＊王楷文 劉斌 楊微

（1.云南大學(xué) 云南 650091 2.山西省運城中學(xué) 山西 044000）

1.研究綜述

吉林大學(xué)馮楠[1]的《潮濕環(huán)境下磚石類文物風(fēng)化機(jī)理與保護(hù)方法研究》，文章對潮濕環(huán)境下磚石文物的主要病害特點做了歸納和分析，并指出潮濕環(huán)境下磚石類文物保護(hù)的方法以及保護(hù)材料的制備，同時對高句麗石質(zhì)文物、大足石質(zhì)文物、西安明城墻等文物做了實地考察，分析其具體的病害機(jī)理并提出保護(hù)措施。其中提到的使用加固劑和封護(hù)劑成功保護(hù)磚石類文物的案例對本實驗有借鑒意義，如1969年使用TEOS保護(hù)伊拉克遺址的風(fēng)化磚，丙烯酸樹脂對伊拉克遺址風(fēng)干磚的保護(hù)。蘭州交通大學(xué)李媛媛[2]的《凍融循環(huán)作用下燒結(jié)磚材料的力學(xué)性能研究》，文章對粘土磚采用快速凍融試驗的方法，測量試樣的外觀變化、質(zhì)量損失、抗壓強(qiáng)度損失、孔隙率變化等數(shù)據(jù)，并建立了燒結(jié)磚在凍融循環(huán)下的損傷演化方程。該文章對本實驗具有重要參考意義，本實驗在此基礎(chǔ)上模擬凍融循環(huán)實驗，并嘗試不同的保護(hù)措施。曹新宇、逯興邦、湯永凈、徐金明[3]的文章《凍融循環(huán)下古磚砌體的受壓破壞研究》對凍融循環(huán)下的古磚砌體的受壓情況進(jìn)行了探究，對經(jīng)歷不同次數(shù)凍融循環(huán)的古磚砌體進(jìn)行軸心抗壓實驗，觀測并分析裂縫寬度，預(yù)測了凍融循環(huán)對古磚砌體產(chǎn)生破壞的次數(shù)臨界點，并指出裂縫寬度根據(jù)受力不同而變化的波動值。

2.燒結(jié)粘土磚的成分

燒結(jié)粘土磚是先將泥土用水調(diào)和，制成泥坯，然后放入窯中于1000℃左右的高溫下燒制而成，高溫使泥坯內(nèi)部顆粒熔化的硅酸鹽黏結(jié)，大大增強(qiáng)了硬度。其主要化學(xué)成分為二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵等，其中粘土含量占15%～35%，三氧化二鋁含量為40%以上，三氧化二鐵含量在2.0%～2.5%之間。粘土在燒制過程中焙燒環(huán)境的不同可以導(dǎo)致其燒成不同類型的磚：若處于窯內(nèi)空氣供給足夠充分、氧氣充足的情況，即氧化氣氛時，磚坯中的鐵元素被氧化成紅色的三氧化二鐵，制成紅磚。若往已燒透的磚坯所在窯內(nèi)不斷淋水，窯內(nèi)空氣將會由于快速形成的水蒸氣而阻止空氣流通，進(jìn)而形成缺氧環(huán)境，即被稱之為還原氛圍，此時三氧化二鐵被還原為青灰色的氧化鐵，最終制成青磚。紅磚與青磚在強(qiáng)度、硬度所差無幾，但是青磚在抗氧化、水蝕、大氣侵蝕等等方面的性能明顯優(yōu)于紅磚的性能。所以在古建筑中多見青磚，在修復(fù)的時候也經(jīng)常用從古代建筑中拆除出來的老青磚，它的目的是修舊如舊，以此來保持古建的原真性，但是舊磚的數(shù)量有限，而人為損壞和自然侵蝕時有發(fā)生，因此如何避免磚材受損就具有研究的必要性。

3.燒結(jié)粘土磚的凍融循環(huán)損傷機(jī)理

自然界中固體的熱脹冷縮和水在冰點時的熱縮冷脹是一種普遍現(xiàn)象，尤其是在固體建材中受此原理影響而導(dǎo)致建材的劣化更為顯著。粘土磚為高溫一次燒成的剛性粘土固體，其原料中的各種微量元素在高溫中一次燒結(jié)成型，其不均勻的多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了其易吸水的特性[4]。燒結(jié)粘土磚表面和所處環(huán)境中的水分在溫度長時間高于0℃以上的環(huán)境中時，水將沿著材料物理結(jié)構(gòu)的孔隙滲透到其內(nèi)部中；粘土磚內(nèi)部儲留的水分在0℃以下的溫度時，又凝結(jié)成冰從而出現(xiàn)膨脹，當(dāng)膨脹應(yīng)力達(dá)到粘土磚結(jié)構(gòu)被破壞的臨界點，燒結(jié)粘土磚則出現(xiàn)劣化。磚內(nèi)水分的凍結(jié)和融化高頻率的交替進(jìn)行時，稱為凍融循環(huán)。凍融循環(huán)作為溫度交替變化的一種直觀形式，可以理解為一種特殊類型的強(qiáng)風(fēng)化，它對固體材料的物理結(jié)構(gòu)性質(zhì)有明顯的影響。凍融循環(huán)的高頻率進(jìn)行，會導(dǎo)致建筑材料的嚴(yán)重劣化。磚材出現(xiàn)片狀剝落和斷裂的情況，輕者會影響建筑的保溫和防水作用，重者則會導(dǎo)致墻體承載力喪失和內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)的損壞，最終失去建筑存在的意義。

4.燒結(jié)粘土磚的抗壓強(qiáng)度檢測

(1)磚的初始抗壓強(qiáng)度測定

①將20塊燒結(jié)粘土磚分為10組，每兩塊用白灰漿粘結(jié)成一個整體，作為一個試樣，靜置5天，使其自然風(fēng)干。

②使用回彈儀測量10組粘土磚的抗壓強(qiáng)度。將回彈儀按照使用規(guī)定提前調(diào)試好，用砂紙將10組粘土轉(zhuǎn)的表面打磨平整，用毛刷刷去粉塵。將10組磚平放，在每組磚的一側(cè)均勻布置取5個彈擊點，并避開磚表面的凹陷，每個點間隔2cm，外側(cè)彈擊點距磚邊緣3cm。使用回彈儀在彈擊點上按壓，按壓時回彈儀處于水平狀態(tài)，其軸線垂直于磚的側(cè)面。

③測量所得每組磚的5個回彈值均取平均值，10組磚的回彈值平均值分別為32.6、32.6、32.8、33.2、32.8、35、33.6、33.6、35.6、33.4。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《砌體工程現(xiàn)場檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50315-2011），燒結(jié)粘土磚的抗壓強(qiáng)度換算公式為：

式中，fi—第i組的抗壓強(qiáng)度換算值（單位：MPa）；

R—彈擊點回彈值（此處為每組5個彈擊點回彈值的平均值）。

將10組磚的平均回彈值代入公式，得出每組磚的抗壓強(qiáng)度分別為7.835、7.835、8.007、8.355、8.007、10、8.709、8.709、10.577、8.531，最后計算出10組磚的平均抗壓強(qiáng)度為fA1=8.66。

(2)凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度檢測

采用上述方法，測得凍融循環(huán)后10組磚的回彈值平均值分別為10.30、10.30、10.35、10.65、9.75、9.90、10.30、9.90、9.85、9.85，將數(shù)據(jù)帶入上述公式，得出每組磚的抗壓強(qiáng)度分別為5.150、5.150、5.175、5.325、4.875、4.950、5.150、4.950、4.925、4.925，最后取10組磚的平均值為fA2=5.06（結(jié)果保留兩位小數(shù)）。

(3)數(shù)據(jù)分析

凍融循環(huán)前10組燒結(jié)粘土磚的平均抗壓強(qiáng)度為fA1=8.66，經(jīng)歷30次凍融循環(huán)后，10組燒結(jié)粘土磚的平均抗壓強(qiáng)度為fA2=5.06，根據(jù)強(qiáng)度損失率計算公式。

得出燒結(jié)粘土磚凍融循環(huán)30次后強(qiáng)度損失率為41.57（結(jié)果保留2位小數(shù)）。實驗顯示，凍融循環(huán)30次后，燒結(jié)粘土磚外觀情況出現(xiàn)較大變化，部分磚材出現(xiàn)開裂、片狀剝落、斷裂、掉塊現(xiàn)象。

5.實例分析——以陜西省韓城市司馬遷祠為例

(1)地理環(huán)境與氣候

司馬遷祠位于陜西省韓城市南十公里芝川鎮(zhèn)東南的山崗上，東西長555m，南北寬229m，面積4.5萬m2。始建于西晉永嘉4年，距今約1700年。清康熙年間有過大規(guī)模修建，修葺明堂，并用磚石砌成九十九級臺階。建國后，國家歷次對其進(jìn)行維修與保護(hù)，增建彰耀寺、三圣廟、禹王廟、河瀆碑、興善寺山門等建筑，1956年成為陜西省省級文物保護(hù)單位，1982年成為國家級文物保護(hù)單位。祠后為蒙古包形狀的磚砌圓形墓。

司馬遷祠所在地韓城處于黃河西岸，關(guān)中盆地東北隅。處于暖溫帶半干旱區(qū)域，屬大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，氣候溫和，光照充足，雨量較多。年平均氣溫13.5℃。平均年降水量559.7mm，無霜期208天，日照2436h。雨季集中于7、8、9月份。春夏季易發(fā)生干旱，夏季陣雨多、強(qiáng)度大，水土流失嚴(yán)重。

(2)司馬遷祠中的磚材損害情況

受暖濕氣流和西伯利亞寒流的交替影響，使得司馬遷祠建筑磚材的凍融循環(huán)始終處于高頻率的狀態(tài)，因此，建筑屋檐下和墻角等易積水部位便成為磚材受損比較嚴(yán)重的地方。

①祠門北側(cè)排水渠道：該處粘土磚出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象?？赡転樗L時間有水流動，磚材遭水浸泡的問題比較嚴(yán)重，水滲入磚內(nèi)在溫度較低時形成凍融循環(huán)，同時水中的微生物也會加快磚材表面的凍融循環(huán)速率，凍融循環(huán)交替進(jìn)行最終導(dǎo)致磚材斷裂。

②獻(xiàn)殿北側(cè)屋檐下磚材和寢宮東大門屋檐下磚材：該處粘土磚出現(xiàn)片狀剝落現(xiàn)象。這兩處粘土磚處于屋檐下，雨雪天氣易形成積水，容易出現(xiàn)凍融循環(huán)現(xiàn)象。同時，屋檐下落的水滴對磚材表面造成沖擊，使磚材表面出現(xiàn)裂縫，增大了水與磚材的接觸面積，從而加速了凍融循環(huán)速率。

③九九臺階上城墻處磚材：該處磚材出現(xiàn)片狀剝落和較大裂痕。該處磚材長期處于受風(fēng)面，韓城靠近黃河，空氣中含水量較大，空氣中的水分與磚材表面長期接觸，易發(fā)生凍融循環(huán)。另外由凍融循環(huán)產(chǎn)生的裂縫長期受到風(fēng)化作用，也是磚材產(chǎn)生片狀剝落的原因。

(3)磚材劣化原因分析歸納

結(jié)合氣候與環(huán)境，歸納出司馬遷祠磚材出現(xiàn)凍融循環(huán)的原因如下：

①空氣含水量大：韓城市靠近黃河，空氣含水量大，此地磚材長期受到風(fēng)吹，自然比其他地區(qū)磚材更易與水分接觸，因而更易形成凍融循環(huán)。

②冬季氣溫在0℃上下徘徊：韓城位于我國的溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，處于溫度帶的交界處，冬季寒冷干燥，日間溫度高于0℃，夜間溫度低于0℃。當(dāng)晝夜溫度在0℃左右時，磚材與冰雪融化產(chǎn)生的水分或空氣中的水分接觸，則出現(xiàn)凍融循環(huán)現(xiàn)象。

③排水設(shè)施不完善：雖然有專用的排水渠，但在屋檐下未設(shè)置排水用的散水，雨雪天氣屋檐下易積水。

(4)對建筑防水的幾點建議

①在建筑易積水部位設(shè)置散水，重點保護(hù)部位可在磚材表面使用封護(hù)材料設(shè)置防水層（針對此點后文設(shè)有實驗進(jìn)行探究），但要注意文物保護(hù)時的修舊如舊原則；

②對已損壞的磚材進(jìn)行替換，防止其對周圍磚材的破壞；

③疏水設(shè)計要足夠完善，地面做到不積水。

6.涂有封護(hù)劑的燒結(jié)粘土磚抗壓強(qiáng)度檢測

(1)實驗步驟

①糯米分為兩組，分別編號為1組A、1組B。

②將糯米灰漿加入蛋清，充分?jǐn)嚢韬笸磕ㄓ?塊新制青磚表面，使其自然陰干。編號為2組。

③取經(jīng)過30次凍融循環(huán)實驗的粘土磚2塊，將其中1塊取出，不涂抹藥品，編號為3組A，留作對比使用。將加入蛋清的糯米灰漿涂抹于另1塊磚材表面，在磚材斷裂處也均勻涂抹，待其自然陰干，編號為3組B。

④取經(jīng)過30次凍融循環(huán)的磚材2塊、未經(jīng)過凍融循環(huán)的新磚2塊，取1塊已經(jīng)過30次凍融循環(huán)的磚材，不涂抹藥品，留待對比使用，編號為4組A。其余磚材上均勻涂抹水性丙烯酸乳液，待其自然陰干。涂有水性丙烯酸乳液的經(jīng)過凍融循環(huán)30次的磚材編號為4組B，涂有水性丙烯酸乳液的未經(jīng)過凍融循環(huán)的新磚分別編號為5組A、5組B。

⑤測量以上9組磚的抗壓強(qiáng)度，并對其進(jìn)行凍融循環(huán)實驗，并測量凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度，計算其抗壓強(qiáng)度損失率。

表1 涂有封護(hù)劑的燒結(jié)黏土磚抗壓強(qiáng)度對比

續(xù)表

(2)數(shù)據(jù)分析

①外觀情況

涂有純糯米灰漿的粘土磚外觀未發(fā)生明顯變化，但觸摸時表面磚材酥化，易產(chǎn)生粉末；涂有含蛋清糯米灰漿的粘土磚邊緣夾角處出現(xiàn)細(xì)小裂紋；以水性丙烯酸乳液作封護(hù)劑的粘土磚，外表未出現(xiàn)變化，只有部分丙烯酸乳液外膜脫落。

②抗壓強(qiáng)度損失率

10次凍融循環(huán)后，含有蛋清添加劑的糯米灰漿封護(hù)效果并不明顯，但抗壓強(qiáng)度損失率仍低于不使用封護(hù)劑的新磚；兩組以水性丙烯酸乳液作封護(hù)劑的粘土磚抗壓強(qiáng)度損失率較小，分別為0和0.05，說明凍融循環(huán)10次后涂于水性丙烯酸乳液的粘土磚抗壓強(qiáng)度幾乎不變。從抗壓強(qiáng)度損失率來看，10次凍融循環(huán)后，水性丙烯酸作封護(hù)劑比含蛋清的糯米灰漿作封護(hù)劑效果要好。

7.結(jié)語

燒結(jié)粘土磚的凍融循環(huán)實驗顯示，凍融循環(huán)30次后粘土磚出現(xiàn)開裂、片狀剝落、斷裂、掉塊現(xiàn)象，抗壓強(qiáng)度損失率達(dá)41.57；通過對司馬遷祠的實例分析，發(fā)現(xiàn)燒結(jié)粘土磚凍融循環(huán)現(xiàn)象的發(fā)生應(yīng)具有以下幾個條件：雨雪、空氣中水分對磚材表面的侵蝕；溫度在0℃上下波動，使磚材內(nèi)部水分凝結(jié)成冰，磚內(nèi)張力的連續(xù)變化使磚材碎裂；水中微生物的作用加速磚材的凍融循環(huán)。

對粘土磚的保護(hù)實驗顯示，使用封護(hù)劑后經(jīng)歷凍融循環(huán)的粘土磚抗壓強(qiáng)度有所提高，10次凍融循環(huán)后，以水性丙烯酸乳液作封護(hù)劑的粘土磚抗壓強(qiáng)度損失率為0和0.05，效果明顯強(qiáng)于含蛋清的糯米灰漿作封護(hù)劑的粘土磚（31.36）。