長春一汽生產(chǎn)區(qū)早期建筑外墻凍害及其機理的研究

張廣平，耿新然

吉林建筑大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院,長春 130118

0 引言

“20世紀(jì)建筑遺產(chǎn)”是20世紀(jì)中國百年建筑發(fā)展脈絡(luò)的集合.迄今為止,全國發(fā)布了的中國20世紀(jì)建筑遺產(chǎn)名錄共4批396項建筑遺產(chǎn),其涵蓋類型豐富,包括會堂建筑、觀演建筑、教科文體建筑、辦公建筑、工業(yè)建筑和住宅建筑等十幾種門類.目前,吉林省共計5處入選,長春共有3處26座建筑入選該名錄,包括長春第一汽車制造廠(Changchun first auto works,英文縮寫為Changchun FAW) 早期建筑、長春電影制片廠早期建筑、偽滿皇宮及日偽軍政處,其中2處為工業(yè)建筑、1處為公共建筑.長春一汽制造廠生產(chǎn)區(qū)早期建筑是我國重要的工業(yè)建筑遺產(chǎn)之一,其自身的歷史及研究價值不言而喻.然而由于長春地處東北高山、丘陵強度凍融區(qū)[1],凍融是造成生產(chǎn)區(qū)早期建筑損傷的主要原因.

本文以“20世紀(jì)建筑遺產(chǎn)”中一汽生產(chǎn)區(qū)早期建筑為研究對象,分析建筑外墻凍害現(xiàn)象的機理,為未來相關(guān)建筑的保護(hù)修繕提供參考資料.

1 一汽生產(chǎn)區(qū)早期建筑凍害調(diào)研狀況與分析

1.1 一汽生產(chǎn)區(qū)早期建筑的價值定位

長春一汽生產(chǎn)區(qū)早期建筑是中國制造工業(yè)的搖籃,是新中國成立以來第一大工業(yè)區(qū),見證了中國的工業(yè)發(fā)展.1950年《中蘇友好同盟互助條約》簽訂后,大量俄國建筑工人涌入到中國,帶來了先進(jìn)的規(guī)劃理念和別具特色的建筑樣式,產(chǎn)生了一批中西合璧的建筑.一汽生產(chǎn)區(qū)是蘇聯(lián)援建的156項重點工程之一,具有明顯“蘇式”遺產(chǎn)的特征.2013年被中國國務(wù)院列入第七批全國重點文物保護(hù)單位;2015年被劃入長春第一汽車制造廠歷史文化街區(qū)名單;2016年入選第一批“中國20世紀(jì)遺產(chǎn)名錄”.這表明了生產(chǎn)區(qū)建筑在我國早期建筑中有著舉足輕重的地位,同時也說明了對一汽早期建筑的保護(hù)已經(jīng)引起了政府和社會各界的重視.

生產(chǎn)區(qū)早期建筑是長春20世紀(jì)建筑遺產(chǎn)中磚構(gòu)建筑保存數(shù)量較多,現(xiàn)狀保護(hù)較好的一處，見圖1.它完整地記錄了中蘇友誼的重大歷史事件,并且保存了建廠初期街道格局和人文理念.整個建筑群的建筑面積約38萬m2,由廠房和輔助配套設(shè)施組成.廠房占地面積較大,包括4棟多層辦公樓和11棟廠房. 水塔、熱電廠等輔助配套建筑占地面積較小(如圖1～圖2所示).廠區(qū)內(nèi)除鑄造分廠外,其他9個均為獨棟建筑廠房,由清水紅磚墻構(gòu)成,點綴黃色和白色粉刷的建筑構(gòu)件,在部分建筑屋檐下有鐮刀、五角星和斧頭等圖案,代表了中蘇兩國友誼結(jié)晶,具有重要的歷史、技術(shù)、審美和社會經(jīng)濟等價值,由此可見,一汽生產(chǎn)區(qū)早期建筑的綜合價值是極高.首先,生產(chǎn)區(qū)完整的保存了工業(yè)建筑遺產(chǎn),其特殊的歷史背景和身份為研究提供了有效的依據(jù).其次,生產(chǎn)區(qū)是中蘇友誼的歷史見證,對我國的工業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了巨大作用,反映出了上世紀(jì)50年代繁榮一時工業(yè)建筑景象.

圖1 長春一汽生產(chǎn)區(qū)早期建筑Fig.1 The early buildings in the production zone of Changchun FAW

圖2 長春一汽一號門照片F(xiàn)ig.2 Photo of gate one in Changchun FAW

2 一汽生產(chǎn)區(qū)早期建筑磚材表面凍害形態(tài)的信息采集

一汽生產(chǎn)區(qū)早期建筑的建筑結(jié)構(gòu)主要為砌體結(jié)構(gòu).從生產(chǎn)區(qū)建筑竣工至今經(jīng)歷了近70年的時間,磚材表面已經(jīng)出現(xiàn)了不同情況的建筑凍害問題.為了尋找病害原因,本文對生產(chǎn)區(qū)的現(xiàn)狀進(jìn)行了大量的調(diào)研. 由調(diào)研統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在一汽生產(chǎn)區(qū)的14棟早期磚構(gòu)建筑中,保存狀況良好的有2棟、占比為14 %,一般損毀的有10棟、占比為72 %,嚴(yán)重?fù)p毀的有2棟,占比為14 %.

通過對生產(chǎn)區(qū)建筑磚材表面狀況的調(diào)查發(fā)現(xiàn),墻體酥堿、墻體裂縫和墻體灰縫脫落是其主要的3種凍害形態(tài)[2](如表1～表2所示).

表2 建筑東西山墻磚砌體凍害分布Table 2 Distribution of freezing damage to brick masonry on the east and west gables of buildings

續(xù)表2

本文通過對建筑凍害形態(tài)的圖像化分析,全面地展示了磚材表面的凍害信息,為凍害機理研究提供了有力的依據(jù).調(diào)研中發(fā)現(xiàn),14棟磚構(gòu)建筑的凍害在建筑南北方向的屋檐下受損最為嚴(yán)重,建筑的基礎(chǔ)和底層窗之間砂漿粉化也非常嚴(yán)重,并伴隨著墻體酥堿出現(xiàn).同時在建筑東西方向上,窗上下兩端的裂縫數(shù)量多,且墻體轉(zhuǎn)角處粉化面積大,建筑墻基礎(chǔ)上部酥堿最為嚴(yán)重.

2.1 磚構(gòu)建筑酥堿病害分析

墻體酥堿是一種磚構(gòu)建筑的常見病害,表現(xiàn)為墻體表層起皮剝落,常伴有白色鹽狀物質(zhì)析出[3].墻體酥堿形態(tài)及分布見表3.

表3 墻體酥堿形態(tài)及分布Table 3 Patterns and distribution of wall crisp alkali

續(xù)表3

酥粉是在低溫的作用下由于長時間水分的滯留而發(fā)生的凍害現(xiàn)象.泛堿則主要是由于滯留在建筑材料內(nèi)部的水分中含有可溶性鹽在毛細(xì)作用下不斷上升透過墻體蒸發(fā)結(jié)晶于墻體表面產(chǎn)生的白色物質(zhì).在凍融侵蝕的作用下酥堿程度可分為輕度酥堿和嚴(yán)重酥堿.前者易發(fā)生表面粉化或泛堿;后者則會有酥粉和泛堿的混合出現(xiàn),并伴有表皮脫落和砂漿粉化的現(xiàn)象[4].可見水分的侵蝕是凍融作用下墻體酥粉的主導(dǎo)因素.

數(shù)據(jù)統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn),在14棟早期磚構(gòu)建筑中有125處墻體發(fā)生酥堿病害,其中輕微酥堿79處、占總酥堿數(shù)量的 63%,嚴(yán)重酥堿有46 處、占總酥堿數(shù)量的37%.輕微酥堿多發(fā)生在窗間墻、墻基礎(chǔ)上部及山墻的1.2 m～2.7 m處,嚴(yán)重酥堿則多出現(xiàn)在屋檐下、窗下和墻基處0.2 m～1.2 m處.

綜上可知,長春第一汽車廠生產(chǎn)區(qū)早期建筑的墻體輕微酥堿比嚴(yán)重酥堿出現(xiàn)概率大.

2.2 磚構(gòu)建筑裂縫病害分析

磚構(gòu)建筑中裂縫是一種非常常見的現(xiàn)象.主要分為豎向裂縫和斜向裂縫,豎向裂縫常沿著垂直向下方向貫穿多層磚塊形成,斜向裂縫多沿著砂漿水平和垂直方向呈折線形裂縫.一般來說,裂縫的寬窄代表建筑受損的嚴(yán)重程度.墻體裂縫形態(tài)及分布見表4.

表4 墻體裂縫形態(tài)及分布Table 4 Patterns and distribution of wall cracks

續(xù)表4

調(diào)研中發(fā)現(xiàn),生產(chǎn)區(qū)磚砌墻體材料脆性大,抗拉強度低且長春冬季溫差大,在溫度和濕度的雙重作用下產(chǎn)生熱脹冷縮,超出材料自身的承載強度導(dǎo)致墻體裂縫.在早期的14棟磚構(gòu)建筑中,裂縫共計123條,其中豎向裂縫數(shù)量為51條、占總數(shù)41 %,斜向裂縫數(shù)量為72條、占總數(shù)59 %.由此可見,斜向裂縫的數(shù)量較多.在生產(chǎn)區(qū)早期建筑中豎向裂縫大多分布在山墻側(cè)窗上下、正立面窗臺下部,而斜向裂縫多位于窗上下部、屋檐下部和山墻屋檐下.

由上述調(diào)研結(jié)果可知,一汽生產(chǎn)區(qū)早期建筑表面裂縫主要為溫度變化而導(dǎo)致墻體受凍害影響內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而產(chǎn)生的斜向裂縫.

2.3 磚構(gòu)建筑嵌縫砂漿粉化或脫落病害分析

砌塊之間的砂漿嵌縫粉化或脫落多數(shù)會隨墻體的酥堿一起呈現(xiàn)[5].調(diào)研發(fā)現(xiàn),一汽生產(chǎn)區(qū)早期建筑使用的是石灰砂漿,自身材料與現(xiàn)代砂漿相比,孔隙率較大,貯水能力強且抗凍性弱.在反復(fù)凍融作用中,灰縫砂漿在水分侵蝕作用下強度降低而發(fā)生的開裂脫落.砂漿粉化或脫落形態(tài)及分布見表5.

表5 砂漿粉化或脫落形態(tài)及分布Table 5 Patterns and distribution of mortar pulverized or detached

從而造成水分更加容易侵入墻體內(nèi)部,墻體受潮后加速了嵌縫砂漿粉化或脫落病害的進(jìn)度.長春第一汽車制造廠生產(chǎn)區(qū)14棟早期建筑有130處砂漿粉化或脫落,其中灰縫砂漿脫落為47處、占總量的36 %,大多分布在正立面窗臺下部和墻基等;砂漿粉化83處、占總量的64%,一般分布在窗間墻、窗臺下部和山墻中段等.

由此可見,生產(chǎn)區(qū)早期建筑的砂漿位于墻基處易受潮部位受到反復(fù)凍融作用下砂漿粉化較多,但建筑整體保存較好.

3 一汽生產(chǎn)區(qū)早期建筑的凍害機理分析

3.1 機理分析

3.1.1 自然環(huán)境因素

影響一汽生產(chǎn)區(qū)早期建筑凍害的自然環(huán)境因素主要包括水分、凍融和風(fēng)力等,其中水是建筑凍害中最重要的參與元素,主要來源為地下水和地表水.長春淺表地下水的埋深一般為幾米到幾十米不等.地表水一般來自于雨水、雪水.地下水或地表水通過毛細(xì)作用進(jìn)入建筑基礎(chǔ)或墻體內(nèi)部,并且此時建筑墻體處于相對濕度大且氣溫在0 ℃以下的時間較長,磚砌體中的水分在多次凍融作用下產(chǎn)生凍脹融縮等應(yīng)力,最終導(dǎo)致建筑受損.同時長春地處平原,缺乏山體的阻隔,受蒙古高壓系統(tǒng)和貝加爾湖低壓系統(tǒng)的影響,造成春季強風(fēng)以及秋冬連續(xù)的低風(fēng)級現(xiàn)象,墻體內(nèi)部水分在凍融作用和持續(xù)的風(fēng)力作用下產(chǎn)生膨脹力使微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,加速了建筑粉化甚至脫落[6].所以,要做好日常的預(yù)防性保護(hù)工作,遏制建筑繼續(xù)損壞.

3.1.2 自身材料屬性因素

生產(chǎn)區(qū)早期建筑使用黏土紅磚和石灰砂漿砌筑,紅磚主要以黏土為材料大火燒制而成,孔隙大,易吸水.石灰砂漿主要成份為石灰、沙子和水按照一定比例混合而成.石灰與水以及空氣中的CO2,SO2發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生CaCO3和CaSO4并附著于建筑的表面產(chǎn)生泛堿現(xiàn)象[7].從微觀結(jié)構(gòu)上看,兩者都具有大量的氣孔,密實度低,力學(xué)強度差,抗水化能力弱.當(dāng)氣溫低于0 ℃時,水會自動結(jié)冰,迅速膨脹,孔隙壁產(chǎn)生膨脹力,在結(jié)冰與融化之間不斷變化,磚砌體產(chǎn)生疲勞力,進(jìn)而發(fā)生裂縫、粉化、剝落.

3.2 一汽生產(chǎn)區(qū)早期建筑修復(fù)

雖然一汽生產(chǎn)區(qū)早期建筑已經(jīng)列入到全國重點文物建筑保護(hù)單位并受到法律的保護(hù),但實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，人們保護(hù)意識的薄弱,使磚構(gòu)墻體、花飾線腳等部位均出現(xiàn)了不同程度的凍害損傷,所以對生產(chǎn)區(qū)的建筑保護(hù)和修復(fù)勢在必行.在修復(fù)過程中要遵守最小干預(yù)原則.

首先,對于表面粉化、松軟、缺失且破壞程度較淺的磚塊進(jìn)行替磚修復(fù)、粉化修復(fù),尤其要注意修補部分的強度要小于磚體本身的強度,總體把握“舊磚≥修復(fù)磚塊(磚粉)≥嵌縫砂漿”[8].

其次,墻體裂縫與磚砌體的酥粉不同,墻體的裂縫不能局部修補,因為凍脹熱融產(chǎn)生的作用力會破壞原修復(fù)部位,所以找出開裂原因,消除開裂源之后再進(jìn)行補縫和涂刷防腐涂料.花飾線腳是生產(chǎn)區(qū)建筑獨具特色的地方,可以采用鑲嵌補陪和整體翻模,外部涂刷憎水材料和增強劑作為修復(fù)方法.

最后,對于廠區(qū)內(nèi)長期處于閑置狀態(tài)的廠房,在不破壞建筑的主體結(jié)構(gòu),發(fā)揮廠房大空間的優(yōu)勢下,將其改造為博物館、紀(jì)念館和體育館等大空間建筑.

例如,通過對廠區(qū)內(nèi)主要建筑調(diào)研發(fā)現(xiàn),隨著時代的變遷,原工具廠廠房空間已不能滿足現(xiàn)在的使用需求,需要重新激活廠房功能,而廠區(qū)內(nèi)缺乏附屬配套的體育活動空間,所以可以利用工具廠廠房本身跨度大,高度大等特點,改造成體育館,這樣既賦予歷史建筑新的價值,同時為廠區(qū)增添活力.

4 結(jié)語

一汽生產(chǎn)區(qū)早期建筑作為我國重要的工業(yè)建筑遺產(chǎn),具有多重價值屬性,承載了完整的歷史信息和多元的文化特性,在近70年的風(fēng)雨和凍融作用下,建筑出現(xiàn)了墻體的酥堿、裂縫和灰縫的脫落等凍害.

通過總結(jié)這些建筑的病害特征,為今后長春一汽生產(chǎn)區(qū)早期建筑的預(yù)防性保護(hù)提供重要依據(jù),進(jìn)而減少生產(chǎn)區(qū)早期建筑凍害侵蝕,為日后建筑修復(fù)提供參考依據(jù).