可溶鹽溶結(jié)循環(huán)對(duì)清水墻結(jié)構(gòu)的風(fēng)化影響

秦海洋 湯永凈2，，* 邵振東 谷志旺 陳智遠(yuǎn)

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院土木工程系，嘉興314051；3.上海仰韶古建筑保護(hù)科技發(fā)展有限公司，上海200434；4.上海建工四建集團(tuán)有限公司，上海201103；5.上海市黃浦區(qū)教育局校產(chǎn)管理站，上海200025）

0 引 言

截至目前，中國(guó)乃至世界建成有大量的清水磚建筑，這些建筑的壽命少則幾年幾十年，多則上百年，其結(jié)構(gòu)或多或少的遭受了風(fēng)化影響，水凍融循環(huán)與可溶鹽溶結(jié)循環(huán)是導(dǎo)致墻體風(fēng)化的主要因素［1-2］。其中，就上海、南京等南方城市而言，由于氣溫較高，水凍融的機(jī)會(huì)較少。因而周期性環(huán)境中干濕交替形成的可溶鹽溶結(jié)循環(huán)成為南方地區(qū)清水墻結(jié)構(gòu)風(fēng)化的主要因素。

針對(duì)可溶鹽對(duì)清水墻結(jié)構(gòu)的風(fēng)化機(jī)理，國(guó)內(nèi)有不少學(xué)者對(duì)此展開了研究［3-4］。其中，湯永凈和邵振東［5］通過(guò)對(duì)古磚砌體孔隙率和孔徑分布的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為孔隙率較大是導(dǎo)致整個(gè)風(fēng)化過(guò)程的重要原因；范永麗等［6］通過(guò)X 熒光光譜與熱力學(xué)軟件HSC 等方法對(duì)磚體內(nèi)部的物理及化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了觀察與驗(yàn)證，指出可溶鹽是導(dǎo)致清水墻破壞的主要因素；白憲臣等［8］對(duì)河南大學(xué)齋房建筑群古磚墻粉化脫落現(xiàn)象進(jìn)行了分析，認(rèn)為地下水分遷移、墻體的熱濕狀況及環(huán)境溫度交替引起的可溶鹽溶結(jié)循環(huán)是導(dǎo)致墻體風(fēng)化的主要原因。上述成果極大推動(dòng)了可溶鹽對(duì)清水墻風(fēng)化影響的研究進(jìn)展，但卻沒(méi)有將凍融循環(huán)與溶結(jié)循環(huán)放在一起進(jìn)行計(jì)算模型與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比性分析，同時(shí)可溶鹽溶結(jié)對(duì)清水墻的風(fēng)化研究主要以實(shí)驗(yàn)研究為主，尚沒(méi)有應(yīng)用專業(yè)有限元軟件對(duì)破壞機(jī)理做進(jìn)一步驗(yàn)證，且截至目前尚沒(méi)有系統(tǒng)化的專業(yè)軟件可以直接模擬這一過(guò)程。鑒于此，本研究對(duì)比分析了水凍融循環(huán)與可溶鹽溶結(jié)循環(huán)的作用特點(diǎn)與數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)線性關(guān)系將二者聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)而采用適用于水凍融循環(huán)分析的溫度-應(yīng)變耦合模型來(lái)近似模擬可溶鹽溶結(jié)循環(huán)對(duì)清水墻結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)一步揭示出可溶鹽溶結(jié)循環(huán)對(duì)清水墻風(fēng)化影響的規(guī)律，以期為相應(yīng)的理論分析和工程實(shí)踐提供借鑒。

1 數(shù)學(xué)模型分析

1.1 對(duì)比性分析

水凍融循環(huán)與可溶鹽溶結(jié)循環(huán)是導(dǎo)致清水墻結(jié)構(gòu)風(fēng)化的主要因素。其中，水凍融循環(huán)過(guò)程中，水冰相態(tài)的轉(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體積的變化，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力累積；可溶鹽溶結(jié)循環(huán)過(guò)程中，溶化與結(jié)晶相態(tài)的轉(zhuǎn)變也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體積的變化，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力累積。由此可見(jiàn)，水凍融循環(huán)與可溶鹽溶結(jié)循環(huán)具體破壞機(jī)理的相似性。截至目前，雖然無(wú)法直接模擬可溶鹽溶結(jié)循環(huán)對(duì)清水墻結(jié)構(gòu)的風(fēng)化影響，但是基于“溫度-應(yīng)變耦合”模型的水凍融循環(huán)過(guò)程模擬已經(jīng)十分成熟。因此，如果存在某對(duì)比研究方法可以證明凍融循環(huán)與可溶鹽循環(huán)間存在聯(lián)系，且可以通過(guò)數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)出來(lái)，那么便可以采用發(fā)展較為成熟的凍融循環(huán)“溫度-應(yīng)變耦合”模型來(lái)近似模擬可溶鹽溶結(jié)循環(huán)過(guò)程，深化研究可溶鹽溶結(jié)循環(huán)對(duì)清水墻結(jié)構(gòu)風(fēng)化影響的客觀規(guī)律，如圖1所示。

圖1 水凍融循環(huán)與可溶鹽溶結(jié)循環(huán)的對(duì)比性分析Fig.1 Contrast analysis of freeze-thaw cycle and meltcrystallization cycle

1.2 相關(guān)性分析

1.2.1 條件假設(shè)

（1）零攝氏度為凍融循環(huán)的轉(zhuǎn)化界線，臨界含濕度為可溶鹽的轉(zhuǎn)化界線；

（2）溶結(jié)循環(huán)中，可溶鹽始終處于飽和狀態(tài)，假設(shè)可溶鹽的結(jié)晶量變化與環(huán)境濕度變化線性相關(guān)。

1.2.2 數(shù)學(xué)模型

（1）凍融模型。溫度T在0 ℃以下時(shí)，對(duì)于單位體積的凍融模型，溫度每下降1 ℃，模型各邊長(zhǎng)延伸β，如圖2所示。

圖2 單位凍融模型中的體積變化Fig.2 Volume change in freeze-thaw model

因而，單位體積增加量為：A=（1+β）3-1，其中，β為凍融模型的線膨脹系數(shù)。

（2）溶結(jié)模型。環(huán)境濕度低于臨界含濕度α%時(shí)，對(duì)于單位體積的飽和溶結(jié)模型，其孔隙體積為1×φ。因而環(huán)境濕度c%每下降c%×1%，單位體積墻體結(jié)構(gòu)中水分減少c%×1%×（1×φ）。假設(shè)可溶鹽的溶解度為m%，則可析出可溶鹽的量為c%×1%×（1×φ）×m%。因而可得B=cφm×10-6，如圖3 所示。其中，c%為環(huán)境濕度，φ為溶結(jié)模型的孔隙比，m%為可溶鹽的溶解度。

圖3 單位溶結(jié)模型中的體積變化Fig.3 Volume change in melt-crystallization model

1.2.3 相關(guān)性分析

上述關(guān)于凍融模型和溶結(jié)模型的分析可知：凍融模型中，溫度每降低1 ℃，單位體積增加量為A=（1+β）3-1；溶結(jié)模型中，環(huán)境濕度c%每降低原來(lái)的1%，單位體積結(jié)晶量增加B=cφm×10-6。因此可通過(guò)上述兩式確定出體積增量相同時(shí)，可溶鹽溶結(jié)循環(huán)與水凍融循環(huán)間的關(guān)系。即，溶結(jié)模型中，環(huán)境濕度c%每降低1%，對(duì)應(yīng)于凍融模型中，溫度將降低Al，其中

水凍融模型與可溶鹽溶結(jié)模型存在破壞機(jī)理的相似性，且兩者的控制因素環(huán)境溫度T與環(huán)境濕度c%之間存在上述相關(guān)性，即B=Al。因此，可通過(guò)上述關(guān)系將溶結(jié)模型近似轉(zhuǎn)化為凍融模型，進(jìn)而通過(guò)“溫度-應(yīng)變耦合”模型方法進(jìn)行可溶鹽溶結(jié)循環(huán)過(guò)程的有限元分析，來(lái)探究溶結(jié)循環(huán)對(duì)南方清水墻風(fēng)化影響的規(guī)律。

2 ABAQUS有限元模擬

以上海地區(qū)清水墻取樣材料為例，并參考《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》等規(guī)范［10-12］，取線膨脹系數(shù)β為10-5/℃，孔隙比φ取值0.3，則由式（1）可確定出相關(guān)系數(shù)l，

則溫度-應(yīng)變耦合模型中的溫度變化幅值A(chǔ)l為10 ℃。

2.1 循環(huán)參數(shù)

基于“溫度-應(yīng)變耦合”方法的可溶鹽溶結(jié)循環(huán)近似分析中，按上述結(jié)果取溫度幅值為-10 ℃～10 ℃，每12 h 經(jīng)歷一次升溫或降溫的溫度變化，即 24 h 經(jīng)歷一次可溶鹽溶結(jié)循環(huán)［13］。以 10 次循環(huán)過(guò)程為例，總時(shí)長(zhǎng)為240 h，溫度變化曲線如圖4所示。

圖4 溫度變化曲線Fig.4 Temperature curve

2.2 模型參數(shù)

為了盡可能模擬清水墻的受力特征，模型尺寸取清水墻斷面尺寸，長(zhǎng)×高=300 mm×2 000 mm的二維平面模型，模型上下邊界固定x與y方向的位移。在ABAQUS 6.14 版本中，設(shè)置步長(zhǎng)為1 的固定分析步，總時(shí)長(zhǎng)為240 h。整個(gè)模型的初始溫度為幅值溫度10 ℃，其右側(cè)邊界為清水墻外側(cè)，設(shè)置為溫度變化邊界。模型尺寸及相關(guān)信息如圖5所示。

圖5 計(jì)算模型Fig.5 The FEM model

導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、熱膨脹系數(shù)、楊氏模量及泊松比隨溫度的變化如表1所示。

表1 模型參數(shù)Table 1 Modek parameters

3 結(jié)果與分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

圖6 所示為溶結(jié)循環(huán)過(guò)程的不同時(shí)間點(diǎn)中，模型在x方向上的位移云圖。

圖6 溶結(jié)循環(huán)過(guò)程中的位移變化Fig.6 Displacement changes in the melt-crystallization cycle

3.2 節(jié)點(diǎn)位移的時(shí)間變化

提取圖5 節(jié)點(diǎn)A 和節(jié)點(diǎn)B 在水平方向上隨時(shí)間變化的節(jié)點(diǎn)位移，繪制成曲線圖，如圖7所示。

圖7 節(jié)點(diǎn)位移時(shí)間變化曲線Fig.7 Displacement-time curve

可以發(fā)現(xiàn)，隨著可溶鹽溶結(jié)循環(huán)過(guò)程的進(jìn)行，節(jié)點(diǎn)A 與節(jié)點(diǎn)B 的水平位移波動(dòng)增大，且整體趨勢(shì)為逐步趨于穩(wěn)定，節(jié)點(diǎn)A 的最大水平位移為5.8 mm，節(jié)點(diǎn)B 的最大水平位移為5.4 mm。說(shuō)明隨著可溶鹽溶結(jié)循環(huán)過(guò)程的進(jìn)行，墻面泛堿現(xiàn)象中附帶著墻體結(jié)構(gòu)的部分風(fēng)化，宏觀上表現(xiàn)為墻面的向外膨脹，當(dāng)膨脹發(fā)展到一定的程度最終趨于穩(wěn)定。

就墻體外側(cè)而言，中部膨脹較上下兩端嚴(yán)重，部分原因是由于墻體的上下邊界受限所導(dǎo)致的。實(shí)際工程中，墻體中部的泛堿和空鼓現(xiàn)象也常常大于上下兩端［10］，這與上述計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)相同。

3.3 節(jié)點(diǎn)位移的空間分布

提取14、62、110、158、206 小時(shí)模型中心節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)1～節(jié)點(diǎn)5）處的水平位移（圖5 所示），繪制成曲線圖，如圖8所示。

圖8 節(jié)點(diǎn)位移空間分布曲線Fig.8 Displacement-space curve

可以發(fā)現(xiàn)，14 h 時(shí)（1 次溶結(jié)循環(huán)），只有墻體的外側(cè)表面部分出現(xiàn)了水平位移，受影響區(qū)域厚度為7.5 mm，最大水平位移為0.6 mm，墻體內(nèi)部基本無(wú)水平位移出現(xiàn)；62 h 時(shí)（3 次溶結(jié)循環(huán)），受影響區(qū)域稍微向墻體內(nèi)部延伸，受影響區(qū)域厚度為10 mm，最大水平位移為2.0 mm；110 h 時(shí)（5 次溶結(jié)循環(huán)），受影響區(qū)域繼續(xù)小范圍向墻體內(nèi)部延伸，受影響區(qū)域厚度為17 mm，最大水平位移為3.5 mm；158 h 時(shí)（7 次溶結(jié)循環(huán)），受影響區(qū)域?yàn)?8 mm，最大水平位移為4.8 mm；206 h 時(shí)（9 次溶結(jié)循環(huán)），受影響區(qū)域仍為18 mm，最大水平位移為5.8 mm；

上述現(xiàn)象說(shuō)明，可溶鹽溶結(jié)引起的體積變化剛開始出現(xiàn)在外墻外側(cè)，隨著溶結(jié)循環(huán)次數(shù)的增加，逐步向墻體內(nèi)部延伸，且延伸深度最終趨于穩(wěn)定。當(dāng)溶結(jié)循環(huán)達(dá)到9 次時(shí)，外墻外側(cè)的水平位移明顯大于內(nèi)部水平位移，這對(duì)于清水墻的修繕工作具有重要的指導(dǎo)意義：周期小于9 年的清水墻修繕工程，計(jì)算結(jié)果可知，風(fēng)化影響范圍多涉及墻體表層而較輕地觸及到墻體內(nèi)部，因此高壓水清洗表面的風(fēng)化層，并進(jìn)行墻體排鹽施工后，便可極大程度地提高舊墻的質(zhì)量。如果沒(méi)有出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，一般不需要進(jìn)行額外的墻體加固。

4 討論與分析

徐港等［14］通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，抗水凍融與抗鹽凍融存在明顯的線性關(guān)系，混凝土抗水凍融能力為抗鹽凍融能力的2.5～2.8倍。

抗鹽凍融實(shí)際上為水結(jié)冰的體積膨脹與可溶鹽結(jié)晶的體積膨脹之和。本研究中的溶結(jié)模型不考慮水結(jié)冰時(shí)體積膨脹，僅分析干濕交替情況下可溶鹽結(jié)晶時(shí)的體積膨脹。對(duì)比分析單一抗水凍融模型與單一抗鹽凍融模型后，發(fā)現(xiàn)可以采用水凍融循環(huán)中的“溫度-應(yīng)變耦合”模型來(lái)近似模擬可溶鹽溶結(jié)循環(huán)過(guò)程，兩者間溫度變化參數(shù)存在線性相關(guān)性且可以用文中的相關(guān)比例系數(shù)l=10來(lái)表示，該關(guān)系受多個(gè)因素的影響，孔隙比、環(huán)境濕度、可溶鹽溶解度、線膨脹系數(shù)等因素。

深一步分析，本研究中的水凍融循環(huán)與鹽析溶結(jié)循環(huán)組成的鹽水結(jié)合體，直接疊加后的影響系數(shù)為11，其與水凍融循環(huán)的比值為11/10=1.1。因而在較多理想化假設(shè)的前提下，論文研究發(fā)現(xiàn)清水墻鹽水凍融影響系數(shù)是純水凍融影響系數(shù)的1.1 倍。該結(jié)果與文獻(xiàn)［14］中的實(shí)驗(yàn)結(jié)論2.5～2.8倍具有較大的誤差，該誤差受較多因素影響，包括：①材料孔隙比、線膨脹系數(shù)等不同；②本研究中凍融模型與溶結(jié)模型過(guò)于簡(jiǎn)化；③水凍融循環(huán)模型與可溶鹽溶結(jié)循環(huán)模型直接疊加會(huì)忽略兩者的相互影響；④論文的三個(gè)假設(shè)、樣本及其參數(shù)差異、理論與實(shí)驗(yàn)的差異等。

但是另一方面，論文的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)［14］又具有高度的一致性，即抗水凍融與抗鹽凍融存在明顯的線性關(guān)系，這對(duì)于進(jìn)行深一步的研究具有重要的參考價(jià)值。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)比水凍融模型與可溶鹽溶結(jié)模型的作用機(jī)理，采用溫度-應(yīng)變耦合方法，研究了可溶鹽溶結(jié)循環(huán)對(duì)南方清水墻的風(fēng)化影響。結(jié)果顯示：

（1）水凍融循環(huán)模型與可溶鹽溶結(jié)模型存在作用機(jī)理的相似性，這一關(guān)系可通過(guò)相關(guān)比例系數(shù)l進(jìn)行表達(dá)，且該系數(shù)受多個(gè)因素影響，孔隙比、環(huán)境濕度、可溶鹽溶解度、線膨脹系數(shù)等因素。

（2）隨著溶結(jié)循環(huán)次數(shù)的上升，外墻外側(cè)的水平位移波動(dòng)增大，出現(xiàn)風(fēng)化現(xiàn)象，且最終趨于穩(wěn)定。同時(shí)，受墻體上下邊界的約束影響，墻體中部的水平位移普遍高于上下兩端的水平位移。

（3）溶結(jié)循環(huán)引起的體積變化剛開始僅出現(xiàn)在墻體外側(cè)較淺區(qū)域，隨著溶結(jié)循環(huán)次數(shù)增加向墻體內(nèi)部延伸，且表層風(fēng)化程度遠(yuǎn)大于內(nèi)部的風(fēng)化程度。同時(shí)，向墻體內(nèi)部延伸的風(fēng)化區(qū)域最終趨于穩(wěn)定。