荷載與環(huán)境作用下青磚及其砌體結構的損傷劣化規(guī)律與機理.pdf

1、中國歷史性建筑是中華文明的重要組成和載體，在世界建筑史上形成了獨特的建筑體系，富于倫理精神，師法自然，體現(xiàn)了中國能工巧匠的智慧，內(nèi)涵精深，具有重要的藝術價值。中國歷史性建筑由于長期的太陽輻射、溫濕度變化、化學作用、風雨侵蝕、生物作用、戰(zhàn)爭、地震等破壞，材料和結構性能不可避免的減弱和損傷，大量歷史性建筑已出現(xiàn)險情，對其維修保護的要求日益迫切。歷史性建筑的破壞可以分為兩個方面:自然作用及人為作用。從建筑結構的角度出發(fā)可以歸結為外部因素和內(nèi)部

2、因素。外部因素包括自然作用的突發(fā)性事件:如地震、颶風等。內(nèi)部因素包括建筑材料的老化和結構體系、營造質(zhì)量和建筑基礎情況的影響。歷史性建筑不同于現(xiàn)代建筑，在材料性能和設計理念上無法同現(xiàn)代建筑相提并論，因此其整體性和剛度一般較弱，用現(xiàn)代的建筑結構設計標準去診斷和修復這些歷史性建筑就出現(xiàn)了許多問題和挑戰(zhàn)，為了更好地保護這些歷史性建筑，對其結構機制和材料性能退化機理的研究已日益成為國內(nèi)外研究的熱點。因此，綜合考慮歷史性、藝術性和科學性，對這些歷史

3、建筑的結構機制和性能退化機理進行科學研究，為維修和保護提供科學依據(jù)，已是當務之急。
　　本文以江浙皖地區(qū)石灰粘結材料、青磚瓦及傳統(tǒng)空斗墻體為研究對象，通過古代文獻搜集及現(xiàn)場實地考察，系統(tǒng)的梳理了傳統(tǒng)石灰粘結材料及青磚瓦的發(fā)展歷史、生產(chǎn)工藝。綜合文物保護修繕工作，將先人給我們留下的珍貴的物質(zhì)遺產(chǎn)、傳統(tǒng)工藝保護起來。以傳統(tǒng)青磚為主，建立力學與環(huán)境耦合作用下材料性能加速退化實驗體系，建立加速退化速度與實際服役環(huán)境之間的定量關系，經(jīng)總結提

4、煉建立典型損傷因素組合的多重破壞因素作用下建筑材料的壽命預測模型，為建筑遺產(chǎn)的壽命預測提供了新理論與新方法。選擇中國2種傳統(tǒng)空斗墻砌筑方式，進行了6片空斗墻在水平荷載作用下平面外受力性能實驗研究，和3片空斗墻平面內(nèi)性能實驗研究，測試了試件的荷載位移關系曲線，根據(jù)理論反演了空斗墻砌體的彎拉強度和剪切強度，并分析推導了地震作用下和風荷載作用下傳統(tǒng)空斗墻體的砌筑高度限值。本文所取得的創(chuàng)新成果如下:
　　(1)通過實地走訪及取樣檢測制定了

5、傳統(tǒng)青磚、瓦質(zhì)量檢測標準
　　通過文獻檢索解讀中國古代磚瓦灰制作工藝的發(fā)展過程。將現(xiàn)存的口耳相傳的傳統(tǒng)工藝通過實地考察以及匠人走訪的方式及時整理記錄。為了掌握古代磚瓦灰的物理化學性能，對代表性古建筑遺址進行實地調(diào)查和取樣，采用現(xiàn)代分析儀器分析方法對所取樣品的組成、結構和性能進行分析檢測。課題組實地考察了歷史上著名的青磚瓦生產(chǎn)地南窯（嘉善）、北窯（蘇州），拜訪了著名傳統(tǒng)青磚瓦制作工藝傳承人丁惟建、沈步云，參觀了當?shù)貎H存的為數(shù)不多的磚

6、窯，梳理了青磚、瓦在我國的發(fā)展歷史，對比了我國南北方磚瓦種類尺寸的區(qū)別，并對其進行了分類整理。詳細記錄整理了傳統(tǒng)青磚瓦的制造、燒制和后期處理工藝。為挽救即將失傳的傳統(tǒng)手工工藝提供了寶貴的文字和影像記錄。同時對為編制傳統(tǒng)青磚瓦質(zhì)量檢測標準提供了十分重要的基礎資料。同時通過對江浙滬多處古建筑青磚進行取樣，通過現(xiàn)代分析手段，檢測明清時期青磚制品的原材料及物理性能，根據(jù)大量的實測數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計分析，制定了青磚瓦的質(zhì)量標準，以期為對指導生產(chǎn)與當?shù)毓?/p>

7、建筑相匹配的仿古青磚提供參考意見科學的依據(jù)。
　　(2)揭示了青磚石灰良好相容性機理
　　本文以南京明城墻為例，使用使用X射線衍射儀(XRD)、壓汞儀(MIP)、掃描電鏡顯微鏡(SEM)、熱重-差熱分析(DSC-TG)、X射線熒光光譜分析(XRF)、傅立葉紅外(FT-IR)等先進實驗設備，通過研究檢測這兩種古老的建筑材料，青磚以及有機無機復合石灰粘結材料的界面特點，探討其維持數(shù)百年良好粘結性能的原因，為現(xiàn)代的古城墻修復提供科

8、學的參考。在古建磚-灰砌筑體系中傳統(tǒng)灰漿與青磚具有很好的相容性，其主要原因在于:首先是良好的機械咬合力，青磚表面粗糙度高，孔隙率較高，在毛細作用下，灰漿逐漸向青磚內(nèi)部擴散，固化后與青磚緊密粘結在一起，形成互鎖結構。青磚表面密度分為兩個區(qū)域，靠近粘結界面處密度明顯高于青磚內(nèi)部樣品。且顯微硬度為1.8 GPa-2.5GPa，高于內(nèi)部顯微硬度1.2 GPa-1.9 GPa。通過掃描電鏡、XRD及XRF發(fā)現(xiàn)，大量碳酸鈣通過石灰粘結材料擴散至青磚

9、表面，擴散深度約為1.5mm。由于石灰粘結材料顆粒極其細小、分布均勻且形狀不規(guī)則，平均粒徑達到納米級。而青磚樣品含有大量0.03-2.0μm孔徑范圍小孔，因此使得碳酸鈣在漫長的數(shù)百年間，逐漸大量擴散填充到青磚空隙當中。
　　(3)研究了青磚耐久性損傷劣化規(guī)律并繪制了青磚壽命預測模型
　　實驗以質(zhì)量損失率、相對動彈性模量為指標，研究青磚在凍融環(huán)境、硫酸鹽腐蝕環(huán)境和壓力荷載復合下的損傷劣化過程，比較和分析了各種破壞因素的凍融損傷

10、特點和相互影響。對青磚在凍融循環(huán)作用下?lián)p傷劣化過程進行了實驗研究和理論分析。在單一凍融因素作用下，青磚相對動彈性模量呈現(xiàn)先略增再降低的趨勢。青磚樣品80次凍融循環(huán)時降至0.60左右。荷載作用對其相對動彈性模量的影響明顯，荷載作用加快了試件在凍融作用下的相對動彈性模量的下降速度。在施加10％和30％荷載以后，分別在60次和35次凍融循環(huán)以后相對動彈性模量下降到60％以下，達到試件破壞標準。荷載作用和硫酸鈉的耦合作用對其相對動彈性模量的的下

11、降產(chǎn)生了更加明顯的影響，荷載及硫酸鈉的耦合作用加快了試件在凍融作用下的相對動彈性模量的下降速度。在10％荷載以及5％硫酸鈉溶液作用下，在35次凍融循環(huán)以后相對動彈性模量下降到60％以下，達到試件破壞標準。在30％荷載及5％硫酸鈉溶液作用下，在20次凍融循環(huán)以后相對動彈性模量下降到60％以下，達到試件破壞標準。結合混凝土凍融疲勞損傷方程模型，通過青磚室內(nèi)凍融循環(huán)次數(shù)，再根據(jù)余紅發(fā)課題組統(tǒng)計的自然凍融循環(huán)次數(shù)、日最低氣溫和日最大降溫速度等指

12、標，并使用地理信息系統(tǒng)軟件TopMap7繪制出了青磚基于水凍、荷載、鹽凍環(huán)境下的多種凍融壽命區(qū)劃圖。
　　(4)運用自行設計建造的墻體加載裝置研究了空斗墻體的受力機制及砌筑高度限值
　　自行設計與建造了適于青磚空斗墻體力學性能測試的大型加載裝置，最大可滿足高4m×長4m的大型空斗墻體的受力性能實驗。利用該大型墻體加載裝置，分別對2種空斗墻和1種實砌墻體，不同高寬比與寬厚比共計13片墻體，開展了平面外及平面內(nèi)加載實驗，測試了墻

13、體變形，應變和載荷等等指標。根據(jù)實驗結果分析砌筑形式、高寬比、高厚比對平均彎剪承載力的影響規(guī)律。考慮空斗墻內(nèi)部拉結強弱，建立帶有兩端實心砌筑墻段的空斗墻截面受力模型，計算其抗彎剛度，推導高寬比、高厚比和彎拉強度的理論表達式。將實驗結果與理論對比，提出平均彎拉強度取值。根據(jù)不同風壓和不同地震烈度計算作用效應，以本文研究得到的平均彎拉強度值為依據(jù)，推導出空斗墻體危險砌筑高度限值。研究結果表明空斗墻的破壞為彎拉破壞，且為脆性破壞。空斗墻砌體平