内蒙古中部隆盛庄古建筑青砖墙体冻害损伤研究

郝贠洪，何丹丹，吴日根，何晓雁

(1.内蒙古工业大学土木工程学院，呼和浩特 010051；2.内蒙古工业大学内蒙古自治区土木工程结构与力学重点实验室， 呼和浩特 010051；3.内蒙古工业大学内蒙古自治区建筑检测鉴定与安全评估工程技术研究中心，呼和浩特 010051)

0 引 言

古建筑是我国传统文化的重要组成部分，习近平总书记对保护传统村落和古建筑,传承中华优秀传统文化作出了系列重要讲话、重要指示批示，研究中国古建筑保护利用已经成为学术界和工程界迫切需要研究解决的科学与工程问题。我国内蒙古地区分布有大量的古建筑，其长期受该地区特有的、复杂的地质地貌和自然环境影响，起承重和围护作用的墙体易出现病害和损伤破坏，造成其承重结构及围护结构有效截面减小，承载力下降，严重影响传统建筑的耐久性和安全性[1-2]。

国内外学者结合理论、试验对古建筑墙体在自然环境下的损伤过程进行了研究，并在古砖原构件的物理性能[3]、病害种类[4]、病害原因[5-6]、检测技术[7-8]及病害修复[9-10]等方面取得了较多进展。但在砖材劣化方面，因青砖是我国特有的建筑材料，国外相关研究几乎不涉及青砖，国内研究主要集中在古建筑青砖墙体的病害成因分析，对青砖的针对性试验研究较少。

针对内蒙古中部隆盛庄古建筑墙体的病害情况进行研究，分析其病害位置及病害种类。通过对青砖进行冻融试验，研究冻融循环后材料质量、抗压强度和表面硬度的变化情况，基于Weibull分布建立损伤方程反映青砖的损伤退化行为。研究成果可为内蒙古中部地区古建筑墙体的防护及耐久性评价提供一定的理论依据。

1 隆盛庄古建筑墙体病害研究

1.1 古建筑墙体病害

隆盛庄位于内蒙古自治区乌兰察布市丰镇市东北部，地处温带大陆季风气候区，在外部环境下该地古建筑墙体多数存在严重的环境侵蚀问题，本次共调研了隆盛庄内43处古建筑。隆盛庄现存古建筑建造年代及比例[11-12]如表1所示。

表1 隆盛庄现存古建筑建造年代及比例Table 1 Existing ancient building age and proportion in Longshengzhuang

图1 隆盛庄古建筑病害类型Fig.1 Disease type of ancient building in Longshengzhuang

隆盛庄调研结果显示该地区建筑结构形式主要为砖木结构，形式保存完整，建筑墙体多为青砖墙体，部分古建筑存在墙体倒塌的情况。整体表现为墙体下部潮湿、裂缝、砖体破损、胶结材料流失，墙顶有植物破坏、裂缝、掉块、砖块破损等现象，具体病害如图1所示。无论是年久失修的古建筑还是新建不久的仿古建筑，都存在墙体底部的病害程度远远大于墙体中部及顶部的问题，同时墙体上部也有不同程度的破损，墙体中部破坏程度较轻。参照白禹等[13]对古城墙古砖的病害分类方法，针对调查的43处建筑存在的病害进行分类，如表2所示。

表2 隆盛庄现存古建筑墙体病害类型及比例Table 2 Types and proportions for the existing ancient building wall in Longshengzhuang

1.2 青砖墙体病害原因分析

青砖是由黏土制坯再经过高温烧制而成，在烧制过程中，产生大量分布不均匀的孔隙，且孔隙尺寸较大[14]，造成孔隙度、吸水率等结构特性下降[15]，易受到外界自然环境的影响而产生不同程度的病害。自然界的风吹日晒、霜打雨淋等现象加上长期荷载作用导致古建筑砖墙普遍存在酥碱、片状剥落等破坏情况，砖墙出现砖材老化、力学性能衰退等现象进而使得青砖劣化加剧，在局部形成集中破坏区域，墙体整体性能降低。

根据内蒙古中部地区的气候特点以及古建筑的病害类型分析，造成古建筑青砖墙体产生诸多病害的原因是古建筑青砖墙体底部受到毛细水上升和自然降水渗入的双重影响，加之冬季昼夜温差大，温度在0 ℃上下浮动，冻融循环作用频繁导致距离地面高度不同的砖墙区域呈现出不同程度的破坏，如图2所示。在距离地面较近的位置，青砖含水率较高，病害相比其他部位更为严重，具体表现为砖材碎裂、粉化酥碱、层状剥落、微生物堆积、胶结材料流失、砖材块状脱落等。在距离地面较高的位置受地面水分影响较小，砖材含水量较低，破坏程度小。但是青砖墙顶部雨雪的聚集、下渗也会造成墙体上部松动、砖体酥化断裂甚至坍塌，部分墙顶还有植物根系破坏。

图2 隆盛庄部分古建筑青砖墙体局部损坏情况Fig.2 Partial damage of the ancient building blue brick wall in Longshengzhuang

严寒环境下，材料内部孔隙含水且外部温度低于0 ℃时，水转变为冰且体积膨胀9%，在砖体内产生较大的侧压力，孔隙在侧压力的作用下开裂。青砖中的水分最先聚集在尺寸最小的孔隙中，且孔隙越小，水结冰的温度也就越低。即在冻融环境下，微孔隙的开口部位先结冰，并将液态水封闭在微孔隙中。随着温度的降低，孔隙从开口处向内部逐渐结冰，微孔隙中的水无处释放，便会将大部分侧压力施加在孔隙内壁。当侧压力大于微孔隙的极限抗拉强度时，微孔隙开裂。在长期冻融循环作用下，青砖砖墙发生碎裂、粉化酥碱、剥落等现象。因此，通过冻融试验研究青砖材料劣化规律是解决古建筑青砖墙体的保护和维护问题的关键。

2 实 验

2.1 试验材料

古建筑青砖材料难以获取，在不损害古建筑的前提下，选用试验材料要尽可能地接近古青砖材料，本试验采用内蒙古呼和浩特鸿宇古建出售的青砖。该青砖是用纯黏土按照古青砖的传统生产工艺进行制作，保证了试验材料和古青砖在原材料及制作工艺上的高度相似性，具有可替代性[16]。依据《文物建筑维修基本材料 青砖》(WW/T 0049—2014)进行冻融试验，每组5个相同试块。利用切割机切割青砖并依次分别使用320 μm、600 μm、800 μm、1 000 μm、1 200 μm、1 500 μm和2 000 μm的砂纸打磨光滑，制作尺寸为50 mm×50 mm×50 mm立方体青砖试样。

2.2 试验方法

依据《文物建筑维修基本材料 青砖》(WW/T 0049—2014)进行冻融试验，青砖试样先放在10～20 ℃的水中浸泡24 h，用湿布擦去表面水分后放入模拟自然环境下工程材料耐久性损伤试验系统中进行冻融试验，每个试样放置间隔大于20 mm。在-15～-20 ℃冻融箱中冻结3 h，然后放入10～20 ℃水中融化2 h，此过程为一个循环。冻融循环设置有0次、5次、10次、15次、20次、25次、30次、35次、40次、45次和50次，每5次冻融循环测一次开孔孔隙率(通过失重法测开孔孔隙率)、质量、抗压强度和表面维氏硬度，测试前置于(105±5) ℃电热鼓风恒温干燥箱中干燥至恒重。

3 结果与讨论

3.1 外观变化、开孔孔隙率和质量损失分析

经历冻融循环次数较少时，青砖试样的表面均未出现明显的裂缝和剥落现象。冻融循环次数达到20次时，青砖试样表面出现粉化，边角处有轻微脱落现象并开始出现裂缝。从30次冻融循环后，表面劣化程度开始大范围的向内部延伸，脱落范围增大。随着冻融循环次数的增加，损伤逐渐累积，青砖表面裂缝逐渐形成，贯穿整个试样的大裂缝，导致材料表面块状剥落，青砖外观变化规律如图3所示。

图3 不同冻融循环次数下青砖试样损伤形貌Fig.3 Damage morphologies of blue brick specimen under different freeze-thaw cycles

表3为冻融循环作用下青砖试样的开孔孔隙率变化，可以看出随冻融次数的增加，青砖试样开孔孔隙率逐渐增大，开孔孔隙率增量也呈逐渐增大的趋势。其中，开孔孔隙率环比增长率在30次冻融循环内保持在较小值，在冻融循环次数为30～35次时突然增大，此后又保持在相对稳定的值域内。

表3 冻融循环作用下青砖试样的开孔孔隙率变化Table 3 Changes of open porosity of blue brick specimen under freeze-thaw cycles

青砖试样质量采用量程为300 g、精度为0.001 g的电子天平称量。图4为青砖试样质量损失量与冻融循环次数的关系图，从图中可以看出，随着冻融次数的增加，青砖材料的质量损失量呈逐渐增大趋势。每5次冻融循环作用下的质量损失量环比增长率均大于0，冻融循环次数为30～35次时质量损失量环比增长率比其他区段的5次冻融循环作用下的质量损失量环比增长率大，这是由于在30次冻融循环后青砖试样裂缝开始大范围扩展，材料表面有块状脱落，30～35次区段质量损失量环比增长率激增。在30次冻融循环前，青砖试样的质量损失量基本保持在每5次冻融循环损失0.10～0.15 g；30次冻融循环后，青砖表皮有部分面积脱落，其质量大幅度降低。

3.2 抗压强度

图4 不同冻融次数下青砖试样质量损失Fig.4 Weight loss of blue brick specimen under different freeze-thaw times

按照《文物建筑维修基本材料 青砖》(WW/T 0049—2014)，试验利用60 t压力机对青砖材料立方体试样进行抗压强度的力学测试，试验过程中压缩荷载的加载速度为10～30 kN/s。共进行11组力学试验，每组5个立方体试样，以每组试样的抗压强度平均值作为试验结果，得到不同冻融循环次数下的抗压强度值。对于形变明显的青砖试样的抗压强度进行如下修正：

(1)

式中：σs为青砖试样的实际抗压强度，MPa；σ为按未形变面积测得青砖试样的抗压强度，MPa；As为青砖试样的实际受压面积，mm2；A为按未形变面积测得青砖试样的受压面积，mm2。

青砖试样的抗压强度是其力学性能指标中最重要的指标之一。在抗压强度试验中，青砖试样的形态均为从上至下贯穿的大裂缝，从侧面破裂成近似棱柱体的块状，破坏形态如图5所示。图6为青砖试样抗压强度与冻融循环次数的变化关系图，抗压强度随冻融次数的增加出现明显的降低，通过对抗压强度下降率进行数值计算，可以看出20次冻融循环之前，试样抗压强度环比下降率较小，20次冻融循环以后，抗压强度环比下降率偏大。冻融循环次数为20～25次时青砖试样抗压强度环比下降率最大，因为从20次冻融循环开始试样产生小裂缝，这些裂缝的产生对抗压强度的影响很大，导致抗压强度环比下降率猛增。未冻融的青砖试样抗压强度为21.04 MPa，经过50次冻融循环后，其抗压强度下降为初始抗压强度的57.41%。在冻融循环作用下，试样内部孔隙结构冰晶体产生的膨胀力以及内外部温度差产生的温度应力的作用产生了变化，青砖试样内部原有孔隙变大，产生新的裂缝，随着冻融次数的增加，其微裂缝会不断增多并形成多条贯通裂缝，导致试样的抗压强度逐渐降低。

图5 青砖试样受压试验破坏形态Fig.5 Damage form of blue brick specimen under compression test

图6 不同冻融循环次数下青砖试样抗压强度Fig.6 Compressive strength of blue brick specimen under different freeze-thaw cycles

3.3 显微表面硬度

采用维氏表面硬度计HV-1000分别测量不同冻融循环次数下的表面维氏硬度值。测试前把试样放入(105±5) ℃电热鼓风恒温干燥箱中干燥至恒重，每个试样六个面打磨光滑。每个面取6个点进行测量，取平均值作为最终结果。试验加载力为0.2～0.3 kg，将压头压入青砖试样表面10 s后自动卸载，在40倍放大镜下观测正四棱锥的压痕，测定菱形两条对角线长度，维氏表面硬度按式(2)计算。

(2)

式中：P为试验加载力，kg；d1、d2为菱形压痕两条对角线长度，mm；θ为金刚石正四棱锥体压头两相对面间夹角，θ=136°；HV为表面维氏硬度，MPa。

图7为未冻融与35次冻融下青砖试样测点表面硬度压痕。从图7可以看出在相同加载力下，35次冻融循环下的青砖试样表面维氏硬度菱形压痕面积要明显比未冻融的试样大，说明冻融环境导致青砖表面维氏硬度降低。这是因为冻融环境导致材料孔隙率增大，孔隙率影响材料结构疏松程度，孔隙率越大，青砖表面结构也愈疏松，继而在同样的加载力情况下，受冻融循环次数越多的青砖试样表面压痕面积越大。

图7 未冻融与35次冻融下青砖试样测点表面硬度压痕Fig.7 Surface hardness indentation of test point of blue brick specimen under 0 times and 35 times different freeze-thaw cycles

图8 不同冻融循环次数下青砖试样表面维氏硬度Fig.8 Surface Vickers hardness of blue brick specimen under freeze-thaw cycles

图8所示为冻融循环作用下青砖试样表面维氏硬度的变化规律。根据试验结果可知，表面维氏硬度随冻融次数的增加呈逐渐下降趋势，但其下降趋势并不完全表现出线性变化。30次冻融循环之前，其表面维氏硬度环比下降率均低于10%，冻融30次后，其表面维氏硬度环比下降率均高于10%，说明冻融后期表面维氏硬度下降速率高于前期。30次冻融循环后青砖试样表面维氏硬度环比下降率突增，40次冻融循环时到达峰值。硬度与材料的致密度有关，孔隙率越高致密度越低，硬度也随之降低，结合表3可知在40次冻融循环时开孔孔隙率环比增长率最大，这是引起表面维氏硬度环比下降率出现峰值的重要原因。未冻融时青砖表面维氏硬度为123.6 MPa，冻融30次时青砖试样表面维氏硬度降低到初始表面维氏硬度71.5%；50次冻融循环后，青砖试样表面维氏硬度迅速降低到初始表面硬度的22.4%。

3.4 冻融循环后的损伤度

根据前期对冻融循环后青砖材料的质量、抗压强度及维氏表面硬度测试的试验结果，可分别把冻融环境下青砖试样的损伤度D定义为：

(3)

式中：DM、Dσ、DH分别为青砖材料的质量、抗压强度及维氏表面硬度在损伤前后的损伤度；M0、MN分别为青砖材料在损伤前后的质量；σ0、σN分别为青砖材料在损伤前后的抗压强度；H0、HN分别为青砖材料在损伤前后的表面维氏硬度。

依据式(3)分别对青砖材料的质量、抗压强度及维氏表面硬度的损伤度进行数值计算，分析相同冻融循环作用下对三个不同测试指标损伤度的影响。计算结果如图9所示，随着冻融次数的增加，三种不同指标的损伤度均呈显著增加的状态，且趋势保持相对同一性；相同的冻融环境对青砖材料的质量、抗压强度、表面硬度造成的损伤程度各不相同。其中，青砖材料经历过50次冻融循环后，质量、抗压强度和表面硬度的损伤度分别可达0.9%、42.6%、77.6%，表面硬度损伤度均大于其他两个指标的损伤度，质量的损伤度最小。在相同的冻融循环次数下，青砖表面硬度受冻害影响最大，其次为抗压强度，质量受冻融环境的影响最小。

图9 青砖在冻融环境下的质量、抗压强度和维氏硬度的损伤度变化Fig.9 Damage degree changes in mass, compressive strength and Vickers hardness of blue brick under freeze-thaw cycles

4 冻融环境下青砖材料损伤概率模型

4.1 模型的选用

受限于原材料及制作工艺，青砖内部随机分布有大量孔隙及裂纹，导致试样在冻融作用下表现出较强的随机性。经过多次冻融循环后，缺陷附近出现损伤,进而不断地积累,导致疲劳裂纹的扩展、贯通而最终破坏。基于Weibull的概率分布函数具有易积分、均值大于0、取值范围大于0等特点，满足青砖受冻融破坏统计特征。因此，本文假定冻融循环作用下的青砖微元体质量损失、抗压强度和表面硬度分别服从Weibull分布函数，故引入Weibull分布的概率密度函数f(N)和概率分布函数F(N)[17-18]：

(4)

(5)

式中：N为冻融次数；参数N0为比例参数，决定概率密度函数在横坐标上的横向跨度；m>0，N0>0，N>0，参数m为形状参数，影响概率密度函数形状，即参数m决定Weibull分布更接近哪种分布。

4.2 模型验证

由青砖材料损失失效的过程[19]可知：

P(N)=D(N)=F(N)

(6)

式中：P(N)青砖失效概率;D(N)为冻融后青砖的损伤度;F(N)为冻融后青砖的概率分布函数。对式(4)进行数学变换，并取两次对数后得到:

(7)

y=mx+b

(8)

按照上面的方法，选用最小二乘法对式中的m、b进行计算，计算结果如表4所示。由表4可知，拟合得到的线性相关系数R2值均大于0.95，说明y与x之间线性相关性较好，即冻融作用下青砖材料的损伤符合Weibull分布，线性回归结果如图10所示。关于质量、抗压强度以及表面强度的Weibull分布损伤函数的m值相差不大，在1.15～1.36之间，N0值相差很大，质量损伤量分布函数的N0值是表面硬度损伤量分布函数中N0值的68倍。

表4 冻融循环作用下青砖材料Weibull损伤线性回归结果Table 4 Damage linear regression results of blue brick material Weibull distribution under freeze-thaw cycles

图10 冻融循环作用下青砖损伤线性回归图Fig.10 Blue brick damage linear regression under freeze-thaw cycles

采用同一批青砖试样在相同的冻融循环次数下测得质量损失、抗压强度和表面硬度的试验值,三者数值的变化均是由冻融循环作用导致，所以冻融循环作用下青砖材料关于质量、抗压强度和表面硬度Weibull分布的形状参数m相近，与表4的计算结果一致。基于试验得到三组参数值，抗压强度组R2达到最大值0.984 33，与试验结果最吻合，故取m=1.352 49作为三组中固定的参数值进行修正，重新计算得到质量、抗压强度和表面硬度三组Weibull的参数值，如表5所示。在m值相等的情况下，N0值越小表示相同冻融循环作用下该指标的损伤程度越小,与试验结果一致。修正参数后，每组的R2都在0.91以上，模型数据与试验结果吻合，说明所建模型的修正方法用在青砖材料的冻融循环试验上的准确性和可行性，可为古建筑青砖墙体的防护及耐久性评价提供一定的理论依据。

表5 冻融循环作用下青砖材料Weibull分布损伤参数修正后线性回归结果Table 5 Linear regression results of Weibull distribution damage parameter correction under freeze-thaw cycles

5 结 论

(1)对内蒙古中部地区文化名镇隆盛庄的43处古建筑墙体病害调查，发现该地古建筑墙体存在较为严重的病害，不同的部位的墙体病害程度各不相同，病害程度从大到小排序为：距离地面较近的部位>墙体顶部>墙体中部。结合当地的自然环境以及病害发生的位置和病害特点，分析该地出现病害的主要原因是冻融循环的作用。

(2)通过对立方体青砖试样进行冻融试验，发现青砖试样经过冻融循环作用外观劣化现象非常明显。劣化开始于材料的边角处，边角处首先出现剥落。随着冻融循环次数增加，表面逐渐出现剥落、粉化和裂缝，并且这种劣化现象越来越显著，逐渐延伸至材料内部，最终产生贯穿整个青砖试样的大裂缝。

(3)对不同冻融循环次数下青砖试样开展质量损失、抗压强度和表面硬度测试，研究试样的质量、抗压强度和表面硬度指标在冻融作用下的变化规律。冻融循环后期的质量、抗压强度和表面硬度的损伤速率明显比前期快，损伤最高可达0.9%、42.6%、77.6%。相同的冻融环境下，青砖材料的表面硬度损伤程度明显比抗压强度和质量损伤程度严重。

(4)基于Weibull分布，分别建立了考虑质量、抗压强度和表面硬度的青砖损伤方程，同时统一了青砖材料Weibull分布损伤模型中形状参数m的值，同时根据青砖试样的冻融试验数据与修正后模型计算所得的理论曲线进行对比，认为该模型能较好地反映出试样的损伤规律，体现出模型的适用性。