荷載與環(huán)境作用下青磚及其砌體結(jié)構(gòu)的損傷劣化規(guī)律與機(jī)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(dú)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(shù)價(jià)值。中國歷史性建筑由于長期的太陽輻射、溫濕度變化、化學(xué)作用、風(fēng)雨侵蝕、生物作用、戰(zhàn)爭、地震等破壞，材料和結(jié)構(gòu)性能不可避免的減弱和損傷，大量歷史性建筑已出現(xiàn)險(xiǎn)情，對其維修保護(hù)的要求日益迫切。歷史性建筑的破壞可以分為兩個(gè)方面:自然作用及人為作用。從建筑結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)可以歸結(jié)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(fēng)等。內(nèi)部因素包括建筑材料的老化和結(jié)構(gòu)體系、營造質(zhì)量和建筑基礎(chǔ)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)去診斷和修復(fù)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(hù)這些歷史性建筑，對其結(jié)構(gòu)機(jī)制和材料性能退化機(jī)理的研究已日益成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。因此，綜合考慮歷史性、藝術(shù)性和科學(xué)性，對這些歷史

3、建筑的結(jié)構(gòu)機(jī)制和性能退化機(jī)理進(jìn)行科學(xué)研究，為維修和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，已是當(dāng)務(wù)之急。
　　本文以江浙皖地區(qū)石灰粘結(jié)材料、青磚瓦及傳統(tǒng)空斗墻體為研究對象，通過古代文獻(xiàn)搜集及現(xiàn)場實(shí)地考察，系統(tǒng)的梳理了傳統(tǒng)石灰粘結(jié)材料及青磚瓦的發(fā)展歷史、生產(chǎn)工藝。綜合文物保護(hù)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(hù)起來。以傳統(tǒng)青磚為主，建立力學(xué)與環(huán)境耦合作用下材料性能加速退化實(shí)驗(yàn)體系，建立加速退化速度與實(shí)際服役環(huán)境之間的定量關(guān)系，經(jīng)總結(jié)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(yù)測模型，為建筑遺產(chǎn)的壽命預(yù)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(jìn)行了6片空斗墻在水平荷載作用下平面外受力性能實(shí)驗(yàn)研究，和3片空斗墻平面內(nèi)性能實(shí)驗(yàn)研究，測試了試件的荷載位移關(guān)系曲線，根據(jù)理論反演了空斗墻砌體的彎拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，并分析推導(dǎo)了地震作用下和風(fēng)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(shí)地走訪及取樣檢測制定了

5、傳統(tǒng)青磚、瓦質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)
　　通過文獻(xiàn)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(shí)地考察以及匠人走訪的方式及時(shí)整理記錄。為了掌握古代磚瓦灰的物理化學(xué)性能，對代表性古建筑遺址進(jìn)行實(shí)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(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行分析檢測。課題組實(shí)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(dāng)?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(jìn)行了分類整理。詳細(xì)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(shí)對為編制傳統(tǒng)青磚瓦質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)提供了十分重要的基礎(chǔ)資料。同時(shí)通過對江浙滬多處古建筑青磚進(jìn)行取樣，通過現(xiàn)代分析手段，檢測明清時(shí)期青磚制品的原材料及物理性能，根據(jù)大量的實(shí)測數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，制定了青磚瓦的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，以期為對指導(dǎo)生產(chǎn)與當(dāng)?shù)毓?/p>

7、建筑相匹配的仿古青磚提供參考意見科學(xué)的依據(jù)。
　　(2)揭示了青磚石灰良好相容性機(jī)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(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過研究檢測這兩種古老的建筑材料，青磚以及有機(jī)無機(jī)復(fù)合石灰粘結(jié)材料的界面特點(diǎn)，探討其維持?jǐn)?shù)百年良好粘結(jié)性能的原因，為現(xiàn)代的古城墻修復(fù)提供科

8、學(xué)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(jī)械咬合力，青磚表面粗糙度高，孔隙率較高，在毛細(xì)作用下，灰漿逐漸向青磚內(nèi)部擴(kuò)散，固化后與青磚緊密粘結(jié)在一起，形成互鎖結(jié)構(gòu)。青磚表面密度分為兩個(gè)區(qū)域，靠近粘結(jié)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(jié)材料擴(kuò)散至青磚

9、表面，擴(kuò)散深度約為1.5mm。由于石灰粘結(jié)材料顆粒極其細(xì)小、分布均勻且形狀不規(guī)則，平均粒徑達(dá)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(kuò)散填充到青磚空隙當(dāng)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(yù)測模型
　　實(shí)驗(yàn)以質(zhì)量損失率、相對動彈性模量為指標(biāo)，研究青磚在凍融環(huán)境、硫酸鹽腐蝕環(huán)境和壓力荷載復(fù)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(diǎn)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(shí)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(dá)到試件破壞標(biāo)準(zhǔn)。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(dá)到試件破壞標(biāo)準(zhǔn)。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(dá)到試件破壞標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)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(jì)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(biāo)，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(yùn)用自行設(shè)計(jì)建造的墻體加載裝置研究了空斗墻體的受力機(jī)制及砌筑高度限值
　　自行設(shè)計(jì)與建造了適于青磚空斗墻體力學(xué)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(shí)驗(yàn)。利用該大型墻體加載裝置，分別對2種空斗墻和1種實(shí)砌墻體，不同高寬比與寬厚比共計(jì)13片墻體，開展了平面外及平面內(nèi)加載實(shí)驗(yàn)，測試了墻

13、體變形，應(yīng)變和載荷等等指標(biāo)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)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?？紤]空斗墻內(nèi)部拉結(jié)強(qiáng)弱，建立帶有兩端實(shí)心砌筑墻段的空斗墻截面受力模型，計(jì)算其抗彎剛度，推導(dǎo)高寬比、高厚比和彎拉強(qiáng)度的理論表達(dá)式。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論對比，提出平均彎拉強(qiáng)度取值。根據(jù)不同風(fēng)壓和不同地震烈度計(jì)算作用效應(yīng)，以本文研究得到的平均彎拉強(qiáng)度值為依據(jù)，推導(dǎo)出空斗墻體危險(xiǎn)砌筑高度限值。研究結(jié)果表明空斗墻的破壞為彎拉破壞，且為脆性破壞?？斩穳ζ鲶w平