宛平城墙病害勘测及保护材料试验研究

杜超群， 王菊琳*， 张 涛

(1.北京化工大学材料科学与工程学院,北京 100029；2.文物保护领域科技评价研究国家文物局重点科研基地,北京 100029；3.北京市古代建筑研究所,北京 100050)

宛平城墙地处卢沟桥东,是中国华北地区唯一保存完整的两开门卫城,始建于明末。卢沟桥事变爆发后,宛平城成为“七·七事变”的历史见证,至今城墙上还保留着当年日军炮击宛平城的弹痕,具有极高的历史纪念意义和价值[1]。但是,在长期风霜雨雪等自然营造力的侵蚀及人为破坏下,宛平城墙出现了各种病害,部分病害甚至会影响墙体的结构安全,因此对宛平城墙的保护研究工作十分必要。

宛平城墙的主要病害包括泛碱、裂缝、空鼓和缺损。泛碱是指在建筑物墙体表面出现局部或大面积的白色盐粉,原因是砖体内可溶盐随温度、湿度的变化,在水分迁移过程中在墙体表面析出[2]。墙体泛碱会引起砖石材料粉化、起鼓、开裂和脱落,影响墙体形貌,严重时会危害城墙结构安全[3]。裂缝可分为由自然风化造成的浅表裂缝和受力不均等原因造成的机械裂缝[4-5]。对于城墙砖砌体,裂缝更容易在强度相对较低的砂浆处出现并扩展。空鼓指墙体填充材料在长期雨水冲刷灌注下缺失,与外包砖剥离,在墙体内部形成孔洞[6]。缺损主要指在长期自然风化、生物破坏下,导致城墙砖强度缺失,在表面发生大面积的侵蚀和剥落现象。

文物修复要尽可能采用原材料、原工艺,近年来,石灰类材料又重新得到应用,但是,传统石灰材料凝结时间长、耐水性差、力学强度低等特点往往造成修复效果较差[7-9]。天然水硬性石灰具有较高的强度,与古建本体具有更好的相容性,已开始逐渐应用于古建筑的修缮加固中,如2007年应用天然水硬性石灰对花山岩画进行加固取得了较好的效果[10-12]。但是,天然水硬性石灰价格昂贵,因此有必要对传统石灰进行改性研究以改善其性能,提高其实际应用性。

在对宛平城墙现场勘测的基础上,针对缺损、空鼓及裂缝病害,对一系列修复材料性能进行研究,筛选出合适的补缺、灌浆、补缝材料,为宛平城墙的病害修复提供依据。

1 试验材料及设备

试验所用原材料及设备如表1和表2所示。

表1 试验原材料Table 1 Experimental raw materials

表2 试验仪器设备Table 2 Experimental equipment

2 试验方法

2.1 试样制作

试验所用修补材料配方如表3所示。

表3 修补材料配方Table 3 Repair material formula

碳纳米管悬浮液的制备:称取0.8 g羟基化碳纳米管,1 599.2 g去离子水,用玻璃棒搅拌30 s后在室温下以80 W的功率超声30 min,得到0.05 wt%的碳纳米管(carbon nanotubes,CNT)溶液。

糯米浆的制备:称取一定量的生糯米粉、水和十六水合硫酸铝按比例加入烧杯中,配制成5 wt%糯米粉、1 wt%十六水合硫酸铝的糯米浆,在水浴锅100 ℃加热4～5 h,边加热边搅拌,保证糯米浆质的均匀。

试样制作过程:将原料按照配方比例倒入搅拌器中,用JJ-5水泥胶砂搅拌机先将干料搅拌均匀,再加入一定量的水,之后慢转搅拌1 min,快转搅拌1 min,直至搅拌均匀。搅拌完成后将样品倒入160 mm×40 mm×40 mm的标准模具中,将模具放到ZS-15型水泥胶砂振实台上振实60 s,排除浆体中的气泡。振实完成后将模具放入YH-40B型恒温恒湿养护箱中以20 ℃、70%湿度的条件养护,3 d后脱模,再放入养护箱中养护至28 d。每一种材料配方制作9个试样,共81个。

2.2 流动性测试

参照GB/T 8077—2012[13]中水泥净浆流动度测试方法,采用NLD-3型水泥胶流动度测试仪进行测试。

2.3 收缩性测试

参照JGJ/T 70—2009[14]进行测试,试样初始尺寸为160 mm×40 mm×40 mm,在7、21、28 d分别测量样品的尺寸计算收缩率。

2.4 机械性能测试

砖和砂浆的抗压强度均采用JGJ/T 70—2009标准中立方体抗压强度试验规定的方法,采用电子万能试验机进行试验,按照式(1)计算抗压强度。

(1)

式(1)中:F为试样破碎时所承受的压力,N；A为试样挤压面面积,m2；P为抗压强度,Pa。

抗折强度采用GB/T 2542—2012[15]中抗折强度试验规定的方法,同样采用LETRY型电子万能试验机进行试验,按照式(2)计算抗折强度。

(2)

式(2)中:Pw为弯曲强度,MPa；L为支点间距离,mm；K为试样宽度,mm；H为试样厚度,mm。

2.5 耐水性测试

参照GB/T 50081—2002[16],使用计算试样的软化系数来评价试样材料的耐水性。试样软化系数由式(3)计算。

(3)

式(3)中:ψ为软化系数；f0为绝干状态砂浆的抗压强度,MPa；f1为饱和状态砂浆的抗压强度,MPa。

2.6 耐冻融试验

参照GB/T 2542—2012,采用慢冻法进行,将160 mm×40 mm×40 mm试样浸泡18 h后,放入冰箱中冻结3 h,温度为-15～20 ℃。然后取出放入15～20 ℃的水中融化3 h,此为一个循环。试验时,在试样第一次浸泡18 h后,擦干表面的水测得原始质量M0,并且进行超声波测试。通过计算冻融循环前后质量损失率和相对动弹模量进行评估。

相对弹性模量Er、质量损失率W通过式(4)、式(5)计算。

(4)

(5)

式中:En、E0分别代表循环n次和初始试件的动弹性模量,MPa；Tn、T0分别表示循环n次和初始试件的超声时间,μs；M0和Mn分别为初始和循环n次后的质量,g。

2.7 耐硫酸盐试验

采用干湿循环、硫酸盐双因素耦合试验。先将试样放入80 ℃的真空烘干箱中烘干至恒重。取出待冷却后,分别测得质量M0和超声波时间t0。耐盐循环的过程为在5%浓度的Na2SO4硫酸钠溶液中浸泡15 h,取出试样。将试样表面的水擦干,然后在80 ℃条件下,烘干5 h,最后再冷却3 h。此时测量质量Mn和超声波时间Tn。试样的相对弹性模量En、质量损失率W根据式(4)、式(5)计算。

3 结果与讨论

3.1 现场勘测结果

图1所示为两段长约5 m的城墙,墙体表面有密集分布的脱落、缺损病害,原弹坑处形成尺寸更大的孔洞,可见墙体受风化、雨水等侵蚀十分严重；另外,城墙还存在局部的空鼓、裂缝病害。

图1 宛平城墙保存状况Fig.1 The preservation status of Wanping City Wall

图2(a)所示是城墙的一处剥落缺损,尺寸约0.4 m×0.1 m×0.05 m(长×宽×深),该类型缺损是风化侵蚀造成表面硬度和强度大幅下降,结构松散,最终导致剥落的现象。图2(b)所示是一处弹孔风化缺损,有左右两个弹孔,尺寸分别为0.13 m×0.09 m×0.12 m(左)和0.18 m×0.06 m×0.09 m(右),弹孔风化缺损孔洞较深且砖体内部易形成空鼓,成因是子弹造成墙体机械损伤,在同等条件下更易受到风化侵蚀,久之形成更大的孔洞。图2(c)所示为上述弹孔风化缺损的部分内部照片,该缺损向内延伸0.1 m左右,且内部有大量酥粉,这是砖体内部含水量较高、侵蚀程度加剧所致。

图2 墙体缺损病害Fig.2 Wall defect disease

图3(a)、图3(b)所示为墙体的两处纵向贯穿裂缝,宽度约0.04 m,裂缝的形成说明墙体受力不均,有较大的剪切应力存在。其中图3(a)处裂缝尚未修补,在风化作用下逐渐加宽、加深,而图3(b)处裂缝经过灌缝处理,有明显的修缮痕迹。

图3 墙体裂缝病害Fig.3 Wall crack disease

图4(a)所示为一处空鼓病害,其外部墙砖剥落,面积约0.45 m2,轻敲此处有不同于周围墙体的声响,由此可粗略判断空鼓的位置和大小。图4(b)所示为空鼓处红外热像图,颜色由紫到红代表温度由低到高,点3所在紫色区域即空鼓处,该处较周边最高温度低2.9 ℃,这是因为空鼓病害受水分侵蚀影响较大,空鼓处含水率高,导致温度较低。

图4 墙体空鼓病害Fig.4 Wall hollow disease

3.2 样品XRD测试

通过X射线衍射(X-rays diffraction，XRD)测试样品的矿物组成。由图5可见,宛平城墙原砂浆和新砂浆中存在方解石、石英和少量的硅酸铝矿物,方解石由石灰碳化反应生成,可推断原灰浆所用原料为石灰和少量的石英类骨料；而原砖的主要晶相为石英,证明城墙原砖为烧结黏土砖。

图5 宛平城样品XRD测试图Fig.5 Wanping City sample XRD test chart

3.3 修复材料性能测试结果

3.3.1 pH

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在制作样品时,取出少量的浆料用pH试纸测试其pH。试验中使用主剂为胶凝材料,均呈强碱性,故使用碱性精确pH试纸进行测试。各配方浆料pH测试结果如表4所示。

表4 pH测试结果Table 4 pH test results

测试结果显示,各浆料配方pH均在13～13.5,呈强碱性,而现场测试原砖和砂浆pH介于12～13,也呈碱性,因此强碱性修补材料不会对城墙本体产生不利影响。

3.3.2 流动性

表5所示为9种配方修复材料的流动性测试结果。其中,补缺材料的施工需要较低的流动度,3种材料均可满足要求；GJ天然水硬性石灰和GJ糯米石灰流动度均超过30 cm,GJ人造水硬性石灰浆流动度为23.75 cm,均可满足灌浆施工的要求；BF硅丙石灰流动度为22.5 cm,BF碳纳米管石灰浆和BF天然水硬性石灰浆流动度都超过30 cm,因此也均可满足灌缝需求。

表5 流动性测试结果Table 5 Fluidity test results

3.3.3 收缩性

表6和图6所示为9种配方修复材料试件在养护7、14、28 d后的收缩性测试结果。

表6 试件收缩性测试结果Table 6 Test piece shrinkage test results

图6 各材料收缩率比较Fig.6 Comparison of shrinkage rates of various materials

由表6和图6可知,GJ天然水硬性石灰和GJ人造水硬性石灰收缩性均小于1%,且28 d内收缩性变化不大,这是由于硅灰的加入与氢氧化钙发生火山灰反应生成水化硅酸钙,填补了部分孔隙,减少了水分的流失,一定程度上抑制了体积收缩,而GJ糯米石灰的主剂熟石灰本身收缩性较大,另外由于流动性的需要加入了过多的水,水分蒸发也导致收缩率过大；BQ天然水硬性石灰收缩性最小,BQ有机硅石灰的28 d收缩率为2.13%,可能是疏水剂甲基硅酸钠进入基体的孔隙内,减少了水分的流失,从而改善了收缩性能,而瓜尔豆胶对熟石灰收缩性改性效果较差；BF天然水硬性石灰依然具有最小的收缩率,而BF硅丙石灰和BF碳纳米管石灰为保证可灌性,水灰比过大,水分蒸发导致收缩率较大。

3.3.4 色差值

为尽量减小与原砖的色差,在补缺和补缝材料中采用砖粉作为部分骨料,由表7可见,3种补缺材料与原砖仍有较强烈的视觉差异,可能是砖粉的添加量较少所致,但砖粉本身具有很强的吸水性,添加过多会导致用水量大大增加,造成材料黏结性及强度的降低,因此需要进一步研究砖粉的最优添加量。BF碳纳米管石灰与原砖的色差只有极微的差别；灌浆材料与原砖有很强烈的色差,考虑其用于墙体内部,因此色差值指标对其评估意义不大。

表7 试件色差值结果Table 7 Test piece color difference results

3.3.5 抗压强度测试

由表8和图7可见,灌浆材料中GJ人造水硬性石灰28 d抗压强度最高,达到5.89 MPa,其次是改性NHL2,而GJ糯米石灰的高用水量导致其抗压强度只有0.82 MPa；3种补缺材料均未添加三聚氰胺减水剂,在保证工作性的前提下加入了大量的水,导致抗压强度较低；补缝材料中,BF硅丙石灰的强度较低,而BF碳纳米管石灰和BF天然水硬性石灰的抗压强度分别达到2.79 MPa和3.88 MPa,接近原砖的强度。

表8 试样抗压强度Table 8 Sample compressive strength

图7 修复材料与原砖抗压强度比较Fig.7 Comparison of compressive strength between repair materials and original bricks

3.3.6 抗折强度测试

由表9和图8可知,抗折强度测试结果与抗压强度保持一致。灌浆材料中,GJ人造水硬性石灰抗折强度最高,达到1.13 MPa,高于原砖的强度,其次是GJ天然水硬性石灰,而GJ糯米石灰抗折强度最差,远远低于原砖强度；在补缺材料中,BQ天然水硬性石灰的抗折强度与原砖非常接近,而BQ有机硅石灰和BQ瓜尔豆胶石灰抗折强度分别为0.23 MPa和0.065 MPa,远低于原砖强度；在补缝材料中,抗折强度由高到低分别是BF天然水硬性石灰、BF碳纳米管石灰和BF硅丙石灰,其中BF碳纳米管石灰在所有改性熟石灰材料中具有较高的抗折强度,可能是碳纳米管在石灰基体中起到了桥接的作用,使基质之间连接更紧密,从而提高了力学性能。

表9 试样抗折强度Table 9 Specimen bending strength

图8 修复材料与原砖抗折强度比较Fig.8 Comparison of the flexural strength of the repaired material and the original brick

在力学性能测试中,无论天然水硬性石灰或人造水硬性石灰均具有较高的强度,这是由于其中含有的水发生水化反应生成水硬性物质,同时加入的硅粉与Ca(OH)2发生火山灰反应生成水化硅酸钙,这为水硬性石灰材料提供了较高的早期强度；而熟石灰虽然添加了部分硅灰或砖灰改性,但其强度主要由Ca(OH)2的碳化过程提供,该过程进行缓慢,因此在28 d的养护期内强度低于水硬性石灰。

3.3.7 耐水性测试

采用软化系数表征材料的耐水性,软化系数为试件饱和状态和绝干状态抗压强度的比值,测试结果如表10、图9和图10所示。原砖的软化系数为0.96,试验过程中浸泡原砖时发生强烈的吸水,有大量气泡产生,但是饱和状态下原砖的强度并没有大幅下降,证明其保存状况良好。耐水性是评估室外文物建筑修复材料性能的重要指标,在灌浆材料中,GJ天然水硬性石灰和GJ人造水硬性石灰均有较高的软化系数,耐水性良好,而糯米石灰浆软化系数只有0.18,不能满足耐水需求；在补缺材料中,BQ有机硅石灰和BQ瓜尔豆胶石灰软化系数较低,分别只有0.46和0.21,而BQ天然水硬性石灰软化系数达到0.84,基本可以满足耐水性需求；在补缝材料中,BF碳纳米管石灰软化系数最高,说明碳纳米管对基体有良好的改性效果,减小了孔隙,提高了耐水性。

表10 耐水性测试结果Table 10 Water resistance test results

图9 试件绝干与饱和状态抗压强度比较Fig.9 Comparison of compressive strength between test piece and saturated state

图10 试件软化系数ψ比较Fig.10 Test piece softening coefficient ψ comparison

3.3.8 耐冻融测试

由图11可见,冻融循环初始时试件质量损失率为负数,说明试件的质量增加,原因是冻融初期试件内部水分结冰体积增大,使基体内孔隙体积增加,浸泡后试件内部的含水率更高,从而导致试件的质量增加。在第一次冻融循环过程中,BQ瓜尔豆胶石灰试件出现明显破裂(图12),说明其耐冻融性能差,因此未与其他试件在图中比较。3种补缝材料试件的质量在4个循环后进一步增加,说明4个循环后内部孔隙仍未完全破坏,耐冻融性能良好；在第3个冻融循环后,GJ糯米石灰和BQ有机硅石灰试件质量损失率开始上升,说明内部微小孔洞发生破坏,形成裂纹或大孔,导致质量减小。

图11 冻融循环质量损失率折线图Fig.11 Freeze-thaw cycle mass loss rate line chart

图12 瓜尔豆胶石灰试件耐冻融试验前后宏观形貌变化Fig.12 Macroscopic topography changes before and after freeze-thaw test of guar gum lime

由图13可见,在4个冻融循环之后,BQ有机硅石灰和GJ糯米石灰试件相对动弹模量开始下降,说明试件结构密实度下降,内部产生了较大的孔洞或裂纹,这与质量下降的结果吻合。BQ天然水硬性石灰、GJ天然水硬性石灰、BF天然水硬性石灰和GJ人造水硬性石灰试件相对动弹模量趋于不变或略微下降,说明内部孔洞已经到达破坏的临界点,而BF硅丙石灰和BF碳纳米管石灰试件相对动弹模量仍有上升趋势,说明内部孔洞还未被破坏,耐冻融性良好。

图13 冻融循环相对动弹模量折线图Fig.13 Relative dynamic elastic modulus line diagram of freeze-thaw cycle

3.3.9 耐硫酸盐测试

由图14可见,GJ糯米石灰试件的质量先降低后不变,该试件泡入溶液中表面即发生了小部分破裂,证明其耐水性不佳。其余试件质量均有所增加,这是因为可溶盐进入试件内部空隙,导致质量增加,从第2个循环开始,试件质量趋于稳定,未出现试件失效的情况。其中,所有天然水硬性石灰和人造水硬性石灰试件质量增加不大,说明内部较为致密,可溶盐进入较少。BQ瓜尔豆胶试件在第1个耐盐循环后即出现明显破损(图15),未与其他试件比较质量损失率。

图14 耐盐循环质量损失率折线图Fig.14 Salt loss cycle quality loss rate line chart

图15 瓜尔豆胶石灰试件耐可溶盐试验前后宏观形貌变化Fig.15 Macroscopic topography changes before and after the resistance test of guar gum lime

由图16可见,经过4个耐可溶盐循环之后,各试件相对动弹模量基本遵循先增加后不变的规律,与质量变化相吻合。补缝材料中BF碳纳米管石灰具有较低的相对动弹模量,说明试验前后内部结构变化不大,耐可溶盐性能良好；补缺材料中,BQ天然水硬性石灰和BQ有机硅石灰试件也具有较低的相对动弹模量；灌浆材料中,GJ天然水硬性石灰和GJ人造水硬性石灰相对动弹模量基本保持不变,说明其内部结构非常稳定。

图16 耐盐冻融循环相对动弹模量折线图Fig.16 Relative dynamic elastic modulus line diagram of salt-tolerant freeze-thaw cycle

4 结论

对宛平城墙病害现场进行勘测,针对缺损、裂缝、空鼓3种不同的病害类型分别设计了3种修补材料配方,通过性能测试,得出以下结论。

(1)人造水硬性石灰材料在养护28 d的抗折、抗压强度分别为1.13 MPa和5.89 MPa与原砖的抗折强度0.7 MPa和抗压强度3.22 MPa相比较为接近,耐候性良好,综合经济因素,适合作为修补空鼓病害的灌浆材料。

(2)NHL2石灰材料抗折、抗压强度为0.69 MPa和2.56 MPa,收缩性、耐水性皆优于另外两种熟石灰基材料,且强度与原砖接近,适合作补缺材料。

(3)碳纳米管改性的熟石灰28 d后抗折、抗压强度为0.43 MPa和2.79 MPa,与原砖的强度较为接近,且色度与原砖极为接近,收缩及耐久性良好,适合作补缝材料。