山西明清古磚物理性能及成分分析

李 斌，杜紅秀，劉曉仙，王春波

(1.太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院，太原 030024；2.山西省古建筑保護(hù)研究所，太原 030012)

0 引 言

山西省的古代建筑遍及全省各縣市，而磚瓦結(jié)構(gòu)建筑作為古建筑中的一大類，隨著時(shí)間的推移，自然和人為因素對古建筑的影響不可避免。國內(nèi)外許多學(xué)者通過對古磚進(jìn)行大量試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)氣候的影響主要改變了古磚的孔隙率和孔徑大小，而古代磚塔結(jié)構(gòu)劣化的根本原因是孔隙率和孔徑大小的增加[1]。Elert[2]利用電子掃描鏡和Ⅹ射線衍射的手段發(fā)現(xiàn)不含碳酸鹽的黏土燒制出的磚的孔隙率小，耐久性更好。Barbara等[3]提出了通過使用結(jié)晶抑制劑的方法，阻止鹽結(jié)晶繼續(xù)對古建筑的侵蝕。曹紅紅等[4-5]發(fā)現(xiàn)青磚的礦物組成主要為α-石英和鈉長石。陳港泉等[6-7]發(fā)現(xiàn)畫像磚吸水率最高達(dá)33.48%，體積密度為1.41～1.91 g/cm3。趙鵬[8]發(fā)現(xiàn)古磚樣本的吸水率及飽和系數(shù)主要分別集中在17%和85%左右。李慶繁[9]發(fā)現(xiàn)飽和系數(shù)與抗凍性之間存在著明顯的相關(guān)性，同時(shí)，對于燒結(jié)普通磚來講，單塊飽和系數(shù)最大值不大于0.8，五塊飽和系數(shù)平均值不大于0.78，則評定其具有較高的抗凍性。楊永凈等[10]認(rèn)為，基于環(huán)境變遷條件下，孔徑小于1 μm的山西古磚的孔隙體積與飽和系數(shù)具有良好的相關(guān)性。

綜上所述，當(dāng)前研究結(jié)果適用范圍具有局限性，為了使山西省古建筑的修繕工作更好地做到“修舊如舊”，需要大范圍的研究樣品。本研究采集了山西大部分地區(qū)的古磚，對古磚的地域、種類、規(guī)格等劃分較為細(xì)致，并進(jìn)行結(jié)果分析對比，且符合傳統(tǒng)古磚材料的時(shí)代性、區(qū)域性特征，其對于山西省甚至全國的古建筑保護(hù)以及修復(fù)工作有著深遠(yuǎn)的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 古磚原構(gòu)件情況

本次采集將山西省分為四個(gè)地區(qū)，分別為晉北地區(qū)(大同市、朔州市和忻州市)、晉中地區(qū)(晉中市和太原市)、晉東南地區(qū)(長治市和晉城市)以及晉南地區(qū)(臨汾市和運(yùn)城市),共涉及全省9個(gè)地級市。共計(jì)32塊古磚原構(gòu)件，其中晉北地區(qū)10塊、晉中地區(qū)8塊、晉東南地區(qū)6塊和晉南地區(qū)8塊,朝代涉及明、清兩個(gè)朝代，其中明代古磚15塊、清代古磚17塊,采集地點(diǎn)包括民居、寺廟、長城、宮殿等。由于種類不同，古磚尺寸各不相同，其中長治市郊區(qū)小羅靈仙廟院內(nèi)采集的古磚尺寸最小(除殘磚外)，為191 mm×157 mm×28 mm，重量僅為1.25 kg，忻州市代縣雁門關(guān)城墻上采集的古磚尺寸最大，為310 mm×195 mm×95 mm，重達(dá)7.85 kg。

對所采集的古磚按照地區(qū)分類并編號(hào)(按照地區(qū)名稱拼音首字母進(jìn)行編號(hào))，具體情況如表1～表4所示，根據(jù)《文物建筑維修基本材料 青磚》對于不同種類的青磚有著不同尺寸的標(biāo)準(zhǔn)，本次采集的古磚原構(gòu)件雖經(jīng)歷百年歷史的風(fēng)雨，但均較為完整，尺寸基本符合標(biāo)準(zhǔn)。城墻、寺廟、塔等建筑的古磚尺寸偏大，而民居中采集的古磚相對較小且更接近于現(xiàn)代普通燒結(jié)磚。同時(shí)晉北地區(qū)的古磚寬度及厚度總體大于其他地區(qū)，可以看出古磚尺寸受地區(qū)及采集位置影響較大。

表1 晉北地區(qū)明清古磚原構(gòu)件信息表Table 1 Information of original components of Ming and Qing ancient bricks in northern Shanxi

表2 晉中地區(qū)明清古磚原構(gòu)件信息表Table 2 Information of original components of Ming and Qing ancient bricks in central Shanxi

表3 晉東南地區(qū)明清古磚原構(gòu)件信息表Table 3 Information of original components of Ming and Qing ancient bricks in southeastern Shanxi

表4 晉南地區(qū)明清古磚原構(gòu)件信息表Table 4 Information of original components of Ming and Qing ancient bricks in southern Shanxi

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 物理性能試驗(yàn)

24 h常壓吸水率指試件在常壓狀態(tài)下，完全浸水24 h后的質(zhì)量與其干質(zhì)量之比的百分?jǐn)?shù)，可以反映試件開口孔隙的含量。5 h沸煮吸水率指試件沸煮條件下吸水飽和的吸水率，可以反映試件總孔隙的情況。飽和系數(shù)指吸水率(24 h常壓吸水率)與飽和吸水率(5 h沸煮吸水率)之比，反映試件中開口空隙與閉口空隙的相對含量，飽和系數(shù)越大，開口孔隙相對越多，試驗(yàn)步驟參考《砌墻磚試驗(yàn)方法》。

孔隙率試驗(yàn)的試驗(yàn)樣本如圖1與圖2所示，從古磚原構(gòu)件中取大小相近的不規(guī)則試塊進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)控制環(huán)境溫度為(24±8) ℃，濕度為30%～70%。試驗(yàn)前，先用毛刷將古磚表面的灰塵、泥土清理干凈，分別編號(hào)后將其放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中，設(shè)定溫度為105 ℃，待烘至每2 h的質(zhì)量差不超過5‰時(shí)，將干燥箱的溫度設(shè)置為20 ℃進(jìn)行冷卻，冷卻完畢后將試件進(jìn)行標(biāo)記并稱重記錄。將烘干后的試件分別浸入融化成液體的石蠟中，使其不再冒出氣泡時(shí)撈出并冷卻，將冷卻后的試件進(jìn)行精確稱重，使用排水法測其蠟封后的體積，計(jì)算其表觀密度。取試塊進(jìn)行研磨(見圖2)，并過0.08 mm方孔篩，放入坩堝中進(jìn)行編號(hào)并放入鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行烘干,設(shè)定溫度為105 ℃，待烘至每2 h的質(zhì)量差不超過5‰時(shí)停止烘干并取出裝瓶，防止吸收空氣中的水分。使用排液法測其體積，計(jì)算其密度。孔隙率P按式(1)計(jì)算：

圖1 古磚表觀密度試驗(yàn)樣本Fig.1 Ancient bricks apparent density test samples

圖2 古磚密度試驗(yàn)樣本Fig.2 Ancient bricks density test samples

(1)

式中：ρ0為試件表觀密度，g/cm3；ρ為試件密度，g/cm3。

1.2.2 X射線衍射試驗(yàn)

通過使用激光衍射儀(XRD)，對明清時(shí)期晉北和晉南兩個(gè)地區(qū)的古磚原構(gòu)件研磨取樣(見圖3)后進(jìn)行X射線衍射分析，得到其XRD譜，并通過物相分析確定其物相組成及相對含量。本試驗(yàn)所采用的XRD儀器為德國生產(chǎn)的布魯克D8達(dá)芬奇X射線衍射儀，試驗(yàn)步驟詳見JY/T 009—1996 《轉(zhuǎn)靶多晶體X射線衍射方法通則》，設(shè)置步長值0.02，掃描速度0.5°/s，角度范圍為10°～80°。試驗(yàn)試件如表5所示，四塊古磚原構(gòu)件分別取自表1中9號(hào)、10號(hào)及表4中7號(hào)、8號(hào)原構(gòu)件，并對其序號(hào)進(jìn)行重新編制。

圖3 XRD試驗(yàn)樣本Fig.3 XRD test samples

表5 XRD試驗(yàn)樣本Table 5 XRD test samples

2 結(jié)果與討論

2.1 古磚原構(gòu)件物理性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 各個(gè)地區(qū)古磚物理性能試驗(yàn)結(jié)果分析

山西四個(gè)地區(qū)古磚原構(gòu)件的吸水性能及孔隙率試驗(yàn)結(jié)果見表6～表9。由表可知，朝代對于山西古磚原構(gòu)件各項(xiàng)性能的影響并不明顯。山西四個(gè)地區(qū)的24 h常壓吸水率平均值差別不大，分別為17.32%、18.65%、17.60%、18.54%；5 h沸煮吸水率以晉北地區(qū)的平均值最小，為19.33%，并滿足小于20%的標(biāo)準(zhǔn)要求，其余三個(gè)地區(qū)的平均值均大于20%，分別為21.60%、22.61%和23.18%；飽和系數(shù)南北差異顯著，晉北和晉中地區(qū)的飽和系數(shù)平均值分別為0.89和0.87，且大于現(xiàn)代燒結(jié)普通磚標(biāo)準(zhǔn)中的黏土磚抗風(fēng)化性能要求(<0.85)，晉東南和晉南地區(qū)飽和系數(shù)較小，平均值分別為0.79和0.80。由于古磚的飽和系數(shù)和抗風(fēng)化性能及抗凍性能均有著較強(qiáng)的相關(guān)性，古磚的飽和系數(shù)越小，說明其抗風(fēng)化性能及抗凍性能越強(qiáng)[9，11]，結(jié)果表明晉東南和晉南古磚的抗風(fēng)化性能及抗凍性能優(yōu)于晉北和晉中古磚?？紫堵士梢灾庇^反映古磚的孔隙情況，四個(gè)地區(qū)的平均孔隙率分別為26.42%、29.16%、19.01%和24.20%，在一定程度上說明古磚原構(gòu)件有著較為良好的密實(shí)度。

表6 晉北地區(qū)古磚原構(gòu)件各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results of ancient brick transfer components in northern Shanxi

表7 晉中地區(qū)古磚原構(gòu)件各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Test results of ancient brick transformation components in central Shanxi

表8 晉東南古磚原構(gòu)件各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Test results of ancient brick transfer components in southeastern Shanxi

表9 晉南地區(qū)古磚原構(gòu)件各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Test results of ancient brick transfer components in southern Shanxi

2.1.2 古磚原構(gòu)件5 h沸煮吸水率與孔隙率的相關(guān)性分析

將山西每個(gè)地區(qū)古磚的5 h沸煮吸水率由小到大排列，以5 h沸煮吸水率為橫軸，孔隙率為縱軸，繪制試驗(yàn)結(jié)果關(guān)系圖及擬合曲線，如圖4～圖7所示。由圖可知，四個(gè)地區(qū)古磚的5 h沸煮吸水率和孔隙率均有著明顯的相關(guān)性，雖然不是線性相關(guān)，但是隨著古磚孔隙率的增大，山西各地區(qū)古磚的5 h沸煮吸水率均有所提高，這種趨勢在晉北和晉中地區(qū)的古磚原構(gòu)件上更加明顯。其中晉北地區(qū)和晉中地區(qū)為二次函數(shù)擬合，R2分別0.908 5和0.930 7；晉東南和晉南地區(qū)為三次函數(shù)擬合，R2分別0.999 5和0.834 1，說明趨勢線的可靠性均較高。

圖4 晉北地區(qū)古磚5 h沸煮吸水率與孔隙率的關(guān)系Fig.4 Relationship between 5 h boiling water absorption and porosity of ancient brick in northern Shanxi

圖5 晉中地區(qū)古磚5 h沸煮吸水率與孔隙率的關(guān)系Fig.5 Relationship between 5 h boiling water absorption and porosity of ancient brick in central Shanxi

2.2 XRD結(jié)果與分析

將獲得的XRD譜導(dǎo)入Jade分析軟件，對其進(jìn)行成分分析，并得到每塊古磚原構(gòu)件的主要物質(zhì)組成，并結(jié)合Origin繪圖軟件繪制古磚成分對比圖，如圖8所示。從圖中可以看出，四塊古磚的XRD譜反映出類似的形態(tài)。衍射角在20.6°、26.5°、36.3°、39.3°、42.5°、49.9°、54.4°、59.8°、67.2°、80.3°和81.8°處的衍射峰屬于石英(SiO2)，其中四塊古磚均在26.5°附近的衍射峰出現(xiàn)了最強(qiáng)值。在21.9°、23.3°、25.1°、27.0°、27.5°、28.0°、31.0°、34.5°處的衍射峰屬于長石類物質(zhì)，包括鈉長石(Na(AlSi3O8))、鈣長石(Ca(AlSi3O8))和鉀長石(K(AlSi3O8))，表明四塊古磚均由以石英和長石類物質(zhì)為主的成分構(gòu)成。對比A和B可知，明代晉南古磚比晉北古磚多含有鈣長石；對比C和D可知，清代晉南古磚比晉北古磚多含有透輝石；同一朝代下晉北地區(qū)的古磚中主要成分略少于晉南地區(qū)。對比A和C、B和D可知，在同一地區(qū)下，清代古磚和明代古磚的成分均有不同之處，且明代古磚中均含有紅晶石而清代古磚中不含此物質(zhì)。總而言之，地區(qū)和朝代對于古磚中主要成分的構(gòu)成均有一定的影響。

圖6 晉東南地區(qū)古磚5 h沸煮吸水率與孔隙率的關(guān)系Fig.6 Relationship between 5 h boiling water absorption and porosity of ancient brick in southeastern Shanxi

圖7 晉南地區(qū)古磚5 h沸煮吸水率與孔隙率的關(guān)系Fig.7 Relationship between 5 h boiling water absorption and porosity of ancient brick in southern Shanxi

圖8 各地區(qū)古磚成分對比圖Fig.8 Composition comparison of ancient bricks in different regions

3 結(jié) 論

(1)朝代對于古磚原構(gòu)件的各項(xiàng)物理性能影響較小且各個(gè)地區(qū)的古磚物理性能均有著區(qū)域獨(dú)特性。晉北地區(qū)5 h沸煮吸水率平均值最小且滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；晉東南和晉南古磚抗凍性及抗風(fēng)化性能較晉北和晉中古磚好；各地區(qū)古磚原構(gòu)件較現(xiàn)代燒結(jié)普通磚密實(shí)度好，四個(gè)地區(qū)中晉東南古磚的孔隙率平均值最小。

(2)山西古磚的孔隙率與5 h沸煮吸水率有著顯著的相關(guān)性，即隨著古磚孔隙率的增高，5 h沸煮吸水率也有增高的趨勢，且這種趨勢在晉北和晉中地區(qū)更為顯著。

(3)朝代和地區(qū)對山西古磚的主要成分構(gòu)成均有一定的影響。山西明清古磚的主要礦物成分為石英、鈉長石、鉀長石及鈣長石；同一朝代下，晉南地區(qū)古磚成分多于晉北地區(qū)；同一地區(qū)下，清代古磚和明代古磚的成分均有不同之處，明代古磚中均含有紅晶石成分，而清代古磚均不含此物質(zhì)。