中国古代砖砌体力学性能研究综述

夏 倩，孙源清，李琰君，李懿卿

(1.西安理工大学土木建筑工程学院，陕西西安 710048；2.陕西科技大学设计与艺术学院，陕西西安 710021；3.西安建大维固工程检测鉴定有限公司，陕西西安 710054)

0 引 言

古建筑作为历史文化的载体，反映了国家历史的辉煌，展现了以往中国文化艺术和科学技术的伟大成就[1]。要以发展的眼光来研究保护古建筑及其被赋予的历史文化属性，让古建筑文化保存于世[2]。砖石材料是现存古建筑中占比较大的材料类型之一，砖石古建筑是历史发展和建筑文化的见证者。砖石古建筑一旦破损毁坏，所承载的历史信息也难以失而再得。因此，研究砖石古建筑材料的基本力学性能和损伤机理，对古建筑修缮保护有着重要意义。

本工作将从古代砖砌体材料(砖、灰浆、砌体)性能及砌筑方法、古砖砌体的材料力学性能以及古建筑砌体的研究方法和进展等方面总结分析中国古代砖砌体材料基本力学性能研究现状。

1 古砖砌体组成材料及砌筑方法

砌体结构是指将由块体和砂浆砌筑而成的墙、柱作为建筑物主要受力构件的结构体系[3]。

1.1 中国古砖材料特性及制备工艺

1.1.1古砖材料特性 中国的古建筑(例如长城、故宫、大雁塔等)其砌体承重结构材料大多以黏土砖为主[4]。主要原料为黏土，通常黏土含有高岭石、蒙脱石、伊利石等含水铝硅酸盐矿物等[5]。黏土制模后烧制成的砖，以灰浆等胶结材料粘接，具有较好的耐久性、抗压性，在中国建筑史上不可或缺[6]。砖是最早用于建筑的材料之一，主要用于我国古代建筑的维护结构，如防水及易磨损的部位。由于其良好的物理性能及经济性，烧结黏土砖是中国古建筑主要建筑材料[7]，与现代工艺生产的水泥及混凝土相比，古砖内部成分结构更为均匀[8]。砖材本身具有隔热防火、性能稳定等良好的物理化学性能和足够的抗压强度等良好的力学性能[9]，同时制砖材料能就地取材、耐久性好，砖材大小尺寸规格化、模数化，保证砌筑方便和砌体规整等优越性。

1.1.2古砖制作工艺 宋应星撰写的《天工开物》[10]对古砖的生产工艺进行了详细介绍(图1)：掘地辩验土色，或蓝、或白、或红、或黄(福建、广东多红泥，江苏、浙江多蓝色)。土以“粘而不散、粉而不沙者为上”，然后“汲水滋土、踏成稠泥﹑填满木框、而成坯形、装入窑中、用木柴或煤炭燃烧”。为了提高砖的强度和硬度，古人还采用“淬火”技术，对窑中高温中的砖坯“灌水其上、水火相济、其质千秋也”[11]。

图1 《天工开物》中描述的砖瓦烧制过程[10]

我国传统烧结砖制作工艺是：预热排潮(烘窑)；焙烧升温(发大火)；焙烧保温(烧后火)。黏土中含有铁，烧制过程中铁完全氧化时生成Fe2O3呈红色，即红砖；在烧制过程中加水冷却，使黏土中的铁不完全氧化(Fe3O4)则呈青色，即青砖[12]。青砖中的铁不完全氧化，使其抵御氧化、风化、水化等特性优于红砖，耐久性更好[13]。现行古建筑砖料名称及规格见表1。

表1 现行古建筑砖料名称及规格[14]

1.2 胶凝材料特点及类型

1.2.1石灰基胶凝材料特点 能将砂石、砖块和石材等粘结成整体的材料统称为胶凝材料[15]，包括泥浆、灰浆、橡胶和沥青等。其中，石灰基胶凝材料的应用较多[15]。根据硬化和固结条件的不同，凝胶材料可分为气硬性凝胶材料和水硬性凝胶材料，其中气硬性凝胶材料如石灰、石膏，水硬性凝胶材料如水泥等[16]。石灰是中国古代最早使用的重要胶凝材料，主要成分是氢氧化钙、氧化钙，广泛应用于房屋、墓葬、城墙、堤坝等古代建筑工程中[17]。在历史文物保护修复中，使用高强度、孔隙度低的水泥，与古建筑本体材料不兼容，且会引入可溶性盐对古建筑造成损伤[18]。“修旧如旧”、尽可能不改变原来的材料和工艺技术已经成为古建筑修复的一条基本原则。保存至今的砖石古建筑大都使用了石灰基胶凝材料[19]。宋代《宋会要》一书中记载：公元1170年南宋乾道六年修筑和州城“其城壁表里各用砖灰五层包砌，糯米粥调灰辅砌城墙，经久坚固”。由此可见，由糯米粥和石灰调治的古代砌筑砂浆具有很好的强度和耐久性能。以石灰、糯米浆等材料制成的石灰基胶凝材料，如糯米灰浆和三合土，在固化粘结过程中石灰和糯米浆相互协同，具有较好的粘结性能和耐久性，与建筑本体和环境谐调[20]。现代实验技术验证了“糯米浆的主要成分为支链淀粉……和碳酸钙颗粒一起形成了有机/无机协同作用的复合结构……犹如人和动物的骨骼和牙齿……表现出优异的力学性能和韧性”[21]。

1.2.2胶凝材料类型 中国古代建筑采用石灰掺有机物的胶凝材料，如“石灰-糯米”“石灰-血料”“石灰-桐油”“石灰-白技”以及“石灰-糯米-明矾”等。

1)传统糯米灰浆。明朝的《天工开物》[10]对糯米灰浆的组成、制作方法和性能都有详细记载：“灰一分入河砂，黄土二分，用糯米、羊桃藤汁和匀，经筑坚固，永不隳坏，名曰三合土”。糯米浆掺入三合土，即为糯米灰浆，其强度、耐久性较好[22]。糯米灰浆制作方法虽然略有差别，但其制备工艺并不复杂。糯米浆与石灰混合制成的糯米灰浆，其粘结性能、抗压强度、防渗性及耐久性等较好，表明糯米灰浆应用的科学性及合理性[23]。

2)血料灰浆。血料灰浆是将动物血和石灰混合而成的，具有一定粘结性能，表面光洁，防渗性及耐久性好。血料灰浆最初用于涂抹地面防潮抗裂，后来逐步改进，和桐油、蛋白质等物质复配，增加粘结性和耐久性等协同作用，大量应用于彩画地仗、漆器等方面[24]。

3)桐油灰浆。桐油灰浆主要由灰浆和熟桐油制成，主要成分为碳酸钙和羧酸钙(桐油和氢氧化钙的反应产物)，掺入熟桐油能加快早期灰浆的凝结固化过程，使其具有较好的粘结性能及防水防渗性，广泛应用于勾缝、墓葬、水利等工程[19]。

另外在石灰中加入蛋白质、植物汁液(如杨桃藤汁、蓼叶汁和白芨浆)等具有良好的粘结性能，多用于古建筑、木船和木结构等[21]。

1.3 古砖砌体类型及砌筑方法

中国古代砖建筑按使用类型可分为砖墓室、砖塔、砖城墙、砖拱桥、砖窑洞和砖砌无梁殿等；按结构形式主要分为梁板式、拱券式、穹窿式和条砖砌体等[25]。除宫廷建筑与寺庙建筑，中国古建筑绝大部分是传统民居建筑[26]。

古建筑墙砖的摆置方式有卧砖、陡板砖、甃砖、线道砖、叠涩等几种[27]。其中，卧砖墙最为常见，砖大面朝上平放，长身面露明；陡板砖，砖立放，陡板面露明，这种摆放方式多见于南方建筑与民居中；甃砖，砖立放，丁头面露明，多见于台阶、台明、南方建筑墙身、窗台等部分；线道砖，砖摆放时，从外皮向内层层收进，多见于城墙；叠涩，砖摆放时，从里皮向外层层挑出，使用不多，见于无量殿。砖的摆置方式见图2。

图2 古建筑墙砖的摆置方式[27]

古建筑墙面常用的组砌方式有：十字缝、一顺一丁式、三顺一丁式、五顺一丁式、落落丁(全丁式)、多顺一丁式(多层顺砖，一层丁砖)[27]。

1)十字缝：又称“全顺式”，顺砖砌筑，上下层砖错缝搭接，砖缝呈十字形，该做法节省砖材，墙面平整。

2)一顺一丁式：又称“梅花丁”，多用于明代墙体砌筑，同一层顺砖和丁砖交替，该做法拉结性好，但比较费砖。

3)三顺一丁式：又称“三七缝”，三块顺砖与一块丁砖相间排列，此做法兼具十字缝和一顺一丁式的优点，墙体拉结性较好，墙面效果也较完整。

4)五顺一丁式：五块顺砖与一块丁砖相间排列，该做法拉结性低于三顺一丁式，使用较少。

5)落落丁：又称“全丁式”，一般仅用于糙砖墙，多见于城墙、宫殿及王府院墙中。

6)多顺一丁式：多层顺砖与一层丁砖相间排列，多见于地方建筑。

古建筑砖墙面常见的组砌方式见图3。

图3 古建筑墙砖的组砌方式[27]

2 古砌体组成材料基本力学性能

对古代砖石材料的力学性能研究，是目前对古代砖石建筑合理科学保护的基础要求。常规力学试验需要足够的砖石文物样品，由于古建筑的特殊性，破损检测具有较大局限性，大多研究更多采用无破损的方法。现存的古代砖石建筑均存在各种由于长期风化、酸雨、环境振动等不可抗拒因素造成的损伤，尽管各个相关文物保护部门及相关组织对古建筑加强保护工作，仍有大量古建筑遭到破坏。科学合理的保护措施及修缮加固工作显得尤为重要。通过对古代砖砌体的研究，获得古砌体组成材料的基本力学性能，并在此基础上总结相关测试方法，可为古建筑相关研究和保护工作提供参照和指导。

2.1 古代砖力学性能及检测方法

砖的力学性能是指砖在自然条件下，承受外部施加的载荷时所表现出的力学性能，如强度、弹性模量与泊松比等。

2.1.1古代砖强度 砖的强度又可分为抗压强度、抗折强度和抗弯强度等[28]。砖抗压强度指外力施加压力时的强度极限。检测砖抗压强度可采用烧结砖回弹法、取样法[29]。GB/T 5101—2017《烧结普通砖》[30]规范规定烧结普通砖强度等级试验按照GB/T 2542—2012《砌墙砖试验方法》[28]进行，同时取消了强度等级评定方法中抗压强度平均值和单块最小值评定方法(见2003年版5.3)，采用抗压强度平均值和强度标准值评定方法，即根据抗压强度平均值和强度标准值综合评定单砖强度[31]。鉴于我国对历史文物建筑的保护秉持试验不破坏古文物的原则，目前对古建筑的研究测试多采用无损检测方法，砌墙砖抗压强度的无损检测方法可采用回弹法、超声回弹综合法等[31-32]。

肖煌俊等[32]通过无损检测方法(回弹法、超声法以及超声回弹综合法)测定古建筑砖的强度，对比分析认为超声回弹综合法测得结果更为精确，但无损检测方法测得结果误差较大，可采用多种检测方法相互验证。

肖煌俊等[33]对某拆迁古建筑砖材按照规范进行抗压强度试验，得人工砖平均抗压强度为16.28 MPa，结果离散性较小。

马成理[34]对平遥古城墙中明代与清代两朝代古砖采用超声回弹综合法进行测定，由于材料强度、砌筑水平、养护条件等影响因素较多，导致古砖砌体结果离散性较大，古砖强度主要集中在6.06～11.13 MPa之间。与康锦霞等[35]测定结果(清代砖的抗压强度平均值为11.02 MPa，明代砖的平均值为11.60 MPa)出入较大，主要原因是材料离散性较大且测定区域不同。

赵鹏[36]对对江浙皖地区青砖样品组分、结构及物理性能进行现代技术分析检测，结果表明古青砖抗压强度介于6～21 MPa之间，离散性较大。

基于以上研究发现，各位学者用无损方法测得的砖抗压强度在10～20 MPa范围，与孙磊等[37]在实验室所得砖抗压强度10.23 MPa接近。古砌体砖抗压强度对比见表2。

表2 古砌体材料抗压强度对比

2.1.2弹性模量与泊松比 砌体是由砖和砂浆两种性质不同的材料组砌而成，其弹性模量与泊松比显然与砖和砂浆的弹性模量与泊松比密切相关[40]，然而国内外对于砖、砂浆的弹性模量研究较少，有待系统研究完善。从宏观角度来说，弹性模量可以衡量材料抵抗弹性变形的能力，从微观角度来说是材料在弹性阶段应力-应变的比值，利用有限元法对组成砌体的各个组成部分的各种破坏机理作进一步应力分析，则必须提供砖和砂浆的弹性模量、泊松比，将砖和砂浆层分开模拟[41]。刘桂秋[41]通过统计相关研究结果，认为砖的弹性模量(Eb)与其抗压强度(f1)呈正相关，同时推导出砖的弹性模量表达式：

Eb=4 467f10.22

(1)

古代单砖的强度试验是用较小尺寸且仅有一道仔细填平的水平灰缝而没有竖向灰缝的试件进行的，因此，单砖的受压工作条件与砌体中的完全不同，单砖是脆性材料，主要承受压应力，而弯剪应力则很小；而砖砌体处于压缩、剪切、受拉的复杂应力状态。所以，砌体在远小于单砖的抗压强度时就开始产生裂缝。随着不断加载，裂缝继续扩展，在砌体中形成贯通裂缝，最后由于局部失稳而使构件破坏，所以砌体的抗压强度低于砖的抗压强度。

2.1.3砖材料性能劣化因素 汤永净等[4]研究了气候环境因素对中国古代塔砖材料性能劣化影响，指出气候环境因素影响主要改变古砖的孔隙率和孔径大小，孔隙率增量和孔径增量是气候环境因素影响中国古代塔砖材料性能劣化的根本原因。

孙磊等[37]通过气候环境模拟室内对古砖砌体试件进行冻融循环试验，试验结果表明：冻融作用会对寒冷地区的古建筑砖砌体造成不可逆的劣化，抗压强度和弹性模量的变化可以反映砌体的劣化程度。

王亮等[42]从冻融环境、风化、酸性物质侵蚀、微生物侵蚀、盐类作用以及地下水渗透等方面研究了黏土砖腐蚀劣化的机理，认为黏土砖的腐蚀劣化是多种因素耦合作用的结果。

朱小丽等[43]对汉画像砖吸水、抗盐、抗融冻性能及劣化机理进行分析研究，并以现代青砖和红砖作对比试验，认为由于可溶盐以及微生物等作用，砖的内部孔隙变大，吸水率增加，其抗压、抗盐、抗融冻性能均较差。

雷小娟[44]根据三个控制性指标(泛霜、石灰爆裂、抗冻性能)分析对黄河淤泥烧结多孔砖整体耐久性的影响，指出有效孔隙率越小，耐久性越好。

2.2 古代砂浆强度特性及测试方法

GB 50003—2001《砌体结构设计规范》[45]附录B规定的各类砌体抗压强度平均值fm的计算公式为：

fm=k1f1α(1+0.07f2)k2

(2)

式中，k1为与块体类别有关的参数；f1为块体的强度平均值；f2为砂浆抗压强度平均值；α为与块体高度及砌体类别有关的参数；k2为砂浆强度影响的修正系数。施楚贤[46]基于砖砌体的试验结果，提出以砌体抗压强度平均值(fm)为基本变量的砖砌体本构关系表达式，该式反映了砂浆强度及其变形性能对砌体变形的影响。

检测砂浆抗压强度可采用推出法、筒压法、砂浆片剪切去、砂浆回弹法、点荷法、砂浆片局压法[29]。JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》[47]规定，强度等级由边长为70.7 mm的立方体试件，在温度在20±2 ℃，相对湿度为90%以上，养护28 d，进行抗压试验所得抗压强度平均值划分的。JGJ/T 136—2017《贯入法检测砌筑砂浆抗压强度技术规程》[48]采用贯入仪检测，根据测钉贯入深度和砂浆抗压强度间的关系，根据贯入深度来推定砂浆抗压强度。康锦霞等[35]利用维修的机会对平遥古城城墙灰浆进行了力学性能试验研究。运用灰浆片剪切法测得抗压强度为3.0～11.7 MPa；筒压法测得灰浆强度3.2～11.3 MPa。明代和清代的灰浆强度基本相同，但是不同位置的灰浆强度相差较大，即受力较大的部位灰浆强度较高，受力较小的部位灰浆强度较低。因此，加固时可以根据不同位置选用不同的灰浆强度，以满足受力的要求。

刘超[49]通过回弹法和室内砂浆抗压试验对不同组分的灰浆抗压强度进行对比分析，同时采用扫描电镜进行微观分析。室内抗压试验测得灰浆抗压强度1.8～19.7 MPa，回弹法测试灰浆强度1.7～17.9 MPa。回弹法测得灰浆强度与室内试验法测得结果接近，回弹法和室内抗压试验相结合，试验结果更为可靠。

砂浆抗压强度检测方法较多且各有优缺点，检测精确度和适用性也不尽相同，要根据实际情况选择适用的检测方法[50]。古建筑由于其特殊性，检测具有较大局限性，因此可采用多种检测方法综合对比分析，降低单一检测方法产生的误差，来获取更为精确的结果。

3 砌体的基本力学性能

GB/T 50129—2011《砌体基本力学性能试验方法标准》[51]规定现代砌体力学性能检测主要有砌体抗压强度试验、砌体沿通缝截面抗剪强度试验、砌体弯曲抗拉强度试验。砌体的基本力学性能主要包括受压性能、受拉受弯受剪性能、本构关系、弹性模量、泊松比等[52]。目前，相较于现代砖砌体来说，对古代砖砌体性能的研究较少。

3.1 古砖砌体抗压强度

砌体抗压强度是砌体结构最重要的力学指标之一，对于砌体结构的可靠性评定、耐久性分析有着重要作用[40]。目前常用的砌体强度检测方法如下：一是间接检测法，利用相关仪器和检测方法获得砂浆和砖块的强度指标或强度相关的物理参数，通过规范中给出的计算公式间接推定砌体强度[40]，GB 50003—2001《砌体结构设计规范》[45]附录B规定的各类砌体抗压强度平均值f的计算公式见公式(2)。二是直接检测法，包括原位轴压法、扁顶法、切制抗压试件法[29]。原位轴压法和扁顶法属于原位检测，可以测定砌体抗压强度；切制抗压试件法属于取样检测[33]。三种检测方法综合反映了材料质量和施工质量且直观性、可比性较强[29]。其中原位轴压法测试结果反映了砖、砂浆的强度以及砌筑质量对砌体抗压强度的影响[40]，原位单剪法和原位单砖双剪法可以测定砌体的抗剪强度[53]。

影响砌体抗压强度的主要因素有以下几点：1)块体的强度和外形尺寸；2)砂浆的物理力学性能(强度、和易性、保水性)；3)砌筑质量和施工速度(灰缝厚度、含水率、速度)；4)其他因素(试验方法、养护条件)。

针对古代砖砌体试件，利用试验方法对其受压性能进行研究，此法为目前获得古砖砌体抗压强度较普遍的方法，但目前提出的各种抗压数值普遍具有特定的地域性和年代多样性，一般仅适用于某个年代某个地域的砌体。

3.2 古砖砌体弹性模量和泊松比

古建筑会影响轨道交通线路的选择和隔振减振方案的选取，而随着城市轨道交通的发展，古建筑所处的振动环境逐渐恶化，因此进行复杂交通环境激励下的损伤劣化性能及耐久性研究，成为国内外学者持续关注的问题[54]。研究振动问题大多是使用现场测试与数值模拟计算，弹性模量和泊松比是重要的性能参数，但是大多古建筑无法直接进行材料力学参数测试及试验。

3.2.1弹性模量 弹性模量是砌体在弹性阶段应力-应变的比值，同时也是砌体的基本力学指标，可用于计算砌体在荷载作用下的变形，衡量砌体抵抗变形能力[41]。确定砌体弹性模量的方法大致有两种：一种是由试验确定，通过实测砌体的应力-应变曲线求得[41]。GB/T 50129—2011《砌体基本力学性能试验方法标准》[51]规定应力与轴向应变的关系曲线应以σ为纵坐标、ε为横坐标绘制。根据曲线，取应力σ等于0.4fc，i时的割线模量为试件的弹性模量，并应按下式计算：

(3)

式中，E为试件的弹性模量；fc，i为试件的抗压强度；ε0.4指应力为0.4fc，i时的轴向应变值；另一种方法是不进行试验，而是根据经验直接给出规定的取值。如Uniform Building Code(UBC-91)规范取砖砌体的弹性模量为其抗压强度的750倍[55]，CommentaryonSpecificationforMasonryStructures(ACI 530.1-02/ASCE 6-02/TMS 602-02)[56]提供了根据影响砌体弹性模量的主要因素——块体强度和砂浆类型(M、S、N)制成表格，供设计时使用。

施楚贤[46]基于试验结果，提出了常用砖砌体弹性模量表达式。GB/T 50129—2011《砌体基本力学性能试验方法标准》[51]也给出了相关的公式。

刘桂秋等[57]基于试验结果、砌体受压本构关系和应力分析，采用三种方法确定砌体弹性模量取值，同时推导出砖、砌块、砂浆及砌体的弹性模量关系式，其结果与试验和规范较吻合，为砌体结果有限元分析提供了基础资料。

戴仕炳等[8]认为超声波波速能反映古建筑砖质量及损伤情况，波速较低时，可认定为砖内部受损，强度较低，同时含水率也与波速有关，含水率高时波速偏低。通过超声波波速无损检测砖的劣化程度，来判定砌体受损情况，可为古建筑保护及质量监测提供了科学依据。砌体材料参数表达式见表3。

表3 砌体材性参数表达式

3.2.2泊松比 砌体泊松比是指材料在单向应力作用下，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，能反映材料的横向变形能力[59]。同时利用有限元法分析荷载作用下砌体结构的破坏机理和强度时，砌体的泊松比也是一个必不可少的参量[41]。GB/T 50129—2011《砌体基本力学性能试验方法标准》[51]规定根据应力(σ)与泊松比(ν)关系曲线，取应力σ等于0.4fc，i时的泊松比为试件的泊松比。逐级应力对应的泊松比，应按下式计算：

(4)

式中，εtr为逐级荷载下的横向应变值；ε为逐级荷载下的轴向应变值。

对于各向同性，质地均匀的材料，泊松比定义为一个常数，砌体因其弹塑性特性，随应力的增大，其泊松比为变值[46]。影响泊松比的因素主要有：砌筑砂浆成分、块材表面状态、试件的高厚比、试件截面尺寸。

3.3 古砖砌体本构关系

砌体本构关系是砌体结构的基本力学性能，同时也是进行有限元和结构内力分析的重要依据[60]。国内外对砌体本构关系研究较多，相对来说较为系统化，研究者们根据试验结果提出不同形式的砌体本构关系表达式，主要有直线型、对数函数型、指数函数型以及多项式型等，研究砌体本构关系能进一步了解砌体结构受力性能和破坏机理，同时对系统完善砌体结构研究提供必要支持[41]。

施楚贤[46]基于砖砌体抗压试验数据，提出以抗压强度平均值(fm)为变量的本构关系式：

式中，ε为逐级荷载下的轴向应变值；ξ为与块体类别和砂浆强度有关的特征参数；fm为砌体抗压强度平均值；σ为逐级荷载下的应力值。

3.4 砌体的力学性能劣化因素

古建筑是一类特殊的建筑物，漫长历史发展过程中这些建筑本身被赋予的历史文化属性，这些经历了数百年甚至上千年的古建筑受自身结构寿命和长期环境作用(风化、酸雨、冻融、交通振动或地震等)的影响，其材料特性及力学性能均受到不同程度的影响和损伤，建筑构件对环境的改变非常敏感，大量历史性建筑已出现险情，对其维修保护的要求日益迫切[36]。因此科学研究古建筑砌体结构性能和破坏机理具有重要意义。

砌体古建筑在自然环境中受风荷载、温度、雨水、潮湿、海水等物理风化和化学风化作用，发生不同程度的物理和化学变化，出现腐蚀、外表面剥落、开裂等现象，导致砖的抗压、抗折强度降低，影响砖砌体结构的整体性能[61]。

气候环境因素对中国古代砖塔的影响主要表现在古砖的孔隙率和孔径产生增量，增量产生的途径由表及里，形成特定的表观特征：古砖酥裂、胶凝材料粉化[4]。张中俭[62]认为墙体风化表现为表面剥落，颗粒脱落以及盐分结晶，毛细水携带的盐分是古砖风化的主要原因，冻融作用加速了古砖风化。汤永净等[63]对黄河流域砖石古建筑取样研究发现：古建筑基础部位风化主要是水溶盐和冻融耦合作用的结果，中上部的砖由于没有水溶盐，主要风化形式为冻融风化。

冻融作用会对寒冷地区的古建筑砖砌体造成不可逆的劣化。Uranjek等[64]根据砌体试件冻融试验结果提出，经冻融循环后，砌体试件表观裂缝增加，外部抹灰脱落，弹性模量下降。商效瑀等[65]基于冻融循环和轴心抗压试验，将寒冷地区砌体结构损伤等效为冻融和轴心受压耦合作用，经冻融损伤后，建立轴心受压损伤本构关系，二者均可通过材料内部微观变化使得砌体产生损伤。然而寒冷地区砌体古建筑在服役过程中一般是冻融和受压同时作用，由于现有试验条件限制，若能同时进行冻融循环和轴心受压试验，结果将更为精确。

结构开裂是损伤的一种常见表现形式，古建筑中砖砌体结构材料的劣化与古建筑裂缝扩展关系密切[66]。结构的损伤是由于构件在荷载、环境作用下材料损伤不断积累，裂纹不断发生发展引起的[51]。古建筑材料劣化导致古建筑微裂缝由下向上不断延展，最终会导致裂缝贯通，从而影响古建筑的正常使用[66]。

交通振动对古建筑的影响体现在振动作用下古建筑疲劳损伤产生的表面开裂、剥落或者加剧其他损伤部位的破损情况，同时古建筑因建造年代久远，古建筑本身存在损伤，在构件疲劳破坏，地基不均匀沉降的多因素作用下，使古建筑开裂甚至倒塌[54]。

砌体古建筑在服役过程中是力学因素、环境因素(冻融循环、风化、碳化、酸腐蚀等)和材料因素的双重或多重损伤因素耦合作用[67]。

4 结 论

通过以上论述，可以得到以下结论：

1)中国传统古建筑砖存在较大的多样性，生产工艺受到很多因素的制约，不同年代不同批次不同烧制工艺制造的砖，材料性质差异较大；砂浆强度测试方法研究已相当成熟，砂浆抗压强度检测方法各有优、缺点，应结合实际情况选择与古建筑相协调的检测方法。

2)由于材料年代与来源地域不同，其气候环境、生产生活方式、服役时间等因素对古砖造成的损伤有极大区别，因此各地古砖及其砌体强度有所差异，古代单砖强度的离散性较大，但古砌体的离散性则相对较小。

3)现代砌体力学性能测试方法较为详尽，但适用古建筑的规范测试方法有待系统研究完善。取样检测法危及古建筑的整体性能，原位检测法准确度尚不理想，需要对同一测区做多点试验来加以验证和比较，检测时应考虑这一因素，避免测区单一而造成对砌体性能的误判。

4)弹性模量和泊松比是砌体的重要性能指标，其具体取值可借鉴经验公式，或通过古砌体材料本构模型试验数据求得，可为有限元法分析古砌体结构性能和破坏机理提供数据支持。

5)砌体古建筑的相关研究宜从单一因素的作用向多因素耦合作用转化，从本质上揭示古建筑结构性能劣化与多因素耦合作用的关系。

5问题与展望

在本研究的基础上，提出以下建议与展望：

1)本研究整理了砌体弹性模量和泊松比对砌体力学性能的影响，但目前对古砖、糯米灰浆等古建筑材料弹性模量的研究较少，后续应对材料力学性能进行系统研究。

2)古砌体结构的基本力学性能、损伤及耐久性等方面研究较少，国内古砌体材料及结构缺乏系统研究，有待系统完善。

3)若能利用科学手段模拟古砖损伤情况，获得古砖基本材料力学参数，并与公式推导的材料基本力学参数对比，可为预测古建筑损伤提供更加精准的数据，对于古建筑保护修缮具有重要意义。