馬 成 理

(太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

?

·結(jié)構(gòu)·抗震·

平遙古城墻耐久性的試驗(yàn)研究

馬 成 理

(太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

以平遙古城城墻為例，試驗(yàn)研究了古磚的物理和化學(xué)性能，分析了影響古城墻磚耐久性的因素，并采用多種檢測(cè)技術(shù)，評(píng)價(jià)了古城墻的耐久性，為古建筑的修復(fù)提供必要的技術(shù)資料。

古城城墻，耐久性，ICP-AES法

1 概述

山西平遙古城墻作為古代城防工程，是中國(guó)境內(nèi)保存最為完整的一座古代縣城，是《世界文化遺產(chǎn)名錄》之一。整座城墻形如龜狀。它分別由墻身、馬面、甕城、角臺(tái)等組成。平遙古城墻起初為夯土墻，由西周所建。到了明代洪武年間，即公元1370年，對(duì)其整座夯土墻的外面包砌了城磚。迄今已有600余年，保存基本完好。為了對(duì)墻體進(jìn)行耐久性評(píng)價(jià)，本文采用了多種檢測(cè)技術(shù)(如：裂縫檢測(cè)儀、數(shù)碼攝影、圖形處理技術(shù)等)，并輔以人工實(shí)測(cè)實(shí)量，現(xiàn)場(chǎng)多次核查校對(duì)的方法，對(duì)整座城墻的70個(gè)馬面(代號(hào)M)，81個(gè)外墻(代號(hào)WQ)，6個(gè)甕城(代號(hào)WC)，4個(gè)角臺(tái)(代號(hào)JT)，1個(gè)點(diǎn)將臺(tái)(代號(hào)DJT)的墻體的現(xiàn)有缺陷部位的尺寸和墻面的裂縫、破損、殘缺、酥堿、鼓脹等缺陷部位、范圍、尺寸進(jìn)行了全面詳細(xì)的檢測(cè)和記錄。

經(jīng)檢測(cè)，磚墻面多處外閃鼓脹，且風(fēng)化酥堿侵蝕也十分普遍，最嚴(yán)重侵蝕深度占到墻體厚度的1/3，達(dá)300 mm。磚砌體墻面的裂縫繁多，較嚴(yán)重的裂縫多達(dá)1 000余條，其中最大裂縫寬度位于新東門(mén)門(mén)洞南側(cè)，最長(zhǎng)裂縫和最大鼓脹面積均位于外墻WQ-56，墻面鼓脹最大處位于北門(mén)甕城外墻西側(cè)，如表1所示。另外，發(fā)現(xiàn)部分墻體和下部基礎(chǔ)有嚴(yán)重殘缺現(xiàn)象。這些殘缺對(duì)城墻本身結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性也構(gòu)成了一定的影響。

為此，本文充分利用南門(mén)甕城進(jìn)行維修的機(jī)會(huì)，在現(xiàn)場(chǎng)采集了平遙城墻的磚進(jìn)行了耐久性的試驗(yàn)研究。通過(guò)試驗(yàn)研究，為將來(lái)維護(hù)修繕這些古磚建筑物提供必要的技術(shù)資料。

2 試驗(yàn)結(jié)果

在現(xiàn)場(chǎng)，我們分別采集了具有代表性的明代(代號(hào)m)、清代(代號(hào)q)、仿明、仿清和現(xiàn)代磚與灰漿的樣品，同時(shí)，對(duì)整座城墻周?chē)耐寥?、水質(zhì)也提取了樣品，并對(duì)這些樣品進(jìn)行了物理與化學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下。

表1 WQ-56有關(guān)數(shù)據(jù) mm

2.1 物理特性

測(cè)量磚的幾何尺寸時(shí)，取磚的兩個(gè)大面測(cè)量值的平均值。當(dāng)被測(cè)處有缺陷或凸出時(shí)，擇其不利一側(cè)的值。表2為部分明代磚與清代磚的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2 化學(xué)性能

電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-AES)靈敏度高，干擾少，線性范圍寬，并能同時(shí)測(cè)定多種元素，已成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的一個(gè)重要的檢測(cè)手段，廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。本文采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法對(duì)城墻磚、灰漿以及城墻邊水樣和土壤進(jìn)行測(cè)試。平遙古城城墻磚的氧化物含量測(cè)試結(jié)果如表3所示；灰漿的氧化物含量測(cè)試結(jié)果如表4所示；城墻邊土壤測(cè)試結(jié)果如表5所示；南城墻外排水溝內(nèi)水質(zhì)測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表2 部分磚的物理特性

表3 城墻磚的測(cè)試結(jié)果 %

表4 灰漿的測(cè)試結(jié)果 %

表5 城墻邊土壤測(cè)試結(jié)果 %

表6 南城墻外排水溝內(nèi)水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

為了說(shuō)明水樣對(duì)古磚的腐蝕情況，本文分別對(duì)清代磚與明代磚進(jìn)行了浸泡10 d的腐蝕率測(cè)定。檢測(cè)結(jié)果如表7所示。

表7 水樣對(duì)磚的腐蝕率 %

3 分析與結(jié)論

從表2可以看出，清代磚幾何尺寸和重量比明代磚尺寸小，經(jīng)過(guò)大量統(tǒng)計(jì)分析得到：清代磚的平均容重為17.09 kN/m3,方差為S=56.34，變異系數(shù)為δ=3.3%；明代磚的平均容重為16.67 kN/m3，方差為S=60.24，變異系數(shù)為δ=3.6%。由此看出，清代磚的平均容重大于明代磚，兩者的容重均小于現(xiàn)代磚(普通磚)。而這兩個(gè)朝代磚的變異系數(shù)幾乎相等，說(shuō)明兩個(gè)朝代生產(chǎn)磚的技術(shù)水平相當(dāng)。

從表3可知，清代磚與明代磚都呈弱酸性，主要氧化物的含量是氧化硅和氧化鋁，與現(xiàn)代的普通粘土磚的成分一致[3]。因此，與現(xiàn)代磚一樣，主要受酸、堿、鹽溶液腐蝕。酸與磚中的氧化鋁作用，生成易溶鹽；粘土磚中所含的鋁酸鈣和硅酸鈣易于被堿液分解，非晶的二氧化硅和氧化鋁也會(huì)與苛性堿和金屬碳酸鹽的溶液發(fā)生反應(yīng)；帶有結(jié)晶水的鹽，特別是能生成帶有很多結(jié)晶水的鹽類，由自身體積膨脹而引起磚結(jié)晶破壞。

從表4可以看出，砌磚的灰漿呈弱堿性，是磚與灰漿中的某些物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的必然結(jié)果，造成平遙城墻的酥堿。從表5可知，平遙城墻邊土壤接近中性，不會(huì)對(duì)城墻產(chǎn)生腐蝕。從表6看出，城墻外排水溝內(nèi)水質(zhì)呈弱堿性，但是堿性要比灰漿的大，從而導(dǎo)致下部的城墻與水接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。造成下部城墻酥堿、腐蝕多有發(fā)生。城墻外排水溝內(nèi)水質(zhì)呈弱堿性的主要原因是水中Na2S含量偏大。

從表7可以看出，水樣對(duì)兩個(gè)朝代磚腐蝕率幾乎相等。

通過(guò)以上檢測(cè)分析，本文得出如下的結(jié)論：

1)古磚的模數(shù)與現(xiàn)代粘土磚模數(shù)不同，但古磚的主要成分與現(xiàn)代粘土磚成分相同，均為氧化硅和氧化鋁。

2)砌筑城墻的灰漿呈弱堿性，容易與磚發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

3)平遙城墻邊土壤接近中性，不對(duì)城墻產(chǎn)生腐蝕。

4)城墻外排水溝內(nèi)水質(zhì)呈弱堿性，Na2S含量偏大，該水對(duì)古磚有腐蝕性。

因此，為了提高古城墻磚與砌體的耐久性，應(yīng)該采取多種措施，譬如防止弱堿性水與墻體的接觸，采用水泥混合砂漿砌筑，采用新的砌筑塊體(如煤矸石磚)等。而本文研究還需要進(jìn)一步拓展和深入。

[1] 施楚賢.砌體結(jié)構(gòu)理論與設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1992.

[2] 張中偉，金 明.平遙古城[M].太原：山西經(jīng)濟(jì)出版社，1998.

[3] 秦國(guó)治，吉 靜.工業(yè)建筑腐蝕與防護(hù)工程[M].北京：中國(guó)石化出版社，2000.

Experimental research on durability of the wall in Pingyao ancient town

Ma Chengli

(TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Taking ancient Pingyao city wall as an example, the paper experimentally studies the physical and chemical properties of ancient bricks, analyzes factors influencing ancient city wall brick durability, and evaluates the durability of ancient city wall by applying various detection technologies, which has provided necessary technical data for ancient architecture restoration.

ancient city wall, durability, ICP-AES method

1009-6825(2016)30-0047-02

2016-08-18

馬成理(1957- )，男，高級(jí)工程師

TU317

A