冻融循环作用下烧结粘土砖的保护

＊王楷文 刘斌 杨微

（1.云南大学 云南 650091 2.山西省运城中学 山西 044000）

1.研究综述

吉林大学冯楠[1]的《潮湿环境下砖石类文物风化机理与保护方法研究》，文章对潮湿环境下砖石文物的主要病害特点做了归纳和分析，并指出潮湿环境下砖石类文物保护的方法以及保护材料的制备，同时对高句丽石质文物、大足石质文物、西安明城墙等文物做了实地考察，分析其具体的病害机理并提出保护措施。其中提到的使用加固剂和封护剂成功保护砖石类文物的案例对本实验有借鉴意义，如1969年使用TEOS保护伊拉克遗址的风化砖，丙烯酸树脂对伊拉克遗址风干砖的保护。兰州交通大学李媛媛[2]的《冻融循环作用下烧结砖材料的力学性能研究》，文章对粘土砖采用快速冻融试验的方法，测量试样的外观变化、质量损失、抗压强度损失、孔隙率变化等数据，并建立了烧结砖在冻融循环下的损伤演化方程。该文章对本实验具有重要参考意义，本实验在此基础上模拟冻融循环实验，并尝试不同的保护措施。曹新宇、逯兴邦、汤永净、徐金明[3]的文章《冻融循环下古砖砌体的受压破坏研究》对冻融循环下的古砖砌体的受压情况进行了探究，对经历不同次数冻融循环的古砖砌体进行轴心抗压实验，观测并分析裂缝宽度，预测了冻融循环对古砖砌体产生破坏的次数临界点，并指出裂缝宽度根据受力不同而变化的波动值。

2.烧结粘土砖的成分

烧结粘土砖是先将泥土用水调和，制成泥坯，然后放入窑中于1000℃左右的高温下烧制而成，高温使泥坯内部颗粒熔化的硅酸盐黏结，大大增强了硬度。其主要化学成分为二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁等，其中粘土含量占15%～35%，三氧化二铝含量为40%以上，三氧化二铁含量在2.0%～2.5%之间。粘土在烧制过程中焙烧环境的不同可以导致其烧成不同类型的砖：若处于窑内空气供给足够充分、氧气充足的情况，即氧化气氛时，砖坯中的铁元素被氧化成红色的三氧化二铁，制成红砖。若往已烧透的砖坯所在窑内不断淋水，窑内空气将会由于快速形成的水蒸气而阻止空气流通，进而形成缺氧环境，即被称之为还原氛围，此时三氧化二铁被还原为青灰色的氧化铁，最终制成青砖。红砖与青砖在强度、硬度所差无几，但是青砖在抗氧化、水蚀、大气侵蚀等等方面的性能明显优于红砖的性能。所以在古建筑中多见青砖，在修复的时候也经常用从古代建筑中拆除出来的老青砖，它的目的是修旧如旧，以此来保持古建的原真性，但是旧砖的数量有限，而人为损坏和自然侵蚀时有发生，因此如何避免砖材受损就具有研究的必要性。

3.烧结粘土砖的冻融循环损伤机理

自然界中固体的热胀冷缩和水在冰点时的热缩冷胀是一种普遍现象，尤其是在固体建材中受此原理影响而导致建材的劣化更为显著。粘土砖为高温一次烧成的刚性粘土固体，其原料中的各种微量元素在高温中一次烧结成型，其不均匀的多孔结构导致了其易吸水的特性[4]。烧结粘土砖表面和所处环境中的水分在温度长时间高于0℃以上的环境中时，水将沿着材料物理结构的孔隙渗透到其内部中；粘土砖内部储留的水分在0℃以下的温度时，又凝结成冰从而出现膨胀，当膨胀应力达到粘土砖结构被破坏的临界点，烧结粘土砖则出现劣化。砖内水分的冻结和融化高频率的交替进行时，称为冻融循环。冻融循环作为温度交替变化的一种直观形式，可以理解为一种特殊类型的强风化，它对固体材料的物理结构性质有明显的影响。冻融循环的高频率进行，会导致建筑材料的严重劣化。砖材出现片状剥落和断裂的情况，轻者会影响建筑的保温和防水作用，重者则会导致墙体承载力丧失和内部整体结构的损坏，最终失去建筑存在的意义。

4.烧结粘土砖的抗压强度检测

(1)砖的初始抗压强度测定

①将20块烧结粘土砖分为10组，每两块用白灰浆粘结成一个整体，作为一个试样，静置5天，使其自然风干。

②使用回弹仪测量10组粘土砖的抗压强度。将回弹仪按照使用规定提前调试好，用砂纸将10组粘土转的表面打磨平整，用毛刷刷去粉尘。将10组砖平放，在每组砖的一侧均匀布置取5个弹击点，并避开砖表面的凹陷，每个点间隔2cm，外侧弹击点距砖边缘3cm。使用回弹仪在弹击点上按压，按压时回弹仪处于水平状态，其轴线垂直于砖的侧面。

③测量所得每组砖的5个回弹值均取平均值，10组砖的回弹值平均值分别为32.6、32.6、32.8、33.2、32.8、35、33.6、33.6、35.6、33.4。根据国家标准《砌体工程现场检测技术标准》（GB/T 50315-2011），烧结粘土砖的抗压强度换算公式为：

式中，fi—第i组的抗压强度换算值（单位：MPa）；

R—弹击点回弹值（此处为每组5个弹击点回弹值的平均值）。

将10组砖的平均回弹值代入公式，得出每组砖的抗压强度分别为7.835、7.835、8.007、8.355、8.007、10、8.709、8.709、10.577、8.531，最后计算出10组砖的平均抗压强度为fA1=8.66。

(2)冻融循环后的抗压强度检测

采用上述方法，测得冻融循环后10组砖的回弹值平均值分别为10.30、10.30、10.35、10.65、9.75、9.90、10.30、9.90、9.85、9.85，将数据带入上述公式，得出每组砖的抗压强度分别为5.150、5.150、5.175、5.325、4.875、4.950、5.150、4.950、4.925、4.925，最后取10组砖的平均值为fA2=5.06（结果保留两位小数）。

(3)数据分析

冻融循环前10组烧结粘土砖的平均抗压强度为fA1=8.66，经历30次冻融循环后，10组烧结粘土砖的平均抗压强度为fA2=5.06，根据强度损失率计算公式。

得出烧结粘土砖冻融循环30次后强度损失率为41.57（结果保留2位小数）。实验显示，冻融循环30次后，烧结粘土砖外观情况出现较大变化，部分砖材出现开裂、片状剥落、断裂、掉块现象。

5.实例分析——以陕西省韩城市司马迁祠为例

(1)地理环境与气候

司马迁祠位于陕西省韩城市南十公里芝川镇东南的山岗上，东西长555m，南北宽229m，面积4.5万m2。始建于西晋永嘉4年，距今约1700年。清康熙年间有过大规模修建，修葺明堂，并用砖石砌成九十九级台阶。建国后，国家历次对其进行维修与保护，增建彰耀寺、三圣庙、禹王庙、河渎碑、兴善寺山门等建筑，1956年成为陕西省省级文物保护单位，1982年成为国家级文物保护单位。祠后为蒙古包形状的砖砌圆形墓。

司马迁祠所在地韩城处于黄河西岸，关中盆地东北隅。处于暖温带半干旱区域，属大陆性季风气候，四季分明，气候温和，光照充足，雨量较多。年平均气温13.5℃。平均年降水量559.7mm，无霜期208天，日照2436h。雨季集中于7、8、9月份。春夏季易发生干旱，夏季阵雨多、强度大，水土流失严重。

(2)司马迁祠中的砖材损害情况

受暖湿气流和西伯利亚寒流的交替影响，使得司马迁祠建筑砖材的冻融循环始终处于高频率的状态，因此，建筑屋檐下和墙角等易积水部位便成为砖材受损比较严重的地方。

①祠门北侧排水渠道：该处粘土砖出现断裂现象。可能为水渠长时间有水流动，砖材遭水浸泡的问题比较严重，水渗入砖内在温度较低时形成冻融循环，同时水中的微生物也会加快砖材表面的冻融循环速率，冻融循环交替进行最终导致砖材断裂。

②献殿北侧屋檐下砖材和寝宫东大门屋檐下砖材：该处粘土砖出现片状剥落现象。这两处粘土砖处于屋檐下，雨雪天气易形成积水，容易出现冻融循环现象。同时，屋檐下落的水滴对砖材表面造成冲击，使砖材表面出现裂缝，增大了水与砖材的接触面积，从而加速了冻融循环速率。

③九九台阶上城墙处砖材：该处砖材出现片状剥落和较大裂痕。该处砖材长期处于受风面，韩城靠近黄河，空气中含水量较大，空气中的水分与砖材表面长期接触，易发生冻融循环。另外由冻融循环产生的裂缝长期受到风化作用，也是砖材产生片状剥落的原因。

(3)砖材劣化原因分析归纳

结合气候与环境，归纳出司马迁祠砖材出现冻融循环的原因如下：

①空气含水量大：韩城市靠近黄河，空气含水量大，此地砖材长期受到风吹，自然比其他地区砖材更易与水分接触，因而更易形成冻融循环。

②冬季气温在0℃上下徘徊：韩城位于我国的温带季风气候区，处于温度带的交界处，冬季寒冷干燥，日间温度高于0℃，夜间温度低于0℃。当昼夜温度在0℃左右时，砖材与冰雪融化产生的水分或空气中的水分接触，则出现冻融循环现象。

③排水设施不完善：虽然有专用的排水渠，但在屋檐下未设置排水用的散水，雨雪天气屋檐下易积水。

(4)对建筑防水的几点建议

①在建筑易积水部位设置散水，重点保护部位可在砖材表面使用封护材料设置防水层（针对此点后文设有实验进行探究），但要注意文物保护时的修旧如旧原则；

②对已损坏的砖材进行替换，防止其对周围砖材的破坏；

③疏水设计要足够完善，地面做到不积水。

6.涂有封护剂的烧结粘土砖抗压强度检测

(1)实验步骤

①糯米分为两组，分别编号为1组A、1组B。

②将糯米灰浆加入蛋清，充分搅拌后涂抹于1块新制青砖表面，使其自然阴干。编号为2组。

③取经过30次冻融循环实验的粘土砖2块，将其中1块取出，不涂抹药品，编号为3组A，留作对比使用。将加入蛋清的糯米灰浆涂抹于另1块砖材表面，在砖材断裂处也均匀涂抹，待其自然阴干，编号为3组B。

④取经过30次冻融循环的砖材2块、未经过冻融循环的新砖2块，取1块已经过30次冻融循环的砖材，不涂抹药品，留待对比使用，编号为4组A。其余砖材上均匀涂抹水性丙烯酸乳液，待其自然阴干。涂有水性丙烯酸乳液的经过冻融循环30次的砖材编号为4组B，涂有水性丙烯酸乳液的未经过冻融循环的新砖分别编号为5组A、5组B。

⑤测量以上9组砖的抗压强度，并对其进行冻融循环实验，并测量冻融循环后的抗压强度，计算其抗压强度损失率。

表1 涂有封护剂的烧结黏土砖抗压强度对比

续表

(2)数据分析

①外观情况

涂有纯糯米灰浆的粘土砖外观未发生明显变化，但触摸时表面砖材酥化，易产生粉末；涂有含蛋清糯米灰浆的粘土砖边缘夹角处出现细小裂纹；以水性丙烯酸乳液作封护剂的粘土砖，外表未出现变化，只有部分丙烯酸乳液外膜脱落。

②抗压强度损失率

10次冻融循环后，含有蛋清添加剂的糯米灰浆封护效果并不明显，但抗压强度损失率仍低于不使用封护剂的新砖；两组以水性丙烯酸乳液作封护剂的粘土砖抗压强度损失率较小，分别为0和0.05，说明冻融循环10次后涂于水性丙烯酸乳液的粘土砖抗压强度几乎不变。从抗压强度损失率来看，10次冻融循环后，水性丙烯酸作封护剂比含蛋清的糯米灰浆作封护剂效果要好。

7.结语

烧结粘土砖的冻融循环实验显示，冻融循环30次后粘土砖出现开裂、片状剥落、断裂、掉块现象，抗压强度损失率达41.57；通过对司马迁祠的实例分析，发现烧结粘土砖冻融循环现象的发生应具有以下几个条件：雨雪、空气中水分对砖材表面的侵蚀；温度在0℃上下波动，使砖材内部水分凝结成冰，砖内张力的连续变化使砖材碎裂；水中微生物的作用加速砖材的冻融循环。

对粘土砖的保护实验显示，使用封护剂后经历冻融循环的粘土砖抗压强度有所提高，10次冻融循环后，以水性丙烯酸乳液作封护剂的粘土砖抗压强度损失率为0和0.05，效果明显强于含蛋清的糯米灰浆作封护剂的粘土砖（31.36）。