郝贠洪，何丹丹，吳日根，何曉雁

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 呼和浩特 010051；3.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū)建筑檢測(cè)鑒定與安全評(píng)估工程技術(shù)研究中心，呼和浩特 010051)

0 引 言

古建筑是我國(guó)傳統(tǒng)文化的重要組成部分，習(xí)近平總書(shū)記對(duì)保護(hù)傳統(tǒng)村落和古建筑,傳承中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化作出了系列重要講話、重要指示批示，研究中國(guó)古建筑保護(hù)利用已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界和工程界迫切需要研究解決的科學(xué)與工程問(wèn)題。我國(guó)內(nèi)蒙古地區(qū)分布有大量的古建筑，其長(zhǎng)期受該地區(qū)特有的、復(fù)雜的地質(zhì)地貌和自然環(huán)境影響，起承重和圍護(hù)作用的墻體易出現(xiàn)病害和損傷破壞，造成其承重結(jié)構(gòu)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)有效截面減小，承載力下降，嚴(yán)重影響傳統(tǒng)建筑的耐久性和安全性[1-2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者結(jié)合理論、試驗(yàn)對(duì)古建筑墻體在自然環(huán)境下的損傷過(guò)程進(jìn)行了研究，并在古磚原構(gòu)件的物理性能[3]、病害種類(lèi)[4]、病害原因[5-6]、檢測(cè)技術(shù)[7-8]及病害修復(fù)[9-10]等方面取得了較多進(jìn)展。但在磚材劣化方面，因青磚是我國(guó)特有的建筑材料，國(guó)外相關(guān)研究幾乎不涉及青磚，國(guó)內(nèi)研究主要集中在古建筑青磚墻體的病害成因分析，對(duì)青磚的針對(duì)性試驗(yàn)研究較少。

針對(duì)內(nèi)蒙古中部隆盛莊古建筑墻體的病害情況進(jìn)行研究，分析其病害位置及病害種類(lèi)。通過(guò)對(duì)青磚進(jìn)行凍融試驗(yàn)，研究?jī)鋈谘h(huán)后材料質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度和表面硬度的變化情況，基于Weibull分布建立損傷方程反映青磚的損傷退化行為。研究成果可為內(nèi)蒙古中部地區(qū)古建筑墻體的防護(hù)及耐久性評(píng)價(jià)提供一定的理論依據(jù)。

1 隆盛莊古建筑墻體病害研究

1.1 古建筑墻體病害

隆盛莊位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市豐鎮(zhèn)市東北部，地處溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)，在外部環(huán)境下該地古建筑墻體多數(shù)存在嚴(yán)重的環(huán)境侵蝕問(wèn)題，本次共調(diào)研了隆盛莊內(nèi)43處古建筑。隆盛莊現(xiàn)存古建筑建造年代及比例[11-12]如表1所示。

表1 隆盛莊現(xiàn)存古建筑建造年代及比例Table 1 Existing ancient building age and proportion in Longshengzhuang

圖1 隆盛莊古建筑病害類(lèi)型Fig.1 Disease type of ancient building in Longshengzhuang

隆盛莊調(diào)研結(jié)果顯示該地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)形式主要為磚木結(jié)構(gòu)，形式保存完整，建筑墻體多為青磚墻體，部分古建筑存在墻體倒塌的情況。整體表現(xiàn)為墻體下部潮濕、裂縫、磚體破損、膠結(jié)材料流失，墻頂有植物破壞、裂縫、掉塊、磚塊破損等現(xiàn)象，具體病害如圖1所示。無(wú)論是年久失修的古建筑還是新建不久的仿古建筑，都存在墻體底部的病害程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于墻體中部及頂部的問(wèn)題，同時(shí)墻體上部也有不同程度的破損，墻體中部破壞程度較輕。參照白禹等[13]對(duì)古城墻古磚的病害分類(lèi)方法，針對(duì)調(diào)查的43處建筑存在的病害進(jìn)行分類(lèi)，如表2所示。

表2 隆盛莊現(xiàn)存古建筑墻體病害類(lèi)型及比例Table 2 Types and proportions for the existing ancient building wall in Longshengzhuang

1.2 青磚墻體病害原因分析

青磚是由黏土制坯再經(jīng)過(guò)高溫?zé)贫?，在燒制過(guò)程中，產(chǎn)生大量分布不均勻的孔隙，且孔隙尺寸較大[14]，造成孔隙度、吸水率等結(jié)構(gòu)特性下降[15]，易受到外界自然環(huán)境的影響而產(chǎn)生不同程度的病害。自然界的風(fēng)吹日曬、霜打雨淋等現(xiàn)象加上長(zhǎng)期荷載作用導(dǎo)致古建筑磚墻普遍存在酥堿、片狀剝落等破壞情況，磚墻出現(xiàn)磚材老化、力學(xué)性能衰退等現(xiàn)象進(jìn)而使得青磚劣化加劇，在局部形成集中破壞區(qū)域，墻體整體性能降低。

根據(jù)內(nèi)蒙古中部地區(qū)的氣候特點(diǎn)以及古建筑的病害類(lèi)型分析，造成古建筑青磚墻體產(chǎn)生諸多病害的原因是古建筑青磚墻體底部受到毛細(xì)水上升和自然降水滲入的雙重影響，加之冬季晝夜溫差大，溫度在0 ℃上下浮動(dòng)，凍融循環(huán)作用頻繁導(dǎo)致距離地面高度不同的磚墻區(qū)域呈現(xiàn)出不同程度的破壞，如圖2所示。在距離地面較近的位置，青磚含水率較高，病害相比其他部位更為嚴(yán)重，具體表現(xiàn)為磚材碎裂、粉化酥堿、層狀剝落、微生物堆積、膠結(jié)材料流失、磚材塊狀脫落等。在距離地面較高的位置受地面水分影響較小，磚材含水量較低，破壞程度小。但是青磚墻頂部雨雪的聚集、下滲也會(huì)造成墻體上部松動(dòng)、磚體酥化斷裂甚至坍塌，部分墻頂還有植物根系破壞。

圖2 隆盛莊部分古建筑青磚墻體局部損壞情況Fig.2 Partial damage of the ancient building blue brick wall in Longshengzhuang

嚴(yán)寒環(huán)境下，材料內(nèi)部孔隙含水且外部溫度低于0 ℃時(shí)，水轉(zhuǎn)變?yōu)楸殷w積膨脹9%，在磚體內(nèi)產(chǎn)生較大的側(cè)壓力，孔隙在側(cè)壓力的作用下開(kāi)裂。青磚中的水分最先聚集在尺寸最小的孔隙中，且孔隙越小，水結(jié)冰的溫度也就越低。即在凍融環(huán)境下，微孔隙的開(kāi)口部位先結(jié)冰，并將液態(tài)水封閉在微孔隙中。隨著溫度的降低，孔隙從開(kāi)口處向內(nèi)部逐漸結(jié)冰，微孔隙中的水無(wú)處釋放，便會(huì)將大部分側(cè)壓力施加在孔隙內(nèi)壁。當(dāng)側(cè)壓力大于微孔隙的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，微孔隙開(kāi)裂。在長(zhǎng)期凍融循環(huán)作用下，青磚磚墻發(fā)生碎裂、粉化酥堿、剝落等現(xiàn)象。因此，通過(guò)凍融試驗(yàn)研究青磚材料劣化規(guī)律是解決古建筑青磚墻體的保護(hù)和維護(hù)問(wèn)題的關(guān)鍵。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

古建筑青磚材料難以獲取，在不損害古建筑的前提下，選用試驗(yàn)材料要盡可能地接近古青磚材料，本試驗(yàn)采用內(nèi)蒙古呼和浩特鴻宇古建出售的青磚。該青磚是用純黏土按照古青磚的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝進(jìn)行制作，保證了試驗(yàn)材料和古青磚在原材料及制作工藝上的高度相似性，具有可替代性[16]。依據(jù)《文物建筑維修基本材料 青磚》(WW/T 0049—2014)進(jìn)行凍融試驗(yàn)，每組5個(gè)相同試塊。利用切割機(jī)切割青磚并依次分別使用320 μm、600 μm、800 μm、1 000 μm、1 200 μm、1 500 μm和2 000 μm的砂紙打磨光滑，制作尺寸為50 mm×50 mm×50 mm立方體青磚試樣。

2.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)《文物建筑維修基本材料 青磚》(WW/T 0049—2014)進(jìn)行凍融試驗(yàn)，青磚試樣先放在10～20 ℃的水中浸泡24 h，用濕布擦去表面水分后放入模擬自然環(huán)境下工程材料耐久性損傷試驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行凍融試驗(yàn)，每個(gè)試樣放置間隔大于20 mm。在-15～-20 ℃凍融箱中凍結(jié)3 h，然后放入10～20 ℃水中融化2 h，此過(guò)程為一個(gè)循環(huán)。凍融循環(huán)設(shè)置有0次、5次、10次、15次、20次、25次、30次、35次、40次、45次和50次，每5次凍融循環(huán)測(cè)一次開(kāi)孔孔隙率(通過(guò)失重法測(cè)開(kāi)孔孔隙率)、質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度和表面維氏硬度，測(cè)試前置于(105±5) ℃電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱中干燥至恒重。

3 結(jié)果與討論

3.1 外觀變化、開(kāi)孔孔隙率和質(zhì)量損失分析

經(jīng)歷凍融循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，青磚試樣的表面均未出現(xiàn)明顯的裂縫和剝落現(xiàn)象。凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到20次時(shí)，青磚試樣表面出現(xiàn)粉化，邊角處有輕微脫落現(xiàn)象并開(kāi)始出現(xiàn)裂縫。從30次凍融循環(huán)后，表面劣化程度開(kāi)始大范圍的向內(nèi)部延伸，脫落范圍增大。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，損傷逐漸累積，青磚表面裂縫逐漸形成，貫穿整個(gè)試樣的大裂縫，導(dǎo)致材料表面塊狀剝落，青磚外觀變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下青磚試樣損傷形貌Fig.3 Damage morphologies of blue brick specimen under different freeze-thaw cycles

表3為凍融循環(huán)作用下青磚試樣的開(kāi)孔孔隙率變化，可以看出隨凍融次數(shù)的增加，青磚試樣開(kāi)孔孔隙率逐漸增大，開(kāi)孔孔隙率增量也呈逐漸增大的趨勢(shì)。其中，開(kāi)孔孔隙率環(huán)比增長(zhǎng)率在30次凍融循環(huán)內(nèi)保持在較小值，在凍融循環(huán)次數(shù)為30～35次時(shí)突然增大，此后又保持在相對(duì)穩(wěn)定的值域內(nèi)。

表3 凍融循環(huán)作用下青磚試樣的開(kāi)孔孔隙率變化Table 3 Changes of open porosity of blue brick specimen under freeze-thaw cycles

青磚試樣質(zhì)量采用量程為300 g、精度為0.001 g的電子天平稱(chēng)量。圖4為青磚試樣質(zhì)量損失量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系圖，從圖中可以看出，隨著凍融次數(shù)的增加，青磚材料的質(zhì)量損失量呈逐漸增大趨勢(shì)。每5次凍融循環(huán)作用下的質(zhì)量損失量環(huán)比增長(zhǎng)率均大于0，凍融循環(huán)次數(shù)為30～35次時(shí)質(zhì)量損失量環(huán)比增長(zhǎng)率比其他區(qū)段的5次凍融循環(huán)作用下的質(zhì)量損失量環(huán)比增長(zhǎng)率大，這是由于在30次凍融循環(huán)后青磚試樣裂縫開(kāi)始大范圍擴(kuò)展，材料表面有塊狀脫落，30～35次區(qū)段質(zhì)量損失量環(huán)比增長(zhǎng)率激增。在30次凍融循環(huán)前，青磚試樣的質(zhì)量損失量基本保持在每5次凍融循環(huán)損失0.10～0.15 g；30次凍融循環(huán)后，青磚表皮有部分面積脫落，其質(zhì)量大幅度降低。

3.2 抗壓強(qiáng)度

圖4 不同凍融次數(shù)下青磚試樣質(zhì)量損失Fig.4 Weight loss of blue brick specimen under different freeze-thaw times

按照《文物建筑維修基本材料 青磚》(WW/T 0049—2014)，試驗(yàn)利用60 t壓力機(jī)對(duì)青磚材料立方體試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的力學(xué)測(cè)試，試驗(yàn)過(guò)程中壓縮荷載的加載速度為10～30 kN/s。共進(jìn)行11組力學(xué)試驗(yàn)，每組5個(gè)立方體試樣，以每組試樣的抗壓強(qiáng)度平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，得到不同凍融循環(huán)次數(shù)下的抗壓強(qiáng)度值。對(duì)于形變明顯的青磚試樣的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行如下修正：

(1)

式中：σs為青磚試樣的實(shí)際抗壓強(qiáng)度，MPa；σ為按未形變面積測(cè)得青磚試樣的抗壓強(qiáng)度，MPa；As為青磚試樣的實(shí)際受壓面積，mm2；A為按未形變面積測(cè)得青磚試樣的受壓面積，mm2。

青磚試樣的抗壓強(qiáng)度是其力學(xué)性能指標(biāo)中最重要的指標(biāo)之一。在抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，青磚試樣的形態(tài)均為從上至下貫穿的大裂縫，從側(cè)面破裂成近似棱柱體的塊狀，破壞形態(tài)如圖5所示。圖6為青磚試樣抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系圖，抗壓強(qiáng)度隨凍融次數(shù)的增加出現(xiàn)明顯的降低，通過(guò)對(duì)抗壓強(qiáng)度下降率進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，可以看出20次凍融循環(huán)之前，試樣抗壓強(qiáng)度環(huán)比下降率較小，20次凍融循環(huán)以后，抗壓強(qiáng)度環(huán)比下降率偏大。凍融循環(huán)次數(shù)為20～25次時(shí)青磚試樣抗壓強(qiáng)度環(huán)比下降率最大，因?yàn)閺?0次凍融循環(huán)開(kāi)始試樣產(chǎn)生小裂縫，這些裂縫的產(chǎn)生對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響很大，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度環(huán)比下降率猛增。未凍融的青磚試樣抗壓強(qiáng)度為21.04 MPa，經(jīng)過(guò)50次凍融循環(huán)后，其抗壓強(qiáng)度下降為初始抗壓強(qiáng)度的57.41%。在凍融循環(huán)作用下，試樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)冰晶體產(chǎn)生的膨脹力以及內(nèi)外部溫度差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力的作用產(chǎn)生了變化，青磚試樣內(nèi)部原有孔隙變大，產(chǎn)生新的裂縫，隨著凍融次數(shù)的增加，其微裂縫會(huì)不斷增多并形成多條貫通裂縫，導(dǎo)致試樣的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

圖5 青磚試樣受壓試驗(yàn)破壞形態(tài)Fig.5 Damage form of blue brick specimen under compression test

圖6 不同凍融循環(huán)次數(shù)下青磚試樣抗壓強(qiáng)度Fig.6 Compressive strength of blue brick specimen under different freeze-thaw cycles

3.3 顯微表面硬度

采用維氏表面硬度計(jì)HV-1000分別測(cè)量不同凍融循環(huán)次數(shù)下的表面維氏硬度值。測(cè)試前把試樣放入(105±5) ℃電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱中干燥至恒重，每個(gè)試樣六個(gè)面打磨光滑。每個(gè)面取6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，取平均值作為最終結(jié)果。試驗(yàn)加載力為0.2～0.3 kg，將壓頭壓入青磚試樣表面10 s后自動(dòng)卸載，在40倍放大鏡下觀測(cè)正四棱錐的壓痕，測(cè)定菱形兩條對(duì)角線長(zhǎng)度，維氏表面硬度按式(2)計(jì)算。

(2)

式中：P為試驗(yàn)加載力，kg；d1、d2為菱形壓痕兩條對(duì)角線長(zhǎng)度，mm；θ為金剛石正四棱錐體壓頭兩相對(duì)面間夾角，θ=136°；HV為表面維氏硬度，MPa。

圖7為未凍融與35次凍融下青磚試樣測(cè)點(diǎn)表面硬度壓痕。從圖7可以看出在相同加載力下，35次凍融循環(huán)下的青磚試樣表面維氏硬度菱形壓痕面積要明顯比未凍融的試樣大，說(shuō)明凍融環(huán)境導(dǎo)致青磚表面維氏硬度降低。這是因?yàn)閮鋈诃h(huán)境導(dǎo)致材料孔隙率增大，孔隙率影響材料結(jié)構(gòu)疏松程度，孔隙率越大，青磚表面結(jié)構(gòu)也愈疏松，繼而在同樣的加載力情況下，受凍融循環(huán)次數(shù)越多的青磚試樣表面壓痕面積越大。

圖7 未凍融與35次凍融下青磚試樣測(cè)點(diǎn)表面硬度壓痕Fig.7 Surface hardness indentation of test point of blue brick specimen under 0 times and 35 times different freeze-thaw cycles

圖8 不同凍融循環(huán)次數(shù)下青磚試樣表面維氏硬度Fig.8 Surface Vickers hardness of blue brick specimen under freeze-thaw cycles

圖8所示為凍融循環(huán)作用下青磚試樣表面維氏硬度的變化規(guī)律。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，表面維氏硬度隨凍融次數(shù)的增加呈逐漸下降趨勢(shì)，但其下降趨勢(shì)并不完全表現(xiàn)出線性變化。30次凍融循環(huán)之前，其表面維氏硬度環(huán)比下降率均低于10%，凍融30次后，其表面維氏硬度環(huán)比下降率均高于10%，說(shuō)明凍融后期表面維氏硬度下降速率高于前期。30次凍融循環(huán)后青磚試樣表面維氏硬度環(huán)比下降率突增，40次凍融循環(huán)時(shí)到達(dá)峰值。硬度與材料的致密度有關(guān)，孔隙率越高致密度越低，硬度也隨之降低，結(jié)合表3可知在40次凍融循環(huán)時(shí)開(kāi)孔孔隙率環(huán)比增長(zhǎng)率最大，這是引起表面維氏硬度環(huán)比下降率出現(xiàn)峰值的重要原因。未凍融時(shí)青磚表面維氏硬度為123.6 MPa，凍融30次時(shí)青磚試樣表面維氏硬度降低到初始表面維氏硬度71.5%；50次凍融循環(huán)后，青磚試樣表面維氏硬度迅速降低到初始表面硬度的22.4%。

3.4 凍融循環(huán)后的損傷度

根據(jù)前期對(duì)凍融循環(huán)后青磚材料的質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度及維氏表面硬度測(cè)試的試驗(yàn)結(jié)果，可分別把凍融環(huán)境下青磚試樣的損傷度D定義為：

(3)

式中：DM、Dσ、DH分別為青磚材料的質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度及維氏表面硬度在損傷前后的損傷度；M0、MN分別為青磚材料在損傷前后的質(zhì)量；σ0、σN分別為青磚材料在損傷前后的抗壓強(qiáng)度；H0、HN分別為青磚材料在損傷前后的表面維氏硬度。

依據(jù)式(3)分別對(duì)青磚材料的質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度及維氏表面硬度的損傷度進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析相同凍融循環(huán)作用下對(duì)三個(gè)不同測(cè)試指標(biāo)損傷度的影響。計(jì)算結(jié)果如圖9所示，隨著凍融次數(shù)的增加，三種不同指標(biāo)的損傷度均呈顯著增加的狀態(tài)，且趨勢(shì)保持相對(duì)同一性；相同的凍融環(huán)境對(duì)青磚材料的質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度、表面硬度造成的損傷程度各不相同。其中，青磚材料經(jīng)歷過(guò)50次凍融循環(huán)后，質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度和表面硬度的損傷度分別可達(dá)0.9%、42.6%、77.6%，表面硬度損傷度均大于其他兩個(gè)指標(biāo)的損傷度，質(zhì)量的損傷度最小。在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，青磚表面硬度受凍害影響最大，其次為抗壓強(qiáng)度，質(zhì)量受凍融環(huán)境的影響最小。

圖9 青磚在凍融環(huán)境下的質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度和維氏硬度的損傷度變化Fig.9 Damage degree changes in mass, compressive strength and Vickers hardness of blue brick under freeze-thaw cycles

4 凍融環(huán)境下青磚材料損傷概率模型

4.1 模型的選用

受限于原材料及制作工藝，青磚內(nèi)部隨機(jī)分布有大量孔隙及裂紋，導(dǎo)致試樣在凍融作用下表現(xiàn)出較強(qiáng)的隨機(jī)性。經(jīng)過(guò)多次凍融循環(huán)后，缺陷附近出現(xiàn)損傷,進(jìn)而不斷地積累,導(dǎo)致疲勞裂紋的擴(kuò)展、貫通而最終破壞。基于Weibull的概率分布函數(shù)具有易積分、均值大于0、取值范圍大于0等特點(diǎn)，滿(mǎn)足青磚受凍融破壞統(tǒng)計(jì)特征。因此，本文假定凍融循環(huán)作用下的青磚微元體質(zhì)量損失、抗壓強(qiáng)度和表面硬度分別服從Weibull分布函數(shù)，故引入Weibull分布的概率密度函數(shù)f(N)和概率分布函數(shù)F(N)[17-18]：

(4)

(5)

式中：N為凍融次數(shù)；參數(shù)N0為比例參數(shù)，決定概率密度函數(shù)在橫坐標(biāo)上的橫向跨度；m>0，N0>0，N>0，參數(shù)m為形狀參數(shù)，影響概率密度函數(shù)形狀，即參數(shù)m決定Weibull分布更接近哪種分布。

4.2 模型驗(yàn)證

由青磚材料損失失效的過(guò)程[19]可知：

P(N)=D(N)=F(N)

(6)

式中：P(N)青磚失效概率;D(N)為凍融后青磚的損傷度;F(N)為凍融后青磚的概率分布函數(shù)。對(duì)式(4)進(jìn)行數(shù)學(xué)變換，并取兩次對(duì)數(shù)后得到:

(7)

y=mx+b

(8)

按照上面的方法，選用最小二乘法對(duì)式中的m、b進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4所示。由表4可知，擬合得到的線性相關(guān)系數(shù)R2值均大于0.95，說(shuō)明y與x之間線性相關(guān)性較好，即凍融作用下青磚材料的損傷符合Weibull分布，線性回歸結(jié)果如圖10所示。關(guān)于質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度以及表面強(qiáng)度的Weibull分布損傷函數(shù)的m值相差不大，在1.15～1.36之間，N0值相差很大，質(zhì)量損傷量分布函數(shù)的N0值是表面硬度損傷量分布函數(shù)中N0值的68倍。

表4 凍融循環(huán)作用下青磚材料Weibull損傷線性回歸結(jié)果Table 4 Damage linear regression results of blue brick material Weibull distribution under freeze-thaw cycles

圖10 凍融循環(huán)作用下青磚損傷線性回歸圖Fig.10 Blue brick damage linear regression under freeze-thaw cycles

采用同一批青磚試樣在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下測(cè)得質(zhì)量損失、抗壓強(qiáng)度和表面硬度的試驗(yàn)值,三者數(shù)值的變化均是由凍融循環(huán)作用導(dǎo)致，所以?xún)鋈谘h(huán)作用下青磚材料關(guān)于質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度和表面硬度Weibull分布的形狀參數(shù)m相近，與表4的計(jì)算結(jié)果一致?；谠囼?yàn)得到三組參數(shù)值，抗壓強(qiáng)度組R2達(dá)到最大值0.984 33，與試驗(yàn)結(jié)果最吻合，故取m=1.352 49作為三組中固定的參數(shù)值進(jìn)行修正，重新計(jì)算得到質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度和表面硬度三組Weibull的參數(shù)值，如表5所示。在m值相等的情況下，N0值越小表示相同凍融循環(huán)作用下該指標(biāo)的損傷程度越小,與試驗(yàn)結(jié)果一致。修正參數(shù)后，每組的R2都在0.91以上，模型數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果吻合，說(shuō)明所建模型的修正方法用在青磚材料的凍融循環(huán)試驗(yàn)上的準(zhǔn)確性和可行性，可為古建筑青磚墻體的防護(hù)及耐久性評(píng)價(jià)提供一定的理論依據(jù)。

表5 凍融循環(huán)作用下青磚材料Weibull分布損傷參數(shù)修正后線性回歸結(jié)果Table 5 Linear regression results of Weibull distribution damage parameter correction under freeze-thaw cycles

5 結(jié) 論

(1)對(duì)內(nèi)蒙古中部地區(qū)文化名鎮(zhèn)隆盛莊的43處古建筑墻體病害調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該地古建筑墻體存在較為嚴(yán)重的病害，不同的部位的墻體病害程度各不相同，病害程度從大到小排序?yàn)椋壕嚯x地面較近的部位>墻體頂部>墻體中部。結(jié)合當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境以及病害發(fā)生的位置和病害特點(diǎn)，分析該地出現(xiàn)病害的主要原因是凍融循環(huán)的作用。

(2)通過(guò)對(duì)立方體青磚試樣進(jìn)行凍融試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)青磚試樣經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)作用外觀劣化現(xiàn)象非常明顯。劣化開(kāi)始于材料的邊角處，邊角處首先出現(xiàn)剝落。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，表面逐漸出現(xiàn)剝落、粉化和裂縫，并且這種劣化現(xiàn)象越來(lái)越顯著，逐漸延伸至材料內(nèi)部，最終產(chǎn)生貫穿整個(gè)青磚試樣的大裂縫。

(3)對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)下青磚試樣開(kāi)展質(zhì)量損失、抗壓強(qiáng)度和表面硬度測(cè)試，研究試樣的質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度和表面硬度指標(biāo)在凍融作用下的變化規(guī)律。凍融循環(huán)后期的質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度和表面硬度的損傷速率明顯比前期快，損傷最高可達(dá)0.9%、42.6%、77.6%。相同的凍融環(huán)境下，青磚材料的表面硬度損傷程度明顯比抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量損傷程度嚴(yán)重。

(4)基于Weibull分布，分別建立了考慮質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度和表面硬度的青磚損傷方程，同時(shí)統(tǒng)一了青磚材料Weibull分布損傷模型中形狀參數(shù)m的值，同時(shí)根據(jù)青磚試樣的凍融試驗(yàn)數(shù)據(jù)與修正后模型計(jì)算所得的理論曲線進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為該模型能較好地反映出試樣的損傷規(guī)律，體現(xiàn)出模型的適用性。