鼓浪屿历史建筑混凝土构件劣化现状及原因分析

胡红梅，朱 杰，刘 涛，石建光，谢益人

(1.厦门大学建筑与土木工程学院，福建 厦门 361005；2.厦门合立道工程设计集团股份有限公司，福建 厦门 361005)

随着鼓浪屿申遗的成功，鼓浪屿历史建筑的保护成为遗产保护的重点.美誉加身和申遗成功使得这座古老岛屿历史建筑的保护及修缮加固工作得到了越来越多的关注[1-2].鼓浪屿遗产体系包括53个文化遗产核心要素、154 处各级文物保护单位、931幢历史建筑.其中70%左右的建筑是20世纪初至20世纪30年代建造的，多为砖石、砖混、砖木结构体系，木屋盖比较多[3-4].这些建筑大多经历了百年风雨，随处可见开裂、漏水、倾斜、锈蚀等现象，安全性和适用性堪忧，急需修缮加固.

本文选取4栋具有代表性的鼓浪屿历史建筑，以这些历史建筑的混凝土楼板及其与之相连的阳台、挑檐等关键水平受力构件作为研究对象，通过现场观测与取样分析，研究、分析混凝土受力构件劣化的现状，从混凝土的原材料、配合比设计、施工质量和外部环境条件等多个角度深入探讨劣化的原因，以期为鼓浪屿历史建筑混凝土构件的修缮加固提供科学依据.

1 鼓浪屿历史建筑混凝土构件劣化现状

根据鼓浪屿管委会2019年12月发布的《关于督促对鼓浪屿上的房屋进行安全治理的通知》，实地调研了该通知所列出的C级危房和D级危房.调研发现，鼓浪屿全岛亟待修缮的历史建筑多集中在岛内东南方向，且房屋建造年代多集中于20世纪初至20世纪30年代，距今已有近100年的历史.为了保证调研取样的科学性和代表性，选取鼓浪屿上的鹿礁路99号、福州路35号、福建路44号及复兴路82号4处有代表性的历史建筑作为取样点，它们分别位于鼓浪屿的东侧和东南侧，如图1所示.

图1 取样点分布Fig.1 Sampling point distribution

鹿礁路99号位于鼓浪屿东南侧且距海边较近，如图2(a)所示.该别墅建成于1930年，主体采用砖混结构，屋顶为木架构，建筑外墙采用在鼓浪屿上独具特色的水泥拉毛饰面及清水红砖的混搭模式[5].图2(b)显示二楼东侧外挑阳台破坏严重，混凝土保护层开裂、完全脱落，钢筋裸露且严重锈蚀变形.图2(c)看出二楼西侧房间楼板渗水严重，局部混凝土保护层脱落，钢筋裸露且锈蚀严重.这些暴露在外的混凝土强度严重不足，用手轻轻一掰便会脱落，粉化严重.

图2 鹿礁路99号建筑外观及混凝土构件劣化现状Fig.2 Degradation status of appearance and concrete components of No.99 Lujiao Road building

图3 福州路35号建筑外观及混凝土构件劣化现状Fig.3 Degradation status of concrete components of No. 35 Fujian Road building

图3(a)所示的福州路35号位于鼓浪屿东侧，约于1930年建成，其主体结构形式为混合结构，楼(屋)盖均采用现浇钢筋混凝土，三层为简易搭盖构成.由图3(b)和(c)可知，二层楼梯板和北侧房间主梁的混凝土保护层因钢筋锈蚀而局部脱落、露筋.现场测量发现，主梁构件混凝土有效截面削弱达15%以上；混凝土板钢筋锈蚀严重，部分钢筋已锈断.露筋处的混凝土用手即可掰下，放在手里轻捻即成粉末状.

福建路44号位于鼓浪屿东南侧，图4(a)显示该栋建筑物的修缮加固正在进行，地上散落着一层楼板脱落的混凝土碎块.图4(b)为一层走廊混凝土楼板脱落形成的破坏面，从中看出粗骨料中掺杂着部分红砖碎块，砂浆较少且酥化严重，强度很低，稍微用点力气附着其间的石子便可取下,两根锈蚀的钢筋乱向分布其间.

图4 福建路44号建筑局部立面及混凝土构件劣化现状Fig.4 Degradation status of partial facade and concrete components of No.44 Fujian Road building

复兴路82号位于鼓浪屿东南侧，为私人宅院.图5(a)可见大门处挑檐板因长期雨水浸蚀回潮而发霉变黑，出现混凝土保护层脱落、钢筋锈蚀外露的现象.且因施工不规范，钢筋不合理地配在板底，未起到抗拉作用.图5(b)显示，一层楼板严重渗水，混凝土大面积变色和脱落，钢筋裸露且锈蚀严重.和福建路44号一样，该建筑挑檐板和楼板混凝土中也发现了多处红砖的掺杂.图5(c)显示一层走廊钢筋混凝土柱由于长期承载已经严重变形并呈一定角度的倾斜，右侧混凝土因偏心受压出现宏观裂缝，左侧混凝土保护层局部脱落.

图5 复兴路82号建筑混凝土构件劣化现状Fig.5 Degradation status of concrete components in No.82 Fuxing Road building

历史建筑混凝土构件在漫长的使用过程中，实际强度已经发生了较大变化，因此测定混凝土构件实际强度是进行修复加固的前提[6].为了最大限度减少对历史建筑的破坏，本文采用非破损检测法，利用回弹仪在相对完整的混凝土构件表面分区进行了现场检测.因受检构件龄期已超过1 000 d，依据GB 50292—2015《民用建筑可靠性鉴定标准》附录K的规定，对混凝土回弹值进行修正，检测结果见表1.表1显示4栋历史建筑的混凝土梁、板、柱构件推定强度均在C10以下.

表1 鼓浪屿历史建筑混凝土构件推定抗压强度Tab.1 Measured compressive strength of concrete components of historic buildings in Kulangsu

董运宏等[7]研究发现，民国建筑混凝土构件保护层厚度常见为29 mm左右；另有多项研究表明，此类百年混凝土构件的碳化深度一般都在35～50 mm之间，很多构件的碳化深度已接近甚至超过保护层厚度[8-10].回弹仪是根据弹性物质回弹值的大小与表面硬度有关原理设计的，由于表层CaCO3晶体硬度较大，会使得测试结果可能偏大[11]，因此这些构件的实际强度可能更低.

2 劣化混凝土的物相成分、碳化程度和形貌分析

图6 1M#～4M#砂浆XRD图谱Fig.6 XRD spectra of mortar 1M#-4M#

将鹿礁路99号、福州路35号、福建路44号、复兴路82号的混凝土样品依次编号为1#、2#、3#、4#，经破碎后从中取出1 cm×1 cm×1 cm左右的块体，块体断面不作任何处理，放入烘箱中烘干至恒量，采用台式扫描电子显微镜进行微观观测.为了探明劣化混凝土的物相组成，分别从4个混凝土样品中取出部分砂浆，依次编号为1M#、2M#、3M#、4M#，采用D8-ADVANCE型多晶X射线衍射(XRD)仪进行物相分析.测试前，将砂浆样品用玛瑙研钵研磨成通过320目筛的粉末干燥待用.为了探明劣化混凝土的碳化程度，采用热重分析仪对样品进行热重分析，采用固液萃取法测定劣化混凝土样品的pH值[12].

2.1 物相成分分析

1M#、2M#、3M#、4M#砂浆样品的XRD图谱如图6(a)～(d)所示.

图6(a)显示，1M#样品中出现了多种成分的特征峰.在衍射角(2θ)=20.9°，26.8°，36.7°，39.6°，40.5°，42.6°，45.9°，50.3°，54.8°，60.1°，67.9°，75.8°等处出现SiO2的特征峰，且特征峰的面积最大时峰强最高；在2θ=13.8°，28.1°处出现钠长石(NaSi3AlO8)的特征峰，2θ=13.8°，27.6°处出现钾长石(KAlSi3O8)的特征峰；CaCO3的特征峰出现在2θ=23.5°，29.5°，36.1°，43.3°，47.6°，48.6°，57.5°，60.9°等处，特征峰的面积较大，峰型较尖，峰强较高，显示CaCO3的含量较高；CaSO4·2H2O特征峰出现在2θ=23.4°，28.1°，43.3°，50.3°，55.2°等处，特征峰的面积较小；水化硅酸钙(C-S-H)的特征峰出现在2θ=25.7°，27.3°，30.3°处，特征峰面积较小，呈馒头峰型；高硫型水化硫铝酸钙(Aft)的特征峰出现在2θ=24.2°，40.4°，42.6°，50.4°处，特征峰面积小；Ca(OH)2的特征峰仅在50.8° 处出现，特征峰的面积最小，说明大部分Ca(OH)2已被转化或分解.

图6(b)显示，除了SiO2和KAlSi3O8、NaSi3AlO8的特征峰，2M#样品在2θ=23.5°，29.5°，36.1°，39.1°，43.3°，47.6°等处出现CaCO3的特征峰，在23.4°，28.1°，50.3°，55.2°出现CaSO4·2H2O的特征峰，在2θ=14.4°，25.7°，27.3°，30.3°，49.8°处出现C-S-H的特征峰，在2θ=28.6°，50.8°处出现Ca(OH)2的特征峰.与1M# 样品相比，2M#样品中未出现Aft的衍射峰，SiO2和CaCO3特征峰的分布和强度较为一致，Ca(OH)2则出现两处特征峰，但特征峰的面积依然最小.

3M#样品的图谱(图6(c))中，除了SiO2和KAlSi3O8、NaSi3AlO8的特征峰，在2θ=23.3°，29.5°，36.1°，43.3°，47.4°，48.6°处为CaCO3的特征峰，2θ=14.4°，24.1°，25.8°，27.2°，31.0°，67.9°处为C-S-H的特征峰，2θ=22.2°，29.6°，36.7°，40.5°处为单硫型水化硫铝酸钙(Afm)的特征峰，2θ=28.6°，50.8°处为Ca(OH)2的特征峰.与1M#、2M#样品对比，3M#样品中C-S-H的弥散峰数量略多，特征峰的面积略大，说明C-S-H的含量相对较多；此外还出现了单硫型水化硫铝酸钙(Afm)的特征峰，但其特征峰的面积很小.

4M#样品的图谱(图6(d))中，除了SiO2和KAlSi3O8、NaSi3AlO8的特征峰，在2θ=23.2°，29.6°，36.1°，43.3°，47.6°，48.7°处为CaCO3的特征峰，2θ=25.8°，27.2°，49.9°处为C-S-H的特征峰，2θ=50.8°处为Ca(OH)2的特征峰.4M#样品和2M#样品的图谱相似，没有出现Aft和Afm的特征峰.

综上所述，除了粗骨料，劣化混凝土中含有SiO2、CaCO3、CaSO4·2H2O、C-S-H、Aft及Afm、Ca(OH)2及KAlSi3O8、NaSi3AlO8等多种成分.其中，SiO2和KAlSi3O8、NaSi3AlO8代表砂子的成分，其余成分均为水泥的水化产物及其变种.较多的CaCO3、较少的C-S-H 及很少的Ca(OH)2说明主要水化产物大部分已被碳化或者转化分解，混凝土的碳化程度高；少量CaSO4·2H2O、Aft及Afm的存在，说明混凝土被硫酸盐腐蚀或酸雨侵蚀.由于1M#样品距离海岸线最近，同时出现了E盐(钙矾石)和G盐(石膏).XRD分析结果和前文所述混凝土酥化、松散、失去胶结能力的宏观现象是一致的.

2.2 碳化程度分析

1) 热重分析

采用磁力球磨机将待测混凝土样品和试块粉碎成比表面积(350～400)m2/kg粉末，在热重分析仪中进行热重分析.温度范围为20～1 000 ℃，加热速率为10 ℃/min，加热气氛为空气，测试结果见图7.

图7 4个混凝土样品的热重分析Fig.7 Thermogravimetric analysis of 4 concrete samples

热重分析显示，4个试样均在800 ℃左右出现了吸热峰，CaCO3出现了明显的质量损失，但是Ca(OH)2及其他水化产物均未出现明显的放热峰.说明经过百年岁月的侵蚀，混凝土中的Ca(OH)2含量近乎为零，碱度已严重降低，混凝土已严重碳化.

2) pH值检测

用天平准确称取待测样品粉末15 g，倒入试验瓶中，以固液比1∶10加入去离子水，充分搅拌震荡均匀后过滤获得清液.采用PH838型pH 计测定滤液的pH值，测定结果1#～4#pH值分别为8.23，8.53，8.68和8.38.

通常情况下，水泥混凝土孔隙液的pH保持在12以上，从而能够保护钢筋不被锈蚀.当混凝土孔隙液的pH值低于11.5时，钢筋开始脱钝并产生锈蚀[12].4个样品孔隙液的pH值均在9以下，同样说明碱度已严重降低，混凝土碳化严重.

由此可见，pH值检测结果和热重分析结果相互印证，得到了和XRD分析结果一致的结论.

2.3 微观形貌分析

图8(a)显示，1#样品中存在板块状CaCO3晶体，其周围环绕着链球菌属细菌，球菌直径在0.5 μm到1 μm 之间.图8(b)～(d)中同时出现针棒状Aft、长柱状CaSO4·2H2O、六方片状Ca(OH)2以及片状CaCO3.图8(b)显示砂浆中有微裂缝，砂子空隙缺乏浆体的填充，只有些许的硬化浆体附着在砂子表面且结构较为疏松.图8(d)中针棒状Aft与长柱状CaSO4·2H2O密集分布，进一步证明了E盐和G盐的存在.

2#样品的SEM图像如图9所示.图9(a)中能够明显看到砂浆内部存在较多孔隙，结构较为松散；图9(b)和(c)中可以清晰看到与1#样品形状不同的杆状细菌；图9(b)能够看到片状或层状堆叠的Ca(OH)2，也观察到了少数六方板块形的Ca(OH)2晶体；图9(d)显示砂子和浆体界面结合连接疏松，浆体中存在较多孔隙，砂子表面仅附着少量的浆体，砂浆表面呈不平整状态.

图10(a)显示3#样品中存在毛球状水化硅酸钙凝胶体、不规则片状Afm、板片状Ca(OH)2以及少量针棒状Aft晶体.相比于1#、2#样品，3#样品中的水化产物稍多一些，尤其发现了C-S-H的存在.图10(b)显示砂子表面附着稍多的水泥浆体，比1#、2#样品的黏结性要好，但结合处依然存在较大孔隙，未能紧密黏接，砂浆内部也存在较多孔隙.

图8 1#样品的微观形貌Fig.8 Microscopic morphology of sample 1#

图9 2#样品的微观形貌Fig.9 Microscopic morphology of sample 2#

图10 3#样品的微观形貌Fig.10 Microscopic morphology of sample 3#

图11(a)显示4#样品砂子和水泥浆体之间黏结松散，存在大量孔隙.和1#、2#样品一样，骨料表面附着的水泥浆体很少.图11(b)看出砂浆结构较为疏松，孔隙率较大，存在大量碎块状CaCO3.

扫描电子显微镜(SEM)观测结果进一步证实，劣化混凝土中存在针棒状Aft、长柱状CaSO4·2H2O、片状CaCO3以及六方片状Ca(OH)2、毛球状C-S-H.除了3#样品之外，难以见到水化硅酸钙凝胶体.值得注意的是，1#和2#样品中还存在不同形态的微生物细菌.劣化混凝土的微观表现为骨料表面仅附着少量水泥浆体，骨料与水泥界面连接疏松，砂浆内部存在较多的孔隙.

3 混凝土构件劣化的原因

3.1 原材料性能存在缺陷

1) 水泥品种单一且用量不足，无法满足海工混凝土要求.

民国时期鼓浪屿历史建筑所用水泥大多为纯硅酸盐水泥，品种单一，且多从东南亚国家进口[13].由于未掺粉煤灰、矿渣等混合材料，水化产物中含有较多容易引起腐蚀的氢氧化钙和水化铝酸钙，所以水泥的抗化学侵蚀性较差，并不适合滨海环境的混凝土工程.此外，水泥依赖进口，价格昂贵，致使水泥用量偏少，胶凝性能不足，从而影响混凝土的强度和耐久性.

2) 对于粗细骨料的质量要求过于简单、粗放，不如现行规范的要求严格.

骨料的各项性能指标直接影响混凝土的施工性能和使用性能，并不是所有的骨料都适用于混凝土.现行砂石规范对于砂石骨料的有害物质含量、颗粒级配及粗细程度、空隙率、粒形及表面特征、吸水性、强度及坚固性等多项指标都有具体而详细的规定[14-15].而民国时期对于骨料的质量要求并不严格，对于砂石的来源亦没有限制.1948年出版的《简明钢骨混凝土术》[16]仅对石子、砂子的粒径和形状有基本规定.砂石来源混杂，质量波动大，同样影响混凝土施工质量.

3.2 混凝土配合比的选择未经科学设计

民国时期的混凝土配合比是基于水泥、砂子、石子和水四元组分设计的，多凭经验而不是依靠科学来设计.有关文献记载，当时的混凝土配合比通常为一份水泥、二份砂子、四份石子，即配合比为1∶2∶4，水灰比通常在0.60～0.70之间，因此混凝土的抗压强度受到限制，多在C10～C20的水平[16].若要提高强度，可用1∶1.5∶3 或1∶1∶2的配合比[17-18].与现行混凝土配合比设计规程[19]相比，民国时期的混凝土配合比设计明显存在两个缺陷：一是对于水胶比、用水量、砂率和浆骨比等重要参数没有明确规定，用水量、水胶比和砂率明显偏高，浆骨比明显偏低，水泥浆体不足以充分填充砂石空隙并包裹砂石表面，致使混凝土孔隙率大，砂石与水泥浆体界面连接松散，因而混凝土的强度偏低，耐久性不足；二是缺少化学外加剂和矿物掺合料两种改性组分，混凝土的技术性能和应用范围受到限制，不能满足特殊环境和特殊工程要求.

3.3 施工条件差和人工操作误差大无法保证施工质量

鼓浪屿四面环海，材料运输不便.由于单体建筑体量小、施工场地狭窄及缺少机械设备，人工拌和、人工浇注成为当时混凝土构件施工常态，施工质量不能保证.对4个混凝土样品进行切片分析，图12显示：1#和4#样品为正常状态，能够看到正常的砂石骨料和水泥浆体；但是2#样品的石子中间夹杂着红砖碎块，3#样品只见砂浆未见石子，包裹砂子的水泥浆体很少，且砂浆已经粉化.4个样品的切片所反映的混凝土宏观结构各不相同，充分印证了上述判断.

图12 4个混凝土样品切片照片Fig.12 Slice photos of 4 concrete samples

3.4 外部环境条件复杂恶劣

相较于现存众多民国历史建筑的上海、南京等地，鼓浪屿民国历史建筑常年处于海风、盐雾、高温、高湿的南方滨海环境，要同时经受氯盐和镁盐对混凝土和钢筋的双重侵蚀，以及碳化、酸雨和微生物侵蚀等多重环境因素的交互作用，环境条件更加复杂恶劣.

1) 海风与盐雾的侵蚀

与淡水相比，海水中含有更多的无机盐类.文献资料表明，我国海水中各种盐类的总含量为2%～3.5%，其中NaCl约占总盐量的78%，其余是MgCl2、MgSO4、KCl等，约占22%[20].这些盐类随着海风、海雾缓慢渗入建筑物，对混凝土构件中的混凝土和钢筋造成双重腐蚀.

混凝土内部不可避免地存在着孔隙，而氯盐是一种极强的电解质，能以离子形态通过孔隙渗透进入混凝土中，不仅提高了氢氧化钙的溶解度，增加对混凝土的“溶解”侵蚀，有时还产生结晶腐蚀.然而，氯盐最主要的破坏作用是对被混凝土包裹的钢筋的腐蚀.氯离子与钢筋直接发生电化学反应，像催化剂一样促使钢筋钝化膜破坏，使钢筋产生锈蚀，是海洋环境中的混凝土结构遇到的最危险的破坏因素[21-22].

杨建森等[23]的研究表明，温度每升高10 ℃，腐蚀反应速度增加1倍，同时高温可大大缩短钢筋脱钝的时间，如30 ℃比10 ℃时缩短66%，加速了腐蚀的破坏进程.根据厦门市气象局的统计数据，厦门市岛内常年平均温度和高温日数(日最高气温≥35 ℃)近10年均呈递增趋势，有助于氯盐侵蚀的发生.

2) 碳化侵蚀

随着人类工业化和城镇化速度的加快，全球气候变暖、碳排放量剧增已是不争的事实.大气中CO2含量升高对混凝土碳化的影响已经到了不容忽视的地步.以厦门市为例，将1875年CO2含量水平作为人类未污染基准，2014年厦门市CO2含量均值为(421.3±17.9)×10-6，CO2含量升高了近50%[24-25].鼓浪屿上的混凝土构件除了要经受海风和盐雾的侵蚀，还要经受由于碳化与水汽渗透的长期联合作用，使混凝土碱性降低，对钢筋的保护作用减弱，这是致使钢筋锈蚀的另一个重要原因.

除了CO2含量，环境湿度是另一个显著影响混凝土碳化速度的因素.大量研究资料表明，当环境相对湿度在50%～75%时，混凝土碳化速率最快.厦门市累年各月平均湿度数据显示，全市仅有3个月平均湿度小于70%，其余9个月平均湿度均在70%以上.这种高湿环境为混凝土碳化起到了推波助澜的作用.此外，鼓浪屿历史建筑因为强度要求不高且水泥用量少，水胶比大，导致混凝土的碱性储备不足，也会使碳化速率加快.

3) 酸雨侵蚀

根据厦门市环保局发布的2019年厦门市环境质量公报，2019年厦门市降水pH范围为3.91～7.17，pH加权平均值为5.29，酸雨发生率为60%.硫酸根离子是厦门市酸雨主要致酸性因子，硝酸根离子比重有逐渐增加的趋势.另外，降水中钠离子和氯离子所占百分比一直较高，这与厦门市靠近海边受海盐粒子的影响较大有关.

4) 微生物侵蚀

在历史建筑的生存环境中，微生物以各种方式而普遍存在，这种情况在南方高温多雨的环境中更为明显.附着在混凝土构件表面的污垢、攀附在混凝土面层的爬藤类植物以及大气中的污染物会不同程度地将微生物带入混凝土中.历史建筑构件混凝土孔隙率和含水量比较高，为藻类等生物的生长提供了有利的环境条件.微小藻类会在混凝土外表面形成污点、污斑，大面积生长会影响历史建筑的外观和颜色，破坏历史建筑的原真性.更为严重的是微生物会改变混凝土内部的酸碱度，使混凝土内部发生化学反应，分解水泥水化产物，使pH值降低，导致混凝土构件强度丧失，产生不可逆的碎裂性破坏[29-31].

4 结 论

1) 鼓浪屿历史建筑混凝土构件使用年限已经超过正常服役年限，均有不同程度的劣化和损伤，迫切需要修缮加固.从宏观上随处可见混凝土保护层开裂、剥落、粉化现象；混凝土强度低，实测回弹推定强度仅在C10以下；且钢筋整体裸露，锈蚀十分严重.

2) 劣化混凝土的微观表现为骨料表面仅附着少量水泥浆体，骨料与水泥界面连接疏松，砂浆内部存在较多的孔隙；样品中含有较多的CaCO3、较少的C-S-H及很少的Ca(OH)2，表明水化产物大部分已被碳化或者转化分解；样品的pH值均小于9，且热重分析仅出现CaCO3的分解峰，未见Ca(OH)2的分解峰，进一步证实混凝土碳化程度严重；少量CaSO4·2H2O、Aft及Afm的存在说明混凝土被硫酸盐腐蚀或酸雨侵蚀；同时，伴生少量的微生物细菌证明存在微生物的侵蚀.

3) 混凝土原材料性能存在缺陷、配合比多凭经验而不是科学设计、施工条件与施工质量较差，以及CO2、海风、盐雾、酸雨、微生物等多重环境介质的交互侵蚀，是共同加剧鼓浪屿历史建筑构件混凝土构件劣化的主要原因.