宛平城墻病害勘測(cè)及保護(hù)材料試驗(yàn)研究

杜超群， 王菊琳*， 張 濤

(1.北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100029；2.文物保護(hù)領(lǐng)域科技評(píng)價(jià)研究國(guó)家文物局重點(diǎn)科研基地,北京 100029；3.北京市古代建筑研究所,北京 100050)

宛平城墻地處盧溝橋東,是中國(guó)華北地區(qū)唯一保存完整的兩開(kāi)門(mén)衛(wèi)城,始建于明末。盧溝橋事變爆發(fā)后,宛平城成為“七·七事變”的歷史見(jiàn)證,至今城墻上還保留著當(dāng)年日軍炮擊宛平城的彈痕,具有極高的歷史紀(jì)念意義和價(jià)值[1]。但是,在長(zhǎng)期風(fēng)霜雨雪等自然營(yíng)造力的侵蝕及人為破壞下,宛平城墻出現(xiàn)了各種病害,部分病害甚至?xí)绊憠w的結(jié)構(gòu)安全,因此對(duì)宛平城墻的保護(hù)研究工作十分必要。

宛平城墻的主要病害包括泛堿、裂縫、空鼓和缺損。泛堿是指在建筑物墻體表面出現(xiàn)局部或大面積的白色鹽粉,原因是磚體內(nèi)可溶鹽隨溫度、濕度的變化,在水分遷移過(guò)程中在墻體表面析出[2]。墻體泛堿會(huì)引起磚石材料粉化、起鼓、開(kāi)裂和脫落,影響墻體形貌,嚴(yán)重時(shí)會(huì)危害城墻結(jié)構(gòu)安全[3]。裂縫可分為由自然風(fēng)化造成的淺表裂縫和受力不均等原因造成的機(jī)械裂縫[4-5]。對(duì)于城墻磚砌體,裂縫更容易在強(qiáng)度相對(duì)較低的砂漿處出現(xiàn)并擴(kuò)展?？展闹笁w填充材料在長(zhǎng)期雨水沖刷灌注下缺失,與外包磚剝離,在墻體內(nèi)部形成孔洞[6]。缺損主要指在長(zhǎng)期自然風(fēng)化、生物破壞下,導(dǎo)致城墻磚強(qiáng)度缺失,在表面發(fā)生大面積的侵蝕和剝落現(xiàn)象。

文物修復(fù)要盡可能采用原材料、原工藝,近年來(lái),石灰類(lèi)材料又重新得到應(yīng)用,但是,傳統(tǒng)石灰材料凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、耐水性差、力學(xué)強(qiáng)度低等特點(diǎn)往往造成修復(fù)效果較差[7-9]。天然水硬性石灰具有較高的強(qiáng)度,與古建本體具有更好的相容性,已開(kāi)始逐漸應(yīng)用于古建筑的修繕加固中,如2007年應(yīng)用天然水硬性石灰對(duì)花山巖畫(huà)進(jìn)行加固取得了較好的效果[10-12]。但是,天然水硬性石灰價(jià)格昂貴,因此有必要對(duì)傳統(tǒng)石灰進(jìn)行改性研究以改善其性能,提高其實(shí)際應(yīng)用性。

在對(duì)宛平城墻現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)的基礎(chǔ)上,針對(duì)缺損、空鼓及裂縫病害,對(duì)一系列修復(fù)材料性能進(jìn)行研究,篩選出合適的補(bǔ)缺、灌漿、補(bǔ)縫材料,為宛平城墻的病害修復(fù)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)所用原材料及設(shè)備如表1和表2所示。

表1 試驗(yàn)原材料Table 1 Experimental raw materials

表2 試驗(yàn)儀器設(shè)備Table 2 Experimental equipment

2 試驗(yàn)方法

2.1 試樣制作

試驗(yàn)所用修補(bǔ)材料配方如表3所示。

表3 修補(bǔ)材料配方Table 3 Repair material formula

碳納米管懸浮液的制備:稱(chēng)取0.8 g羥基化碳納米管,1 599.2 g去離子水,用玻璃棒攪拌30 s后在室溫下以80 W的功率超聲30 min,得到0.05 wt%的碳納米管(carbon nanotubes,CNT)溶液。

糯米漿的制備:稱(chēng)取一定量的生糯米粉、水和十六水合硫酸鋁按比例加入燒杯中,配制成5 wt%糯米粉、1 wt%十六水合硫酸鋁的糯米漿,在水浴鍋100 ℃加熱4～5 h,邊加熱邊攪拌,保證糯米漿質(zhì)的均勻。

試樣制作過(guò)程:將原料按照配方比例倒入攪拌器中,用JJ-5水泥膠砂攪拌機(jī)先將干料攪拌均勻,再加入一定量的水,之后慢轉(zhuǎn)攪拌1 min,快轉(zhuǎn)攪拌1 min,直至攪拌均勻。攪拌完成后將樣品倒入160 mm×40 mm×40 mm的標(biāo)準(zhǔn)模具中,將模具放到ZS-15型水泥膠砂振實(shí)臺(tái)上振實(shí)60 s,排除漿體中的氣泡。振實(shí)完成后將模具放入YH-40B型恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中以20 ℃、70%濕度的條件養(yǎng)護(hù),3 d后脫模,再放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至28 d。每一種材料配方制作9個(gè)試樣,共81個(gè)。

2.2 流動(dòng)性測(cè)試

參照GB/T 8077—2012[13]中水泥凈漿流動(dòng)度測(cè)試方法,采用NLD-3型水泥膠流動(dòng)度測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。

2.3 收縮性測(cè)試

參照J(rèn)GJ/T 70—2009[14]進(jìn)行測(cè)試,試樣初始尺寸為160 mm×40 mm×40 mm,在7、21、28 d分別測(cè)量樣品的尺寸計(jì)算收縮率。

2.4 機(jī)械性能測(cè)試

磚和砂漿的抗壓強(qiáng)度均采用JGJ/T 70—2009標(biāo)準(zhǔn)中立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)定的方法,采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),按照式(1)計(jì)算抗壓強(qiáng)度。

(1)

式(1)中:F為試樣破碎時(shí)所承受的壓力,N；A為試樣擠壓面面積,m2；P為抗壓強(qiáng)度,Pa。

抗折強(qiáng)度采用GB/T 2542—2012[15]中抗折強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)定的方法,同樣采用LETRY型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),按照式(2)計(jì)算抗折強(qiáng)度。

(2)

式(2)中:Pw為彎曲強(qiáng)度,MPa；L為支點(diǎn)間距離,mm；K為試樣寬度,mm；H為試樣厚度,mm。

2.5 耐水性測(cè)試

參照GB/T 50081—2002[16],使用計(jì)算試樣的軟化系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)試樣材料的耐水性。試樣軟化系數(shù)由式(3)計(jì)算。

(3)

式(3)中:ψ為軟化系數(shù)；f0為絕干狀態(tài)砂漿的抗壓強(qiáng)度,MPa；f1為飽和狀態(tài)砂漿的抗壓強(qiáng)度,MPa。

2.6 耐凍融試驗(yàn)

參照GB/T 2542—2012,采用慢凍法進(jìn)行,將160 mm×40 mm×40 mm試樣浸泡18 h后,放入冰箱中凍結(jié)3 h,溫度為-15～20 ℃。然后取出放入15～20 ℃的水中融化3 h,此為一個(gè)循環(huán)。試驗(yàn)時(shí),在試樣第一次浸泡18 h后,擦干表面的水測(cè)得原始質(zhì)量M0,并且進(jìn)行超聲波測(cè)試。通過(guò)計(jì)算凍融循環(huán)前后質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈模量進(jìn)行評(píng)估。

相對(duì)彈性模量Er、質(zhì)量損失率W通過(guò)式(4)、式(5)計(jì)算。

(4)

(5)

式中:En、E0分別代表循環(huán)n次和初始試件的動(dòng)彈性模量,MPa；Tn、T0分別表示循環(huán)n次和初始試件的超聲時(shí)間,μs；M0和Mn分別為初始和循環(huán)n次后的質(zhì)量,g。

2.7 耐硫酸鹽試驗(yàn)

采用干濕循環(huán)、硫酸鹽雙因素耦合試驗(yàn)。先將試樣放入80 ℃的真空烘干箱中烘干至恒重。取出待冷卻后,分別測(cè)得質(zhì)量M0和超聲波時(shí)間t0。耐鹽循環(huán)的過(guò)程為在5%濃度的Na2SO4硫酸鈉溶液中浸泡15 h,取出試樣。將試樣表面的水擦干,然后在80 ℃條件下,烘干5 h,最后再冷卻3 h。此時(shí)測(cè)量質(zhì)量Mn和超聲波時(shí)間Tn。試樣的相對(duì)彈性模量En、質(zhì)量損失率W根據(jù)式(4)、式(5)計(jì)算。

3 結(jié)果與討論

3.1 現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果

圖1所示為兩段長(zhǎng)約5 m的城墻,墻體表面有密集分布的脫落、缺損病害,原彈坑處形成尺寸更大的孔洞,可見(jiàn)墻體受風(fēng)化、雨水等侵蝕十分嚴(yán)重；另外,城墻還存在局部的空鼓、裂縫病害。

圖1 宛平城墻保存狀況Fig.1 The preservation status of Wanping City Wall

圖2(a)所示是城墻的一處剝落缺損,尺寸約0.4 m×0.1 m×0.05 m(長(zhǎng)×寬×深),該類(lèi)型缺損是風(fēng)化侵蝕造成表面硬度和強(qiáng)度大幅下降,結(jié)構(gòu)松散,最終導(dǎo)致剝落的現(xiàn)象。圖2(b)所示是一處彈孔風(fēng)化缺損,有左右兩個(gè)彈孔,尺寸分別為0.13 m×0.09 m×0.12 m(左)和0.18 m×0.06 m×0.09 m(右),彈孔風(fēng)化缺損孔洞較深且磚體內(nèi)部易形成空鼓,成因是子彈造成墻體機(jī)械損傷,在同等條件下更易受到風(fēng)化侵蝕,久之形成更大的孔洞。圖2(c)所示為上述彈孔風(fēng)化缺損的部分內(nèi)部照片,該缺損向內(nèi)延伸0.1 m左右,且內(nèi)部有大量酥粉,這是磚體內(nèi)部含水量較高、侵蝕程度加劇所致。

圖2 墻體缺損病害Fig.2 Wall defect disease

圖3(a)、圖3(b)所示為墻體的兩處縱向貫穿裂縫,寬度約0.04 m,裂縫的形成說(shuō)明墻體受力不均,有較大的剪切應(yīng)力存在。其中圖3(a)處裂縫尚未修補(bǔ),在風(fēng)化作用下逐漸加寬、加深,而圖3(b)處裂縫經(jīng)過(guò)灌縫處理,有明顯的修繕痕跡。

圖3 墻體裂縫病害Fig.3 Wall crack disease

圖4(a)所示為一處空鼓病害,其外部墻磚剝落,面積約0.45 m2,輕敲此處有不同于周?chē)鷫w的聲響,由此可粗略判斷空鼓的位置和大小。圖4(b)所示為空鼓處紅外熱像圖,顏色由紫到紅代表溫度由低到高,點(diǎn)3所在紫色區(qū)域即空鼓處,該處較周邊最高溫度低2.9 ℃,這是因?yàn)榭展牟『κ芩智治g影響較大,空鼓處含水率高,導(dǎo)致溫度較低。

圖4 墻體空鼓病害Fig.4 Wall hollow disease

3.2 樣品XRD測(cè)試

通過(guò)X射線衍射(X-rays diffraction，XRD)測(cè)試樣品的礦物組成。由圖5可見(jiàn),宛平城墻原砂漿和新砂漿中存在方解石、石英和少量的硅酸鋁礦物,方解石由石灰碳化反應(yīng)生成,可推斷原灰漿所用原料為石灰和少量的石英類(lèi)骨料；而原磚的主要晶相為石英,證明城墻原磚為燒結(jié)黏土磚。

圖5 宛平城樣品XRD測(cè)試圖Fig.5 Wanping City sample XRD test chart

3.3 修復(fù)材料性能測(cè)試結(jié)果

3.3.1 pH

為達(dá)到最佳紅色旅游講解效果，確保紅色文化可以通過(guò)講解更好地傳播出去，紅色旅游導(dǎo)游人員需要對(duì)自身講解規(guī)范性以及嚴(yán)肅性進(jìn)行保證。主要是因?yàn)?，紅色文化是我國(guó)國(guó)家史重要內(nèi)容，講解內(nèi)容多以革命史以及中共黨史為主，所有內(nèi)容講解需要符合歷史真相，要保證所講內(nèi)容都能做到有據(jù)可查，不可添加個(gè)人意識(shí)以及個(gè)人推測(cè)，應(yīng)對(duì)內(nèi)容可信度與真實(shí)性進(jìn)行保證【1】。紅色旅游講解人員需要明確，紅色旅游是含有中國(guó)特色社會(huì)主義共同理想的政治工程，導(dǎo)游在進(jìn)行講解時(shí)，不僅是對(duì)景區(qū)風(fēng)景進(jìn)行講解的過(guò)程，同時(shí)也是對(duì)旅客實(shí)施革命傳統(tǒng)教育以及愛(ài)國(guó)主義教育的過(guò)程，需要具備良好、準(zhǔn)確的政治導(dǎo)向。

在制作樣品時(shí),取出少量的漿料用pH試紙測(cè)試其pH。試驗(yàn)中使用主劑為膠凝材料,均呈強(qiáng)堿性,故使用堿性精確pH試紙進(jìn)行測(cè)試。各配方漿料pH測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 pH測(cè)試結(jié)果Table 4 pH test results

測(cè)試結(jié)果顯示,各漿料配方pH均在13～13.5,呈強(qiáng)堿性,而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試原磚和砂漿pH介于12～13,也呈堿性,因此強(qiáng)堿性修補(bǔ)材料不會(huì)對(duì)城墻本體產(chǎn)生不利影響。

3.3.2 流動(dòng)性

表5所示為9種配方修復(fù)材料的流動(dòng)性測(cè)試結(jié)果。其中,補(bǔ)缺材料的施工需要較低的流動(dòng)度,3種材料均可滿足要求；GJ天然水硬性石灰和GJ糯米石灰流動(dòng)度均超過(guò)30 cm,GJ人造水硬性石灰漿流動(dòng)度為23.75 cm,均可滿足灌漿施工的要求；BF硅丙石灰流動(dòng)度為22.5 cm,BF碳納米管石灰漿和BF天然水硬性石灰漿流動(dòng)度都超過(guò)30 cm,因此也均可滿足灌縫需求。

表5 流動(dòng)性測(cè)試結(jié)果Table 5 Fluidity test results

3.3.3 收縮性

表6和圖6所示為9種配方修復(fù)材料試件在養(yǎng)護(hù)7、14、28 d后的收縮性測(cè)試結(jié)果。

表6 試件收縮性測(cè)試結(jié)果Table 6 Test piece shrinkage test results

圖6 各材料收縮率比較Fig.6 Comparison of shrinkage rates of various materials

由表6和圖6可知,GJ天然水硬性石灰和GJ人造水硬性石灰收縮性均小于1%,且28 d內(nèi)收縮性變化不大,這是由于硅灰的加入與氫氧化鈣發(fā)生火山灰反應(yīng)生成水化硅酸鈣,填補(bǔ)了部分孔隙,減少了水分的流失,一定程度上抑制了體積收縮,而GJ糯米石灰的主劑熟石灰本身收縮性較大,另外由于流動(dòng)性的需要加入了過(guò)多的水,水分蒸發(fā)也導(dǎo)致收縮率過(guò)大；BQ天然水硬性石灰收縮性最小,BQ有機(jī)硅石灰的28 d收縮率為2.13%,可能是疏水劑甲基硅酸鈉進(jìn)入基體的孔隙內(nèi),減少了水分的流失,從而改善了收縮性能,而瓜爾豆膠對(duì)熟石灰收縮性改性效果較差；BF天然水硬性石灰依然具有最小的收縮率,而B(niǎo)F硅丙石灰和BF碳納米管石灰為保證可灌性,水灰比過(guò)大,水分蒸發(fā)導(dǎo)致收縮率較大。

3.3.4 色差值

為盡量減小與原磚的色差,在補(bǔ)缺和補(bǔ)縫材料中采用磚粉作為部分骨料,由表7可見(jiàn),3種補(bǔ)缺材料與原磚仍有較強(qiáng)烈的視覺(jué)差異,可能是磚粉的添加量較少所致,但磚粉本身具有很強(qiáng)的吸水性,添加過(guò)多會(huì)導(dǎo)致用水量大大增加,造成材料黏結(jié)性及強(qiáng)度的降低,因此需要進(jìn)一步研究磚粉的最優(yōu)添加量。BF碳納米管石灰與原磚的色差只有極微的差別；灌漿材料與原磚有很強(qiáng)烈的色差,考慮其用于墻體內(nèi)部,因此色差值指標(biāo)對(duì)其評(píng)估意義不大。

表7 試件色差值結(jié)果Table 7 Test piece color difference results

3.3.5 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

由表8和圖7可見(jiàn),灌漿材料中GJ人造水硬性石灰28 d抗壓強(qiáng)度最高,達(dá)到5.89 MPa,其次是改性NHL2,而GJ糯米石灰的高用水量導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度只有0.82 MPa；3種補(bǔ)缺材料均未添加三聚氰胺減水劑,在保證工作性的前提下加入了大量的水,導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度較低；補(bǔ)縫材料中,BF硅丙石灰的強(qiáng)度較低,而B(niǎo)F碳納米管石灰和BF天然水硬性石灰的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到2.79 MPa和3.88 MPa,接近原磚的強(qiáng)度。

表8 試樣抗壓強(qiáng)度Table 8 Sample compressive strength

圖7 修復(fù)材料與原磚抗壓強(qiáng)度比較Fig.7 Comparison of compressive strength between repair materials and original bricks

3.3.6 抗折強(qiáng)度測(cè)試

由表9和圖8可知,抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果與抗壓強(qiáng)度保持一致。灌漿材料中,GJ人造水硬性石灰抗折強(qiáng)度最高,達(dá)到1.13 MPa,高于原磚的強(qiáng)度,其次是GJ天然水硬性石灰,而GJ糯米石灰抗折強(qiáng)度最差,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原磚強(qiáng)度；在補(bǔ)缺材料中,BQ天然水硬性石灰的抗折強(qiáng)度與原磚非常接近,而B(niǎo)Q有機(jī)硅石灰和BQ瓜爾豆膠石灰抗折強(qiáng)度分別為0.23 MPa和0.065 MPa,遠(yuǎn)低于原磚強(qiáng)度；在補(bǔ)縫材料中,抗折強(qiáng)度由高到低分別是BF天然水硬性石灰、BF碳納米管石灰和BF硅丙石灰,其中BF碳納米管石灰在所有改性熟石灰材料中具有較高的抗折強(qiáng)度,可能是碳納米管在石灰基體中起到了橋接的作用,使基質(zhì)之間連接更緊密,從而提高了力學(xué)性能。

表9 試樣抗折強(qiáng)度Table 9 Specimen bending strength

圖8 修復(fù)材料與原磚抗折強(qiáng)度比較Fig.8 Comparison of the flexural strength of the repaired material and the original brick

在力學(xué)性能測(cè)試中,無(wú)論天然水硬性石灰或人造水硬性石灰均具有較高的強(qiáng)度,這是由于其中含有的水發(fā)生水化反應(yīng)生成水硬性物質(zhì),同時(shí)加入的硅粉與Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應(yīng)生成水化硅酸鈣,這為水硬性石灰材料提供了較高的早期強(qiáng)度；而熟石灰雖然添加了部分硅灰或磚灰改性,但其強(qiáng)度主要由Ca(OH)2的碳化過(guò)程提供,該過(guò)程進(jìn)行緩慢,因此在28 d的養(yǎng)護(hù)期內(nèi)強(qiáng)度低于水硬性石灰。

3.3.7 耐水性測(cè)試

采用軟化系數(shù)表征材料的耐水性,軟化系數(shù)為試件飽和狀態(tài)和絕干狀態(tài)抗壓強(qiáng)度的比值,測(cè)試結(jié)果如表10、圖9和圖10所示。原磚的軟化系數(shù)為0.96,試驗(yàn)過(guò)程中浸泡原磚時(shí)發(fā)生強(qiáng)烈的吸水,有大量氣泡產(chǎn)生,但是飽和狀態(tài)下原磚的強(qiáng)度并沒(méi)有大幅下降,證明其保存狀況良好。耐水性是評(píng)估室外文物建筑修復(fù)材料性能的重要指標(biāo),在灌漿材料中,GJ天然水硬性石灰和GJ人造水硬性石灰均有較高的軟化系數(shù),耐水性良好,而糯米石灰漿軟化系數(shù)只有0.18,不能滿足耐水需求；在補(bǔ)缺材料中,BQ有機(jī)硅石灰和BQ瓜爾豆膠石灰軟化系數(shù)較低,分別只有0.46和0.21,而B(niǎo)Q天然水硬性石灰軟化系數(shù)達(dá)到0.84,基本可以滿足耐水性需求；在補(bǔ)縫材料中,BF碳納米管石灰軟化系數(shù)最高,說(shuō)明碳納米管對(duì)基體有良好的改性效果,減小了孔隙,提高了耐水性。

表10 耐水性測(cè)試結(jié)果Table 10 Water resistance test results

圖9 試件絕干與飽和狀態(tài)抗壓強(qiáng)度比較Fig.9 Comparison of compressive strength between test piece and saturated state

圖10 試件軟化系數(shù)ψ比較Fig.10 Test piece softening coefficient ψ comparison

3.3.8 耐凍融測(cè)試

由圖11可見(jiàn),凍融循環(huán)初始時(shí)試件質(zhì)量損失率為負(fù)數(shù),說(shuō)明試件的質(zhì)量增加,原因是凍融初期試件內(nèi)部水分結(jié)冰體積增大,使基體內(nèi)孔隙體積增加,浸泡后試件內(nèi)部的含水率更高,從而導(dǎo)致試件的質(zhì)量增加。在第一次凍融循環(huán)過(guò)程中,BQ瓜爾豆膠石灰試件出現(xiàn)明顯破裂(圖12),說(shuō)明其耐凍融性能差,因此未與其他試件在圖中比較。3種補(bǔ)縫材料試件的質(zhì)量在4個(gè)循環(huán)后進(jìn)一步增加,說(shuō)明4個(gè)循環(huán)后內(nèi)部孔隙仍未完全破壞,耐凍融性能良好；在第3個(gè)凍融循環(huán)后,GJ糯米石灰和BQ有機(jī)硅石灰試件質(zhì)量損失率開(kāi)始上升,說(shuō)明內(nèi)部微小孔洞發(fā)生破壞,形成裂紋或大孔,導(dǎo)致質(zhì)量減小。

圖11 凍融循環(huán)質(zhì)量損失率折線圖Fig.11 Freeze-thaw cycle mass loss rate line chart

圖12 瓜爾豆膠石灰試件耐凍融試驗(yàn)前后宏觀形貌變化Fig.12 Macroscopic topography changes before and after freeze-thaw test of guar gum lime

由圖13可見(jiàn),在4個(gè)凍融循環(huán)之后,BQ有機(jī)硅石灰和GJ糯米石灰試件相對(duì)動(dòng)彈模量開(kāi)始下降,說(shuō)明試件結(jié)構(gòu)密實(shí)度下降,內(nèi)部產(chǎn)生了較大的孔洞或裂紋,這與質(zhì)量下降的結(jié)果吻合。BQ天然水硬性石灰、GJ天然水硬性石灰、BF天然水硬性石灰和GJ人造水硬性石灰試件相對(duì)動(dòng)彈模量趨于不變或略微下降,說(shuō)明內(nèi)部孔洞已經(jīng)到達(dá)破壞的臨界點(diǎn),而B(niǎo)F硅丙石灰和BF碳納米管石灰試件相對(duì)動(dòng)彈模量仍有上升趨勢(shì),說(shuō)明內(nèi)部孔洞還未被破壞,耐凍融性良好。

圖13 凍融循環(huán)相對(duì)動(dòng)彈模量折線圖Fig.13 Relative dynamic elastic modulus line diagram of freeze-thaw cycle

3.3.9 耐硫酸鹽測(cè)試

由圖14可見(jiàn),GJ糯米石灰試件的質(zhì)量先降低后不變,該試件泡入溶液中表面即發(fā)生了小部分破裂,證明其耐水性不佳。其余試件質(zhì)量均有所增加,這是因?yàn)榭扇茺}進(jìn)入試件內(nèi)部空隙,導(dǎo)致質(zhì)量增加,從第2個(gè)循環(huán)開(kāi)始,試件質(zhì)量趨于穩(wěn)定,未出現(xiàn)試件失效的情況。其中,所有天然水硬性石灰和人造水硬性石灰試件質(zhì)量增加不大,說(shuō)明內(nèi)部較為致密,可溶鹽進(jìn)入較少。BQ瓜爾豆膠試件在第1個(gè)耐鹽循環(huán)后即出現(xiàn)明顯破損(圖15),未與其他試件比較質(zhì)量損失率。

圖14 耐鹽循環(huán)質(zhì)量損失率折線圖Fig.14 Salt loss cycle quality loss rate line chart

圖15 瓜爾豆膠石灰試件耐可溶鹽試驗(yàn)前后宏觀形貌變化Fig.15 Macroscopic topography changes before and after the resistance test of guar gum lime

由圖16可見(jiàn),經(jīng)過(guò)4個(gè)耐可溶鹽循環(huán)之后,各試件相對(duì)動(dòng)彈模量基本遵循先增加后不變的規(guī)律,與質(zhì)量變化相吻合。補(bǔ)縫材料中BF碳納米管石灰具有較低的相對(duì)動(dòng)彈模量,說(shuō)明試驗(yàn)前后內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化不大,耐可溶鹽性能良好；補(bǔ)缺材料中,BQ天然水硬性石灰和BQ有機(jī)硅石灰試件也具有較低的相對(duì)動(dòng)彈模量；灌漿材料中,GJ天然水硬性石灰和GJ人造水硬性石灰相對(duì)動(dòng)彈模量基本保持不變,說(shuō)明其內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。

圖16 耐鹽凍融循環(huán)相對(duì)動(dòng)彈模量折線圖Fig.16 Relative dynamic elastic modulus line diagram of salt-tolerant freeze-thaw cycle

4 結(jié)論

對(duì)宛平城墻病害現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘測(cè),針對(duì)缺損、裂縫、空鼓3種不同的病害類(lèi)型分別設(shè)計(jì)了3種修補(bǔ)材料配方,通過(guò)性能測(cè)試,得出以下結(jié)論。

(1)人造水硬性石灰材料在養(yǎng)護(hù)28 d的抗折、抗壓強(qiáng)度分別為1.13 MPa和5.89 MPa與原磚的抗折強(qiáng)度0.7 MPa和抗壓強(qiáng)度3.22 MPa相比較為接近,耐候性良好,綜合經(jīng)濟(jì)因素,適合作為修補(bǔ)空鼓病害的灌漿材料。

(2)NHL2石灰材料抗折、抗壓強(qiáng)度為0.69 MPa和2.56 MPa,收縮性、耐水性皆?xún)?yōu)于另外兩種熟石灰基材料,且強(qiáng)度與原磚接近,適合作補(bǔ)缺材料。

(3)碳納米管改性的熟石灰28 d后抗折、抗壓強(qiáng)度為0.43 MPa和2.79 MPa,與原磚的強(qiáng)度較為接近,且色度與原磚極為接近,收縮及耐久性良好,適合作補(bǔ)縫材料。