砌體結構耐久性研究進展

薛憶天，李向民，高潤東，許清風，彭 斌（.上海理工大學，上海 00093；.上海市建筑科學研究院有限公司 ，上海 0003）

2010 年，西安建筑科技大學、湖南大學、哈爾濱工業大學、重慶市建筑科學研究院等對修建時間從十幾年到 100年、涵蓋 15 種類型的 100 多棟砌體結構建筑的調研表明[1]：在南方，風化嚴重的部位出現在接近地面干濕循環交替部位、水浸泡的地方，當存在對砌體結構有侵蝕作用的液體時，有的在使用后不到 20 年就必須進行加固處理；在北方，凍融是墻面風化的主因，風化深度最大超過 100 mm。

近年來，我國砌體結構房屋倒塌事件時有發生。2012年，浙江省寧波市江東區（今鄞州區）徐戎三村 2 號居民樓突然倒塌；2014 年，浙江省奉化市（今奉化區）大成路居敬小區 1 幢 5 F 居民樓發生倒塌；2015 年，貴州省遵義市匯川區高橋鎮 1 棟 7 F 居民樓倒塌；2015 年，遼寧省沈陽市 1 棟砌體結構居民樓局部倒塌；2016 年，溫州市鹿城區一自建民房倒塌。這些砌體結構房屋倒塌原因除了設計不充分、原材料質量低下、私自改建等，還有一個原因必須引起重視，即隨著服役期的增長，受潮濕環境或凍融環境的影響，耐久性劣化不斷加重。

當前，我國混凝土結構耐久性研究較為充分，從設計到評估再到修復，已形成了比較完備的規范體系。但砌體結構耐久性研究明顯不足，尚未形成一個關于耐久性的專門規范，導致砌體結構耐久性設計往往不充分，同時也嚴重制約了對砌體結構耐久性損傷的評估與修復工作。本文系統總結了砌體結構耐久性的研究進展，并提出了進一步發展的建議，希望對砌體結構耐久性研究起到一定推動作用。

1 砌體結構耐久性損傷的環境影響因素

砌體結構耐久性損傷是指在不同環境作用下結構材料出現的表面損傷，或者結構材料內部或者外部發生了物理和化學作用，導致結構出現損傷。耐久性損傷使得結構不能達到安全使用年限[2]。砌體結構耐久性損傷影響因素主要包括風化、泛霜、溫度變化、凍融破壞、堿集料反應、化學侵蝕等。

1.1 風 化

風化對砌體結構的內部外部均有影響。隨著時間的推移，砌體表面不斷劣化，表面變得粗糙、疏松。當自然界的風帶著顆粒擊打在砌體表面，即對砌體表面施加了壓力，使得砌體表面本來疏松的部分又受到了剝蝕，這樣會導致砌體有效截面尺寸減小，使得結構的承載能力下降。干濕交替下的風化是一種累積性的軟化作用，會加速砌體材料解體。

1.2 泛 霜

砌體發生泛霜的主要原因是砌體內部存在可溶性鹽，研究表明[3]，砌體可溶性鹽的來源主要有 2 種途徑：一是存在于砌體內部的可溶性鹽，如原料土或燒制時的水中含有可溶性鹽；二是外界可溶性鹽的侵入，如鹽霧或除冰鹽。當砌體中含有足夠多的水分，可溶性鹽就會溶解，隨著砌體內部水分的蒸發，可溶性鹽在砌體表面析出、結晶并沉積，表面看上去有斑點狀或成片的白色結晶，這會導致砌體表面疏松、剝落，從而降低結構的承載能力。

1.3 溫度變化

如果砌體結構過長，就會因為溫差作用的影響，使得建筑物變形過大。特別是在北方，砌體建筑始終處于四季溫差、晝夜溫差環境中，也就是說砌體始終處于反復的熱脹冷縮狀態，在結構相互約束的狀態下，可能會造成砌體內部的溫度應力分布不均勻，導致裂縫產生[4]。

1.4 凍融破壞

凍融引起的耐久性損傷通常是從砌體表面開始，隨著凍融次數的不斷增加，其表面開始變得疏松、剝落，減少了有效的截面尺寸，導致砌體承載能力下降。已有統計資料表明[5]，我國可發生凍融侵蝕的面積約為 127 萬 km2，占到國土總面積的 13.4% 左右。在反復凍融情況下，如果再耦合風蝕，砌體的損傷將更為嚴重，其內部的孔隙率、磚塊和砂漿的強度也會因此變化。

1.5 堿集料反應

發生堿集料反應首先要砌體內部的含堿量高，其次是砂漿的細集料中有足夠的活性成分，同時砌體內部還要含有一定量的水分。砌體材料中的堿性物質與砂漿細集料中的活性成分發生化學反應，導致砌體內部因為生成膨脹性侵蝕產物而開裂[6]。堿集料反應給砌體結構帶來的危害一般比較嚴重。

1.6 化學侵蝕

化學侵蝕是砌體在所處的環境中接觸到了外部的酸性或硫酸鹽而受到侵蝕。在受到酸性介質侵蝕時，砂漿中的Ca(OH)2與酸性介質會發生中和反應，破壞砂漿的凝膠體結構，使得砂漿強度降低，從而影響砌體的強度。在受到外部硫酸鹽侵蝕時，砌體砂漿內部會產生結晶型、石膏型或鈣礬石型膨脹性腐蝕物，內部受到膨脹應力，導致砂漿開裂、強度下降。

2 砌體結構耐久性研究進展

2.1 材料層面

砌體結構由塊材和砂漿材料組成，塊材和砂漿的耐久性對砌體結構的耐久性具有重要影響。截至目前，關于砌體結構耐久性的研究大多集中在材料層面，主要研究不同的環境因素和材料性能對耐久性的影響。鄭怡等[7]對燒結普通磚在不同凍融循環次數下進行對比試驗，研究了材料的質量、強度損失率與循環次數的關系；曹新宇等[8]對古磚砌體進行了凍融循環下的受壓破壞研究，凍融循環次數會影響古磚砌體的受壓破壞；劉瑋輝[9]通過對不同配合比的再生混凝土多孔磚進行了不同凍融循環次數下的對比實驗，提出了由質量吸水率、抗壓強度和凍融循環次數三個因素來表達磚塊的抗凍性能并采用磚的質量吸水率與抗壓強度的比值來確定不同地區的磚的抗凍性能，為砌體結構耐久性設計提供了依據。高潤東[10]等考慮到西北地區干燥，砌體老化損傷比較突出，進行老化環境設計，用宏微觀結合的試驗方法研究砌塊與砂漿老化損傷機理。張京街等[11]利用酸蝕試驗來研究磚塊的耐久性，對比磚塊在 Na2SO4、工業酸液、自來水 3 種環境下的強度損失情況，并提出了磚塊表面腐蝕修復的方法。湯永凈等[12]針對古代磚砌體，通過 7 種工況研究了磚、灰漿、砌體抗壓、砌體抗剪強度的劣化規律，提出了古代磚砌體風化程度的評定標準。劉衛東等[13]為了弄清磚的物理風化和化學風化特征，對現役歷史保護建筑砌體用磚進行抗凍融循環和風化試驗，研究兩種測試方法指標之間的規律性，推算現役歷史保護建筑砌體用磚的耐久性，評估其剩余使用年限。LARBI J A[14]利用電子顯微鏡觀察了在硫酸鹽侵蝕、漿體鈣流失、鹽結晶侵蝕及凍融損傷后，磚砌體內部結構微觀層面的變化規律，研究同時表明微觀測試能夠快速診斷砌體損傷的原因和程度；MARTINS R O G 等[15]通過加速碳化作用研究了砌體砌筑砂漿的劣化特征，研究結果表明砂漿強度及砂漿保護層厚度對砌體耐久性能具有重要影響。GUNNEWEG J T M 等[16]研究了原材料性能和施工工藝對磚砌體界面雨水滲透性能的影響，研究結果表明滲透性越高，砌體耐久性能越差。WILLIAMS B 等[17]通過實驗室模擬和現場測試研究了凍融作用對磚砌體耐久性的影響，砌體含水率越高，凍融損傷越嚴重，因此寒冷地區應加強砌體結構的防水工作。FORABOSCHI P 等[18]研究了水分和鹽分對磚的抗壓強度影響，研究結果表明水分顯著降低了磚的抗壓強度，特別是磚內鹽濃度相同的情況下，含水率越大，抗壓強度越低，但沒有水分的鹽則提高了磚的抗壓強度。GENTILINI C 等[19]采用NaCl 和 Na2SO4溶液加速侵蝕，研究了砌體抗剪強度的劣化機理。

2.2 構件層面

與材料層面相比，從構件層面研究砌體結構的耐久性要復雜得多，因此，這方面的研究相對較少。商效瑀等[20]將砌體凍融循環下軸心受壓看作 2 個損傷過程，根據損傷力學和應變等價原理，推導砌體凍融損傷演化方程和砌體軸心受壓損傷演化方程，建立砌體凍融循環下軸心受壓損傷本構模型，為寒冷地區砌體耐久性評估提供理論基礎。位三棟等[21]對一定程度老化的歷史建筑砌體墻以及加固后的砌體墻進行試驗，采用 UHPC（超高性能混凝土）加固，比較了加固前后水平承載能力的變化、裂縫發展方式、破壞形式等，研究結果表明，使用 UHPC 面層加固時，墻體的損傷開裂對加固效果有一定程度影響，可以提高墻體的耐久性。鄭山鎖等[22]以 6 片磚砌體組合墻為研究對象，模擬酸雨環境侵蝕，然后對其進行試驗，研究其破壞形式、滯回曲線、骨架曲線，基于試驗結果建立了在酸雨侵蝕環境下砌體墻循環退化指數模型及恢復力模型，研究了墻體在酸雨環境下的變形特征、剛度退化和能量消耗。湯永凈[23]研究了不同工況凍融下古磚砌體抗壓強度的變化情況，以及古磚開裂荷載與裂縫之間的關系。CARPINTERI A 等[24]對歷史磚砌復合材料和墻體的長期性能進行了試驗分析，采用聲發射監測技術對加固后墻體的損傷定位進行評估，并對加固后墻體在疲勞試驗中的破壞時間進行預測，研究表明，利用聲發射技術可以對受荷載作用的加固材料進行耐久性評價。

2.3 結構層面

結構層面的耐久性試驗要模擬外界影響因素太多，難度較大，所以一般以既有砌體結構的檢測來代替試驗。通過對砌體材料的表面情況以及材料強度的變化來分析結構破壞程度，并根據材料強度的損失情況來推算結構壽命。劉西光[25]在對不同氣候條件下的近百棟磚砌體結構廣泛調研基礎上，重點針對磚砌體泛霜、磚砌體凍融、磚砌體干濕交替下風化、砌筑砂漿粉化 4 種主要損傷類型，分析了發生機理及其影響因素，在此基礎上，以泛霜面積率、凍融深度、凍融面積率等為定量指標，建立了磚砌體結構耐久性綜合評判模型。GARAVAGLIA E 等[26]從保護歷史遺產的角度，對砌體材料的劣化過程進行了探討，并從試驗和數值的角度研究了歷史建筑的長期損傷規律，建立了基于概率統計的砌體結構剩余壽命預測模型。

3 結 語

(1) 砌體結構耐久性損傷影響主要因素包括風化、泛霜、溫度變化、凍融破壞、堿集料反應、化學侵蝕等。影響砌體結構耐久性的因素往往不是獨立的，在進行單因素影響研究的同時，也應加強多因素耦合侵蝕環境下砌體結構耐久性的研究。

(2) 國內外對砌體結構耐久性的研究主要集中在材料層面，構件層面次之，結構層面比較少。材料層面宜注重研究砌體耐久性劣化機理；構件層面宜加強研究耐久性劣化損傷對構件承載能力和變形的影響；結構層面宜在材料和構件層面研究的基礎上，廣泛開展耐久性檢測實際工程，通過試驗研究和現場實測相結合，逐步建立合理的砌體結構耐久性評估方法。

(3) 我國新建砌體結構房屋越來越少，而量大面廣的既有砌體結構經過長期的服役，已經出現不同程度的耐久性損傷，但我國目前尚未有專門的砌體結構耐久性評定標準，宜在已有研究成果基礎上，盡快研究制定。