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辽北近代历史建筑中混凝土材料的劣化机理研究

时间:2017/11/27 8:41:57 来源: 点击次数:2996

程世卓1,2,朱海玄3

1.东北大学,江河建筑学院,沈阳,110169

2.弗吉尼亚大学,建筑学院,美国,22903

3.哈尔滨工业大学建筑学院,黑龙江省寒地城乡人居环境科学重点实验室,哈尔滨,150006

关键词:辽北,近代历史建筑,历史建筑保护,混凝土,劣化形态,劣化机理

摘要:辽北近代历史建筑因其物质真实性、文化特殊性、地域特定性均具有较高的研究价值和保护价值,然而目前仍缺失科学与完善的保护,亟待建立健全的修缮技术链条。对以混凝土为代表材料的劣化形态进行梳理,统计其开裂、脱落、泛碱与污斑现象的分布,进而分析其劣化机理,提出水分渗入、冻融循环和微生物侵蚀为其劣化的主要因素,是建立该技术链条的初始环节,也是后续研究的必然基础。

近年来,在相关国际组织和行业内部的共同努力下,我国的历史建筑保护与修复行业迎来了新契机,突破了原有片段化保护、策略讨论等局限,走向了切实的技术性保护。搭建“调研——保护——修复”的技术链条,是此领域中关键又亟需探索的课题。在此链条中,基于科学的“调研”活动,确定所研究历史建筑的“病因”出自哪里,即“劣化机理”为何,是研究的初始环节。这一环节的有效进行可为“保护”、“修复”等后续研究奠定科学的基础。

1.辽北地区近现代建筑的价值定位

辽北地区的近代历史建筑不仅数量众多,而且具有非常可观的历史价值和地域研究价值。

其一,该地区近代历史建筑具有独一性的历史价值。辽北地区在近代历史上为日俄垂涎争夺的军事要塞,不仅是中东铁路的重点关节,更是日、俄、民国时期的军事必争之地。其近代历史建筑一部分为20世纪初日俄占据时期所建,见证了日俄侵略的历史,也成为日俄侵略之下文化移植、文化扩散的固化产物。一部分是民国时期东北地方军阀或商家所建,体现了中国近代早期西方文化涌入之后,中国本土文化对其的回应与融合,具有基于地域性的中西建筑文化研究价值。

其二,该地区多处于中温带亚湿润大陆性气候,雨热同期,冬季寒冷多雪。大部分地区冬季最低气温可达-33℃。因此,集中降水导致的建筑较大含水量与短时间温差变化导致的繁复冻融,是该地区历史建筑所遇到的典型寒冷地带的历史建筑劣化问题,在我国寒冷地区具有一定的地域气候代表性。

2.混凝土材料的劣化形态梳理

本研究对辽北地区,包括沈阳部分地区、铁岭、抚顺北部、昌图、开原、法库、康平等地内的近代历史建筑进行了田野式普查,共涉及建筑46幢,对建筑内的混凝土材料的劣化形态进行了归类、统计和梳理,调研辽北地区近代历史建筑的劣化形态主要为如下几类:

2.1开裂:

辽北地区的近代建筑多为20世纪20年代左右建成,迄今约百年时间。在现存的混凝土材料中,开裂是发生概率最大的劣化形态。在所涉及的46幢建筑中,存在开裂情况的建筑达38幢,而剩余8幢虽不可见明显开裂,但都经历过后期的保护或整修,不能排除其开裂被面层遮挡的可能。

开裂数量较大。在存在开裂情况的38幢建筑的混凝土材料中,共计开裂数量69处,即平均每幢建筑有近两处裂缝。在现实田野调查中,存在最多开裂是位于铁岭的27编号建筑,建筑全身裂缝高达7条。

开裂程度不一。在涉及建筑中,建筑的开裂程度相差较大,既有宽度小于3mm,长度20cm的浅细裂缝。(图1)又有裂缝已达1cm深宽度裂缝,同时还有长度2m有余的长度裂缝。

开裂形态多样。在辽北地区的近代建筑中,根据田野调查数据统计结果显示,裂缝的形态主要可分为竖向裂缝和斜向裂缝。其中斜向裂缝42条,占总裂缝数的60.8%,多位于檐口下方、洞口附近、墙体基础部分。而竖向裂缝27条,比例为39.2%,大多位于洞口之间与洞口附近。特征明确的横向裂缝在调查中并未见到。(表1)(图2)

2.2脱落:

在辽北地区的近代历史建筑中,混凝土材料和水泥砂浆存在一定的脱落现象,这一劣化形态的数量和普遍度仅次于开裂。

脱落主要有粉状脱落和块状掉落两种形态。一方面,由于近代早期混凝土技术尚不成熟,经由近百年的水分和细菌侵蚀,砂浆和骨料的胶合程度逐渐降低,当其降低到一定程度时,便出现了分离现象,导致脱落。此类原因导致的脱落主要为粉状脱落,即砂浆、骨料等经过腐蚀后呈瓦解分化为细微状态。另一方面,辽北地区寒冷的气候环境,使历史建筑本身多次发生冻融现象,长期如此砂浆粘合度下降,脆度上升,致使砂浆与骨料之间,骨料与骨料之间分离,墙体或面层开裂,最终呈片状脱落。(图3)

在46幢研究建筑中,共有77处混凝土或砂浆、灰缝脱落的劣化形态,其中,混凝土结构、面层脱落21处,砂浆灰缝脱落达56处。混凝土材料的脱落多位于建筑基础、墙脚或台阶处,砂浆的脱落多位于建筑面层、洞口之间,劣化危害并不严重。(表2)(图4)

2.3泛碱与污斑:

除了上述物理劣化形态之外,辽北近代历史建筑中的混凝土材料还受到微生物、盐碱等生物化学范畴的劣化影响,其主要表现形态为混凝土材料表面的泛碱与污斑。[1]

泛碱,即混凝土材料表面出现成片的白色粉末残留。多因材料内水分残留、冻融作用使部分盐滞留在建筑内部,长此以往,混凝土材料受到盐碱侵蚀,轻则析出盐分形成白斑或白色粉末浮于建筑表面,严重则造成混凝土材料的酥碱,由于辽北地区季风气候,酥碱与风化共同作用便可导致建筑的粉花和脱落。可见,混凝土材料的泛碱既影响了历史建筑的外观形态,也是建筑招致更严重破坏的前期表征。在研究范围内,共测得混凝土表面的泛碱劣化形态42处。

污斑,顾名思义即为历史建筑中混凝土表面的污渍与染斑。这一现象成因复杂而多样。前文提到的冻融现象会令材料内残留水分,导致材料表面的污斑;现今大气污染日益加剧,而辽北地区冬季采暖期长,大气中的有机污染颗粒,附着在建筑表面亦可形成污斑,并随时间推进而扩大、加剧,进而导致混凝土材料表面变黑发黄;另外,部分建筑的混凝土材料附着爬藤类植物,植物带来的微生物也可使其产生污斑。本研究共统计混凝土污斑37处,其中3处以呈浸润式形态,即混凝土材料或结构整体性的黄褐色,劣化程度较重。

3.混凝土结构的劣化机理分析

3.1水分渗入:

在历史建筑保护与考古学领域,水为历史建筑与文物的劣化因素之首。对于建筑来讲,水的来源是多种多样的,当建筑处于饱和水或潮湿状态下,温度正负变化,使材料内部孔隙中的水结冰膨胀或渗透膨胀,从此反复循环产生疲劳应力,造成破坏。[2]

在对辽北近代历史建筑的调研、研究基础上,本研究亦基本确定了混凝土材料劣化之主要因素为水分的渗入与残留。在辽北地区建筑内的主要水分主要源于冬季积雪的融化、地下水、夏季雨水与潮湿。而由于该地区特殊的气候环境,历史原因,辽北近代历史建筑混凝土基于水分渗入的劣化机理主要如下:

其一,近代历史建筑混凝土的孔隙率偏大,导致水分的吸收和滞留。

受当时生产力水平的限制,辽北地区20世纪早期的混凝土技术尚不成熟,其砂浆孔隙率配置通常偏大,致使材料内空隙多、通路多。当混凝土外部环境潮湿时,会吸收外界水分。而较大和通路的空隙又促进了水分在材料和结构内部的渗透和滞留。

其二,防潮层构造缺失或残损,对地下水、基础积水的防护欠佳。

20世纪初,受生产力水平的限制,辽北大多近代建筑数缺少完备的防潮层构造,个别建筑虽然设置了水平和垂直防潮层,但在近百年的发展演变过程中,防潮层多受损或失效,功能不良。在这种情况下,混凝土墙体或面层受水分侵蚀严重。

其三,辽北地区的寒冷期长,混凝土材料中水分蒸发不充分。

我们知道,水分的吸收和滞留,可以依靠材料中水分的自然蒸发而达到一定的削减。然而,辽北地区的气候环境却并未提供有利条件。综合上述两原因,再加之辽北地区雪水堆积等情况,近代历史建筑混凝土材料中很容易产生水分的吸收和滞留,而辽北地区冬季低温持续时间长,大量水分进入建筑后无法迅速蒸发,大部分滞留在材料内部,而且当温度低于0℃时还会凝结成冰,导致冻胀和更长时间的滞留,所以,这也是辽北地区气候特征为历史建筑带来水分滞留的特殊原因。

3.2冻融循环:

当建筑结构件所处环境在温度 0℃上下波动时,其内部和表面所含的水分交替出现冻结和融化,这一现象被称作冻融循环。水的反复结冰与融化的物态变化会对结构产生应力改变,甚至形成超过材料单位体积负荷的膨胀应力,对建筑材料造成破坏。

冻融循环是历史建筑的劣化因子,尤其在我国东北地区,大多数室外的历史建筑与文物都遭受着冻融循环的破坏性影响。[3]本研究调研发现,辽北地区近代历史建筑中,混凝土劣化的主要机理之一便是冻融循环带来的材料破坏。

辽北地区冬季寒冷,降雪量较大,长时间的生活习惯使人们习惯于除雪后,将积雪堆积在建筑墙角或基础部分,致使建筑结构约1米以下直接接触积雪,产生水分的渗入。而如前所述,由于混凝土和砂浆孔隙率较大,水分逆行上升,最多可达2.5米处,使这一部分都成为劣化易发部位。

而辽北地区冬初、春初存在相当一段时期存在0℃上下的温度反复,致使混凝土表面和内部的水分在“液态——固态”之间反复变化。液态水与固态水的体积反复膨胀和收缩,反复多次进行,造成混凝土表层与内部体积变化的不协调,长期的损伤积累不仅大大降低混凝土强度,更导致不可逆的破坏。轻则使材料脆裂,产生细小裂缝(如前文所述),重则瓦解混凝土与其它材料的连接,或直接导致混凝土内部骨料与胶粘材料之间的粘结,带来墙体开裂甚至材料脱落,甚至影响建筑的整体安全性。

从辽北地区的气候条件来看,冬季寒冷漫长,冻融期相应长,冻融次数多,且冻融变化速度快。以昌图为例,按照2016年气象记录所记载,共有70天的气温处于0℃上下波动。加之微气候环境和室内气温的影响,冻融次数一年之中可发生百次左右。对于近代历史建筑来说,其存续时间已有近百年历史,可估算其经历的冻融次数甚至可以万记,可见冻融作用对历史建筑的影响之广、破坏之大。

3.3微生物侵蚀:

在历史建筑的生存环境中,微生物以各种方式而普遍存在。附着在混凝土构件表面的泥土灰尘,攀附在混凝土面层之外的爬藤类植物,大气中的污染物都会不同程度地为混凝土材料带来微生物,而近些年环境恶化带来的酸雨、雾霾等因素更为历史建筑增添了更多的微生物类劣化因子。

微生物对混凝土材料的侵蚀作用通常不是独立完成的,它可以与建筑内部的水分、盐分协同作用,参与到冻融循环、应力变化、材料分解中来,加剧混凝土材料的劣化。结合辽北地区近代历史建筑的存在环境,分析其微生物侵蚀机理主要如下:

其一,融雪带来的水分为微生物提供了生长能源。

如前文所述,辽北地区近代历史建筑中的混凝土材料会存在水分的滞留,而这些水分主要来自积雪融化,其中既存在简单的碳化物也含有复杂的有机碳化物,它们均为微生物提供充分的生长能源。而微生物的含水量较高,约占细胞干重的70%以上,水不仅是微生物细胞的组成成分,也是最好的溶剂和在细胞中进行各种生化反应的良好介质。

其二,混凝土历久老化,碱性降低,促使微生物繁殖。

混凝土的碱性与微生物生长繁殖具有很大关系。一般情况下,PH值达到10以上的混凝土,不适合硫杆菌生成,因此近年浇灌的混凝土基本可保持此PH值,仍具有很强的碱性,尚不会受到细菌作用而导致腐蚀。而辽北地区近代历史建筑迄今为止其存续时间近百年,混凝土材料在潮湿环境和空气中自然碳化,其PH值逐渐降低至9以下。[4]在这种碱度下,硫杆菌属中的微生细菌可利用硫化氢作为基质,生化反应成氢硫酸,使混凝土表面的碱度继续下降至PH值为5,并促使食砼菌大最繁殖,最终生成高浓度硫酸,使PH值降到2以下。这样,混礙土中水泥石的硅酸钙和铝酸钙便被溶解,从而导致混凝土破坏。[5]

其三,混凝土外表孔隙率和含水量较高,引发藻类生长,导致污斑。

如前文所述,辽北地区近代历史建筑中的混凝土材料由于历史技术问题和存续微环境问题,存在一定的酥碱现象,因而孔隙率和含水量均较高。在充足的阳光下,粗糙的混凝土表面和较大的含水量促进了藻类生物体的生长,为其提供有利因素。微小藻类可在混凝土外表面形成污点、污斑,当生长面积大时影响历史建筑的外观和色泽。

有此可见,由微生物的活动而引起的劣化不可小觑。轻则如藻类,在混凝土表面发生,有碍历史建筑观瞻;重则如食砼菌极大程度地改变混凝土内部酸碱度,使材料内部发生化学反应,分解矿物质,最终改变建筑的力学结构,导致不可逆的碎裂性破坏。

4.结语

辽北近代历史建筑作为见证东北地区近代历史变迁的重要建筑群体,承载着不可替代的历史信息,其物质真实性、文化特殊性、地域特定性均具有较高的研究价值和保护价值。在经历近百年的风雨之后,辽北近代历史建筑出现了多类型、多程度的劣化形态,其混凝土材料出现了普遍性的开裂、脱落、泛碱与污斑现象,分析其劣化机理主要为基于气候环境、生活习惯、材料老化和环境污染而带来的,水分渗入、冻融循环和微生物侵蚀等主要因素。这些劣化机理不仅逐渐侵蚀着历史建筑的健康,而且呈合并化的方向发展,使辽北近代历史建筑的现状堪忧。

对辽北近代历史建筑的混凝土材料的劣化机理进行梳理与分析,为后续的保护策略制定、保护技术设计、保护修缮的具体实施提供科学的基础依据。同时,以此为切入点的相关研究也有待进行,进而完善丰富辽北近代历史建筑的保护与修缮技术链条。

参考文献:

[1] 基于残损机理分析的近代历史建筑修复技术策略—以天津原浙江兴业银行大楼修复设计为例

[2] 陈思. 昂昂溪中东铁路建筑遗产的冻害与机理研究[J].南方建筑.2016(2):26-32

[3]刘诗芸.寒地砖构文物建筑的冻害研究[D]. 哈尔滨工业大学学位论文.2014

[4] 韩静云,张小伟,陈忠汉. 混凝土排污管的微生物腐蚀[J]. 混凝土与水泥制品.2000(12):20

[5]乐建新,高培伟.混凝土中微生物的侵蚀机理及其控制的研究[J].

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