环境变迁对中国砖石古塔风化影响机理细观研究

Wheathering of Chinese ancient masonry towers is caused by temperature, water, carbon dioxide, and oxygen in natural environment. Ancient masonry towers performance is deteriorated and therefore towers life cycle is reduced by weathering. Weathering rate and weather degree are two main eiginvalues to reflect Chinese ancient masonry towers performance. Weathering rate reflects ancient masonry towers material performance deterioration characteristics. Weathering degree reflects ancient masonry towers strucutre deterioration situation at the certain time. This project is going to carry experiment for Chinese ancient masonry towers material and standard masonry sample in wind tunnel laboratory to simulate different environment parameters. The change of physical and chemical indexes,including porosity, void structure,calcium carbonate content,ettrigite content, will be studied. Math model of relationship between weathering rate of Chinese ancient masonry towers and time will be estabilished. The math model can be used to evaluate weathering degree for ancient masonry towers. Some indexes,including weathering coefficient,masonry section stiffness, masonry deformation modulus,will also be studied. Furthermore, how does Chinese ancient masonry towers weathering degree affect masonry bearing capacity and creep will be analyzed and relative math model will be built. The corresponding class standard of weathering degree for Chinese ancient masonry towers will be suggested. The expected results should be useful to evaluate Chinese masonry towers material and structure deterioration and benefit for protecting Chinese ancient masonry towers.

环境变迁对中国砖石古塔的风化影响是指自然界中温度、水、二氧化碳、氧对古塔的长期作用。风化加速古塔材料性能劣化，减少古塔结构寿命。风化速率反映了古塔材料劣化过程规律；风化程度反映古塔结构即时损伤程度。二者是环境变迁对中国砖石古塔风化性能影响的主要特征值。本课题拟采用获得国家知识产权的历史建筑风洞实验室分别对中国砖石古塔的材料和标准砌体进行风化模拟实验。通过材料孔隙率、孔隙结构、碳酸钙含量、钙矾石碳化率等参数变化规律的研究，建立中国砖石古塔风化速率时变数学模型，对砖石古塔风化程度进行预期评估；通过风化系数、砌体截面刚度、砌体变形模量等参数变化规律的研究，建立中国砖石古塔风化程度和砌体承载能力及徐变相关关系的数学模型；并制定中国砖石古塔风化程度等级划分标准。本课题对于评估环境变迁中风化对中国砖石古塔材料劣化和结构损伤的影响具有可行性,有利于中国砖石古塔的保护。

环境变迁产生的风化影响导致古塔材料衰竭和结构退化。四年来，课题组先后对山西、辽宁、安徽等22处古代砖砌体的结构状态、环境条件进行考察调研，获取唐、五代、宋、元、金、明、清等年代砖、瓦、灰浆、夯土等样品57件，采用“冻融循环试验箱”对57件不同种类样品进行不同冻融次数的盐水和淡水冻融试验，对各类冻融后样品进行x荧光、x衍射、电镜、孔结构、饱和系数、强度等各类物理力学性能实验，通过对676件次各类样品实验结果筛选分析，结果显示：小于1微米孔径的孔隙体积随时间的增加而减少，1～5微米孔径孔隙体积随时间的增加而增多，证明了自然风化条件下古砖孔直径5微米以下孔结构变化属于风化敏感区域，证明了不同风化条件下古砖孔结构参数和饱和系数参数具有相关性，建立了山西砖石古塔风化速率时变数学模型，实现了古塔实体风化性能的评定。发现并论证了同一古建筑群中部分特定历史时段的古砖历史孔隙率推断计算方法。.购置公元1823年的古砖3000多块（古民居拆迁砖），对灰浆样品组分配比分析，制备标准砌体试件41件（抗压17件、抗剪24件），采用大气环境实验舱对所有试件实现不同工况风化人工模拟，实验舱温度、湿度、二氧化碳等控制参数采用古建筑实体所在地区域自然环境对应参数。对风化后的各类砌体试件分别进行轴心抗压、抗剪试验，对弹性模量、泊松比、应力应变关系，开裂荷载及裂缝开展趋势分别进行分析；对砌体试件对应的各类材料样品分别进行孔结构和饱和系数试验验证。试验结果证明饱水度是反映砌体结构抵抗冻融损伤能力的重要指标，确定了材料风化系数和砌体承载力的关系，制定了砖石古建筑风化程度等级划分标准，建立了砖石古塔风化程度和砌体承载力相关关系数学模型，为古代砖砌体结构的安全性评定探索出一条新路径。课题组四年来共申请国家发明专利2项，获得实用新型专利1项，发表论文 22 篇（其中SCI论文7篇 EI论文4篇）,论著2部，培养硕士研究生7 人。