鼓浪嶼歷史建筑混凝土構(gòu)件劣化現(xiàn)狀及原因分析

胡紅梅，朱 杰，劉 濤，石建光，謝益人

(1.廈門(mén)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361005；2.廈門(mén)合立道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，福建 廈門(mén) 361005)

隨著鼓浪嶼申遺的成功，鼓浪嶼歷史建筑的保護(hù)成為遺產(chǎn)保護(hù)的重點(diǎn).美譽(yù)加身和申遺成功使得這座古老島嶼歷史建筑的保護(hù)及修繕加固工作得到了越來(lái)越多的關(guān)注[1-2].鼓浪嶼遺產(chǎn)體系包括53個(gè)文化遺產(chǎn)核心要素、154 處各級(jí)文物保護(hù)單位、931幢歷史建筑.其中70%左右的建筑是20世紀(jì)初至20世紀(jì)30年代建造的，多為磚石、磚混、磚木結(jié)構(gòu)體系，木屋蓋比較多[3-4].這些建筑大多經(jīng)歷了百年風(fēng)雨，隨處可見(jiàn)開(kāi)裂、漏水、傾斜、銹蝕等現(xiàn)象，安全性和適用性堪憂(yōu)，急需修繕加固.

本文選取4棟具有代表性的鼓浪嶼歷史建筑，以這些歷史建筑的混凝土樓板及其與之相連的陽(yáng)臺(tái)、挑檐等關(guān)鍵水平受力構(gòu)件作為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)與取樣分析，研究、分析混凝土受力構(gòu)件劣化的現(xiàn)狀，從混凝土的原材料、配合比設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量和外部環(huán)境條件等多個(gè)角度深入探討劣化的原因，以期為鼓浪嶼歷史建筑混凝土構(gòu)件的修繕加固提供科學(xué)依據(jù).

1 鼓浪嶼歷史建筑混凝土構(gòu)件劣化現(xiàn)狀

根據(jù)鼓浪嶼管委會(huì)2019年12月發(fā)布的《關(guān)于督促對(duì)鼓浪嶼上的房屋進(jìn)行安全治理的通知》，實(shí)地調(diào)研了該通知所列出的C級(jí)危房和D級(jí)危房.調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鼓浪嶼全島亟待修繕的歷史建筑多集中在島內(nèi)東南方向，且房屋建造年代多集中于20世紀(jì)初至20世紀(jì)30年代，距今已有近100年的歷史.為了保證調(diào)研取樣的科學(xué)性和代表性，選取鼓浪嶼上的鹿礁路99號(hào)、福州路35號(hào)、福建路44號(hào)及復(fù)興路82號(hào)4處有代表性的歷史建筑作為取樣點(diǎn)，它們分別位于鼓浪嶼的東側(cè)和東南側(cè)，如圖1所示.

圖1 取樣點(diǎn)分布Fig.1 Sampling point distribution

鹿礁路99號(hào)位于鼓浪嶼東南側(cè)且距海邊較近，如圖2(a)所示.該別墅建成于1930年，主體采用磚混結(jié)構(gòu)，屋頂為木架構(gòu)，建筑外墻采用在鼓浪嶼上獨(dú)具特色的水泥拉毛飾面及清水紅磚的混搭模式[5].圖2(b)顯示二樓東側(cè)外挑陽(yáng)臺(tái)破壞嚴(yán)重，混凝土保護(hù)層開(kāi)裂、完全脫落，鋼筋裸露且嚴(yán)重銹蝕變形.圖2(c)看出二樓西側(cè)房間樓板滲水嚴(yán)重，局部混凝土保護(hù)層脫落，鋼筋裸露且銹蝕嚴(yán)重.這些暴露在外的混凝土強(qiáng)度嚴(yán)重不足，用手輕輕一掰便會(huì)脫落，粉化嚴(yán)重.

圖2 鹿礁路99號(hào)建筑外觀(guān)及混凝土構(gòu)件劣化現(xiàn)狀Fig.2 Degradation status of appearance and concrete components of No.99 Lujiao Road building

圖3 福州路35號(hào)建筑外觀(guān)及混凝土構(gòu)件劣化現(xiàn)狀Fig.3 Degradation status of concrete components of No. 35 Fujian Road building

圖3(a)所示的福州路35號(hào)位于鼓浪嶼東側(cè)，約于1930年建成，其主體結(jié)構(gòu)形式為混合結(jié)構(gòu)，樓(屋)蓋均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土，三層為簡(jiǎn)易搭蓋構(gòu)成.由圖3(b)和(c)可知，二層樓梯板和北側(cè)房間主梁的混凝土保護(hù)層因鋼筋銹蝕而局部脫落、露筋.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，主梁構(gòu)件混凝土有效截面削弱達(dá)15%以上；混凝土板鋼筋銹蝕嚴(yán)重，部分鋼筋已銹斷.露筋處的混凝土用手即可掰下，放在手里輕捻即成粉末狀.

福建路44號(hào)位于鼓浪嶼東南側(cè)，圖4(a)顯示該棟建筑物的修繕加固正在進(jìn)行，地上散落著一層樓板脫落的混凝土碎塊.圖4(b)為一層走廊混凝土樓板脫落形成的破壞面，從中看出粗骨料中摻雜著部分紅磚碎塊，砂漿較少且酥化嚴(yán)重，強(qiáng)度很低，稍微用點(diǎn)力氣附著其間的石子便可取下,兩根銹蝕的鋼筋亂向分布其間.

圖4 福建路44號(hào)建筑局部立面及混凝土構(gòu)件劣化現(xiàn)狀Fig.4 Degradation status of partial facade and concrete components of No.44 Fujian Road building

復(fù)興路82號(hào)位于鼓浪嶼東南側(cè)，為私人宅院.圖5(a)可見(jiàn)大門(mén)處挑檐板因長(zhǎng)期雨水浸蝕回潮而發(fā)霉變黑，出現(xiàn)混凝土保護(hù)層脫落、鋼筋銹蝕外露的現(xiàn)象.且因施工不規(guī)范，鋼筋不合理地配在板底，未起到抗拉作用.圖5(b)顯示，一層樓板嚴(yán)重滲水，混凝土大面積變色和脫落，鋼筋裸露且銹蝕嚴(yán)重.和福建路44號(hào)一樣，該建筑挑檐板和樓板混凝土中也發(fā)現(xiàn)了多處紅磚的摻雜.圖5(c)顯示一層走廊鋼筋混凝土柱由于長(zhǎng)期承載已經(jīng)嚴(yán)重變形并呈一定角度的傾斜，右側(cè)混凝土因偏心受壓出現(xiàn)宏觀(guān)裂縫，左側(cè)混凝土保護(hù)層局部脫落.

圖5 復(fù)興路82號(hào)建筑混凝土構(gòu)件劣化現(xiàn)狀Fig.5 Degradation status of concrete components in No.82 Fuxing Road building

歷史建筑混凝土構(gòu)件在漫長(zhǎng)的使用過(guò)程中，實(shí)際強(qiáng)度已經(jīng)發(fā)生了較大變化，因此測(cè)定混凝土構(gòu)件實(shí)際強(qiáng)度是進(jìn)行修復(fù)加固的前提[6].為了最大限度減少對(duì)歷史建筑的破壞，本文采用非破損檢測(cè)法，利用回彈儀在相對(duì)完整的混凝土構(gòu)件表面分區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè).因受檢構(gòu)件齡期已超過(guò)1 000 d，依據(jù)GB 50292—2015《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》附錄K的規(guī)定，對(duì)混凝土回彈值進(jìn)行修正，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1.表1顯示4棟歷史建筑的混凝土梁、板、柱構(gòu)件推定強(qiáng)度均在C10以下.

表1 鼓浪嶼歷史建筑混凝土構(gòu)件推定抗壓強(qiáng)度Tab.1 Measured compressive strength of concrete components of historic buildings in Kulangsu

董運(yùn)宏等[7]研究發(fā)現(xiàn)，民國(guó)建筑混凝土構(gòu)件保護(hù)層厚度常見(jiàn)為29 mm左右；另有多項(xiàng)研究表明，此類(lèi)百年混凝土構(gòu)件的碳化深度一般都在35～50 mm之間，很多構(gòu)件的碳化深度已接近甚至超過(guò)保護(hù)層厚度[8-10].回彈儀是根據(jù)彈性物質(zhì)回彈值的大小與表面硬度有關(guān)原理設(shè)計(jì)的，由于表層CaCO3晶體硬度較大，會(huì)使得測(cè)試結(jié)果可能偏大[11]，因此這些構(gòu)件的實(shí)際強(qiáng)度可能更低.

2 劣化混凝土的物相成分、碳化程度和形貌分析

圖6 1M#～4M#砂漿XRD圖譜Fig.6 XRD spectra of mortar 1M#-4M#

將鹿礁路99號(hào)、福州路35號(hào)、福建路44號(hào)、復(fù)興路82號(hào)的混凝土樣品依次編號(hào)為1#、2#、3#、4#，經(jīng)破碎后從中取出1 cm×1 cm×1 cm左右的塊體，塊體斷面不作任何處理，放入烘箱中烘干至恒量，采用臺(tái)式掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀(guān)觀(guān)測(cè).為了探明劣化混凝土的物相組成，分別從4個(gè)混凝土樣品中取出部分砂漿，依次編號(hào)為1M#、2M#、3M#、4M#，采用D8-ADVANCE型多晶X射線(xiàn)衍射(XRD)儀進(jìn)行物相分析.測(cè)試前，將砂漿樣品用瑪瑙研缽研磨成通過(guò)320目篩的粉末干燥待用.為了探明劣化混凝土的碳化程度，采用熱重分析儀對(duì)樣品進(jìn)行熱重分析，采用固液萃取法測(cè)定劣化混凝土樣品的pH值[12].

2.1 物相成分分析

1M#、2M#、3M#、4M#砂漿樣品的XRD圖譜如圖6(a)～(d)所示.

圖6(a)顯示，1M#樣品中出現(xiàn)了多種成分的特征峰.在衍射角(2θ)=20.9°，26.8°，36.7°，39.6°，40.5°，42.6°，45.9°，50.3°，54.8°，60.1°，67.9°，75.8°等處出現(xiàn)SiO2的特征峰，且特征峰的面積最大時(shí)峰強(qiáng)最高；在2θ=13.8°，28.1°處出現(xiàn)鈉長(zhǎng)石(NaSi3AlO8)的特征峰，2θ=13.8°，27.6°處出現(xiàn)鉀長(zhǎng)石(KAlSi3O8)的特征峰；CaCO3的特征峰出現(xiàn)在2θ=23.5°，29.5°，36.1°，43.3°，47.6°，48.6°，57.5°，60.9°等處，特征峰的面積較大，峰型較尖，峰強(qiáng)較高，顯示CaCO3的含量較高；CaSO4·2H2O特征峰出現(xiàn)在2θ=23.4°，28.1°，43.3°，50.3°，55.2°等處，特征峰的面積較??；水化硅酸鈣(C-S-H)的特征峰出現(xiàn)在2θ=25.7°，27.3°，30.3°處，特征峰面積較小，呈饅頭峰型；高硫型水化硫鋁酸鈣(Aft)的特征峰出現(xiàn)在2θ=24.2°，40.4°，42.6°，50.4°處，特征峰面積??；Ca(OH)2的特征峰僅在50.8° 處出現(xiàn)，特征峰的面積最小，說(shuō)明大部分Ca(OH)2已被轉(zhuǎn)化或分解.

圖6(b)顯示，除了SiO2和KAlSi3O8、NaSi3AlO8的特征峰，2M#樣品在2θ=23.5°，29.5°，36.1°，39.1°，43.3°，47.6°等處出現(xiàn)CaCO3的特征峰，在23.4°，28.1°，50.3°，55.2°出現(xiàn)CaSO4·2H2O的特征峰，在2θ=14.4°，25.7°，27.3°，30.3°，49.8°處出現(xiàn)C-S-H的特征峰，在2θ=28.6°，50.8°處出現(xiàn)Ca(OH)2的特征峰.與1M# 樣品相比，2M#樣品中未出現(xiàn)Aft的衍射峰，SiO2和CaCO3特征峰的分布和強(qiáng)度較為一致，Ca(OH)2則出現(xiàn)兩處特征峰，但特征峰的面積依然最小.

3M#樣品的圖譜(圖6(c))中，除了SiO2和KAlSi3O8、NaSi3AlO8的特征峰，在2θ=23.3°，29.5°，36.1°，43.3°，47.4°，48.6°處為CaCO3的特征峰，2θ=14.4°，24.1°，25.8°，27.2°，31.0°，67.9°處為C-S-H的特征峰，2θ=22.2°，29.6°，36.7°，40.5°處為單硫型水化硫鋁酸鈣(Afm)的特征峰，2θ=28.6°，50.8°處為Ca(OH)2的特征峰.與1M#、2M#樣品對(duì)比，3M#樣品中C-S-H的彌散峰數(shù)量略多，特征峰的面積略大，說(shuō)明C-S-H的含量相對(duì)較多；此外還出現(xiàn)了單硫型水化硫鋁酸鈣(Afm)的特征峰，但其特征峰的面積很小.

4M#樣品的圖譜(圖6(d))中，除了SiO2和KAlSi3O8、NaSi3AlO8的特征峰，在2θ=23.2°，29.6°，36.1°，43.3°，47.6°，48.7°處為CaCO3的特征峰，2θ=25.8°，27.2°，49.9°處為C-S-H的特征峰，2θ=50.8°處為Ca(OH)2的特征峰.4M#樣品和2M#樣品的圖譜相似，沒(méi)有出現(xiàn)Aft和Afm的特征峰.

綜上所述，除了粗骨料，劣化混凝土中含有SiO2、CaCO3、CaSO4·2H2O、C-S-H、Aft及Afm、Ca(OH)2及KAlSi3O8、NaSi3AlO8等多種成分.其中，SiO2和KAlSi3O8、NaSi3AlO8代表砂子的成分，其余成分均為水泥的水化產(chǎn)物及其變種.較多的CaCO3、較少的C-S-H 及很少的Ca(OH)2說(shuō)明主要水化產(chǎn)物大部分已被碳化或者轉(zhuǎn)化分解，混凝土的碳化程度高；少量CaSO4·2H2O、Aft及Afm的存在，說(shuō)明混凝土被硫酸鹽腐蝕或酸雨侵蝕.由于1M#樣品距離海岸線(xiàn)最近，同時(shí)出現(xiàn)了E鹽(鈣礬石)和G鹽(石膏).XRD分析結(jié)果和前文所述混凝土酥化、松散、失去膠結(jié)能力的宏觀(guān)現(xiàn)象是一致的.

2.2 碳化程度分析

1) 熱重分析

采用磁力球磨機(jī)將待測(cè)混凝土樣品和試塊粉碎成比表面積(350～400)m2/kg粉末，在熱重分析儀中進(jìn)行熱重分析.溫度范圍為20～1 000 ℃，加熱速率為10 ℃/min，加熱氣氛為空氣，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7.

圖7 4個(gè)混凝土樣品的熱重分析Fig.7 Thermogravimetric analysis of 4 concrete samples

熱重分析顯示，4個(gè)試樣均在800 ℃左右出現(xiàn)了吸熱峰，CaCO3出現(xiàn)了明顯的質(zhì)量損失，但是Ca(OH)2及其他水化產(chǎn)物均未出現(xiàn)明顯的放熱峰.說(shuō)明經(jīng)過(guò)百年歲月的侵蝕，混凝土中的Ca(OH)2含量近乎為零，堿度已嚴(yán)重降低，混凝土已嚴(yán)重碳化.

2) pH值檢測(cè)

用天平準(zhǔn)確稱(chēng)取待測(cè)樣品粉末15 g，倒入試驗(yàn)瓶中，以固液比1∶10加入去離子水，充分?jǐn)嚢枵鹗幘鶆蚝筮^(guò)濾獲得清液.采用PH838型pH 計(jì)測(cè)定濾液的pH值，測(cè)定結(jié)果1#～4#pH值分別為8.23，8.53，8.68和8.38.

通常情況下，水泥混凝土孔隙液的pH保持在12以上，從而能夠保護(hù)鋼筋不被銹蝕.當(dāng)混凝土孔隙液的pH值低于11.5時(shí)，鋼筋開(kāi)始脫鈍并產(chǎn)生銹蝕[12].4個(gè)樣品孔隙液的pH值均在9以下，同樣說(shuō)明堿度已嚴(yán)重降低，混凝土碳化嚴(yán)重.

由此可見(jiàn)，pH值檢測(cè)結(jié)果和熱重分析結(jié)果相互印證，得到了和XRD分析結(jié)果一致的結(jié)論.

2.3 微觀(guān)形貌分析

圖8(a)顯示，1#樣品中存在板塊狀CaCO3晶體，其周?chē)h(huán)繞著鏈球菌屬細(xì)菌，球菌直徑在0.5 μm到1 μm 之間.圖8(b)～(d)中同時(shí)出現(xiàn)針棒狀A(yù)ft、長(zhǎng)柱狀CaSO4·2H2O、六方片狀Ca(OH)2以及片狀CaCO3.圖8(b)顯示砂漿中有微裂縫，砂子空隙缺乏漿體的填充，只有些許的硬化漿體附著在砂子表面且結(jié)構(gòu)較為疏松.圖8(d)中針棒狀A(yù)ft與長(zhǎng)柱狀CaSO4·2H2O密集分布，進(jìn)一步證明了E鹽和G鹽的存在.

2#樣品的SEM圖像如圖9所示.圖9(a)中能夠明顯看到砂漿內(nèi)部存在較多孔隙，結(jié)構(gòu)較為松散；圖9(b)和(c)中可以清晰看到與1#樣品形狀不同的桿狀細(xì)菌；圖9(b)能夠看到片狀或?qū)訝疃询B的Ca(OH)2，也觀(guān)察到了少數(shù)六方板塊形的Ca(OH)2晶體；圖9(d)顯示砂子和漿體界面結(jié)合連接疏松，漿體中存在較多孔隙，砂子表面僅附著少量的漿體，砂漿表面呈不平整狀態(tài).

圖10(a)顯示3#樣品中存在毛球狀水化硅酸鈣凝膠體、不規(guī)則片狀A(yù)fm、板片狀Ca(OH)2以及少量針棒狀A(yù)ft晶體.相比于1#、2#樣品，3#樣品中的水化產(chǎn)物稍多一些，尤其發(fā)現(xiàn)了C-S-H的存在.圖10(b)顯示砂子表面附著稍多的水泥漿體，比1#、2#樣品的黏結(jié)性要好，但結(jié)合處依然存在較大孔隙，未能緊密黏接，砂漿內(nèi)部也存在較多孔隙.

圖8 1#樣品的微觀(guān)形貌Fig.8 Microscopic morphology of sample 1#

圖9 2#樣品的微觀(guān)形貌Fig.9 Microscopic morphology of sample 2#

圖10 3#樣品的微觀(guān)形貌Fig.10 Microscopic morphology of sample 3#

圖11(a)顯示4#樣品砂子和水泥漿體之間黏結(jié)松散，存在大量孔隙.和1#、2#樣品一樣，骨料表面附著的水泥漿體很少.圖11(b)看出砂漿結(jié)構(gòu)較為疏松，孔隙率較大，存在大量碎塊狀CaCO3.

掃描電子顯微鏡(SEM)觀(guān)測(cè)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，劣化混凝土中存在針棒狀A(yù)ft、長(zhǎng)柱狀CaSO4·2H2O、片狀CaCO3以及六方片狀Ca(OH)2、毛球狀C-S-H.除了3#樣品之外，難以見(jiàn)到水化硅酸鈣凝膠體.值得注意的是，1#和2#樣品中還存在不同形態(tài)的微生物細(xì)菌.劣化混凝土的微觀(guān)表現(xiàn)為骨料表面僅附著少量水泥漿體，骨料與水泥界面連接疏松，砂漿內(nèi)部存在較多的孔隙.

3 混凝土構(gòu)件劣化的原因

3.1 原材料性能存在缺陷

1) 水泥品種單一且用量不足，無(wú)法滿(mǎn)足海工混凝土要求.

民國(guó)時(shí)期鼓浪嶼歷史建筑所用水泥大多為純硅酸鹽水泥，品種單一，且多從東南亞國(guó)家進(jìn)口[13].由于未摻粉煤灰、礦渣等混合材料，水化產(chǎn)物中含有較多容易引起腐蝕的氫氧化鈣和水化鋁酸鈣，所以水泥的抗化學(xué)侵蝕性較差，并不適合濱海環(huán)境的混凝土工程.此外，水泥依賴(lài)進(jìn)口，價(jià)格昂貴，致使水泥用量偏少，膠凝性能不足，從而影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性.

2) 對(duì)于粗細(xì)骨料的質(zhì)量要求過(guò)于簡(jiǎn)單、粗放，不如現(xiàn)行規(guī)范的要求嚴(yán)格.

骨料的各項(xiàng)性能指標(biāo)直接影響混凝土的施工性能和使用性能，并不是所有的骨料都適用于混凝土.現(xiàn)行砂石規(guī)范對(duì)于砂石骨料的有害物質(zhì)含量、顆粒級(jí)配及粗細(xì)程度、空隙率、粒形及表面特征、吸水性、強(qiáng)度及堅(jiān)固性等多項(xiàng)指標(biāo)都有具體而詳細(xì)的規(guī)定[14-15].而民國(guó)時(shí)期對(duì)于骨料的質(zhì)量要求并不嚴(yán)格，對(duì)于砂石的來(lái)源亦沒(méi)有限制.1948年出版的《簡(jiǎn)明鋼骨混凝土術(shù)》[16]僅對(duì)石子、砂子的粒徑和形狀有基本規(guī)定.砂石來(lái)源混雜，質(zhì)量波動(dòng)大，同樣影響混凝土施工質(zhì)量.

3.2 混凝土配合比的選擇未經(jīng)科學(xué)設(shè)計(jì)

民國(guó)時(shí)期的混凝土配合比是基于水泥、砂子、石子和水四元組分設(shè)計(jì)的，多憑經(jīng)驗(yàn)而不是依靠科學(xué)來(lái)設(shè)計(jì).有關(guān)文獻(xiàn)記載，當(dāng)時(shí)的混凝土配合比通常為一份水泥、二份砂子、四份石子，即配合比為1∶2∶4，水灰比通常在0.60～0.70之間，因此混凝土的抗壓強(qiáng)度受到限制，多在C10～C20的水平[16].若要提高強(qiáng)度，可用1∶1.5∶3 或1∶1∶2的配合比[17-18].與現(xiàn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[19]相比，民國(guó)時(shí)期的混凝土配合比設(shè)計(jì)明顯存在兩個(gè)缺陷：一是對(duì)于水膠比、用水量、砂率和漿骨比等重要參數(shù)沒(méi)有明確規(guī)定，用水量、水膠比和砂率明顯偏高，漿骨比明顯偏低，水泥漿體不足以充分填充砂石空隙并包裹砂石表面，致使混凝土孔隙率大，砂石與水泥漿體界面連接松散，因而混凝土的強(qiáng)度偏低，耐久性不足；二是缺少化學(xué)外加劑和礦物摻合料兩種改性組分，混凝土的技術(shù)性能和應(yīng)用范圍受到限制，不能滿(mǎn)足特殊環(huán)境和特殊工程要求.

3.3 施工條件差和人工操作誤差大無(wú)法保證施工質(zhì)量

鼓浪嶼四面環(huán)海，材料運(yùn)輸不便.由于單體建筑體量小、施工場(chǎng)地狹窄及缺少機(jī)械設(shè)備，人工拌和、人工澆注成為當(dāng)時(shí)混凝土構(gòu)件施工常態(tài)，施工質(zhì)量不能保證.對(duì)4個(gè)混凝土樣品進(jìn)行切片分析，圖12顯示：1#和4#樣品為正常狀態(tài)，能夠看到正常的砂石骨料和水泥漿體；但是2#樣品的石子中間夾雜著紅磚碎塊，3#樣品只見(jiàn)砂漿未見(jiàn)石子，包裹砂子的水泥漿體很少，且砂漿已經(jīng)粉化.4個(gè)樣品的切片所反映的混凝土宏觀(guān)結(jié)構(gòu)各不相同，充分印證了上述判斷.

圖12 4個(gè)混凝土樣品切片照片F(xiàn)ig.12 Slice photos of 4 concrete samples

3.4 外部環(huán)境條件復(fù)雜惡劣

相較于現(xiàn)存眾多民國(guó)歷史建筑的上海、南京等地，鼓浪嶼民國(guó)歷史建筑常年處于海風(fēng)、鹽霧、高溫、高濕的南方濱海環(huán)境，要同時(shí)經(jīng)受氯鹽和鎂鹽對(duì)混凝土和鋼筋的雙重侵蝕，以及碳化、酸雨和微生物侵蝕等多重環(huán)境因素的交互作用，環(huán)境條件更加復(fù)雜惡劣.

1) 海風(fēng)與鹽霧的侵蝕

與淡水相比，海水中含有更多的無(wú)機(jī)鹽類(lèi).文獻(xiàn)資料表明，我國(guó)海水中各種鹽類(lèi)的總含量為2%～3.5%，其中NaCl約占總鹽量的78%，其余是MgCl2、MgSO4、KCl等，約占22%[20].這些鹽類(lèi)隨著海風(fēng)、海霧緩慢滲入建筑物，對(duì)混凝土構(gòu)件中的混凝土和鋼筋造成雙重腐蝕.

混凝土內(nèi)部不可避免地存在著孔隙，而氯鹽是一種極強(qiáng)的電解質(zhì)，能以離子形態(tài)通過(guò)孔隙滲透進(jìn)入混凝土中，不僅提高了氫氧化鈣的溶解度，增加對(duì)混凝土的“溶解”侵蝕，有時(shí)還產(chǎn)生結(jié)晶腐蝕.然而，氯鹽最主要的破壞作用是對(duì)被混凝土包裹的鋼筋的腐蝕.氯離子與鋼筋直接發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，像催化劑一樣促使鋼筋鈍化膜破壞，使鋼筋產(chǎn)生銹蝕，是海洋環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)遇到的最危險(xiǎn)的破壞因素[21-22].

楊建森等[23]的研究表明，溫度每升高10 ℃，腐蝕反應(yīng)速度增加1倍，同時(shí)高溫可大大縮短鋼筋脫鈍的時(shí)間，如30 ℃比10 ℃時(shí)縮短66%，加速了腐蝕的破壞進(jìn)程.根據(jù)廈門(mén)市氣象局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，廈門(mén)市島內(nèi)常年平均溫度和高溫日數(shù)(日最高氣溫≥35 ℃)近10年均呈遞增趨勢(shì)，有助于氯鹽侵蝕的發(fā)生.

2) 碳化侵蝕

隨著人類(lèi)工業(yè)化和城鎮(zhèn)化速度的加快，全球氣候變暖、碳排放量劇增已是不爭(zhēng)的事實(shí).大氣中CO2含量升高對(duì)混凝土碳化的影響已經(jīng)到了不容忽視的地步.以廈門(mén)市為例，將1875年CO2含量水平作為人類(lèi)未污染基準(zhǔn)，2014年廈門(mén)市CO2含量均值為(421.3±17.9)×10-6，CO2含量升高了近50%[24-25].鼓浪嶼上的混凝土構(gòu)件除了要經(jīng)受海風(fēng)和鹽霧的侵蝕，還要經(jīng)受由于碳化與水汽滲透的長(zhǎng)期聯(lián)合作用，使混凝土堿性降低，對(duì)鋼筋的保護(hù)作用減弱，這是致使鋼筋銹蝕的另一個(gè)重要原因.

除了CO2含量，環(huán)境濕度是另一個(gè)顯著影響混凝土碳化速度的因素.大量研究資料表明，當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度在50%～75%時(shí)，混凝土碳化速率最快.廈門(mén)市累年各月平均濕度數(shù)據(jù)顯示，全市僅有3個(gè)月平均濕度小于70%，其余9個(gè)月平均濕度均在70%以上.這種高濕環(huán)境為混凝土碳化起到了推波助瀾的作用.此外，鼓浪嶼歷史建筑因?yàn)閺?qiáng)度要求不高且水泥用量少，水膠比大，導(dǎo)致混凝土的堿性?xún)?chǔ)備不足，也會(huì)使碳化速率加快.

3) 酸雨侵蝕

根據(jù)廈門(mén)市環(huán)保局發(fā)布的2019年廈門(mén)市環(huán)境質(zhì)量公報(bào)，2019年廈門(mén)市降水pH范圍為3.91～7.17，pH加權(quán)平均值為5.29，酸雨發(fā)生率為60%.硫酸根離子是廈門(mén)市酸雨主要致酸性因子，硝酸根離子比重有逐漸增加的趨勢(shì).另外，降水中鈉離子和氯離子所占百分比一直較高，這與廈門(mén)市靠近海邊受海鹽粒子的影響較大有關(guān).

4) 微生物侵蝕

在歷史建筑的生存環(huán)境中，微生物以各種方式而普遍存在，這種情況在南方高溫多雨的環(huán)境中更為明顯.附著在混凝土構(gòu)件表面的污垢、攀附在混凝土面層的爬藤類(lèi)植物以及大氣中的污染物會(huì)不同程度地將微生物帶入混凝土中.歷史建筑構(gòu)件混凝土孔隙率和含水量比較高，為藻類(lèi)等生物的生長(zhǎng)提供了有利的環(huán)境條件.微小藻類(lèi)會(huì)在混凝土外表面形成污點(diǎn)、污斑，大面積生長(zhǎng)會(huì)影響歷史建筑的外觀(guān)和顏色，破壞歷史建筑的原真性.更為嚴(yán)重的是微生物會(huì)改變混凝土內(nèi)部的酸堿度，使混凝土內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分解水泥水化產(chǎn)物，使pH值降低，導(dǎo)致混凝土構(gòu)件強(qiáng)度喪失，產(chǎn)生不可逆的碎裂性破壞[29-31].

4 結(jié) 論

1) 鼓浪嶼歷史建筑混凝土構(gòu)件使用年限已經(jīng)超過(guò)正常服役年限，均有不同程度的劣化和損傷，迫切需要修繕加固.從宏觀(guān)上隨處可見(jiàn)混凝土保護(hù)層開(kāi)裂、剝落、粉化現(xiàn)象；混凝土強(qiáng)度低，實(shí)測(cè)回彈推定強(qiáng)度僅在C10以下；且鋼筋整體裸露，銹蝕十分嚴(yán)重.

2) 劣化混凝土的微觀(guān)表現(xiàn)為骨料表面僅附著少量水泥漿體，骨料與水泥界面連接疏松，砂漿內(nèi)部存在較多的孔隙；樣品中含有較多的CaCO3、較少的C-S-H及很少的Ca(OH)2，表明水化產(chǎn)物大部分已被碳化或者轉(zhuǎn)化分解；樣品的pH值均小于9，且熱重分析僅出現(xiàn)CaCO3的分解峰，未見(jiàn)Ca(OH)2的分解峰，進(jìn)一步證實(shí)混凝土碳化程度嚴(yán)重；少量CaSO4·2H2O、Aft及Afm的存在說(shuō)明混凝土被硫酸鹽腐蝕或酸雨侵蝕；同時(shí)，伴生少量的微生物細(xì)菌證明存在微生物的侵蝕.

3) 混凝土原材料性能存在缺陷、配合比多憑經(jīng)驗(yàn)而不是科學(xué)設(shè)計(jì)、施工條件與施工質(zhì)量較差，以及CO2、海風(fēng)、鹽霧、酸雨、微生物等多重環(huán)境介質(zhì)的交互侵蝕，是共同加劇鼓浪嶼歷史建筑構(gòu)件混凝土構(gòu)件劣化的主要原因.