凍融循環對卜奎清真寺古青磚力學性能影響的試驗研究

郭國梁， 張道明， 呂 春， 耿洪亮， 楊志東

(1.齊齊哈爾大學建筑與土木工程學院， 齊齊哈爾 161006; 2.中鐵三局集團有限公司， 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，是黑龍江省現存規模最大、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，寺內建筑氣勢宏偉壯觀，裝飾精美，充分體現了宗教和中國古典藝術的風格，極具歷史和藝術價值，2006年卜奎清真寺作為清代古建筑，被國務院批準列入第六批全國文物保護單位名單，寺內建筑大多為磚木結構，采用燒結古青磚[1]。青磚材料是一種由黏土燒制而成的多孔介質材料，具有豐富的孔隙結構，容易受季節性凍融循環作用的影響[2]。齊齊哈爾市位屬季凍區，每年的冬末上凍和春初融化期間，晝夜溫度在0 ℃上下反復波動，凍融作用強烈，目前已經對古青磚造成了顯著的損傷。

中外學者對古青磚的研究相對比較少。曹紅紅等[3]分析并檢測了山西廣武明代長城青磚的化學組成和主要物理性能。曹新宇等[4]基于大氣環境實驗艙分析了山西某地古磚砌體在凍融循環作用下的抗壓性能。趙鵬[5]研究了江浙皖地區青磚及其砌體結構在荷載與環境作用下的損傷劣化規律與機理。曹峰等[6]研究了北京明長城青磚毛細吸水性測定及其影響因素。別治明[7]認為凍融損傷程度對青磚材料的強度指標和微觀結構特點有十分重要的影響。

古青磚涉及年代久遠，分布地域更是寬廣。目前對齊齊哈爾卜奎清真寺所用清代古青磚的研究成果相對較少。通過室內試驗分析了凍融循環前后古青磚的基本力學性能，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提供試驗依據，具有重要的現實意義。

1 原材料與試驗方法

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非常嚴重，如圖1所示，且不具備大規模原位取樣的條件，試驗所用古青磚樣品取自與卜奎清真寺同時期修建的墓地建筑，磚體長時間埋于地下，保存相對較好。鑒于古青磚樣品十分珍貴，且試驗具有破壞性及不可重復性，故按照《普通燒結磚》(GB/T 5101—2017)外觀質量要求，僅選取外觀較好的古青磚30塊并進行編號，其中1～15號樣磚用于非凍融試驗，16～30號樣磚用于凍融試驗。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。試驗所用古青磚樣磚照片如圖2所示。

1.2 凍融循環試驗

凍融循環試驗按照《砌墻磚試驗方法》(GB/T 2542—2012)中的凍融方法，采用TR-GDR3型快速凍融儀進行試驗，設定凍結溫度-20 ℃，凍結時間4 h，融化溫度15～20 ℃，融化時間4 h，凍融循環次數分別為15、30、45、60、75次。

1.3 孔隙率試驗

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

(1)

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

1.4 抗壓強度試驗

將試樣鋸成兩個半截磚，切斷口相反疊放，疊放部分大于等于100 mm，即為抗壓強度試樣。試樣在氣干狀態下利用材料試驗機直接進行試驗。試樣應平放在加壓板的中央，垂直于受壓面加荷，應均勻平穩，不得發生沖擊或振動。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

試驗采用日本日立公司生產的S-4300型電鏡掃描儀，分別對凍融前及凍融15、30、45、60、75次的古青磚制備試樣，并進行電鏡掃描。

2 試驗結果及分析

2.1 抗壓強度與孔隙率之間的關系

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境等的影響，1～15號樣磚的抗壓強度和孔隙率均存在著較大的個體差異，抗壓強度在4.46～11.76 MPa波動，標準差為1.61；孔隙率在18.0%～28.3%波動，標準差為2.58，如表1所示。這給古青磚凍融循環后的試驗數據分析帶來了極大的困難。

古青磚抗壓強度的影響因素有很多，孔隙率是一個很重要的因素。部分學者總結了一些多孔脆性晶體材料的半經驗計算公式，并推廣到了水泥砂漿和混凝土上，具有代表性半徑驗計算公式如下。

(1)Balshin[8]提出了用于多孔性金屬-陶瓷材料的建議計算公式為

fc=fc0(1-P)k

(2)

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

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時的抗壓強度；fc0為孔隙率為零時的抗壓強度，取決于晶粒直徑的大小；k為回歸系數。

賈金青等[11]研究發現，對于混凝土抗壓強度與孔隙率的關系，式(2)～式(4)都比較適用,但更推薦式(3)。

利用1～15號古青磚樣磚的抗壓強度與孔隙率的數據，對式(2)～式(4)進行系數回歸，結果如圖3所示。

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

表1 抗壓強度計算值與實測值的比較

圖3 抗壓強度與孔隙率的關系

2.2 孔隙率與凍融循環次數的關系

凍害是由孔隙水凍結引起的，產生凍脹應力的原因主要取決于內部孔隙構造，其內部孔隙特征與孔隙率有直接關系，探究凍融循環作用下古青磚孔隙率的變化規律具有十分重要的意義。根據靜水壓假說[12]，古青磚天然孔隙中的水在凍結過程中，本身體積膨脹9%，而且由于水分的主動運輸作用，未凍結部分的水分不斷向凍結的冰面遷移，在孔隙內產生很大的凍脹力，擠碎孔隙周圍的結構，孔隙變大后使古青磚具有了更大的儲水空間；融化過程中，孔隙中冰的體積減小9%，導致真空產生，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。

由表2、圖4可以看出，16～30號樣磚經不同次凍融循環后，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%，存在較大的個體差異，所以僅分析孔隙率并不能直接反應不同次凍融循環作用下孔隙率的變化規律。

表2 孔隙率增量及孔隙率相對增量計算結果

圖4 孔隙率與凍融循環次數的關系

為了更好地發現凍融循環次數對孔隙率的影響以及初始孔隙率對凍融作用下孔隙率變化的影響，采用孔隙率增量ΔP以及孔隙率相對增量P*指標進行分析，計算公式分別為

ΔP=P2-P1

(5)

(6)

式中：P1為凍融循環前的孔隙率；P2為凍融循環后的孔隙率。

16～30號樣磚孔隙率增量以及孔隙率相對增量的計算結果如表2所示，并根據計算結果繪制圖5、圖6。

圖6 孔隙率相對增量與凍融循環次數的關系

由圖5可以看出，孔隙率增量ΔP隨著凍融循環次數n的增加，基本呈線性函數增長，其表達式為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次數的關系

由圖6可以看出，古青磚孔隙率相對增量隨著凍融循環次數的增加，基本呈線性函數增長，表達式為P*=0.067 7n+13.412，孔隙率相對增量增幅在14.51%～19.98%。但圖5中的判定系數遠大于圖6中的判定系數，故可以認為在凍融循環作用下，初始孔隙率對孔隙率增量的影響并不大。

2.3 抗壓強度與凍融循環次數之間的關系

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

圖7 抗壓強度與凍融循環次數的關系

為了深入探究抗壓強度與凍融循環次數的關系，根據損傷力學將古青磚的抗壓強度凍融損傷量Dn定義為

Dn=fcp1-fcn

(7)

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

將式(3)代入式 (7)，可得

Dn=fc0e-kP1-fcn

(8)

利用式(8)計算經歷不同次凍融循環后卜奎清真寺古青磚抗壓強度凍融損傷量Dn的結果如表3所示,并根據計算結果繪制圖8。

表3 抗壓強度凍融損傷量的計算結果

圖8 抗壓強度損失量與凍融次數的關系

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

2.4 電鏡掃描試驗

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

圖9 古青磚電鏡掃描微觀結構形態照片

3 結論

為了更好地保護珍貴古建筑，對卜奎清真寺古青磚進行了凍融前后的孔隙率、抗壓強度及電鏡掃描試驗，得出以下結論。

(1)雖然古青磚的抗壓強度和孔隙率均存在著較大的個體差異，但它們之間的關系對于Balshin、Ryshkevitch和Hasselmann所提出的半經驗計算式都比較適用，且Ryshkevitch的指數關系方程最為合適，其系數回歸方程為fc=43.336e-7.614P。

(2)經歷不同次凍融循環后，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基本呈線性關系，表達式為ΔP=0.029 7n+2.658 4，且與初始孔隙率關系不大。

(3) 凍融循環后古青磚抗壓強度損傷量與凍融次數基本呈線性關系，系數回歸方程為Dn=0.016 5n+0.391 9。

(4)電鏡掃描微觀結構形態分析結果與宏觀試驗趨勢相吻合。