宛平城墻病害勘測及保護材料試驗研究

杜超群， 王菊琳*， 張 濤

(1.北京化工大學材料科學與工程學院,北京 100029；2.文物保護領域科技評價研究國家文物局重點科研基地,北京 100029；3.北京市古代建筑研究所,北京 100050)

宛平城墻地處盧溝橋東,是中國華北地區唯一保存完整的兩開門衛城,始建于明末。盧溝橋事變爆發后,宛平城成為“七·七事變”的歷史見證,至今城墻上還保留著當年日軍炮擊宛平城的彈痕,具有極高的歷史紀念意義和價值[1]。但是,在長期風霜雨雪等自然營造力的侵蝕及人為破壞下,宛平城墻出現了各種病害,部分病害甚至會影響墻體的結構安全,因此對宛平城墻的保護研究工作十分必要。

宛平城墻的主要病害包括泛堿、裂縫、空鼓和缺損。泛堿是指在建筑物墻體表面出現局部或大面積的白色鹽粉,原因是磚體內可溶鹽隨溫度、濕度的變化,在水分遷移過程中在墻體表面析出[2]。墻體泛堿會引起磚石材料粉化、起鼓、開裂和脫落,影響墻體形貌,嚴重時會危害城墻結構安全[3]。裂縫可分為由自然風化造成的淺表裂縫和受力不均等原因造成的機械裂縫[4-5]。對于城墻磚砌體,裂縫更容易在強度相對較低的砂漿處出現并擴展。空鼓指墻體填充材料在長期雨水沖刷灌注下缺失,與外包磚剝離,在墻體內部形成孔洞[6]。缺損主要指在長期自然風化、生物破壞下,導致城墻磚強度缺失,在表面發生大面積的侵蝕和剝落現象。

文物修復要盡可能采用原材料、原工藝,近年來,石灰類材料又重新得到應用,但是,傳統石灰材料凝結時間長、耐水性差、力學強度低等特點往往造成修復效果較差[7-9]。天然水硬性石灰具有較高的強度,與古建本體具有更好的相容性,已開始逐漸應用于古建筑的修繕加固中,如2007年應用天然水硬性石灰對花山巖畫進行加固取得了較好的效果[10-12]。但是,天然水硬性石灰價格昂貴,因此有必要對傳統石灰進行改性研究以改善其性能,提高其實際應用性。

在對宛平城墻現場勘測的基礎上,針對缺損、空鼓及裂縫病害,對一系列修復材料性能進行研究,篩選出合適的補缺、灌漿、補縫材料,為宛平城墻的病害修復提供依據。

1 試驗材料及設備

試驗所用原材料及設備如表1和表2所示。

表1 試驗原材料Table 1 Experimental raw materials

表2 試驗儀器設備Table 2 Experimental equipment

2 試驗方法

2.1 試樣制作

試驗所用修補材料配方如表3所示。

表3 修補材料配方Table 3 Repair material formula

碳納米管懸浮液的制備:稱取0.8 g羥基化碳納米管,1 599.2 g去離子水,用玻璃棒攪拌30 s后在室溫下以80 W的功率超聲30 min,得到0.05 wt%的碳納米管(carbon nanotubes,CNT)溶液。

糯米漿的制備:稱取一定量的生糯米粉、水和十六水合硫酸鋁按比例加入燒杯中,配制成5 wt%糯米粉、1 wt%十六水合硫酸鋁的糯米漿,在水浴鍋100 ℃加熱4～5 h,邊加熱邊攪拌,保證糯米漿質的均勻。

試樣制作過程:將原料按照配方比例倒入攪拌器中,用JJ-5水泥膠砂攪拌機先將干料攪拌均勻,再加入一定量的水,之后慢轉攪拌1 min,快轉攪拌1 min,直至攪拌均勻。攪拌完成后將樣品倒入160 mm×40 mm×40 mm的標準模具中,將模具放到ZS-15型水泥膠砂振實臺上振實60 s,排除漿體中的氣泡。振實完成后將模具放入YH-40B型恒溫恒濕養護箱中以20 ℃、70%濕度的條件養護,3 d后脫模,再放入養護箱中養護至28 d。每一種材料配方制作9個試樣,共81個。

2.2 流動性測試

參照GB/T 8077—2012[13]中水泥凈漿流動度測試方法,采用NLD-3型水泥膠流動度測試儀進行測試。

2.3 收縮性測試

參照JGJ/T 70—2009[14]進行測試,試樣初始尺寸為160 mm×40 mm×40 mm,在7、21、28 d分別測量樣品的尺寸計算收縮率。

2.4 機械性能測試

磚和砂漿的抗壓強度均采用JGJ/T 70—2009標準中立方體抗壓強度試驗規定的方法,采用電子萬能試驗機進行試驗,按照式(1)計算抗壓強度。

(1)

式(1)中:F為試樣破碎時所承受的壓力,N；A為試樣擠壓面面積,m2；P為抗壓強度,Pa。

抗折強度采用GB/T 2542—2012[15]中抗折強度試驗規定的方法,同樣采用LETRY型電子萬能試驗機進行試驗,按照式(2)計算抗折強度。

(2)

式(2)中:Pw為彎曲強度,MPa；L為支點間距離,mm；K為試樣寬度,mm；H為試樣厚度,mm。

2.5 耐水性測試

參照GB/T 50081—2002[16],使用計算試樣的軟化系數來評價試樣材料的耐水性。試樣軟化系數由式(3)計算。

(3)

式(3)中:ψ為軟化系數；f0為絕干狀態砂漿的抗壓強度,MPa；f1為飽和狀態砂漿的抗壓強度,MPa。

2.6 耐凍融試驗

參照GB/T 2542—2012,采用慢凍法進行,將160 mm×40 mm×40 mm試樣浸泡18 h后,放入冰箱中凍結3 h,溫度為-15～20 ℃。然后取出放入15～20 ℃的水中融化3 h,此為一個循環。試驗時,在試樣第一次浸泡18 h后,擦干表面的水測得原始質量M0,并且進行超聲波測試。通過計算凍融循環前后質量損失率和相對動彈模量進行評估。

相對彈性模量Er、質量損失率W通過式(4)、式(5)計算。

(4)

(5)

式中:En、E0分別代表循環n次和初始試件的動彈性模量,MPa；Tn、T0分別表示循環n次和初始試件的超聲時間,μs；M0和Mn分別為初始和循環n次后的質量,g。

2.7 耐硫酸鹽試驗

采用干濕循環、硫酸鹽雙因素耦合試驗。先將試樣放入80 ℃的真空烘干箱中烘干至恒重。取出待冷卻后,分別測得質量M0和超聲波時間t0。耐鹽循環的過程為在5%濃度的Na2SO4硫酸鈉溶液中浸泡15 h,取出試樣。將試樣表面的水擦干,然后在80 ℃條件下,烘干5 h,最后再冷卻3 h。此時測量質量Mn和超聲波時間Tn。試樣的相對彈性模量En、質量損失率W根據式(4)、式(5)計算。

3 結果與討論

3.1 現場勘測結果

圖1所示為兩段長約5 m的城墻,墻體表面有密集分布的脫落、缺損病害,原彈坑處形成尺寸更大的孔洞,可見墻體受風化、雨水等侵蝕十分嚴重；另外,城墻還存在局部的空鼓、裂縫病害。

圖1 宛平城墻保存狀況Fig.1 The preservation status of Wanping City Wall

圖2(a)所示是城墻的一處剝落缺損,尺寸約0.4 m×0.1 m×0.05 m(長×寬×深),該類型缺損是風化侵蝕造成表面硬度和強度大幅下降,結構松散,最終導致剝落的現象。圖2(b)所示是一處彈孔風化缺損,有左右兩個彈孔,尺寸分別為0.13 m×0.09 m×0.12 m(左)和0.18 m×0.06 m×0.09 m(右),彈孔風化缺損孔洞較深且磚體內部易形成空鼓,成因是子彈造成墻體機械損傷,在同等條件下更易受到風化侵蝕,久之形成更大的孔洞。圖2(c)所示為上述彈孔風化缺損的部分內部照片,該缺損向內延伸0.1 m左右,且內部有大量酥粉,這是磚體內部含水量較高、侵蝕程度加劇所致。

圖2 墻體缺損病害Fig.2 Wall defect disease

圖3(a)、圖3(b)所示為墻體的兩處縱向貫穿裂縫,寬度約0.04 m,裂縫的形成說明墻體受力不均,有較大的剪切應力存在。其中圖3(a)處裂縫尚未修補,在風化作用下逐漸加寬、加深,而圖3(b)處裂縫經過灌縫處理,有明顯的修繕痕跡。

圖3 墻體裂縫病害Fig.3 Wall crack disease

圖4(a)所示為一處空鼓病害,其外部墻磚剝落,面積約0.45 m2,輕敲此處有不同于周圍墻體的聲響,由此可粗略判斷空鼓的位置和大小。圖4(b)所示為空鼓處紅外熱像圖,顏色由紫到紅代表溫度由低到高,點3所在紫色區域即空鼓處,該處較周邊最高溫度低2.9 ℃,這是因為空鼓病害受水分侵蝕影響較大,空鼓處含水率高,導致溫度較低。

圖4 墻體空鼓病害Fig.4 Wall hollow disease

3.2 樣品XRD測試

通過X射線衍射(X-rays diffraction，XRD)測試樣品的礦物組成。由圖5可見,宛平城墻原砂漿和新砂漿中存在方解石、石英和少量的硅酸鋁礦物,方解石由石灰碳化反應生成,可推斷原灰漿所用原料為石灰和少量的石英類骨料；而原磚的主要晶相為石英,證明城墻原磚為燒結黏土磚。

圖5 宛平城樣品XRD測試圖Fig.5 Wanping City sample XRD test chart

3.3 修復材料性能測試結果

3.3.1 pH

為達到最佳紅色旅游講解效果，確保紅色文化可以通過講解更好地傳播出去，紅色旅游導游人員需要對自身講解規范性以及嚴肅性進行保證。主要是因為，紅色文化是我國國家史重要內容，講解內容多以革命史以及中共黨史為主，所有內容講解需要符合歷史真相，要保證所講內容都能做到有據可查，不可添加個人意識以及個人推測，應對內容可信度與真實性進行保證【1】。紅色旅游講解人員需要明確，紅色旅游是含有中國特色社會主義共同理想的政治工程，導游在進行講解時，不僅是對景區風景進行講解的過程，同時也是對旅客實施革命傳統教育以及愛國主義教育的過程，需要具備良好、準確的政治導向。

在制作樣品時,取出少量的漿料用pH試紙測試其pH。試驗中使用主劑為膠凝材料,均呈強堿性,故使用堿性精確pH試紙進行測試。各配方漿料pH測試結果如表4所示。

表4 pH測試結果Table 4 pH test results

測試結果顯示,各漿料配方pH均在13～13.5,呈強堿性,而現場測試原磚和砂漿pH介于12～13,也呈堿性,因此強堿性修補材料不會對城墻本體產生不利影響。

3.3.2 流動性

表5所示為9種配方修復材料的流動性測試結果。其中,補缺材料的施工需要較低的流動度,3種材料均可滿足要求；GJ天然水硬性石灰和GJ糯米石灰流動度均超過30 cm,GJ人造水硬性石灰漿流動度為23.75 cm,均可滿足灌漿施工的要求；BF硅丙石灰流動度為22.5 cm,BF碳納米管石灰漿和BF天然水硬性石灰漿流動度都超過30 cm,因此也均可滿足灌縫需求。

表5 流動性測試結果Table 5 Fluidity test results

3.3.3 收縮性

表6和圖6所示為9種配方修復材料試件在養護7、14、28 d后的收縮性測試結果。

表6 試件收縮性測試結果Table 6 Test piece shrinkage test results

圖6 各材料收縮率比較Fig.6 Comparison of shrinkage rates of various materials

由表6和圖6可知,GJ天然水硬性石灰和GJ人造水硬性石灰收縮性均小于1%,且28 d內收縮性變化不大,這是由于硅灰的加入與氫氧化鈣發生火山灰反應生成水化硅酸鈣,填補了部分孔隙,減少了水分的流失,一定程度上抑制了體積收縮,而GJ糯米石灰的主劑熟石灰本身收縮性較大,另外由于流動性的需要加入了過多的水,水分蒸發也導致收縮率過大；BQ天然水硬性石灰收縮性最小,BQ有機硅石灰的28 d收縮率為2.13%,可能是疏水劑甲基硅酸鈉進入基體的孔隙內,減少了水分的流失,從而改善了收縮性能,而瓜爾豆膠對熟石灰收縮性改性效果較差；BF天然水硬性石灰依然具有最小的收縮率,而BF硅丙石灰和BF碳納米管石灰為保證可灌性,水灰比過大,水分蒸發導致收縮率較大。

3.3.4 色差值

為盡量減小與原磚的色差,在補缺和補縫材料中采用磚粉作為部分骨料,由表7可見,3種補缺材料與原磚仍有較強烈的視覺差異,可能是磚粉的添加量較少所致,但磚粉本身具有很強的吸水性,添加過多會導致用水量大大增加,造成材料黏結性及強度的降低,因此需要進一步研究磚粉的最優添加量。BF碳納米管石灰與原磚的色差只有極微的差別；灌漿材料與原磚有很強烈的色差,考慮其用于墻體內部,因此色差值指標對其評估意義不大。

表7 試件色差值結果Table 7 Test piece color difference results

3.3.5 抗壓強度測試

由表8和圖7可見,灌漿材料中GJ人造水硬性石灰28 d抗壓強度最高,達到5.89 MPa,其次是改性NHL2,而GJ糯米石灰的高用水量導致其抗壓強度只有0.82 MPa；3種補缺材料均未添加三聚氰胺減水劑,在保證工作性的前提下加入了大量的水,導致抗壓強度較低；補縫材料中,BF硅丙石灰的強度較低,而BF碳納米管石灰和BF天然水硬性石灰的抗壓強度分別達到2.79 MPa和3.88 MPa,接近原磚的強度。

表8 試樣抗壓強度Table 8 Sample compressive strength

圖7 修復材料與原磚抗壓強度比較Fig.7 Comparison of compressive strength between repair materials and original bricks

3.3.6 抗折強度測試

由表9和圖8可知,抗折強度測試結果與抗壓強度保持一致。灌漿材料中,GJ人造水硬性石灰抗折強度最高,達到1.13 MPa,高于原磚的強度,其次是GJ天然水硬性石灰,而GJ糯米石灰抗折強度最差,遠遠低于原磚強度；在補缺材料中,BQ天然水硬性石灰的抗折強度與原磚非常接近,而BQ有機硅石灰和BQ瓜爾豆膠石灰抗折強度分別為0.23 MPa和0.065 MPa,遠低于原磚強度；在補縫材料中,抗折強度由高到低分別是BF天然水硬性石灰、BF碳納米管石灰和BF硅丙石灰,其中BF碳納米管石灰在所有改性熟石灰材料中具有較高的抗折強度,可能是碳納米管在石灰基體中起到了橋接的作用,使基質之間連接更緊密,從而提高了力學性能。

表9 試樣抗折強度Table 9 Specimen bending strength

圖8 修復材料與原磚抗折強度比較Fig.8 Comparison of the flexural strength of the repaired material and the original brick

在力學性能測試中,無論天然水硬性石灰或人造水硬性石灰均具有較高的強度,這是由于其中含有的水發生水化反應生成水硬性物質,同時加入的硅粉與Ca(OH)2發生火山灰反應生成水化硅酸鈣,這為水硬性石灰材料提供了較高的早期強度；而熟石灰雖然添加了部分硅灰或磚灰改性,但其強度主要由Ca(OH)2的碳化過程提供,該過程進行緩慢,因此在28 d的養護期內強度低于水硬性石灰。

3.3.7 耐水性測試

采用軟化系數表征材料的耐水性,軟化系數為試件飽和狀態和絕干狀態抗壓強度的比值,測試結果如表10、圖9和圖10所示。原磚的軟化系數為0.96,試驗過程中浸泡原磚時發生強烈的吸水,有大量氣泡產生,但是飽和狀態下原磚的強度并沒有大幅下降,證明其保存狀況良好。耐水性是評估室外文物建筑修復材料性能的重要指標,在灌漿材料中,GJ天然水硬性石灰和GJ人造水硬性石灰均有較高的軟化系數,耐水性良好,而糯米石灰漿軟化系數只有0.18,不能滿足耐水需求；在補缺材料中,BQ有機硅石灰和BQ瓜爾豆膠石灰軟化系數較低,分別只有0.46和0.21,而BQ天然水硬性石灰軟化系數達到0.84,基本可以滿足耐水性需求；在補縫材料中,BF碳納米管石灰軟化系數最高,說明碳納米管對基體有良好的改性效果,減小了孔隙,提高了耐水性。

表10 耐水性測試結果Table 10 Water resistance test results

圖9 試件絕干與飽和狀態抗壓強度比較Fig.9 Comparison of compressive strength between test piece and saturated state

圖10 試件軟化系數ψ比較Fig.10 Test piece softening coefficient ψ comparison

3.3.8 耐凍融測試

由圖11可見,凍融循環初始時試件質量損失率為負數,說明試件的質量增加,原因是凍融初期試件內部水分結冰體積增大,使基體內孔隙體積增加,浸泡后試件內部的含水率更高,從而導致試件的質量增加。在第一次凍融循環過程中,BQ瓜爾豆膠石灰試件出現明顯破裂(圖12),說明其耐凍融性能差,因此未與其他試件在圖中比較。3種補縫材料試件的質量在4個循環后進一步增加,說明4個循環后內部孔隙仍未完全破壞,耐凍融性能良好；在第3個凍融循環后,GJ糯米石灰和BQ有機硅石灰試件質量損失率開始上升,說明內部微小孔洞發生破壞,形成裂紋或大孔,導致質量減小。

圖11 凍融循環質量損失率折線圖Fig.11 Freeze-thaw cycle mass loss rate line chart

圖12 瓜爾豆膠石灰試件耐凍融試驗前后宏觀形貌變化Fig.12 Macroscopic topography changes before and after freeze-thaw test of guar gum lime

由圖13可見,在4個凍融循環之后,BQ有機硅石灰和GJ糯米石灰試件相對動彈模量開始下降,說明試件結構密實度下降,內部產生了較大的孔洞或裂紋,這與質量下降的結果吻合。BQ天然水硬性石灰、GJ天然水硬性石灰、BF天然水硬性石灰和GJ人造水硬性石灰試件相對動彈模量趨于不變或略微下降,說明內部孔洞已經到達破壞的臨界點,而BF硅丙石灰和BF碳納米管石灰試件相對動彈模量仍有上升趨勢,說明內部孔洞還未被破壞,耐凍融性良好。

圖13 凍融循環相對動彈模量折線圖Fig.13 Relative dynamic elastic modulus line diagram of freeze-thaw cycle

3.3.9 耐硫酸鹽測試

由圖14可見,GJ糯米石灰試件的質量先降低后不變,該試件泡入溶液中表面即發生了小部分破裂,證明其耐水性不佳。其余試件質量均有所增加,這是因為可溶鹽進入試件內部空隙,導致質量增加,從第2個循環開始,試件質量趨于穩定,未出現試件失效的情況。其中,所有天然水硬性石灰和人造水硬性石灰試件質量增加不大,說明內部較為致密,可溶鹽進入較少。BQ瓜爾豆膠試件在第1個耐鹽循環后即出現明顯破損(圖15),未與其他試件比較質量損失率。

圖14 耐鹽循環質量損失率折線圖Fig.14 Salt loss cycle quality loss rate line chart

圖15 瓜爾豆膠石灰試件耐可溶鹽試驗前后宏觀形貌變化Fig.15 Macroscopic topography changes before and after the resistance test of guar gum lime

由圖16可見,經過4個耐可溶鹽循環之后,各試件相對動彈模量基本遵循先增加后不變的規律,與質量變化相吻合。補縫材料中BF碳納米管石灰具有較低的相對動彈模量,說明試驗前后內部結構變化不大,耐可溶鹽性能良好；補缺材料中,BQ天然水硬性石灰和BQ有機硅石灰試件也具有較低的相對動彈模量；灌漿材料中,GJ天然水硬性石灰和GJ人造水硬性石灰相對動彈模量基本保持不變,說明其內部結構非常穩定。

圖16 耐鹽凍融循環相對動彈模量折線圖Fig.16 Relative dynamic elastic modulus line diagram of salt-tolerant freeze-thaw cycle

4 結論

對宛平城墻病害現場進行勘測,針對缺損、裂縫、空鼓3種不同的病害類型分別設計了3種修補材料配方,通過性能測試,得出以下結論。

(1)人造水硬性石灰材料在養護28 d的抗折、抗壓強度分別為1.13 MPa和5.89 MPa與原磚的抗折強度0.7 MPa和抗壓強度3.22 MPa相比較為接近,耐候性良好,綜合經濟因素,適合作為修補空鼓病害的灌漿材料。

(2)NHL2石灰材料抗折、抗壓強度為0.69 MPa和2.56 MPa,收縮性、耐水性皆優于另外兩種熟石灰基材料,且強度與原磚接近,適合作補缺材料。

(3)碳納米管改性的熟石灰28 d后抗折、抗壓強度為0.43 MPa和2.79 MPa,與原磚的強度較為接近,且色度與原磚極為接近,收縮及耐久性良好,適合作補縫材料。