冻融循环对卜奎清真寺古青砖力学性能影响的试验研究

郭国梁， 张道明， 吕 春， 耿洪亮， 杨志东

(1.齐齐哈尔大学建筑与土木工程学院， 齐齐哈尔 161006; 2.中铁三局集团有限公司， 太原 030000)

齐齐哈尔市卜奎清真寺始建于1684年，距今已有330多年历史，是黑龙江省现存规模最大、历史最久、具有中国民族特色的伊斯兰宗教建筑。该寺由东寺和西寺组成，寺内建筑气势宏伟壮观，装饰精美，充分体现了宗教和中国古典艺术的风格，极具历史和艺术价值，2006年卜奎清真寺作为清代古建筑，被国务院批准列入第六批全国文物保护单位名单，寺内建筑大多为砖木结构，采用烧结古青砖[1]。青砖材料是一种由黏土烧制而成的多孔介质材料，具有丰富的孔隙结构，容易受季节性冻融循环作用的影响[2]。齐齐哈尔市位属季冻区，每年的冬末上冻和春初融化期间，昼夜温度在0 ℃上下反复波动，冻融作用强烈，目前已经对古青砖造成了显著的损伤。

中外学者对古青砖的研究相对比较少。曹红红等[3]分析并检测了山西广武明代长城青砖的化学组成和主要物理性能。曹新宇等[4]基于大气环境实验舱分析了山西某地古砖砌体在冻融循环作用下的抗压性能。赵鹏[5]研究了江浙皖地区青砖及其砌体结构在荷载与环境作用下的损伤劣化规律与机理。曹峰等[6]研究了北京明长城青砖毛细吸水性测定及其影响因素。别治明[7]认为冻融损伤程度对青砖材料的强度指标和微观结构特点有十分重要的影响。

古青砖涉及年代久远，分布地域更是宽广。目前对齐齐哈尔卜奎清真寺所用清代古青砖的研究成果相对较少。通过室内试验分析了冻融循环前后古青砖的基本力学性能，其研究成果可以为卜奎清真寺以及类似古青砖建筑的保护提供试验依据，具有重要的现实意义。

1 原材料与试验方法

1.1 试样来源

卜奎清真寺墙体古青砖的冻融损伤目前已经非常严重，如图1所示，且不具备大规模原位取样的条件，试验所用古青砖样品取自与卜奎清真寺同时期修建的墓地建筑，砖体长时间埋于地下，保存相对较好。鉴于古青砖样品十分珍贵，且试验具有破坏性及不可重复性，故按照《普通烧结砖》(GB/T 5101—2017)外观质量要求，仅选取外观较好的古青砖30块并进行编号，其中1～15号样砖用于非冻融试验，16～30号样砖用于冻融试验。所有样砖均需用毛刷除去表面的粉尘，再用清水清洗表面和表面孔隙中的污垢。试验所用古青砖样砖照片如图2所示。

1.2 冻融循环试验

冻融循环试验按照《砌墙砖试验方法》(GB/T 2542—2012)中的冻融方法，采用TR-GDR3型快速冻融仪进行试验，设定冻结温度-20 ℃，冻结时间4 h，融化温度15～20 ℃，融化时间4 h，冻融循环次数分别为15、30、45、60、75次。

1.3 孔隙率试验

分别测定1～15号样砖冻融前以及16～30号样砖冻融前、后的孔隙率。孔隙率P的测定采用吸渗法,其计算公式为

(1)

式(1)中：M′为砖样在水中浸泡24 h后，悬浸在水中的质量；M为砖样风干24 h后的质量；V为砖样体积；ρw为水的密度，取1.0×103kg/m3。

1.4 抗压强度试验

将试样锯成两个半截砖，切断口相反叠放，叠放部分大于等于100 mm，即为抗压强度试样。试样在气干状态下利用材料试验机直接进行试验。试样应平放在加压板的中央，垂直于受压面加荷，应均匀平稳，不得发生冲击或振动。加荷速度以2～6 kN/s为宜，直至试样破坏为止，记录最大破坏荷载。

1.5 电镜扫描试验

试验采用日本日立公司生产的S-4300型电镜扫描仪，分别对冻融前及冻融15、30、45、60、75次的古青砖制备试样，并进行电镜扫描。

2 试验结果及分析

2.1 抗压强度与孔隙率之间的关系

由于古青砖均为手工烧制，受到材料来源、烧制温度以及后期所处环境等的影响，1～15号样砖的抗压强度和孔隙率均存在着较大的个体差异，抗压强度在4.46～11.76 MPa波动，标准差为1.61；孔隙率在18.0%～28.3%波动，标准差为2.58，如表1所示。这给古青砖冻融循环后的试验数据分析带来了极大的困难。

古青砖抗压强度的影响因素有很多，孔隙率是一个很重要的因素。部分学者总结了一些多孔脆性晶体材料的半经验计算公式，并推广到了水泥砂浆和混凝土上，具有代表性半径验计算公式如下。

(1)Balshin[8]提出了用于多孔性金属-陶瓷材料的建议计算公式为

fc=fc0(1-P)k

(2)

(2)Ryshkevitch[9]提出了用于多孔烧结氧化铝和氧化锆的建议计算公式为

fc=fc0e-kP

(3)

(3)Hasselmann等[10]提出了用于凝固石膏材料的建议计算公式为

fc=fc0(1-kP)

(4)

式中：P为多孔脆性晶体材料的孔隙率；fc为孔隙率等于P时的抗压强度；fc0为孔隙率为零时的抗压强度，取决于晶粒直径的大小；k为回归系数。

贾金青等[11]研究发现，对于混凝土抗压强度与孔隙率的关系，式(2)～式(4)都比较适用,但更推荐式(3)。

利用1～15号古青砖样砖的抗压强度与孔隙率的数据，对式(2)～式(4)进行系数回归，结果如图3所示。

利用图3中的3个回归方程，分别计算1～15号样砖抗压强度并与实测值进行对比，结果如表1所示。由图3、表1可知，3个回归方程的计算效果均较好，说明同为多孔脆性晶体材料的古青砖，其抗压强度与孔隙率的关系对于式(2)～式(4)都比较适用。但式(2)、式(3)中fc0的取值更接近，且式(3)的判定系数最大，因此用Ryshkevitch[9]的指数关系方程即fc=43.336e-7.614P表达卜奎清真寺古青砖与孔隙率的关系最为合适。16～30号样砖冻融循环前的抗压强度虽然无法通过试验直接测定，但可以通过该方程式利用已测定的冻融前的孔隙率计算获得，方便分析冻融循环对古青砖强度的影响。

表1 抗压强度计算值与实测值的比较

图3 抗压强度与孔隙率的关系

2.2 孔隙率与冻融循环次数的关系

冻害是由孔隙水冻结引起的，产生冻胀应力的原因主要取决于内部孔隙构造，其内部孔隙特征与孔隙率有直接关系，探究冻融循环作用下古青砖孔隙率的变化规律具有十分重要的意义。根据静水压假说[12]，古青砖天然孔隙中的水在冻结过程中，本身体积膨胀9%，而且由于水分的主动运输作用，未冻结部分的水分不断向冻结的冰面迁移，在孔隙内产生很大的冻胀力，挤碎孔隙周围的结构，孔隙变大后使古青砖具有了更大的储水空间；融化过程中，孔隙中冰的体积减小9%，导致真空产生，由于真空抽吸作用把水分抽吸到孔隙中，再次使孔隙处于饱水状态。

由表2、图4可以看出，16～30号样砖经不同次冻融循环后，孔隙率都有一定程度的增加，增幅在2.92%～6.98%，但由于古青砖初始孔隙率介于18.79%～30.23%，存在较大的个体差异，所以仅分析孔隙率并不能直接反应不同次冻融循环作用下孔隙率的变化规律。

表2 孔隙率增量及孔隙率相对增量计算结果

图4 孔隙率与冻融循环次数的关系

为了更好地发现冻融循环次数对孔隙率的影响以及初始孔隙率对冻融作用下孔隙率变化的影响，采用孔隙率增量ΔP以及孔隙率相对增量P*指标进行分析，计算公式分别为

ΔP=P2-P1

(5)

(6)

式中：P1为冻融循环前的孔隙率；P2为冻融循环后的孔隙率。

16～30号样砖孔隙率增量以及孔隙率相对增量的计算结果如表2所示，并根据计算结果绘制图5、图6。

图6 孔隙率相对增量与冻融循环次数的关系

由图5可以看出，孔隙率增量ΔP随着冻融循环次数n的增加，基本呈线性函数增长，其表达式为ΔP=0.029 7n+2.658 4，增幅在3.06%～4.90%。

图5 孔隙率增量与冻融循环次数的关系

由图6可以看出，古青砖孔隙率相对增量随着冻融循环次数的增加，基本呈线性函数增长，表达式为P*=0.067 7n+13.412，孔隙率相对增量增幅在14.51%～19.98%。但图5中的判定系数远大于图6中的判定系数，故可以认为在冻融循环作用下，初始孔隙率对孔隙率增量的影响并不大。

2.3 抗压强度与冻融循环次数之间的关系

理论上经冻融循环后古青砖抗压强度均应有所下降，但由图7可以看出，古青砖经不同次冻融循环后，每组抗压强度虽然也整体呈现了指数下降的趋势，但判定系数仅为0.820 6，规律不很明显。特别是75次冻融循环后古青砖抗压强度高于60次冻融循环后的抗压强度，这显然与理论不符。其原因可能是古青砖冻融前的抗压强度客观上存在较大的差异造成的。

图7 抗压强度与冻融循环次数的关系

为了深入探究抗压强度与冻融循环次数的关系，根据损伤力学将古青砖的抗压强度冻融损伤量Dn定义为

Dn=fcp1-fcn

(7)

式(7)中：fcp1为古青砖冻融循环前的抗压强度，可以通过图3中式(3)求得；fcn为古青砖经n次冻融循环后的抗压强度，由抗压强度试验直接测得。

将式(3)代入式 (7)，可得

Dn=fc0e-kP1-fcn

(8)

利用式(8)计算经历不同次冻融循环后卜奎清真寺古青砖抗压强度冻融损伤量Dn的结果如表3所示,并根据计算结果绘制图8。

表3 抗压强度冻融损伤量的计算结果

图8 抗压强度损失量与冻融次数的关系

由图8可以看出，随着冻融次数的增加，古青砖抗压强度冻融损伤量逐渐增大，为0.71～1.67 MPa，且抗压强度冻融损伤量与冻融次数基本呈线性增加，其系数回归方程为Dn=0.016 5n+0.391 9，该回归方程对预测古青砖砌体的寿命并确定最佳修复时间有极其重要的意义。

2.4 电镜扫描试验

图9为古青砖电镜扫描微观结构形态照片，可以看出，冻融循环前古青砖内部结构比较致密、均匀，细孔较小且无明显裂纹，如图9(a)所示。随着冻融次数的增加，古青砖内部结构逐渐变得疏松，出现较多大而圆的孔隙，孔隙的直径以及数量均有所增加，如图9(b)～图9(e)所示，反映了古青砖孔隙水在冻结过程中，在孔隙内产生很大的冻胀力，挤碎了孔隙周围的结构，导致孔隙率逐渐变大。冻融循环75次后古青砖内部已经出现了明显的裂纹以及贯通孔隙，如图9(f)所示，导致古青砖抗压强度损伤量随着冻融次数的增加逐渐变大。卜奎清真寺古青砖冻融前、后电镜扫描微观结构形态分析结果与孔隙率和抗压强度趋势相吻合。

图9 古青砖电镜扫描微观结构形态照片

3 结论

为了更好地保护珍贵古建筑，对卜奎清真寺古青砖进行了冻融前后的孔隙率、抗压强度及电镜扫描试验，得出以下结论。

(1)虽然古青砖的抗压强度和孔隙率均存在着较大的个体差异，但它们之间的关系对于Balshin、Ryshkevitch和Hasselmann所提出的半经验计算式都比较适用，且Ryshkevitch的指数关系方程最为合适，其系数回归方程为fc=43.336e-7.614P。

(2)经历不同次冻融循环后，古青砖的孔隙率都有所增加，增幅在2.92%～6.98%，孔隙率增量与冻融次数基本呈线性关系，表达式为ΔP=0.029 7n+2.658 4，且与初始孔隙率关系不大。

(3) 冻融循环后古青砖抗压强度损伤量与冻融次数基本呈线性关系，系数回归方程为Dn=0.016 5n+0.391 9。

(4)电镜扫描微观结构形态分析结果与宏观试验趋势相吻合。