李永輝 謝華榮 王建國 李新建 吳錦繡

(東南大學(xué)城市與建筑遺產(chǎn)保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210096)

青磚是中國歷史建筑的重要組成部分.自然環(huán)境下青磚砌體中水分的變化狀況可直接或間接地加速磚砌體的物理、化學(xué)和生物破壞作用，密切影響著磚砌體性能退化的發(fā)展.等溫吸濕曲線是在等溫條件下，根據(jù)不同空氣相對(duì)濕度所測得的材料平衡含濕量繪制而成，是衡量材料在自然環(huán)境中自身水分變化強(qiáng)弱的基礎(chǔ)特性之一.材料的等溫吸濕特性不僅是量化研究磚砌體劣化機(jī)理的基礎(chǔ)，也是研究并獲得中國傳統(tǒng)青磚歷史建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料傳熱過程中有關(guān)特性參數(shù)、傳遞系數(shù)的基礎(chǔ).

目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)一些建筑材料進(jìn)行過類似的實(shí)驗(yàn)研究.在國外，Moropoulou等[1-2]研究了磚、石膏和石頭等建筑材料的等溫吸濕性能.Pavlík 等[3]對(duì)加氣混凝土、輕質(zhì)陶瓷磚和傳統(tǒng)陶瓷磚、某新型相變材料及自主研發(fā)的石灰石膏的等溫吸濕性能進(jìn)行了研究.Lo'pez-Doncel等[4]對(duì)墨西哥中部城市瓜納華托劣化嚴(yán)重的歷史建筑的典型材料進(jìn)行了吸濕性能的實(shí)驗(yàn)研究.歐洲的黏土磚在組成成分及燒結(jié)工藝上與中國傳統(tǒng)青磚有較大差異，其數(shù)據(jù)無法代表中國傳統(tǒng)建筑所用的青磚.國內(nèi)，裴清清等[5]、閆增峰等[6]及李魁山等[7]對(duì)水泥砂漿、石膏板、混凝土、夯土墻、黏土磚、生土磚及EPS保溫材料等材料的等溫吸濕特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比了其等溫吸濕曲線的區(qū)別.但國內(nèi)文獻(xiàn)中沒有對(duì)實(shí)驗(yàn)樣磚的產(chǎn)地、年代及具體的種類進(jìn)行詳細(xì)說明，無法為傳統(tǒng)歷史建筑磚砌體劣化機(jī)理研究提供必要的數(shù)據(jù)支持.

城市優(yōu)秀近現(xiàn)代建筑一般是指從19世紀(jì)中期至20世紀(jì)50年代建設(shè)的，能夠反映城市發(fā)展歷史、具有較高歷史文化價(jià)值的建筑物和構(gòu)筑物.目前，我國大量遺存的傳統(tǒng)歷史建筑多屬于優(yōu)秀的近現(xiàn)代建筑，其建筑中的青磚也以近現(xiàn)代的青磚為主.本文將針對(duì)蘇州吳江地區(qū)歷史建筑，以清末民居的青磚(近代青磚)及20世紀(jì)80年代的青磚(現(xiàn)代青磚)為代表，主要研究蘇州吳江地區(qū)近現(xiàn)代青磚的等溫吸濕特性，對(duì)同批次不同時(shí)期、不同樣品的吸濕特性差異性進(jìn)行比較研究，為中國傳統(tǒng)建筑熱濕耦合分析與建筑遺產(chǎn)保護(hù)提供基本數(shù)據(jù)支持.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

平衡含水率是指材料在一定空氣狀態(tài)(溫度、相對(duì)濕度)下最后達(dá)到的穩(wěn)定含水率，定義式如下:

式中，μ為材料的平衡含水率，kg/kg;m為吸濕后的材料質(zhì)量，kg;m0為干燥后的材料質(zhì)量，kg.

在等溫條件下利用不同的飽和鹽溶液來創(chuàng)造不同的濕度環(huán)境，使青磚在不同環(huán)境中達(dá)到平衡狀態(tài)，并測量出青磚在該濕度狀態(tài)下的平衡含水率.然后，根據(jù)美國FSEC(Florida Solar Energy Centre)建立的常用建筑材料平衡含濕量曲線數(shù)據(jù)庫采用的表達(dá)式[8]對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，得出等溫吸濕曲線.該表達(dá)式如下:

式中，a，b，c，d 為實(shí)驗(yàn)常數(shù);ψ 為相對(duì)濕度.

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

基本實(shí)驗(yàn)裝置為真空干燥皿(見圖1)、光電式精密天平(型號(hào)為 MSE324S-000-DU，精度為0.1 mg)及溫濕度記錄儀(型號(hào)為RTR 53A).在干燥皿中利用不同的飽和鹽溶液獲得不同相對(duì)濕度的環(huán)境，并用溫濕度記錄儀對(duì)干燥皿中的溫度、濕度進(jìn)行監(jiān)控.干燥皿內(nèi)有一帶孔的隔層，將被測試樣置于隔層之上，隔層上下空間通過小孔連通.由于溫度、濕度都是水分遷移的驅(qū)動(dòng)力，為減小溫度對(duì)平衡含濕量的影響，將干燥皿置于溫度為(23±1)℃的環(huán)境空間中，環(huán)境溫度通過自動(dòng)控溫空調(diào)機(jī)實(shí)現(xiàn).

圖1 實(shí)驗(yàn)用真空干燥皿及溫濕度記錄儀

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

依照《建筑材料及制品的濕熱性能:吸濕性能的測定》(GB/T 20312—2006)，測出2種青磚在不同相對(duì)溫度環(huán)境下的樣品的平衡含濕量.為增強(qiáng)青磚試樣的代表性，在蘇州吳江有歷史記載的2處歷史建筑的不同位置上隨機(jī)各取6塊清末青磚和20世紀(jì)80年代青磚(磚的外觀見圖2).為消除同塊磚兩端在環(huán)境影響下老化所帶來的等溫吸濕性能差異，通過切割機(jī)在每塊樣磚的中心部位取出尺寸約為2 cm×1 cm×1 cm、質(zhì)量約為3～5 g的3塊小試塊作為該塊青磚的測試試樣(合計(jì)質(zhì)量約9～15 g).實(shí)驗(yàn)中代表清末青磚的試樣有6組，分別編號(hào)為清末1～6號(hào);代表20世紀(jì)80年代青磚的試樣也有6組，分別編號(hào)為80年代1～6號(hào).將試樣先放在(105±5)℃的烘箱中烘干至完全干燥(前后2次測量質(zhì)量差小于0.1%，則認(rèn)為達(dá)到完全干燥)，用光電式精密天平稱量質(zhì)量后依次置于具有一定相對(duì)濕度的干燥皿中.試塊在干燥皿內(nèi)進(jìn)行濕交換，直到達(dá)到吸濕平衡狀態(tài)(前后2次測量質(zhì)量差小于0.1%)，然后用光電天平稱量其平衡質(zhì)量.5個(gè)干燥皿中用一合水氯化鋰、氯化鎂、硝酸鎂、氯化鈉和硝酸鉀配置飽和鹽溶液，創(chuàng)造出相對(duì)濕度為(7±1)%、(32±1)%、(52±1)%、(72±1)%和(92±1)%的5個(gè)環(huán)境，具體實(shí)測相對(duì)濕度數(shù)據(jù)如表1所示.在配制鹽溶液時(shí)溶劑使用蒸餾水，且干燥皿蓋子密封處涂抹凡士林增強(qiáng)其密封性，確保干燥皿中相對(duì)濕度的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性.

圖2 蘇州吳江青磚實(shí)驗(yàn)試樣

表1 在(23±1)℃環(huán)境下不同飽和鹽溶液所對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖3為蘇州吳江20世紀(jì)80年代1～6號(hào)青磚的等溫吸濕曲線圖.由圖3可看出，在相對(duì)濕度為7% ～92%的范圍內(nèi)，1～6號(hào)青磚的吸濕量變化區(qū)間分別為:0.97 ～ 4.95 g/kg，0.61 ～ 1.33 g/kg，2.19 ～18.65 g/kg，0.87 ～ 2.50 g/kg，1.37 ～ 6.39 g/kg，2.70 ～27.01 g/kg.圖4 為蘇州吳江清末 1 ～6號(hào)青磚的等溫吸濕曲線圖.由圖4可看出，在相對(duì)濕度為7% ～92%的范圍內(nèi)，1～6號(hào)青磚的吸濕量變化區(qū)間分別為:7.68 ～55.27 g/kg，1.54 ～8.60 g/kg，0.94 ～ 8.36 g/kg，1.17 ～ 7.97 g/kg，3.46 ～63.50 g/kg，2.25 ～22.22 g/kg.2 種青磚的吸濕量隨著環(huán)境相對(duì)濕度的增加呈冪指數(shù)增長趨勢.

圖3 蘇州吳江20世紀(jì)80年代青磚等溫吸濕曲線

圖4 蘇州吳江清末時(shí)期青磚等溫吸濕曲線

通過對(duì)比圖3和圖4可看出:對(duì)于青磚的等溫吸濕量而言，20世紀(jì)80年代1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)與5號(hào)青磚之間差異性較小，3號(hào)和6號(hào)青磚的吸濕量明顯大于其他磚，其中6號(hào)青磚的吸濕量最大，在92%時(shí)的吸濕量達(dá)到吸濕量最小的2號(hào)青磚的20.37倍;清末時(shí)期的2號(hào)、3號(hào)與4號(hào)青磚之間差異性較小，1號(hào)、5號(hào)與6號(hào)青磚的吸濕量大于其他號(hào)磚，其中5號(hào)青磚的吸濕量最大，在92%時(shí)的吸濕量是吸濕量最小的4號(hào)青磚的7.97倍.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，由于青磚燒結(jié)過程所產(chǎn)生的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的不同，同地區(qū)同批次的青磚在等溫吸濕特性上表現(xiàn)出了較大的差異性.磚墻體因水分波動(dòng)而產(chǎn)生性能劣化時(shí)，磚塊個(gè)體之間的等溫吸濕特性差異性將影響著磚墻體中同區(qū)域磚材劣化發(fā)生的起始位置和劣化程度.

圖5為蘇州20世紀(jì)80年代與清末時(shí)期青磚試樣的等溫吸濕曲線的平均值對(duì)比圖.在不同相對(duì)濕度下，清末青磚的平衡含濕量在2.84～27.65 g/kg之間，20世紀(jì)80年代青磚的平衡含濕量在1.45～10.14 g/kg之間.從圖5 可看出，在高的相對(duì)濕度環(huán)境下，清末時(shí)期青磚的平衡含濕量約為20世紀(jì)80年代青磚平衡含濕量的3倍以上，同地區(qū)不同時(shí)期的青磚等溫吸濕特性存在明顯的差異.其原因可能是磚材在使用過程中受凍融循環(huán)、結(jié)晶膨脹及風(fēng)化等劣化因素的影響[9-12]，在時(shí)間的作用下除了引起其自身力學(xué)強(qiáng)度的衰減外，對(duì)磚材自身的等溫吸濕特性也造成了明顯影響，年代久遠(yuǎn)的磚材具有更強(qiáng)的吸濕性.

圖5 蘇州吳江20世紀(jì)80年代青磚及清末青磚等溫吸濕曲線平均值與文獻(xiàn)[7]測試結(jié)果的比較

圖5還對(duì)比了本次蘇州吳江青磚實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)[7]中黏土磚的等溫吸濕特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).從圖中可看出，文獻(xiàn)[7]中黏土磚的數(shù)據(jù)與本實(shí)驗(yàn)中的蘇州吳江清末青磚的等溫吸濕曲線接近，但與本實(shí)驗(yàn)中20世紀(jì)80年代青磚有明顯的差異，其數(shù)據(jù)約是20世紀(jì)80年代青磚平衡含濕量的2倍以上.其原因是，磚質(zhì)材料是用土制成土坯后經(jīng)過人工高溫?zé)贫?，燒制過程中因黏土原料、焙燒溫度、制造工藝等因素的不同，將造成不同地區(qū)不同樣磚之間的等溫吸濕特性的差異.因此，從我國傳統(tǒng)建筑劣化機(jī)理研究及歷史建筑節(jié)能改造利用上來看，建議今后的磚材等溫吸濕實(shí)驗(yàn)應(yīng)明確磚材的具體種類、產(chǎn)地及年代等信息來增強(qiáng)磚材實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的代表性和應(yīng)用意義.

另外，本文基于蘇州吳江地區(qū)歷史建筑中隨機(jī)抽取的20世紀(jì)80年代與清末時(shí)期的每組6個(gè)試樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值，給出了蘇州20世紀(jì)80年代與清末時(shí)期的青磚等溫吸濕曲線的擬合公式和相關(guān)系數(shù)，如表2所示.

表2 實(shí)驗(yàn)樣磚的等溫吸濕曲線擬合

3 結(jié)語

磚材在環(huán)境中平衡含水量的多少將影響磚材的凍融循環(huán)強(qiáng)度、風(fēng)化速度、“酥堿”程度以及微生物繁殖速度等磚材劣化主因，即磚材的等溫吸濕特性影響著磚砌體劣化的速度與強(qiáng)度.本文比較了蘇州吳江地區(qū)以清末及20世紀(jì)80年代青磚為代表的近現(xiàn)代青磚的等溫吸濕性能，提出了蘇州吳江地區(qū)20世紀(jì)80年代青磚及清末青磚的等溫吸濕曲線擬合公式.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，同時(shí)期不同樣磚之間等溫吸濕性能存在明顯差異，不同時(shí)期的樣磚之間也存在明顯的差異，在同等環(huán)境濕度下蘇州清末青磚的吸濕量是蘇州20世紀(jì)80年代青磚的3倍以上，青磚在時(shí)間作用下將具有更大的吸濕量.

本文通過實(shí)驗(yàn)研究得出的量化數(shù)據(jù)和曲線，可應(yīng)用到歷史建筑磚墻酥堿程度的量化確定，以便在實(shí)際的保護(hù)維修過程中，更準(zhǔn)確地確定磚砌體的酥堿程度.另外，本文總結(jié)的公式及數(shù)據(jù)為研究中國傳統(tǒng)建筑性能劣化機(jī)理及磚構(gòu)建筑熱濕耦合分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐.

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