内蒙古中部地区古建筑冻害与机理研究★

郝 煜 王玉清 王 涛 贾亚婕

(内蒙古工业大学土木工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051)

1 概述

我国古建筑结构形式多种多样，建筑材料丰富。其中砌体结构在我国应用广泛，是古建筑主要结构形式之一。砖砌建筑是一个时代历史的缩影，具有极高的历史价值。然而，在自然环境、地理环境等因素共同影响下，砖砌体耐久性大幅度下降，且出现不同程度的病害。砖砌体常见的病害主要有冻害、潮湿、风化、腐蚀、老化、坍塌、生物破坏和人为破坏等[1-5]。

内蒙古中部呼和浩特市素有“召城”之称，作为蒙古地区藏传佛教的发源地，在明清几百年的历史发展中，形成了独具特色的“召庙文化”。在建国初期，呼和浩特地区有“七大召、八小召、 七十二个免名召”的召庙建筑群，现如今已只有少量的召庙、寺院、府邸等古建筑存在。其分布广泛，建设年代不同，建筑损害程度轻重不一。该地区古建筑大部分为砌体结构，性能较好且无内燃青砖修建[6]。虽然砖砌体有着良好的耐久性，但仍表现出不同程度的损伤，如墙体开裂；砖表面酥碱分层剥落；砌筑砂浆材料粉化脱落；墙体泛碱；墙体潮湿等[7-14]。因此，对内蒙古中部呼和浩特地区古建筑损伤原因探究有着十分重要的意义。

由于呼和浩特地处西北高山强度冻融区[15]，冻融是造成建筑损伤主要原因之一。为了解呼和浩特地区不同时期古建筑冻害情况，对该地区现有古建筑进行调查取样，分析冻害形式规律及冻害机理，为后期修缮提供科学依据。

2 冻害调查状况与分析

呼和浩特市被誉为召庙之城，拥有大量的寺庙、府邸等，建筑结构主要为砌体结构。其建筑时间久远，已出现不同程度的冻害损伤。为了总结呼和浩特地区古建筑冻害损伤规律，进而探索冻害产生原因，进行大量的前期调研工作。调研席力图召、乃莫齐召、无量寺、观音寺、五塔寺、清真寺、将军衙署、公主府、昭君墓等15处不同时期的各类古建筑，共取样调研50栋砖构建筑(见图1，图2)。调查兼顾不同建筑年份、建筑位置及冻害损伤形式，重点分析呼和浩特地区古建筑的主要的冻害形式、冻害位置与冻害程度。

通过调研统计，墙体裂缝、墙体酥碱和墙体灰缝脱落为呼和浩特地区主要的三种冻害形式。其中，发生墙体裂缝的古建筑有43栋，约占样本总数的86%；发生墙体酥碱的古建筑有37栋，约占样本总数的74%；发生墙体灰缝脱落的古建筑有35栋，约占样本总数的70%，且墙体灰缝脱落往往伴随墙体酥碱出现。

2.1 墙体裂缝

墙体裂缝是砖构建筑常见损伤的现象，在43栋古建筑中墙体裂缝约为185条，裂缝按其形态分为竖向裂缝和斜向裂缝，出现竖向裂缝概率大于出现斜向裂缝概率。竖向裂缝垂直地平面且贯穿多层砖体形成，通常裂缝较宽，长度在1 m～3 m之间，损伤较为严重，主要位于山墙两侧、背立面和山墙屋檐下(见图3)。斜向裂缝沿着灰缝呈折线向外延伸形成，由于受力原理复杂，裂缝程度轻重不一，主要位于山墙两侧和背立面(见图4)。有竖向裂缝出现125条，约占裂缝总体情况的68%，斜向裂缝出现60条，约占裂缝总体情况的32%。由此可得，呼和浩特地区古建筑墙体竖向裂缝比斜向裂缝出现概率大(见表1)。

表1 墙体裂缝形态

墙体裂缝样本照片裂缝类型竖向裂缝竖向裂缝斜向裂缝位置山墙两侧墙体山墙屋檐下墙体山墙屋檐下墙体形态贯穿砖体并沿竖向灰缝开裂贯穿砖体并沿竖向灰缝开裂斜向贯穿砖体开裂

2.2 墙体酥碱

墙体酥碱是指材料中的碱和盐类物质溶解析出，结晶固化聚集在墙体的表层，在物理化学的双重作用下，墙体表层酥软剥落。在37栋古建筑中墙体酥碱有145处，按墙体损伤程度分为严重酥碱和轻微酥碱。严重酥碱为有大面积墙皮脱落且青砖砖体裸露，有盐类物质析出，主要位于墙角0.2 m～1 m处、山墙两侧0.1 m～1 m处和基座0 m～0.5 m处(见图5)。轻微酥碱为有小面积或没有墙皮脱落，青砖砖体浅层粉化，无盐类物质析出，主要分布在屋檐下0.5 m～1 m处、窗下和山墙两侧(见图6)。有严重酥碱出现82处，约占酥碱总体情况的56.6%，轻微酥碱出现63处，约占酥碱总体情况的43.4%。由此可得，呼和浩特地区古建筑墙体严重酥碱比轻微酥碱出现概率大(见表2)。

2.3 墙体灰缝脱落

墙体灰缝脱落多数会伴随着墙体酥碱一起发生，砖间的灰缝砂浆层由于水分侵蚀强度降低，砂浆发生粉化，又在冻融作用下砂浆脆性增加，导致砂浆浅层发生开裂脱落。在37栋古建筑中墙体酥碱有140处，按墙体损坏程度分为严重灰缝脱落和轻微灰缝脱落。严重灰缝脱落主要表现在现为灰缝和青砖砖体裸露，砂浆深层粉化，其粉化程度大于青砖的粉化程度。主要位于墙角的0.3 m～1.0 m处，山墙两侧0 m～1 m处和基座0.1 m～0.5 m处(见图7)。轻微灰缝脱落为砂浆浅层粉化，其粉化程度于青砖的粉化程度相似。主要分布在屋檐下0.5 m～1 m处、窗下和山墙两侧(见图8)。约有严重灰缝脱落出现78处，约占酥碱总体情况的55.6%，轻微灰缝脱落出现62处，约占酥碱总体情况的45.4%。由此可得，呼和浩特地区古建筑墙体严重灰缝脱落比轻微灰缝脱落出现概率大(见表3)。

表2 墙体酥碱形态(一)

表3 墙体酥碱形态(二)

墙体灰缝脱落样本照片酥碱类型严重灰缝脱落严重灰缝脱落轻微灰缝脱落位置青砖、灰缝裸露且砂浆深层粉化,有晶体析出青砖、灰缝裸露且砂浆深层粉化,有晶体析出青砖浅层粉化形态山墙两侧墙角屋檐下

3 冻害机理分析

调查数据表明，近90%的呼和浩特地区古建筑存在冻害现象，并有明显的冻害损伤特征。砖构建筑出现冻害损伤主要是由冻融循环作用导致，且与呼和浩特地区的自然环境、古建筑材料等因素共同促使该地区冻害损伤加重。冻融循环是指随温度变化砖体内水分按液态水—固态冰—液态水的形态循环变化。循环过程中，液态水变成固态冰体积发生膨胀，形成较大膨胀应力，破坏砖内孔隙壁结构，形成微裂缝。随着循环频率增加，形成贯通式裂缝，进而引起砖面分层甚至脱落，影响结构的耐久性。根据砌体冻害损伤机理，具体原因按以下因素分析。

3.1 自然环境因素

内蒙古中部为严寒C类区[16]，且为典型的温带大陆性气候，冷暖变化剧烈，一般从头年11月至次年3月有5个多月的寒冻期，冬季平均气温在0 ℃以下，1月最冷，月平均气温分布在-10 ℃～-32 ℃，有少量降雪。低温严寒环境下严重影响建筑的耐久性，古建筑冻害损伤更加严重。

建筑发生冻害损伤主要原因之一是砖砌体内的水分。砖砌体内水分在0 ℃上下变化时，毛细孔中的水冻结成冰，体积膨胀对孔壁造成很大压力，进而在孔周围的微观结构中产生拉应力，产生裂缝，最终导致结构破坏。砖中的水分主要来源于地下潜水和积雪融水。地下水可按照埋藏条件分成上层滞水、潜水、承压水、毛细水等。呼和浩特地区地下有大量的潜水，潜水面以上为砂土，土中有大量的孔隙，潜水在毛细作用下通过孔隙中升高变为毛细水，这些毛细水会再次利用毛细作用，通过与其接触的建筑结构部分的孔隙通道进入并滞留在砖中。呼和浩特地区冬季有少量降雪，天气干燥寒冷，积雪消融速度较慢，在墙边、墙角等处，形成潮湿环境，融化的雪水通过砖体孔隙进入且保留其中。且昼夜温差大，频繁发生冻融循环，导致建筑损坏严重。

3.2 材料自身因素

呼和浩特地区古建筑用砖为青砖，烧制温度低，无内燃。青砖的微观结构特点是孔隙率高，密实度低，力学性能比现代内燃砖差，吸水率高，耐水性差，渗透压大，易受冻融破坏严重。青砖强度会因为吸水后其内部颗粒的粘结力下降，材料强度降低。在0 ℃下水结冰对孔隙壁产生膨胀应力，导致砖体内部产生微小裂缝。在冻融循环下，裂缝向各个方向延伸，形成贯通式裂缝，最后使砖体崩解或粉化。建筑砌体嵌缝砂浆采用石灰砂浆，由熟石灰、水和沙骨料按照一定配合比混合形成。石灰砂浆的孔隙大，在冻融循环过程中，水分滞留在其中较多，在零下温度结冰时，孔隙内产生较大的膨胀应力，孔隙中应力不断循环，导致表层砂浆的脱落。表层砂浆脱落后，砖与砖之间的缝隙裸露，水分更易进入砖中。

3.3 建筑自身构造与人为因素

建筑冻害损伤程度除了取决材料自身的抗渗性和抗冻性之外，还与其自身的建筑构造有关，特别是防水构件，如散水构件、防潮层等。呼和浩特地区古建筑大部分散水结构不合理或者缺失，由于地基膨胀导致部分散水构造失效。且建筑屋顶均未采用集中排水方式，融化雪水沿屋檐落地溅湿墙壁或者落到地面。部分建筑表面的防水层年久失修，砖和砂浆裸露与水直接接触，墙体酥碱与灰缝脱落十分严重，并造成墙体大面积潮湿，向未发生冻害部位扩散。地基土壤中水分增加，促使地基土产生膨胀，导致室外地面高于室内地面，使建筑的基础防潮层失效，地下水通过毛细作用进入墙体。同时由于人们生活习惯，习惯将积雪堆积于墙根、墙角和基座角处，导致该处墙体一直处于潮湿状态，且该部分损害也最为严重。

4 结语

1)内蒙古中部为高纬度严寒地区，气候寒冷干燥并伴有少量降雪且寒冻期长，对建筑物的耐久性影响严重。调研数据分析表明，内蒙古中部呼和浩特地区主要的三种冻害形式为墙体裂缝、墙体酥碱和墙体灰缝脱落。墙体裂缝出现情况最多，墙体酥碱往往伴随墙体灰缝脱落同时出现。

2)墙体裂缝分为竖向裂缝和斜向裂缝，出现竖向裂缝概率大于出现斜向裂缝概率。竖向裂缝主要位于山墙两侧、背立面和山墙屋檐下，斜向裂缝主要位于山墙两侧和背立面。

3)墙体酥碱分为严重酥碱和轻微酥碱，墙体严重酥碱比轻微酥碱出现概率大。严重酥碱主要位于墙角0.2 m～1 m处、山墙两侧0.1 m～1 m处和基座0 m～0.5 m处。轻微酥碱主要分布在屋檐下0.5 m～1 m处、窗下和山墙两侧。

4)墙体灰缝脱落分为严重灰缝脱落和轻微灰缝脱落，严重灰缝脱落比轻微灰缝脱落出现概率大。严重灰缝脱落主要位于墙角的0.3 m～1.0 m处，山墙两侧0 m～1 m处和基座0.1 m～0.5 m处。轻微灰缝脱落主要分布在屋檐下0.5 m～1 m处、窗下和山墙两侧。

5)内蒙古中部呼和浩特地区冻害损伤主要是由冻融循环导致，在使用中建筑防水构件消效，地下水与融化雪水进入砖体内部，材料自身性能不足等因素影响了冻害损伤的程度。通过定期检修墙体表面防水层，并改良现有防潮层或修建新的防潮层，减少砖体内水分，进而减轻冻害对古建筑耐久性的影响。