平遙古城墻耐久性的試驗研究

馬 成 理

(太原理工大學，山西 太原 030024)

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·結構·抗震·

平遙古城墻耐久性的試驗研究

馬 成 理

(太原理工大學，山西 太原 030024)

以平遙古城城墻為例，試驗研究了古磚的物理和化學性能，分析了影響古城墻磚耐久性的因素，并采用多種檢測技術，評價了古城墻的耐久性，為古建筑的修復提供必要的技術資料。

古城城墻，耐久性，ICP-AES法

1 概述

山西平遙古城墻作為古代城防工程，是中國境內保存最為完整的一座古代縣城，是《世界文化遺產名錄》之一。整座城墻形如龜狀。它分別由墻身、馬面、甕城、角臺等組成。平遙古城墻起初為夯土墻，由西周所建。到了明代洪武年間，即公元1370年，對其整座夯土墻的外面包砌了城磚。迄今已有600余年，保存基本完好。為了對墻體進行耐久性評價，本文采用了多種檢測技術(如：裂縫檢測儀、數碼攝影、圖形處理技術等)，并輔以人工實測實量，現場多次核查校對的方法，對整座城墻的70個馬面(代號M)，81個外墻(代號WQ)，6個甕城(代號WC)，4個角臺(代號JT)，1個點將臺(代號DJT)的墻體的現有缺陷部位的尺寸和墻面的裂縫、破損、殘缺、酥堿、鼓脹等缺陷部位、范圍、尺寸進行了全面詳細的檢測和記錄。

經檢測，磚墻面多處外閃鼓脹，且風化酥堿侵蝕也十分普遍，最嚴重侵蝕深度占到墻體厚度的1/3，達300 mm。磚砌體墻面的裂縫繁多，較嚴重的裂縫多達1 000余條，其中最大裂縫寬度位于新東門門洞南側，最長裂縫和最大鼓脹面積均位于外墻WQ-56，墻面鼓脹最大處位于北門甕城外墻西側，如表1所示。另外，發現部分墻體和下部基礎有嚴重殘缺現象。這些殘缺對城墻本身結構的安全性與耐久性也構成了一定的影響。

為此，本文充分利用南門甕城進行維修的機會，在現場采集了平遙城墻的磚進行了耐久性的試驗研究。通過試驗研究，為將來維護修繕這些古磚建筑物提供必要的技術資料。

2 試驗結果

在現場，我們分別采集了具有代表性的明代(代號m)、清代(代號q)、仿明、仿清和現代磚與灰漿的樣品，同時，對整座城墻周圍的土壤、水質也提取了樣品，并對這些樣品進行了物理與化學性能試驗，試驗結果如下。

表1 WQ-56有關數據 mm

2.1 物理特性

測量磚的幾何尺寸時，取磚的兩個大面測量值的平均值。當被測處有缺陷或凸出時，擇其不利一側的值。表2為部分明代磚與清代磚的實測數據。

2.2 化學性能

電感耦合等離子體發射光譜法(ICP-AES)靈敏度高，干擾少，線性范圍寬，并能同時測定多種元素，已成為現代科學技術中的一個重要的檢測手段，廣泛地應用在各個領域。本文采用電感耦合等離子體發射光譜法對城墻磚、灰漿以及城墻邊水樣和土壤進行測試。平遙古城城墻磚的氧化物含量測試結果如表3所示；灰漿的氧化物含量測試結果如表4所示；城墻邊土壤測試結果如表5所示；南城墻外排水溝內水質測試結果如表6所示。

表2 部分磚的物理特性

表3 城墻磚的測試結果 %

表4 灰漿的測試結果 %

表5 城墻邊土壤測試結果 %

表6 南城墻外排水溝內水質檢測結果

為了說明水樣對古磚的腐蝕情況，本文分別對清代磚與明代磚進行了浸泡10 d的腐蝕率測定。檢測結果如表7所示。

表7 水樣對磚的腐蝕率 %

3 分析與結論

從表2可以看出，清代磚幾何尺寸和重量比明代磚尺寸小，經過大量統計分析得到：清代磚的平均容重為17.09 kN/m3,方差為S=56.34，變異系數為δ=3.3%；明代磚的平均容重為16.67 kN/m3，方差為S=60.24，變異系數為δ=3.6%。由此看出，清代磚的平均容重大于明代磚，兩者的容重均小于現代磚(普通磚)。而這兩個朝代磚的變異系數幾乎相等，說明兩個朝代生產磚的技術水平相當。

從表3可知，清代磚與明代磚都呈弱酸性，主要氧化物的含量是氧化硅和氧化鋁，與現代的普通粘土磚的成分一致[3]。因此，與現代磚一樣，主要受酸、堿、鹽溶液腐蝕。酸與磚中的氧化鋁作用，生成易溶鹽；粘土磚中所含的鋁酸鈣和硅酸鈣易于被堿液分解，非晶的二氧化硅和氧化鋁也會與苛性堿和金屬碳酸鹽的溶液發生反應；帶有結晶水的鹽，特別是能生成帶有很多結晶水的鹽類，由自身體積膨脹而引起磚結晶破壞。

從表4可以看出，砌磚的灰漿呈弱堿性，是磚與灰漿中的某些物質發生化學反應的必然結果，造成平遙城墻的酥堿。從表5可知，平遙城墻邊土壤接近中性，不會對城墻產生腐蝕。從表6看出，城墻外排水溝內水質呈弱堿性，但是堿性要比灰漿的大，從而導致下部的城墻與水接觸發生化學反應。造成下部城墻酥堿、腐蝕多有發生。城墻外排水溝內水質呈弱堿性的主要原因是水中Na2S含量偏大。

從表7可以看出，水樣對兩個朝代磚腐蝕率幾乎相等。

通過以上檢測分析，本文得出如下的結論：

1)古磚的模數與現代粘土磚模數不同，但古磚的主要成分與現代粘土磚成分相同，均為氧化硅和氧化鋁。

2)砌筑城墻的灰漿呈弱堿性，容易與磚發生化學反應。

3)平遙城墻邊土壤接近中性，不對城墻產生腐蝕。

4)城墻外排水溝內水質呈弱堿性，Na2S含量偏大，該水對古磚有腐蝕性。

因此，為了提高古城墻磚與砌體的耐久性，應該采取多種措施，譬如防止弱堿性水與墻體的接觸，采用水泥混合砂漿砌筑，采用新的砌筑塊體(如煤矸石磚)等。而本文研究還需要進一步拓展和深入。

[1] 施楚賢.砌體結構理論與設計[M].北京：中國建筑工業出版社，1992.

[2] 張中偉，金 明.平遙古城[M].太原：山西經濟出版社，1998.

[3] 秦國治，吉 靜.工業建筑腐蝕與防護工程[M].北京：中國石化出版社，2000.

Experimental research on durability of the wall in Pingyao ancient town

Ma Chengli

(TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Taking ancient Pingyao city wall as an example, the paper experimentally studies the physical and chemical properties of ancient bricks, analyzes factors influencing ancient city wall brick durability, and evaluates the durability of ancient city wall by applying various detection technologies, which has provided necessary technical data for ancient architecture restoration.

ancient city wall, durability, ICP-AES method

1009-6825(2016)30-0047-02

2016-08-18

馬成理(1957- )，男，高級工程師

TU317

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