凍融循環(huán)對(duì)卜奎清真寺古青磚力學(xué)性能影響的試驗(yàn)研究

郭國梁， 張道明， 呂 春， 耿洪亮， 楊志東

(1.齊齊哈爾大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 齊齊哈爾 161006; 2.中鐵三局集團(tuán)有限公司， 太原 030000)

齊齊哈爾市卜奎清真寺始建于1684年，距今已有330多年歷史，是黑龍江省現(xiàn)存規(guī)模最大、歷史最久、具有中國民族特色的伊斯蘭宗教建筑。該寺由東寺和西寺組成，寺內(nèi)建筑氣勢宏偉壯觀，裝飾精美，充分體現(xiàn)了宗教和中國古典藝術(shù)的風(fēng)格，極具歷史和藝術(shù)價(jià)值，2006年卜奎清真寺作為清代古建筑，被國務(wù)院批準(zhǔn)列入第六批全國文物保護(hù)單位名單，寺內(nèi)建筑大多為磚木結(jié)構(gòu)，采用燒結(jié)古青磚[1]。青磚材料是一種由黏土燒制而成的多孔介質(zhì)材料，具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，容易受季節(jié)性凍融循環(huán)作用的影響[2]。齊齊哈爾市位屬季凍區(qū)，每年的冬末上凍和春初融化期間，晝夜溫度在0 ℃上下反復(fù)波動(dòng)，凍融作用強(qiáng)烈，目前已經(jīng)對(duì)古青磚造成了顯著的損傷。

中外學(xué)者對(duì)古青磚的研究相對(duì)比較少。曹紅紅等[3]分析并檢測了山西廣武明代長城青磚的化學(xué)組成和主要物理性能。曹新宇等[4]基于大氣環(huán)境實(shí)驗(yàn)艙分析了山西某地古磚砌體在凍融循環(huán)作用下的抗壓性能。趙鵬[5]研究了江浙皖地區(qū)青磚及其砌體結(jié)構(gòu)在荷載與環(huán)境作用下的損傷劣化規(guī)律與機(jī)理。曹峰等[6]研究了北京明長城青磚毛細(xì)吸水性測定及其影響因素。別治明[7]認(rèn)為凍融損傷程度對(duì)青磚材料的強(qiáng)度指標(biāo)和微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有十分重要的影響。

古青磚涉及年代久遠(yuǎn)，分布地域更是寬廣。目前對(duì)齊齊哈爾卜奎清真寺所用清代古青磚的研究成果相對(duì)較少。通過室內(nèi)試驗(yàn)分析了凍融循環(huán)前后古青磚的基本力學(xué)性能，其研究成果可以為卜奎清真寺以及類似古青磚建筑的保護(hù)提供試驗(yàn)依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試樣來源

卜奎清真寺墻體古青磚的凍融損傷目前已經(jīng)非常嚴(yán)重，如圖1所示，且不具備大規(guī)模原位取樣的條件，試驗(yàn)所用古青磚樣品取自與卜奎清真寺同時(shí)期修建的墓地建筑，磚體長時(shí)間埋于地下，保存相對(duì)較好。鑒于古青磚樣品十分珍貴，且試驗(yàn)具有破壞性及不可重復(fù)性，故按照《普通燒結(jié)磚》(GB/T 5101—2017)外觀質(zhì)量要求，僅選取外觀較好的古青磚30塊并進(jìn)行編號(hào)，其中1～15號(hào)樣磚用于非凍融試驗(yàn)，16～30號(hào)樣磚用于凍融試驗(yàn)。所有樣磚均需用毛刷除去表面的粉塵，再用清水清洗表面和表面孔隙中的污垢。試驗(yàn)所用古青磚樣磚照片如圖2所示。

1.2 凍融循環(huán)試驗(yàn)

凍融循環(huán)試驗(yàn)按照《砌墻磚試驗(yàn)方法》(GB/T 2542—2012)中的凍融方法，采用TR-GDR3型快速凍融儀進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)定凍結(jié)溫度-20 ℃，凍結(jié)時(shí)間4 h，融化溫度15～20 ℃，融化時(shí)間4 h，凍融循環(huán)次數(shù)分別為15、30、45、60、75次。

1.3 孔隙率試驗(yàn)

分別測定1～15號(hào)樣磚凍融前以及16～30號(hào)樣磚凍融前、后的孔隙率。孔隙率P的測定采用吸滲法,其計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：M′為磚樣在水中浸泡24 h后，懸浸在水中的質(zhì)量；M為磚樣風(fēng)干24 h后的質(zhì)量；V為磚樣體積；ρw為水的密度，取1.0×103kg/m3。

1.4 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

將試樣鋸成兩個(gè)半截磚，切斷口相反疊放，疊放部分大于等于100 mm，即為抗壓強(qiáng)度試樣。試樣在氣干狀態(tài)下利用材料試驗(yàn)機(jī)直接進(jìn)行試驗(yàn)。試樣應(yīng)平放在加壓板的中央，垂直于受壓面加荷，應(yīng)均勻平穩(wěn)，不得發(fā)生沖擊或振動(dòng)。加荷速度以2～6 kN/s為宜，直至試樣破壞為止，記錄最大破壞荷載。

1.5 電鏡掃描試驗(yàn)

試驗(yàn)采用日本日立公司生產(chǎn)的S-4300型電鏡掃描儀，分別對(duì)凍融前及凍融15、30、45、60、75次的古青磚制備試樣，并進(jìn)行電鏡掃描。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 抗壓強(qiáng)度與孔隙率之間的關(guān)系

由于古青磚均為手工燒制，受到材料來源、燒制溫度以及后期所處環(huán)境等的影響，1～15號(hào)樣磚的抗壓強(qiáng)度和孔隙率均存在著較大的個(gè)體差異，抗壓強(qiáng)度在4.46～11.76 MPa波動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)差為1.61；孔隙率在18.0%～28.3%波動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)差為2.58，如表1所示。這給古青磚凍融循環(huán)后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析帶來了極大的困難。

古青磚抗壓強(qiáng)度的影響因素有很多，孔隙率是一個(gè)很重要的因素。部分學(xué)者總結(jié)了一些多孔脆性晶體材料的半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，并推廣到了水泥砂漿和混凝土上，具有代表性半徑驗(yàn)計(jì)算公式如下。

(1)Balshin[8]提出了用于多孔性金屬-陶瓷材料的建議計(jì)算公式為

fc=fc0(1-P)k

(2)

(2)Ryshkevitch[9]提出了用于多孔燒結(jié)氧化鋁和氧化鋯的建議計(jì)算公式為

fc=fc0e-kP

(3)

(3)Hasselmann等[10]提出了用于凝固石膏材料的建議計(jì)算公式為

fc=fc0(1-kP)

(4)

式中：P為多孔脆性晶體材料的孔隙率；fc為孔隙率等于P時(shí)的抗壓強(qiáng)度；fc0為孔隙率為零時(shí)的抗壓強(qiáng)度，取決于晶粒直徑的大小；k為回歸系數(shù)。

賈金青等[11]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于混凝土抗壓強(qiáng)度與孔隙率的關(guān)系，式(2)～式(4)都比較適用,但更推薦式(3)。

利用1～15號(hào)古青磚樣磚的抗壓強(qiáng)度與孔隙率的數(shù)據(jù)，對(duì)式(2)～式(4)進(jìn)行系數(shù)回歸，結(jié)果如圖3所示。

利用圖3中的3個(gè)回歸方程，分別計(jì)算1～15號(hào)樣磚抗壓強(qiáng)度并與實(shí)測值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。由圖3、表1可知，3個(gè)回歸方程的計(jì)算效果均較好，說明同為多孔脆性晶體材料的古青磚，其抗壓強(qiáng)度與孔隙率的關(guān)系對(duì)于式(2)～式(4)都比較適用。但式(2)、式(3)中fc0的取值更接近，且式(3)的判定系數(shù)最大，因此用Ryshkevitch[9]的指數(shù)關(guān)系方程即fc=43.336e-7.614P表達(dá)卜奎清真寺古青磚與孔隙率的關(guān)系最為合適。16～30號(hào)樣磚凍融循環(huán)前的抗壓強(qiáng)度雖然無法通過試驗(yàn)直接測定，但可以通過該方程式利用已測定的凍融前的孔隙率計(jì)算獲得，方便分析凍融循環(huán)對(duì)古青磚強(qiáng)度的影響。

表1 抗壓強(qiáng)度計(jì)算值與實(shí)測值的比較

圖3 抗壓強(qiáng)度與孔隙率的關(guān)系

2.2 孔隙率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

凍害是由孔隙水凍結(jié)引起的，產(chǎn)生凍脹應(yīng)力的原因主要取決于內(nèi)部孔隙構(gòu)造，其內(nèi)部孔隙特征與孔隙率有直接關(guān)系，探究凍融循環(huán)作用下古青磚孔隙率的變化規(guī)律具有十分重要的意義。根據(jù)靜水壓假說[12]，古青磚天然孔隙中的水在凍結(jié)過程中，本身體積膨脹9%，而且由于水分的主動(dòng)運(yùn)輸作用，未凍結(jié)部分的水分不斷向凍結(jié)的冰面遷移，在孔隙內(nèi)產(chǎn)生很大的凍脹力，擠碎孔隙周圍的結(jié)構(gòu)，孔隙變大后使古青磚具有了更大的儲(chǔ)水空間；融化過程中，孔隙中冰的體積減小9%，導(dǎo)致真空產(chǎn)生，由于真空抽吸作用把水分抽吸到孔隙中，再次使孔隙處于飽水狀態(tài)。

由表2、圖4可以看出，16～30號(hào)樣磚經(jīng)不同次凍融循環(huán)后，孔隙率都有一定程度的增加，增幅在2.92%～6.98%，但由于古青磚初始孔隙率介于18.79%～30.23%，存在較大的個(gè)體差異，所以僅分析孔隙率并不能直接反應(yīng)不同次凍融循環(huán)作用下孔隙率的變化規(guī)律。

表2 孔隙率增量及孔隙率相對(duì)增量計(jì)算結(jié)果

圖4 孔隙率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

為了更好地發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)孔隙率的影響以及初始孔隙率對(duì)凍融作用下孔隙率變化的影響，采用孔隙率增量ΔP以及孔隙率相對(duì)增量P*指標(biāo)進(jìn)行分析，計(jì)算公式分別為

ΔP=P2-P1

(5)

(6)

式中：P1為凍融循環(huán)前的孔隙率；P2為凍融循環(huán)后的孔隙率。

16～30號(hào)樣磚孔隙率增量以及孔隙率相對(duì)增量的計(jì)算結(jié)果如表2所示，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制圖5、圖6。

圖6 孔隙率相對(duì)增量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

由圖5可以看出，孔隙率增量ΔP隨著凍融循環(huán)次數(shù)n的增加，基本呈線性函數(shù)增長，其表達(dá)式為ΔP=0.029 7n+2.658 4，增幅在3.06%～4.90%。

圖5 孔隙率增量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

由圖6可以看出，古青磚孔隙率相對(duì)增量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，基本呈線性函數(shù)增長，表達(dá)式為P*=0.067 7n+13.412，孔隙率相對(duì)增量增幅在14.51%～19.98%。但圖5中的判定系數(shù)遠(yuǎn)大于圖6中的判定系數(shù)，故可以認(rèn)為在凍融循環(huán)作用下，初始孔隙率對(duì)孔隙率增量的影響并不大。

2.3 抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系

理論上經(jīng)凍融循環(huán)后古青磚抗壓強(qiáng)度均應(yīng)有所下降，但由圖7可以看出，古青磚經(jīng)不同次凍融循環(huán)后，每組抗壓強(qiáng)度雖然也整體呈現(xiàn)了指數(shù)下降的趨勢，但判定系數(shù)僅為0.820 6，規(guī)律不很明顯。特別是75次凍融循環(huán)后古青磚抗壓強(qiáng)度高于60次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度，這顯然與理論不符。其原因可能是古青磚凍融前的抗壓強(qiáng)度客觀上存在較大的差異造成的。

圖7 抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

為了深入探究抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，根據(jù)損傷力學(xué)將古青磚的抗壓強(qiáng)度凍融損傷量Dn定義為

Dn=fcp1-fcn

(7)

式(7)中：fcp1為古青磚凍融循環(huán)前的抗壓強(qiáng)度，可以通過圖3中式(3)求得；fcn為古青磚經(jīng)n次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度，由抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)直接測得。

將式(3)代入式 (7)，可得

Dn=fc0e-kP1-fcn

(8)

利用式(8)計(jì)算經(jīng)歷不同次凍融循環(huán)后卜奎清真寺古青磚抗壓強(qiáng)度凍融損傷量Dn的結(jié)果如表3所示,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制圖8。

表3 抗壓強(qiáng)度凍融損傷量的計(jì)算結(jié)果

圖8 抗壓強(qiáng)度損失量與凍融次數(shù)的關(guān)系

由圖8可以看出，隨著凍融次數(shù)的增加，古青磚抗壓強(qiáng)度凍融損傷量逐漸增大，為0.71～1.67 MPa，且抗壓強(qiáng)度凍融損傷量與凍融次數(shù)基本呈線性增加，其系數(shù)回歸方程為Dn=0.016 5n+0.391 9，該回歸方程對(duì)預(yù)測古青磚砌體的壽命并確定最佳修復(fù)時(shí)間有極其重要的意義。

2.4 電鏡掃描試驗(yàn)

圖9為古青磚電鏡掃描微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)照片，可以看出，凍融循環(huán)前古青磚內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較致密、均勻，細(xì)孔較小且無明顯裂紋，如圖9(a)所示。隨著凍融次數(shù)的增加，古青磚內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸變得疏松，出現(xiàn)較多大而圓的孔隙，孔隙的直徑以及數(shù)量均有所增加，如圖9(b)～圖9(e)所示，反映了古青磚孔隙水在凍結(jié)過程中，在孔隙內(nèi)產(chǎn)生很大的凍脹力，擠碎了孔隙周圍的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致孔隙率逐漸變大。凍融循環(huán)75次后古青磚內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的裂紋以及貫通孔隙，如圖9(f)所示，導(dǎo)致古青磚抗壓強(qiáng)度損傷量隨著凍融次數(shù)的增加逐漸變大。卜奎清真寺古青磚凍融前、后電鏡掃描微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)分析結(jié)果與孔隙率和抗壓強(qiáng)度趨勢相吻合。

圖9 古青磚電鏡掃描微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)照片

3 結(jié)論

為了更好地保護(hù)珍貴古建筑，對(duì)卜奎清真寺古青磚進(jìn)行了凍融前后的孔隙率、抗壓強(qiáng)度及電鏡掃描試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

(1)雖然古青磚的抗壓強(qiáng)度和孔隙率均存在著較大的個(gè)體差異，但它們之間的關(guān)系對(duì)于Balshin、Ryshkevitch和Hasselmann所提出的半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式都比較適用，且Ryshkevitch的指數(shù)關(guān)系方程最為合適，其系數(shù)回歸方程為fc=43.336e-7.614P。

(2)經(jīng)歷不同次凍融循環(huán)后，古青磚的孔隙率都有所增加，增幅在2.92%～6.98%，孔隙率增量與凍融次數(shù)基本呈線性關(guān)系，表達(dá)式為ΔP=0.029 7n+2.658 4，且與初始孔隙率關(guān)系不大。

(3) 凍融循環(huán)后古青磚抗壓強(qiáng)度損傷量與凍融次數(shù)基本呈線性關(guān)系，系數(shù)回歸方程為Dn=0.016 5n+0.391 9。

(4)電鏡掃描微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)分析結(jié)果與宏觀試驗(yàn)趨勢相吻合。