山西明长城遗址青砖保护中防水材料的试验研究

2022-03-10王捷杨晓芳段恩泽乔榛刘宝兰姜效玺

新型建筑材料 2022年2期

王捷，杨晓芳，段恩泽，乔榛，3，4，刘宝兰，姜效玺，3，4

（1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州 730000；2.山西省古建筑与彩塑壁画保护研究院，山西太原 030000；3.国家文物局石窟保护技术重点科研基地，甘肃兰州 730000；4.甘肃省岩土文物保护工程技术研究中心，甘肃兰州 730000）

0 引言

山西省内分布有战国、东魏、北齐、北周、隋、宋、明和清等不同时代的长城遗迹，总长度累计超过3500km，现存较完整的城墙和遗迹约有1500 km。其中明长城规模最为巨大，前后共修筑了154年，分为外长城和内长城，长度共计约850km。山西明长城外墙多为砖石混砌，砌筑材料主要为青砖与条石。青砖是古代长城砌筑过程中使用最广的材料，其力学性能与长城整体结构稳定性密切相关[1-3]。

研究表明[4]，水是造成古代砖石建筑破坏的主要因素，控制水分侵入是提高古建筑耐久性的主要措施之一。目前关于古代砖石防水材料的研究较少，国内外研究人员主要研究适用于现代建筑中混凝土表面防水材料。李绍纯等[5-6]研究了硅烷防水剂在混凝土防水中的应用，发现硅烷具有一定的渗透性，并且不会堵塞内部孔隙，起到了透气不透水的作用。田玉鹏等[7]研究了聚烷基三烷氧基硅氧烷（PATOS）对水泥基材料耐久性的影响，发现该防水材料生成网状硅氧烷聚合物憎水膜，提高了混凝土的抗碳化性能。马嘉浩等[8]研究了D26（1，2-双三甲氧基硅基乙烷）对混凝土湿面粘接性能的影响研究，发现该材料能够形成致密疏水膜层结构，阻止水分自由地在混凝土界面迁移。

本文以山西省河曲县罗圈堡明长城遗址为例，通过现场调查取样、室内试验和测试分析，研究3种典型防水材料在长城青砖保护中的应用效果，为后期长城修缮保护提供参考。

1 试验

1.1 试验概况

罗圈堡长城[见图1（a）]始建于公元1504年，属明朝大同镇外长城，城墙外侧砌有垛口墙，便于迎敌观察，烽火台为烟墩，城堡全由青砖包砌，正南有瓮城[见图1（b）]。现场调查发现，长城外包青砖大部分已经坍塌掉落，残存的青砖由于长期环境因素和人为因素共同作用，出现了较为严重的风化现象[见图1（c）]。

为了研究青砖的风化现状并筛选适宜的保护材料，课题组在罗圈堡遗址采集青砖试样，并制成直径为50 mm、高度50mm的圆柱体试件，如图2所示。

试样的XRD衍射图谱见图3，FT-IR吸收光谱见图4，TG-DSC曲线见图5。

由图3可见，试样的主要组成为石英、方解石和高岭石。由图4分析可知，波数472 cm-1的特征吸收峰对应Si—O基团，波数874、1429cm-1的特征吸收峰对应O—C—O基团，波数3409 cm-1的特征吸收峰对应—OH基团，说明试样中存在SiO2、CaCO3、Ca（OH）2等组分，与XRD分析结果基本一致。由图5分析可知，试样在100～550℃区间的质量损失主要是由于结合水的消失，而在550～800℃区间的质量损失主要是由于CaCO3的分解，该相变温度点位于DSC曲线657℃处。

1.2 试验材料

筛选正硅酸乙酯（TEOS）、异丁基三乙氧基硅烷（IBTS）和正硅酸乙酯/异丁基三乙氧基硅烷复合乳液（T/I）作为研究对象，通过干湿循环试验评价3种防水材料对明长城青砖的保护效果。正硅酸乙酯和异丁基三乙氧基硅烷均为市售产品，上海阿拉丁试剂公司；十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和聚乙二醇2000（PEG2000）均为分析纯，成都科龙化工试剂公司。正硅酸乙酯/异丁基三乙氧基硅烷复合乳液（T/I）按照图6所示流程制备：首先将一定量的IBTS和CTAB混合，以500 r/min低速搅拌10 min；然后加入一定量PEG2000和去离子水，并使用高剪切乳化机在加热条件下乳化10 min；最后向乳液中加入TEOS，低速搅拌120 min，最终得到T/I复合乳液。

1.3 试验方法

将加工制备的青砖试样放入105℃干燥箱中烘干24 h，然后取出冷却至室温后，分别涂覆3种防水材料，每种材料均在试样表面涂覆3遍，保证保护层的致密性。涂覆24 h后开始进行干湿循环试验，将涂覆完毕的试样置于105℃干燥箱中干燥24 h，此为1个干循环，然后置于水箱中浸泡24 h，此为1个湿循环，1个干湿循环共需48 h。每个循环结束后，对试样的吸水率和超声波纵波波速进行测试，在0、10、20次循环结束后，对试样的毛细吸水量进行测试，全部循环结束后，分别对循环前后力学性能进行对比分析，研究和评价3种防水材料的防水效果。

1.4 试验设备

万能力学试验机：CXYAW-300S型，浙江辰鑫机械设备有限公司；超声波检测仪：RSM-SY5（T）型，武汉中科智创岩土技术有限公司；X射线衍射仪：D/MAX-2400型，日本理学公司；扫描电子显微镜：S-4800型，日本日立公司；傅里叶变换红外光谱仪：Tensor 27型，德国BRUKER公司；高剪切乳化机：FLUKO FA25型，德国弗鲁克公司；接触角分析仪：SL150型，美国科诺工业有限公司；热分析仪：DSC-1/700型，瑞士梅特勒-托利多公司。

2 试验结果与讨论

2.1 接触角的变化（见图7）

青砖由于毛细孔品表面张力的作用，会将外部水分吸入内部，当接触角大于90°时，试样被认为具有憎水性。由图7可知，未经过任何处理的试样接触角为42.1°，不具有憎水性；经过TEOS、IBTS、T/I复合乳液处理后，试样的接触角分别为105.3°、118.5°、145.3°，均大于90°，说明涂覆防水材料后青砖试样均呈现憎水性，且经T/I复合乳液处理后的试样憎水性最强。

2.2 超声波纵波波速的变化（见图8）

超声波纵波波速Vp可以反映试样内部的完整程度，Vp越高说明试样的内部越致密，反之，越疏松。由图8可知，空白组的Vp初始值为1250 m/s，涂覆防水材料TEOS、IBTS和T/I复合乳液后，试样的Vp初始值变化较小，分别为1250、1260、1255 m/s，说明涂覆防水材料对试样的初始Vp影响较小。随着干湿循环次数增加，4组试样的Vp均呈现下降趋势，20次循环后，空白组试样的Vp由1250 m/s降至920 m/s，降幅为26.4%，涂覆TEOS、IBTS和T/I复合乳液的试样Vp分别为1035、1100、1145 m/s，降幅分别为17.21%、12.02%、8.83%。通过上述变化曲线分析可知，涂覆防水材料能有效保护青砖内部结构不被损害，从而提高青砖的耐久性。同时结果表明，4组试样循环次数与Vp存在负相关关系，服从二次指数分布，相关系数R2均大于0.92，显示干湿循环作用下，青砖的Vp与干湿循环次数存在对应量化关系。

2.3 吸水率的变化（见图9）

由图9可知，空白组、TEOS、IBTS和T/I乳液处理试样的初始吸水率分别为17.93%、11.51%、5.18%、1.51%，说明涂覆防水材料后，青砖试样表面具有一定的憎水性。经过干湿循环作用后，4组试样的吸水率出现不同程度的上升现象，20次循环后，空白组、TEOS、IBTS和T/I乳液处理试样的吸水率分别为18.87%、13.65%、6.67%、1.98%，说明干湿循环作用下，涂覆在试样表面的防水材料出现了一定缺陷，从而导致憎水效果降低。4组试样的吸水率与循环次数均存在正相关关系，服从二次指数分布，除空白组之外，3组试样的相关系数R2均大于0.92，具有良好的对应关系。

2.4 表面吸水量的变化

卡斯腾量瓶法（Karsten tube）是最早在欧洲使用的一种测试岩石表面吸水量的方法，可用于定量、半定量地检测材料在一定压力下的毛细吸水能力和憎水能力，能够直观地反映材料表面的保存现状及在保护处理前后吸水能力的变化[9-10]。不同防水材料处理后试样表面吸水量随循环作用次数的变化见图10。

由图10可知，涂覆防水材料的试样，表面吸水率显著降低，降低幅度T/I复合乳液＞IBTS＞TEOS；随着循环次数增加，试样的表面吸水率出现不同程度的上升趋势，而T/I复合乳液处理的试样表面吸水率仍处于较低水平。

岩石材料的毛细吸水系数ω被定义为单位面积单位时间材料的吸水量。应选取前一个直线段进行计算，其等于材料单位面积吸水量除以时间平方根即：

式中：ω——毛细吸水系数，kg/（m2·h1/2）；

W——单位面积的吸水量，kg/m2；

t——时间，h。

按式（1）对各组试样的毛细吸水系数进行计算，结果见表1。

表1 试样的毛细吸水系数

由表1可见，对照文献[9]中的标准，T/I复合乳液处理的试样处于厌水级别，且经过20次干湿循环后，表面防水效果仍然为厌水级别。

2.5 循环前后力学性能的变化（见表2）

表2 循环前后试样的抗压强度和劈裂抗拉强度

由表2可知，青砖试样的原始抗压强度和劈裂抗拉强度分别为10.11、1.34 MPa，涂覆防水材料后，试样的强度变化较小；经过20次干湿循环后，4组试样的抗压强度均出现了不同程度的下降，空白组、TEOS、IBTS和T/I复合乳液处理试样的抗压强度分别为9.12、9.22、9.43、9.65 MPa，降幅分别为9.91%、8.00%、8.74%、7.69%；20次循环后，试样的劈裂抗拉强度分别为1.10、1.20、1.25、1.30 MPa，降幅分别为17.91%、13.04%、10.71%、10.34%。上述结果表明，涂覆防水材料后，能够有效降低干湿循环作用对青砖的损伤，试样的力学性能降幅较小；3种防水材料的中T/I复合乳液的保护效果最显著。