環(huán)過程的進行，墻面泛堿現(xiàn)象中附帶著墻體結構的部分風化，宏觀上表現(xiàn)為墻面的向外膨脹，當膨脹發(fā)展到一定的程度最終趨于穩(wěn)定。

就墻體外側而言，中部膨脹較上下兩端嚴重，部分原因是由于墻體的上下邊界受限所導致的。實際工程中，墻體中部的泛堿和空鼓現(xiàn)象也常常大于上下兩端［10］，這與上述計算結果表現(xiàn)相同。

3.3 節(jié)點位移的空間分布

提取14、62、110、158、206 小時模型中心節(jié)點（節(jié)點1～節(jié)點5）處的水平位移（圖5 所示），繪制成曲線圖，如圖8所示。

圖8 節(jié)點位移空間分布曲線Fig.8 Displacement-space curve

可以發(fā)現(xiàn)，14 h 時（1 次溶結循環(huán)），只有墻體的外側表面部分出現(xiàn)了水平位移，受影響區(qū)域厚度為7.5 mm，最大水平位移為0.6 mm，墻體內(nèi)部基本無水平位移出現(xiàn)；62 h 時（3 次溶結循環(huán)），受影響區(qū)域稍微向墻體內(nèi)部延伸，受影響區(qū)域厚度為10 mm，最大水平位移為2.0 mm；110 h 時（5 次溶結循環(huán)），受影響區(qū)域繼續(xù)小范圍向墻體內(nèi)部延伸，受影響區(qū)域厚度為17 mm，最大水平位移為3.5 mm；158 h 時（7 次溶結循環(huán)），受影響區(qū)域為18 mm，最大水平位移為4.8 mm；206 h 時（9 次溶結循環(huán)），受影響區(qū)域仍為18 mm，最大水平位移為5.8 mm；

上述現(xiàn)象說明，可溶鹽溶結引起的體積變化剛開始出現(xiàn)在外墻外側，隨著溶結循環(huán)次數(shù)的增加，逐步向墻體內(nèi)部延伸，且延伸深度最終趨于穩(wěn)定。當溶結循環(huán)達到9 次時，外墻外側的水平位移明顯大于內(nèi)部水平位移，這對于清水墻的修繕工作具有重要的指導意義：周期小于9 年的清水墻修繕工程，計算結果可知，風化影響范圍多涉及墻體表層而較輕地觸及到墻體內(nèi)部，因此高壓水清洗表面的風化層，并進行墻體排鹽施工后，便可極大程度地提高舊墻的質量。如果沒有出現(xiàn)明顯的結構問題，一般不需要進行額外的墻體加固。

4 討論與分析

徐港等［14］通過實驗發(fā)現(xiàn)，抗水凍融與抗鹽凍融存在明顯的線性關系，混凝土抗水凍融能力為抗鹽凍融能力的2.5～2.8倍。

抗鹽凍融實際上為水結冰的體積膨脹與可溶鹽結晶的體積膨脹之和。本研究中的溶結模型不考慮水結冰時體積膨脹，僅分析干濕交替情況下可溶鹽結晶時的體積膨脹。對比分析單一抗水凍融模型與單一抗鹽凍融模型后，發(fā)現(xiàn)可以采用水凍融循環(huán)中的“溫度-應變耦合”模型來近似模擬可溶鹽溶結循環(huán)過程，兩者間溫度變化參數(shù)存在線性相關性且可以用文中的相關比例系數(shù)l=10來表示，該關系受多個因素的影響，孔隙比、環(huán)境濕度、可溶鹽溶解度、線膨脹系數(shù)等因素。

深一步分析，本研究中的水凍融循環(huán)與鹽析溶結循環(huán)組成的鹽水結合體，直接疊加后的影響系數(shù)為11，其與水凍融循環(huán)的比值為11/10=1.1。因而在較多理想化假設的前提下，論文研究發(fā)現(xiàn)清水墻鹽水凍融影響系數(shù)是純水凍融影響系數(shù)的1.1 倍。該結果與文獻［14］中的實驗結論2.5～2.8倍具有較大的誤差，該誤差受較多因素影響，包括：①材料孔隙比、線膨脹系數(shù)等不同；②本研究中凍融模型與溶結模型過于簡化；③水凍融循環(huán)模型與可溶鹽溶結循環(huán)模型直接疊加會忽略兩者的相互影響；④論文的三個假設、樣本及其參數(shù)差異、理論與實驗的差異等。

但是另一方面，論文的計算結果與文獻［14］又具有高度的一致性，即抗水凍融與抗鹽凍融存在明顯的線性關系，這對于進行深一步的研究具有重要的參考價值。

5 結 論

通過對比水凍融模型與可溶鹽溶結模型的作用機理，采用溫度-應變耦合方法，研究了可溶鹽溶結循環(huán)對南方清水墻的風化影響。結果顯示：

（1）水凍融循環(huán)模型與可溶鹽溶結模型存在作用機理的相似性，這一關系可通過相關比例系數(shù)l進行表達，且該系數(shù)受多個因素影響，孔隙比、環(huán)境濕度、可溶鹽溶解度、線膨脹系數(shù)等因素。

（2）隨著溶結循環(huán)次數(shù)的上升，外墻外側的水平位移波動增大，出現(xiàn)風化現(xiàn)象，且最終趨于穩(wěn)定。同時，受墻體上下邊界的約束影響，墻體中部的水平位移普遍高于上下兩端的水平位移。

（3）溶結循環(huán)引起的體積變化剛開始僅出現(xiàn)在墻體外側較淺區(qū)域，隨著溶結循環(huán)次數(shù)增加向墻體內(nèi)部延伸，且表層風化程度遠大于內(nèi)部的風化程度。同時，向墻體內(nèi)部延伸的風化區(qū)域最終趨于穩(wěn)定。