何 政，鐘 燕，王冰心，戴仕炳（.浙江德賽堡建筑材料科技有限公司，浙江 湖州 33008；.同濟大學建筑與城市規(guī)劃學院歷史建筑保護實驗中心，上海0009）

清水墻是一種集建筑結構功能與裝飾美學與一體的歷史建筑構件。與其他建筑材料一樣，磚墻本身因受風化和其他因素影響，不可避免的會出現劣化破壞。南方地區(qū)歷史建筑清水墻受地區(qū)氣候影響，不同的病害機理呈現出不同的劣化特征。為了更好地保護歷史建筑清水墻的歷史價值和使用價值，以科學的角度提出南方地區(qū)歷史建筑清水墻犧牲性保護修復材料體系。

1 南方地區(qū)氣候特點及病害機理

1.1 南方地區(qū)的氣候特點

浙江省杭州市為典型的南方地區(qū)，地處我國東部沿海，位于東經120°，北緯 30°，屬亞熱帶季風氣候，四季分明，雨量充沛。一年四季呈現春陰雨、夏潮熱、秋干爽、冬濕冷的氣候特點。

杭州市氣溫和降水年際、季際、月際變化明顯。年平均氣溫 15.3 ～17 ℃，1 月最低，一般 3.0 ～5.0℃，7 月最高，月平均氣溫 28.0 ～29.0 ℃，春秋兩季氣溫轉換較快。年平均降水量在 1100～ 1600 mm 之間。降水量在一年中的變化呈現為兩個多雨期梅汛期和秋雨期，一個多雨時段春雨期；7、8 月和 10 月至次年2月為兩個相對干季。

杭州市年平均蒸發(fā)量為 1150～1400 mm，夏季（6～8 月）最大，春（3～5 月）、秋（9～11 月）兩季次之，冬季（12 月～次年2月）最小。年相對平均濕度和月平均相對濕度在 75%～85%，全年相對濕度以梅汛期（6月）最大，冬干期（1 月）最小。

1.2 病害機理

清水墻以磚、石、砂漿等無機孔隙材料為主構成。到目前為止，清水墻建筑中磚、石等常見材料的病害現象、特征、成因的研究已十分清晰[1]（詳細數據見表1）。清水墻劣化主要體現在墻體面層（具體數據見圖1～3），由多種因素導致，主要包括：鹽的因素、水的因素、氣候因素等。這些因素之間相互影響作用，共同導致材料的劣化破壞。

表1 南方地區(qū)歷史建筑清水墻面層病害與機理

圖1 有機涂料覆蓋

圖2 表面泛堿

圖3 植物和微生物破壞

1.2.1 鹽的因素

鹽害是導致清水墻劣化破壞的直接因素之一，其中以可溶鹽的鹽害為主。其陽離子包括 Na+、K+、Ca2+、Mg2+等，陰離子包括 Cl-、SO42－、NO3－等。理論上認為鹽害導致的材料劣化主要基于3個原因：一是結晶壓力,即蒸發(fā)作用導致溶液發(fā)生過飽和作用，溶液中的可溶鹽結晶并對孔隙或裂隙內壁產生膨脹壓力；二是水合壓力，即部分可溶鹽遇水發(fā)生水合作用而膨脹，對孔隙或裂隙內壁產生膨脹壓力；三是溫差應力，即可溶鹽與不可溶巖石礦物的熱膨脹系數存在差異,在快速升溫或降溫過程中巖石晶體之間產生溫差應力[3]。

構成清水墻主體的磚砌體本身含有一定的鹽分。若生產燒結磚的原料中含有可溶性無機鹽類時，成磚時會隱含在磚體內部[4]。傳統石灰灰漿和石灰砂漿主要以生石灰 CaO 和消石灰 Ca(OH)2為主，一般只含有極少量的可溶性鹽。使用含水泥成分的砌筑砂漿和勾縫修復材料會帶入大量的鹽分，在現代文物保護工程中嚴禁使用水泥。除墻體外，鹽分還大量存在于清水墻鄰近的地下土體中，可通過上升毛細水進入墻體內。此外，大氣污染、水污染等危害都會將可溶鹽帶入到清水墻內。

鹽分通過溶解于液態(tài)水，依靠液態(tài)水的運動在孔隙材料內部運動。墻體內的可溶鹽會隨水分蒸發(fā)向墻體表面富集，嚴重時會在表面結晶形成泛堿現象。鹽結晶通常容易吸收空氣中的水分潮解，在遇到雨水或其他外界水后又會溶解反滲回墻體表層內部，之后隨水分蒸發(fā)又富集到表面，如此反復。這就是難以用大量清水去除墻面泛堿的主要原因。可溶鹽在材料表層反復溶解和結晶膨脹，會破壞材料孔隙結構，造成磚體表面粉化及剝落。

1.2.2 水的因素

水是導致清水墻劣化破壞的重要因素。水的侵入不僅會影響墻體物理性能與耐久性，而且為植物與真菌滋生創(chuàng)造條件，墻體熱惰性也會因更多熱耗散而降低[5]。清水墻不是一個封閉的構件，內部存有大量孔隙，通過這些孔隙，墻體與自然環(huán)境之間形成了一個動態(tài)平衡的水循環(huán)系統。當墻體相對干燥時，外界水分如雨水、地下水和空氣中的水分進入墻體，使材料含水率上升；當外界溫度升高，風速增加會加快墻體內的水分通過表面孔隙流失到外界環(huán)境，使材料含水率下降。由于墻體材料內部及周邊外界環(huán)境中含有大量的可溶鹽，這些鹽隨著水循環(huán)在墻體內遷移富集、溶解結晶。

清水墻的含水率還會造成其他病害的出現。當清水墻含水率較高時容易在其表面滋生真菌和植物，真菌和植物會腐蝕材料且有蓄水功能，會進一步提高墻體的含水率，如此惡性循環(huán)，會加速墻體的劣化。水結冰后體積會增大，水的凍融會加劇墻體材料的劣化，但南方地區(qū)一年內出現冰凍的天數較少，凍融導致的破壞相對有限。

1.2.3 氣候因素

氣候因素如氣溫、風速、日照等對墻體的直接破壞十分有限，但這些因素主要會影響墻體水循環(huán)速度和方向。南方地區(qū)氣候多屬亞熱帶季風氣候，四季分明，每個季節(jié)的溫度和濕度差別較大，不同季節(jié)清水墻體現出不同的病害特征。

綜上所述，減緩清水墻劣化的途徑是控制好清水墻內可溶鹽含量和水循環(huán)，具體措施包括排鹽和防水等。排鹽：降低清水墻材料內特別是表層的可溶鹽含量；防水：盡量隔絕外界液態(tài)水進入墻體內，可減緩和避免地下的鹽分再次聚集到墻體內。

2 犧牲性保護修復材料選擇原則

浙江大學之江學院鐘樓位于浙江省杭州市杭富路六和塔西側，位于校園軸線的起點，位置顯要，初名“同懷堂”，又稱“經濟學堂”。1936 年建成后未進行過大規(guī)模的改建，但立面經歷過多次修復。2016～2017 年鐘樓進行了最新的保護修復。該次修復以外立面清水墻修復為主，主要采用敷貼清洗進行清潔、脫鹽；采用了石灰類修補材料對磚砌體、勾縫破損嚴重的部位進行了修補；采用有機硅憎水保護劑對外立面進行了防水處理。

建筑材料的老化不可避免，但建筑不同部位老化速度是不同的。從病害機理上分析，這是由于鹽分和水分在建筑體內的分布不均勻所致。一般來說，清水墻體與外部環(huán)境水汽交換頻繁的部位容易導致鹽分富集，這些部位破壞速度明顯快于其他部位。

從病害機理分析結果看，避免鹽分富集是保護清水墻的有效途徑。所以在材料使用上，首先要避免新的可溶鹽的引入，如避免使用含水泥的修復材料。清水墻作為一個建筑體，其內部的鹽分富集是無法完全避免的。如果使用比原有材料有更強的鹽吸附能力的修復材料，那么在施工后鹽分將先集中在新的修復材料中，當修復材料因鹽分富集等因素被破壞后，只要除去修復材料重新替換新的修復材料就可以有效出去鹽分，降低鹽分富集對原有材料造成的破壞。這就是犧牲性保護修復材料的原理。

綜上所述，犧牲性保護修復材料選擇原則主要體現在3點：不引入有害成分、可逆施工和可吸附保護主體內的有害成分。

3 材料系統

目前，歷史建筑清水墻修復工序主要包括清潔、磚石修復、防護。在符合犧牲性保護修復材料選擇原則前提下，通過不同功能的修復材料組合，以達到對清水墻的保護修復，詳細數據見表2。

表2 歷史建筑清水墻犧牲性保護修復材料體系

3.1 清潔材料

歷史建筑的清洗指清除影響歷史磚石美學與歷史價值的污染物或人工添加物，完全有別于既有建筑的翻新。歷史建筑的清洗是一種重要的干預類型，錯誤的清洗對歷史建筑表皮的破壞常常是毀滅性的，必須小心謹慎[1]。清水墻清潔需考慮清水墻的材質類型以及污染類型和程度。

3.1.1 水

水是最常用的清潔材料。常規(guī)的水清潔過程中會耗費大量的水，清水墻吸收大量水分后容易激活墻體內的可溶鹽，在隨后的水分蒸發(fā)中造成更嚴重的表面鹽分富集。所以在水清洗中應盡量減少水的使用量。蒸汽清洗是利用高溫高壓飽和蒸汽進行水清洗的技術，有清潔能力強、用水少的特點。

3.1.2 排鹽紙漿

排鹽紙漿兼具清潔和排鹽的功能，一般以植物纖維為原料，經過特殊工藝處理成膏狀材料，具有較大的比表面積和孔隙率。將排鹽紙漿以 10 ～15 mm 的厚度掛涂覆蓋在材料表面，待其干燥到一定程度后揭除即可。因其干燥過程一般都需要數天時間，排鹽紙漿中的水可以充分軟化材料表層的污漬，達到清潔的效果。涂覆后排鹽紙漿中的水進入材料內部活化材料中的鹽分，被活化的鹽離子隨水分的蒸發(fā)向表層遷移，最終在排鹽紙漿中結晶。揭除排鹽紙漿后，鹽分也被排除掉。

3.1.3 脫漆材料

對于常規(guī)清洗難以去除的有機涂料或污染，必須采取化學清洗或物理清洗的方式。一般的清潔劑呈堿性或酸性，對材料有一定的腐蝕性，不建議在清水墻的清潔中使用。目前國內已有公司研發(fā)出中性、對磚石無腐蝕性的脫漆清潔產品，利用長時間覆膜緩釋，高效的去除有機污染物。物理清洗如噴砂清洗通常損壞材料表面，不建議在歷史建筑清水墻清潔中使用。

3.2 磚石修復材料

3.2.1 磚修補材料

目前磚修補材料按粘結材料分可分為有機和無機2類。

有機修補材料以環(huán)氧樹脂為代表。粘結時，有機粘結材料會滲入磚砌體的孔隙中造成孔隙封堵，使清水墻的透水、透氣性降低。其次，有機材料的應力－應變性能、導熱系數和熱膨脹等材料基本性質與磚砌體結構的無機材料相差較大，不能與磚砌體長期穩(wěn)定的結合。有機材料容易老化，不可逆，可能造成更嚴重的問題[6]。

無機修補材料以水泥類和石灰類為主。水泥中含有大量可溶鹽如有 CaSO4等，使用水泥類修補材料會帶入大量新的可溶鹽，修補區(qū)邊緣容易發(fā)生嚴重的鹽害。水泥類修補材料通常內部致密，強度過高，修補部位與原清水墻在色調、質地、透水性、熱膨脹性能等方面相差巨大，修補后反而會加快修補區(qū)邊緣的劣化。水泥類修補材料使用后去除困難，再次修復去除時無法避免對清水墻造成新的破壞。這不符合犧牲性保護修復材料的選擇原則。

石灰以 Ca(OH)2為主，不含或含有極低的有害可溶鹽成分。石灰類修補材料通常具有較大的孔隙率，可溶鹽遷移過程中優(yōu)先在其內部富集吸附。其強度一般低于原磚砌體材料，后期去除不傷害磚砌體，具有可逆性。以上3點均符合犧牲性保護修復材料的選擇原則。常規(guī)氣硬性石灰類修補材料難以在短時間內達到需要的強度，會延長施工工期，采用水硬性石灰可改善其早期強度偏低的問題。水硬性石灰磚修補材料，如圖4所示。

圖4 水硬性石灰磚修補材料

3.2.2 勾縫材料

勾縫有2個作用：（1）功能上要求填充磚砌體之間的縫隙，增強磚砌體之間的連接，防止風雨侵入墻體內部；（2）裝飾上使立面整體整齊美觀，呈現不同建筑風格。勾縫材料應具有較強的耐久性能、抗?jié)B性能，力學性能上要求具有較高的粘結性能。由于勾縫屬立面垂直施工，應對施工有更高要求。

目前很少有專門針對清水墻科學設計的勾縫材料，清水墻勾縫材料除滿足一般勾縫材料要求外還應具有低鹽、可逆的特點。市場上常用的勾縫材料多用于瓷磚、面磚的填縫、勾縫，以有機高分子聚合物為主，摻加顏料、水泥及細砂等其他材料制成。這類勾縫材料致密防水、強度較高，不適合清水墻的勾縫。

傳統的清水墻勾縫材料以石灰為主，具有可塑性強、韌性好的優(yōu)點，但也存在硬化慢、強度低、硬化時體積變化大的缺點。傳統石灰工藝可以改善石灰性能，如在石灰中加入植物纖維進行長時間窖藏可降低石灰材料開裂、在石灰中添加桐油可增強石灰防水性能等，但這些工藝大多失傳，且往往需要較長的制作工期和繁瑣的制作工序?？梢砸揽楷F代實驗技術還原傳統工藝改善石灰材料性能，研發(fā)出符合要求的石灰類勾縫材料。符合性能要求的水硬性石灰勾縫材料見圖5。

圖5 符合性能要求的水硬性石灰勾縫材料

3.2.3 注漿材料

石灰類注漿材料主要針對墻體用于非結構裂縫修復加固。有機類和水泥類注漿材料與原清水墻在色調、質地、透水性、熱膨脹性能等方面相差巨大，很難與加固墻體長期有效結合。石灰類注漿材料在各物理化學性能上更接近原墻體材料。其強度低的不足，可通過水硬性石灰替代氣硬性石灰和其他材料改性達到非結構注漿的強度要求。所以推薦使用石灰類注漿材料對歷史建筑清水墻非結構裂縫進行加固。

3.3 防護材料

3.3.1 有機硅防潮劑

清水墻防潮層缺失是造成墻體長期潮濕的主要因素之一。在進行清水墻修復時有必要增設、修復防潮層。防潮層增設、修復包括機械物理方法和化學注射方法兩類。機械物理方法包括抽磚（石）置換法、V形切割法、打入金屬板法、鉆孔法等。因機械物理方法對墻體干預較大，應盡量避免使用?；瘜W注射方法通過在墻體上打孔，注射防水劑來達到防止毛細水上升的效果[7]。硅酸鉀（鈉）及甲(乙)基硅酸鉀的復合溶液可能會產生衍生副產品，不建議使用。其他非滲透性、成膜的防水劑材料應經過實驗室及現場試驗后才可以使用。建議使用有機硅類的防水劑進行注射，其具有滲透性好、憎水效果強、耐久性優(yōu)異的特點，已在上海等地的清水墻防潮層修復中得到很好的應用。

3.3.2 有機硅憎水保護劑

南方地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候，降雨量和蒸發(fā)量都較大。所以有必要對南方地區(qū)清水墻做表面防水保護，防止外界水進入墻體，但不建議采用密封劑對墻體進行密封。密封會阻隔墻體內的水汽通過墻體表面進入外界環(huán)境，水分長期聚集在墻體內會加快磚砌體的劣化。建議采用透氣的有機硅類憎水保護劑，可有效防止外界液態(tài)水的進入，又不影響水汽的蒸發(fā)。有機硅類憎水保護劑防水效果見圖6。

圖6 有機硅類憎水保護劑防水效果

4 結 語

清水墻犧牲性保護修復材料的設計理念是以犧牲修復材料來保護清水墻主體。建筑的保護不可能是一勞永逸的，修復后的建筑依然會隨時間老化，在老化過程中，將可預見的破壞引導控制在保護修復材料內，當進行下一次的修復，只要除去保護修復材料，替換新的保護修復材料即可，周而復始，長期保護。

南方地區(qū)清水墻犧牲性保護修復材料組合，結合南方地區(qū)氣候特點和清水墻修復工藝，給出符合犧牲性保護原則的保護修復材料組合建議。采用排鹽紙漿類敷貼法進行清潔排鹽，采用石灰類修補勾縫材料進行修補勾縫，采用有機硅類憎水保護劑進行防水保護。

致謝

論文寫作過程中得到了上海保文建筑工程有限公司周月娥、劉斐，浙江德賽堡建筑材料科技有限公司，上海文保建筑工程有限公司，杭州市園林工程有限公司的指導和幫助，在此表示感謝。