基于环境变迁影响的古砖孔结构及饱和系数

汤永净，邵振东

（1.同济大学 土木工程学院，上海200092；2.上海仰韶古建筑保护科技发展有限公司，上海200333）

环境变迁导致的砖的风化，是自然界中温度、水、二氧化碳、氧长期作用的结果[1].温度变化导致砖颗粒和孔隙的空间尺寸增大，在压力作用下促进了砖裂缝的扩展[2]，裂缝的扩展减小了砖的密度和抗压强度，砖密度和抗压强度的减小削弱了砖砌体截面刚度和结构承载能力，降低了砖砌体结构安全度[3].风化速率是长期风化作用的时间函数.中国四川乐山大佛风化速率为每年0.264～0.279 mm[4]，山西平遥古城墙638 d风化厚度为8.03～32.30 mm[5].砖的耐久性取决于砖合理的孔径分布和孔隙率[6]，环境变迁导致砖孔结构发生变化，小于5μm孔直径孔隙对盐析和冻融循环的变化十分敏感[7].

温度变化导致古砖孔隙水产生循环冻融，长期的循环冻融可改变不同孔径孔隙的原有级配；干湿交替、热胀冷缩导致古砖产生可逆的体积变化，这种体积变化会导致裂缝出现；氧、二氧化碳的作用导致古砖材料产生新的化学物质，例如大气中的二氧化碳导致砖中矿物成分方解石和白云石分解生成生石灰（氧化钙）并最终生成碳酸钙[4].旧物质的分解和新物质的生成都会改变原孔结构状态，主要表现为古砖的总孔隙率和孔径分布发生变化[8].美国ASTM－C67－14烧结砖标准[9]和中国烧结砖标准[10]用饱和系数指标评定砖的抗风化性能，而砖的抗风化性能是环境变迁影响的结果.砖的孔结构和饱和系数都是和水传输相关的指标，Hansen等[11]提出用黏土砖的阈值孔隙率和总孔隙率比值作为饱和系数的评定指标.Maage[12]提出用孔隙率与大于3μm孔径孔隙体积分数作为评定古砖抗冻性能的评定指标.Surej等[13－14]评价了文献 Maage方法的不足，建议用孔隙率、饱和系数、吸水率作为评定砖耐久性指标.还有不少文献[15]通过压汞实验指标评定砖耐久性能.因此，用砖的孔结构的变化指标评定砖的抗风化性能是可行的.但是，这些方法涉及的参数都来自于特定砖样品的实验结果，不适用于中国古砖的评价.

山西长治市气候温差大，年最低气温在－30～－20℃.高原的湿陷性黄土含有较多的水溶盐，最大水溶盐质量分数为4%[16]，呈固态或半固态分布在各种颗粒的表面；湿陷性黄土颗粒主要为粉土颗粒，基本上无大于0.25 mm的中砂颗粒.

古建筑土壤中的水溶盐因砖毛细孔吸附力进入古建筑砖体，气候变化导致古砖冻融.盐结晶和冻融循环导致孔隙率和孔径分布的变化[4]，砖裂纹扩展.一般情况下，由于气候影响，山西古建筑的砖基础部位大多受淡水冻融和水溶盐共同作用（盐水冻融），而古建筑中部和上部的砖主要受淡水冻融作用，气候温差和水溶盐对古砖的影响随时间的推移呈现加剧状态.

本文探讨了山西古砖在环境变迁影响下孔结构与饱和系数的关系.由于孔结构实验所需样品体积小、数量少，现场取样满足了尽可能少干扰文物建筑之目的，对砖石文物建筑抗风化能力的评定具有很好的适用性.

1 实验样品与方法

1.1 实验样品

实验样品来自中国山西某山村19世纪古民居外墙砖（图1）.古民居和本文第4节中的5个古建筑聚集在方圆5 km2的同一区域.该区域属于温带大陆性季风气候，干燥少雨，年平均降水562 mm，冬季历史最低温度－30℃.该古民居不属于文物建筑，拟拆迁重建.外墙砖尺寸为29 cm×14 cm×7 cm.饱和系数样品为每组5块整砖[17]，饱和系数实验共用外墙砖40块；压汞实验样品为1 cm×1 cm×2 cm的长方体，样品取自同一块裸露外墙砖的外侧面，压汞样品共24个；用X射线荧光光谱分析仪判断外墙砖化学成分，样品来自裸露外墙砖的外侧面，取样后研磨至粉末状，每个样品的质量为20 g.

图1 19世纪古民居Fig.1 Ancient residence of 19th century

从19世纪直到实验阶段，环境变迁对该古民居砖的影响主要表现为淡水冻融和盐水冻融，因此实验采用人工模拟其环境变迁条件，同时用不同冻融次数模拟不同时间.人工模拟各样品实验代码见表1.

1.2 实验前样品处置

所有样品在105℃干燥箱中干燥24 h，测量并记录各样品外观尺寸.把 DX0，DX15，DX30，DX50，DG15，DG30，DG50样品置放在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 人工模拟各样品实验代码Tab.1 Specimen code for simulation of freeze－thaw condition

1.3 冻融实验

根据墙砖试验方法标准[17]，把 DX15，DX30，DX50，DG15，DG30，DG50样品置放在冻融设备的淡水溶液冻融盒中，YDX30，YDX50，YDX15，YDG15，YDG30，YDG50置放在4%NaCl盐水溶液冻融盒中，水面均高于样品2 cm，样品处于饱水状态.试件中心冻融温度为－20～＋20℃，降温时间3 h，升温时间2 h，冻融循环次数分别为15，30，50次.实验采用HDY－15型自动循环冻融箱.

1.4 饱和系数实验

根据墙砖试验方法标准[17]，饱和系数实验时，把所有饱和系数样品置于105℃鼓风干燥箱中烘至恒质，称其干质量（m0）.然后将试样浸泡于20℃淡水中24 h，称其湿质量（m24）.再放入蒸煮箱中淡水沸煮5 h，称量其湿质量（m5）.按照公式（1）计算其饱和系数K.

1.5 压汞实验

实验采用美国麦克仪器公司生产的AutoPoreIV9500型压汞仪.为了减少制作方法对古砖压汞样品微观结构的影响，形状为1 cm×1 cm×2 cm长方体的压汞样品采用微型切割机切割后研磨而成.把样品在105℃干燥箱中干燥24 h去除样品中的游离水.再把所有干燥至恒质的压汞样品置于膨胀计头部，密封、称重并计算膨胀计质量.将密封好的膨胀计送入低压站分析，抽真空到50μm汞柱以下；低压分析结束后取出膨胀计，再次称重（试样、膨胀计与低压压入汞的总质量）后送入高压站中继续分析.充汞至3.45 k Pa（0.5 Psia），接着由仪器自动分步控制加压至413.70 MPa（60 000 Psia），每步平衡时间（equili－bration time）为10 s.公式（2）为进汞压力与相应孔径的关系.

式中：p为压力，Pa；σ 为汞的表面张力（4.15 Pa·cm－2）；r为毛细管半径，nm；θ为试样与汞液的接触角，130°.

2 实验结果

2.1 饱和系数计算结果

根据公式（1）计算饱和系数，结果见表2.

表2 饱和系数实验结果Tab.2 Results of saturation coefficient

2.2 压汞实验结果

压汞实验所得淡水及盐水冻融后的孔隙率及孔结构结果见表3.

表3 压汞实验结果Tab.3 Results of MIP

3 实验结果分析

3.1 饱和系数

饱和系数S≤0.850为砖的抗风化性能合格数值[10]，饱和系数数值越小反映砖的抗风化性能越好.由图2可以看出，基准比对样品DX0饱和系数值最小（0.835），具有一定的抵抗风化能力；DX15，DX30饱和系数值（0.837，0.840）≤0.850，说明在短期单一淡水冻融风化条件下，古砖抗风化能力已经开始削弱但是仍属于合格数值；YDX0样品虽然冻融次数为0，但由于被4%NaCl水溶液浸泡，其抗风化系数≥DX15，DX30；YX30饱和系数0.870≥0.850，YDX30受水溶盐作用，其饱和系数值（0.924）大于没有水溶盐作用的DX50（0.912），YDX50饱和系数（0.932）盐冻次数最多，饱和系数值最大.

饱和系数反映砖连通孔隙和不连通孔隙的相对含量，饱和系数越大，反映砖连通孔隙相对数量越多[18].水、二氧化碳、氧及其各种衍生物质首先进入砖的连通孔隙对孔壁进行风化作用，温度的变化导致砖裂缝的产生，风化介质通过裂缝持续进入不连通孔隙进行风化作用.实验验证砖在自由状态下的吸水性能和时间的平方根成正比[11].压汞实验中的阈值孔径可作为区分连通孔隙和不连通孔隙 的临界值 .连通孔隙数量越多，砖的初始风化速率越大.

图2 古砖不同工况的饱和系数Fig.2 Saturation coefficients of ancient bricks in different weathering conditions

3.2 孔径分布

图3中的进汞累计曲线和图4中的孔隙入口孔径分布曲线由压汞实验数据（表3）得出.图3的进汞累计曲线表明所有试样总进汞量均在0.20～0.25 m L·g－1之间；图4的孔隙入口孔径分布曲线主要分布在0.02～4.00μm之间，最大分布孔径在0.50～2.00μm之间.

图3 进汞累计曲线Fig.3 Cumulation of mercury intrusion

图4 孔隙入口孔径分布曲线Fig.4 Distribution range of entrance pore diameter

3.3 孔隙率

图5由压汞实验数据（表3）得出，反映了不同风化形式导致古砖孔隙率的变化.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），反映冻融产生的物理风化中，砖孔隙率随时间呈现缓慢增长趋势.300年时间里，物理风化导致古砖孔隙率增大1%[8].图5中 YDG50，YDG 30，YDG15样品孔隙率均大于YDG0，同样反映冻融对孔隙率的作用.但是，水溶盐产生的化学风化中砖孔隙率变化是复杂的，例如YDG15的孔隙率大于YDG50.

图5 古砖不同工况的孔隙率Fig.5 Porosity of ancient bricks in difference weathering conditions

3.4 不同孔径孔隙体积的变化

根据表3试验数据绘制各不同工况时小于1 μm孔径孔隙体积占孔隙总体积百分数的变化规律，如图6所示；绘制各不同工况时1～5μm孔径孔隙体积占孔隙总体积百分数的变化规律，如图7所示.

图6中，随冻融循环次数的增加，小于1μm孔径孔隙体积逐渐减小，其中DG30的孔隙体积比DG15减少了3.61%，而对应的YDG30的孔隙体积比YDG15的减少了0.34%；DG50的孔隙体积比DG30的减少了4.73%，而对应的YDG50的孔隙体积比YDG30的减少4.74%.

图7中，随冻融循环次数的增加，1～5μm孔径孔隙体积逐渐增加，其中DG30的孔隙体积比DG15的增加了4.15%，对应的YDG30的孔隙体积比YDG15的增加了3.50%；DG50的孔隙体积比DG30的增加了4.73%，而对应的YDG50的孔隙体积比YDG30的减少了0.85%.

盐结晶和冻结性导致孔隙率和孔径分布发生变化[6].淡水冻融导致砖孔隙率随时间呈现缓慢增长趋势（图5）；砖小于1μm孔径孔隙体积逐渐减小，从D15到D50共减少了8.34%（图6）；1～5μm孔径孔隙体积逐渐增加，从D15到D50平均增加8.88%（图7）.盐水冻融导致砖孔隙率呈现减少趋势（图5）；砖小于1μm孔径孔隙体积逐渐减小，YDG15到YDG50共减少5.08%（图6）；1～5μm孔径孔隙体积逐渐增加，YDG15到YDG50共增加4.35%（图7）.但是，盐水冻融也常常中断了这种规律性变化，例如图6中的YDG15到YDG30以及图7中的YDG30到YDG50，其孔径分布变化几乎停止.由此看出，淡水冻融导致砖孔隙率和孔径分布呈现规律性变化，盐水冻融导致砖孔隙率和孔径分布呈现间歇性变化.

盐水冻融包含了化学风化和物理风化.化学风化对孔隙率和孔径分布的影响是复杂的.无论是氯离子扩散过程中形成的液膜，还是硫酸根离子生成的含有结晶水的“白色絮状物”硫铝酸钙都会充填砖的孔隙[19]，同时硫铝酸钙硬化后的膨胀更改变了砖的孔隙。化学风化的复杂性导致砖孔隙率和孔径分布的变化呈现间歇性。古砖小于5μm孔直径孔隙对盐和冻融循环的变化十分敏感[7].

砖的性能是材料性质和微观环境的时间函数[11].19世纪的古砖在人工模拟风化条件下，孔径分布随冻融次数发生了变化：小于1μm孔径孔隙体积逐渐减少，1～5μm孔径孔隙体积逐渐增加，测试结果和文献[7，11]中反映的砖风化特性基本吻合.人工模拟风化条件中，冻融循环次数表示时间，盐水和淡水表示不同风化形式.孔隙率和孔径分布的变化与风化条件（含风化形式和风化时间）具有很好的相关性.

3.5 不同孔径孔隙体积对应的饱和系数

人工模拟风化条件下，19世纪古民居砖不同孔径孔隙体积和对应饱和系数的关系见图8，9.

图8，9分别表明，随着饱和系数的提高，小于1 μm孔径孔隙体积减少，1～5μm孔径孔隙体积增加.图9中直线和二次曲线的数学表达式的相关系数分别为0.963 0和0.955 2，反映1～5μm孔径孔隙体积的变化和饱和系数具有很好的相关性.

饱和系数实验至少需要5块古砖样品[17]，这对于文物建筑是很难实现的.孔结构实验只需要少量古砖碎块样品，用孔结构指标评定文物建筑抗风化性能具有可行性.

图8 小于1μm孔径孔隙体积占比与饱合系数的关系Fig.8 Volume fraction of pore diameter of less than 1 μm versus saturation coefficient

图9 1～5μm孔径孔隙体积占比与饱和系数的关系Fig.9 Volume fraction of pore diameter of 1 to 5μm and saturation coefficient

4 工程实例验证

采用自然风化条件下文物建筑实体古砖样品对图6，7的人工模拟实验结果进行验证.验证实验采用压汞法，样品分别来自5个不同建造年代的文物建筑外墙砖中裸露的外侧面，取样部位为室外地面以上1 m，见图10.压汞样品为1 cm×1 cm×2 cm的长方体.5个文物建筑的建造年代分别为10世纪，11世纪，12世纪，14世纪，16世纪.5个文物建筑的地理位置和19世纪古民居坐落于方圆5 km2的相同区域范围.压汞实验结果见表4.

图10 文物建筑压汞样品取样位置图Fig.10 Position of brick sam ples in ancient buildings

图11根据压汞实验结果表4数据绘制，表示自然风化条件下古砖孔结构的变化.由图11可以看出，人工模拟风化条件和自然风化条件古砖样品的孔径分布变化特征基本相同：随着年代的增长，小于1μm孔径孔隙体积逐渐减少，1～5μm孔径孔隙体积逐渐增大.

图11 不同年代古建筑砖不同孔径孔隙体积百分数Fig.11 Volume fraction of pore diameter of ancient bricks from ancient buildings in different centuries

表5为各种砖样品的X射线荧光光谱实验结果。样品来自各古砖裸露的外侧面，重复实验取平均值.

砖的矿物组成和制造工艺（烧结温度）是导致孔隙率和孔径分布变化的主要因素[6，11].表5中各样品不仅主量成分含量相近，微量成分含量也十分相近，如Ti2O的质量分数均在在0.59%～0.70%范围内；中国从公元前1世纪到公元16世纪使用同一传统制砖工艺——“埏泥”和“还原气氛”[20－21]；表4中自然状态下的6个古砖孔径分布变化规律相近，由此可以得出，19世纪古民居砖和5个古建筑砖具有一定的可比性.

表5 化学成分组成Tab.5 Chemical composition

5 结论

（1）淡水冻融导致山西古砖孔隙率和孔径分布呈现规律性变化：孔隙率缓慢增长，小于1μm孔径孔隙体积占孔隙总体积百分数逐渐减少，1～5μm孔径孔隙体积占孔隙总体积百分数逐渐增大；盐水冻融导致砖孔隙率和孔径分布呈现间歇性变化.

（2）环境变迁条件下，山西古砖小于1μm孔径孔隙体积和饱和系数具有很好的相关性，利用该性质评定砖石文物建筑风化性能具有可行性.

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