长春一汽生产区早期建筑外墙冻害及其机理的研究

张广平，耿新然

吉林建筑大学 建筑与规划学院,长春 130118

0 引言

“20世纪建筑遗产”是20世纪中国百年建筑发展脉络的集合.迄今为止,全国发布了的中国20世纪建筑遗产名录共4批396项建筑遗产,其涵盖类型丰富,包括会堂建筑、观演建筑、教科文体建筑、办公建筑、工业建筑和住宅建筑等十几种门类.目前,吉林省共计5处入选,长春共有3处26座建筑入选该名录,包括长春第一汽车制造厂(Changchun first auto works,英文缩写为Changchun FAW) 早期建筑、长春电影制片厂早期建筑、伪满皇宫及日伪军政处,其中2处为工业建筑、1处为公共建筑.长春一汽制造厂生产区早期建筑是我国重要的工业建筑遗产之一,其自身的历史及研究价值不言而喻.然而由于长春地处东北高山、丘陵强度冻融区[1],冻融是造成生产区早期建筑损伤的主要原因.

本文以“20世纪建筑遗产”中一汽生产区早期建筑为研究对象,分析建筑外墙冻害现象的机理,为未来相关建筑的保护修缮提供参考资料.

1 一汽生产区早期建筑冻害调研状况与分析

1.1 一汽生产区早期建筑的价值定位

长春一汽生产区早期建筑是中国制造工业的摇篮,是新中国成立以来第一大工业区,见证了中国的工业发展.1950年《中苏友好同盟互助条约》签订后,大量俄国建筑工人涌入到中国,带来了先进的规划理念和别具特色的建筑样式,产生了一批中西合璧的建筑.一汽生产区是苏联援建的156项重点工程之一,具有明显“苏式”遗产的特征.2013年被中国国务院列入第七批全国重点文物保护单位;2015年被划入长春第一汽车制造厂历史文化街区名单;2016年入选第一批“中国20世纪遗产名录”.这表明了生产区建筑在我国早期建筑中有着举足轻重的地位,同时也说明了对一汽早期建筑的保护已经引起了政府和社会各界的重视.

生产区早期建筑是长春20世纪建筑遗产中砖构建筑保存数量较多,现状保护较好的一处，见图1.它完整地记录了中苏友谊的重大历史事件,并且保存了建厂初期街道格局和人文理念.整个建筑群的建筑面积约38万m2,由厂房和辅助配套设施组成.厂房占地面积较大,包括4栋多层办公楼和11栋厂房. 水塔、热电厂等辅助配套建筑占地面积较小(如图1～图2所示).厂区内除铸造分厂外,其他9个均为独栋建筑厂房,由清水红砖墙构成,点缀黄色和白色粉刷的建筑构件,在部分建筑屋檐下有镰刀、五角星和斧头等图案,代表了中苏两国友谊结晶,具有重要的历史、技术、审美和社会经济等价值,由此可见,一汽生产区早期建筑的综合价值是极高.首先,生产区完整的保存了工业建筑遗产,其特殊的历史背景和身份为研究提供了有效的依据.其次,生产区是中苏友谊的历史见证,对我国的工业发展产生了巨大作用,反映出了上世纪50年代繁荣一时工业建筑景象.

图1 长春一汽生产区早期建筑Fig.1 The early buildings in the production zone of Changchun FAW

图2 长春一汽一号门照片Fig.2 Photo of gate one in Changchun FAW

2 一汽生产区早期建筑砖材表面冻害形态的信息采集

一汽生产区早期建筑的建筑结构主要为砌体结构.从生产区建筑竣工至今经历了近70年的时间,砖材表面已经出现了不同情况的建筑冻害问题.为了寻找病害原因,本文对生产区的现状进行了大量的调研. 由调研统计数据可以发现，在一汽生产区的14栋早期砖构建筑中,保存状况良好的有2栋、占比为14 %,一般损毁的有10栋、占比为72 %,严重损毁的有2栋,占比为14 %.

通过对生产区建筑砖材表面状况的调查发现,墙体酥碱、墙体裂缝和墙体灰缝脱落是其主要的3种冻害形态[2](如表1～表2所示).

表2 建筑东西山墙砖砌体冻害分布Table 2 Distribution of freezing damage to brick masonry on the east and west gables of buildings

续表2

本文通过对建筑冻害形态的图像化分析,全面地展示了砖材表面的冻害信息,为冻害机理研究提供了有力的依据.调研中发现,14栋砖构建筑的冻害在建筑南北方向的屋檐下受损最为严重,建筑的基础和底层窗之间砂浆粉化也非常严重,并伴随着墙体酥碱出现.同时在建筑东西方向上,窗上下两端的裂缝数量多,且墙体转角处粉化面积大,建筑墙基础上部酥碱最为严重.

2.1 砖构建筑酥碱病害分析

墙体酥碱是一种砖构建筑的常见病害,表现为墙体表层起皮剥落,常伴有白色盐状物质析出[3].墙体酥碱形态及分布见表3.

表3 墙体酥碱形态及分布Table 3 Patterns and distribution of wall crisp alkali

续表3

酥粉是在低温的作用下由于长时间水分的滞留而发生的冻害现象.泛碱则主要是由于滞留在建筑材料内部的水分中含有可溶性盐在毛细作用下不断上升透过墙体蒸发结晶于墙体表面产生的白色物质.在冻融侵蚀的作用下酥碱程度可分为轻度酥碱和严重酥碱.前者易发生表面粉化或泛碱;后者则会有酥粉和泛碱的混合出现,并伴有表皮脱落和砂浆粉化的现象[4].可见水分的侵蚀是冻融作用下墙体酥粉的主导因素.

数据统计后发现,在14栋早期砖构建筑中有125处墙体发生酥碱病害,其中轻微酥碱79处、占总酥碱数量的 63%,严重酥碱有46 处、占总酥碱数量的37%.轻微酥碱多发生在窗间墙、墙基础上部及山墙的1.2 m～2.7 m处,严重酥碱则多出现在屋檐下、窗下和墙基处0.2 m～1.2 m处.

综上可知,长春第一汽车厂生产区早期建筑的墙体轻微酥碱比严重酥碱出现概率大.

2.2 砖构建筑裂缝病害分析

砖构建筑中裂缝是一种非常常见的现象.主要分为竖向裂缝和斜向裂缝,竖向裂缝常沿着垂直向下方向贯穿多层砖块形成,斜向裂缝多沿着砂浆水平和垂直方向呈折线形裂缝.一般来说,裂缝的宽窄代表建筑受损的严重程度.墙体裂缝形态及分布见表4.

表4 墙体裂缝形态及分布Table 4 Patterns and distribution of wall cracks

续表4

调研中发现,生产区砖砌墙体材料脆性大,抗拉强度低且长春冬季温差大,在温度和湿度的双重作用下产生热胀冷缩,超出材料自身的承载强度导致墙体裂缝.在早期的14栋砖构建筑中,裂缝共计123条,其中竖向裂缝数量为51条、占总数41 %,斜向裂缝数量为72条、占总数59 %.由此可见,斜向裂缝的数量较多.在生产区早期建筑中竖向裂缝大多分布在山墙侧窗上下、正立面窗台下部,而斜向裂缝多位于窗上下部、屋檐下部和山墙屋檐下.

由上述调研结果可知,一汽生产区早期建筑表面裂缝主要为温度变化而导致墙体受冻害影响内部结构发生改变而产生的斜向裂缝.

2.3 砖构建筑嵌缝砂浆粉化或脱落病害分析

砌块之间的砂浆嵌缝粉化或脱落多数会随墙体的酥碱一起呈现[5].调研发现,一汽生产区早期建筑使用的是石灰砂浆,自身材料与现代砂浆相比,孔隙率较大,贮水能力强且抗冻性弱.在反复冻融作用中,灰缝砂浆在水分侵蚀作用下强度降低而发生的开裂脱落.砂浆粉化或脱落形态及分布见表5.

表5 砂浆粉化或脱落形态及分布Table 5 Patterns and distribution of mortar pulverized or detached

从而造成水分更加容易侵入墙体内部,墙体受潮后加速了嵌缝砂浆粉化或脱落病害的进度.长春第一汽车制造厂生产区14栋早期建筑有130处砂浆粉化或脱落,其中灰缝砂浆脱落为47处、占总量的36 %,大多分布在正立面窗台下部和墙基等;砂浆粉化83处、占总量的64%,一般分布在窗间墙、窗台下部和山墙中段等.

由此可见,生产区早期建筑的砂浆位于墙基处易受潮部位受到反复冻融作用下砂浆粉化较多,但建筑整体保存较好.

3 一汽生产区早期建筑的冻害机理分析

3.1 机理分析

3.1.1 自然环境因素

影响一汽生产区早期建筑冻害的自然环境因素主要包括水分、冻融和风力等,其中水是建筑冻害中最重要的参与元素,主要来源为地下水和地表水.长春浅表地下水的埋深一般为几米到几十米不等.地表水一般来自于雨水、雪水.地下水或地表水通过毛细作用进入建筑基础或墙体内部,并且此时建筑墙体处于相对湿度大且气温在0 ℃以下的时间较长,砖砌体中的水分在多次冻融作用下产生冻胀融缩等应力,最终导致建筑受损.同时长春地处平原,缺乏山体的阻隔,受蒙古高压系统和贝加尔湖低压系统的影响,造成春季强风以及秋冬连续的低风级现象,墙体内部水分在冻融作用和持续的风力作用下产生膨胀力使微观结构发生破坏,加速了建筑粉化甚至脱落[6].所以,要做好日常的预防性保护工作,遏制建筑继续损坏.

3.1.2 自身材料属性因素

生产区早期建筑使用黏土红砖和石灰砂浆砌筑,红砖主要以黏土为材料大火烧制而成,孔隙大,易吸水.石灰砂浆主要成份为石灰、沙子和水按照一定比例混合而成.石灰与水以及空气中的CO2,SO2发生反应产生CaCO3和CaSO4并附着于建筑的表面产生泛碱现象[7].从微观结构上看,两者都具有大量的气孔,密实度低,力学强度差,抗水化能力弱.当气温低于0 ℃时,水会自动结冰,迅速膨胀,孔隙壁产生膨胀力,在结冰与融化之间不断变化,砖砌体产生疲劳力,进而发生裂缝、粉化、剥落.

3.2 一汽生产区早期建筑修复

虽然一汽生产区早期建筑已经列入到全国重点文物建筑保护单位并受到法律的保护,但实地调研发现，人们保护意识的薄弱,使砖构墙体、花饰线脚等部位均出现了不同程度的冻害损伤,所以对生产区的建筑保护和修复势在必行.在修复过程中要遵守最小干预原则.

首先,对于表面粉化、松软、缺失且破坏程度较浅的砖块进行替砖修复、粉化修复,尤其要注意修补部分的强度要小于砖体本身的强度,总体把握“旧砖≥修复砖块(砖粉)≥嵌缝砂浆”[8].

其次,墙体裂缝与砖砌体的酥粉不同,墙体的裂缝不能局部修补,因为冻胀热融产生的作用力会破坏原修复部位,所以找出开裂原因,消除开裂源之后再进行补缝和涂刷防腐涂料.花饰线脚是生产区建筑独具特色的地方,可以采用镶嵌补陪和整体翻模,外部涂刷憎水材料和增强剂作为修复方法.

最后,对于厂区内长期处于闲置状态的厂房,在不破坏建筑的主体结构,发挥厂房大空间的优势下,将其改造为博物馆、纪念馆和体育馆等大空间建筑.

例如,通过对厂区内主要建筑调研发现,随着时代的变迁,原工具厂厂房空间已不能满足现在的使用需求,需要重新激活厂房功能,而厂区内缺乏附属配套的体育活动空间,所以可以利用工具厂厂房本身跨度大,高度大等特点,改造成体育馆,这样既赋予历史建筑新的价值,同时为厂区增添活力.

4 结语

一汽生产区早期建筑作为我国重要的工业建筑遗产,具有多重价值属性,承载了完整的历史信息和多元的文化特性,在近70年的风雨和冻融作用下,建筑出现了墙体的酥碱、裂缝和灰缝的脱落等冻害.

通过总结这些建筑的病害特征,为今后长春一汽生产区早期建筑的预防性保护提供重要依据,进而减少生产区早期建筑冻害侵蚀,为日后建筑修复提供参考依据.