碳硫硅鈣石在砌體結(jié)構(gòu)修復(fù)中錯誤干預(yù)的證據(jù).doc

碳硫硅鈣石：在砌體結(jié)構(gòu)修復(fù)中錯誤干預(yù)的證據(jù)摘要碳硫硅鈣石和鈣礬石，已經(jīng)越來越多被發(fā)現(xiàn)是膠凝材料受硫酸鹽腐蝕而劣化形成的化合物。二者，特別是鈣礬石，已被大量的報道，其不僅涉及到混凝土劣化，而且更多的涉及到了砌體砌筑砂漿和抹灰砂漿的劣化。特別是在修復(fù)歷史建筑的過程中問題尤其嚴(yán)重，就因為鈣礬石和碳硫硅鈣石的形成使得砂漿非常容易劣化。然而，雖然碳硫硅鈣石是導(dǎo)致劣化的主要物質(zhì)，但在大多數(shù)情況下，由于它可以部分甚至完全被大氣作用消除，以至于其可能不被檢測到。很多因素可以導(dǎo)致砌體結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)硫酸鹽。大多數(shù)情況下砂漿和灰漿是碳酸鈣的來源。此外，砌體是典型的多孔材料，它容易滲透水，無論是上升的地下水或下降的雨水。因此，作為鈣鋁酸鹽和鈣硅酸鹽的來源，當(dāng)水泥基材料作為粘合劑使用時，將使碳硫硅鈣石形成的所有的因素都具備。如此，將有一個兼容性的問題出現(xiàn)，如果處理不當(dāng)，將遲早導(dǎo)致干預(yù)無效。關(guān)鍵詞 砌體修復(fù) ;硫酸鹽環(huán)境 ;灰漿劣化1. 介紹現(xiàn)在人們普遍接受并記錄，砌體結(jié)構(gòu)中砌磚勾縫砂漿或抹灰砂漿的劣化最有可能的原因是與硫酸鹽有關(guān)，而其經(jīng)常在砌體本身中出現(xiàn)。因此，如果對含有硫酸鹽的砌體結(jié)構(gòu)使用水硬性膠凝材料進行修復(fù)，其失效的風(fēng)險便眾所周知了。反應(yīng)發(fā)生時所在的潮濕環(huán)境將產(chǎn)生負面的影響。包含在砌體結(jié)構(gòu)中的硫酸鹽和包含在水硬性砂漿中的硅酸鈣水化物作用生成鈣礬石或者和同上砂漿中硅酸鈣水化物產(chǎn)生碳硫硅鈣石。對灰漿而言，鈣礬石的生成往往伴隨著砂漿的膨脹、開裂和脫落。相反，當(dāng)水硬性膠凝材料的使用導(dǎo)致碳硫硅鈣石生成時，由于在潮濕寒冷的環(huán)境下，砂漿轉(zhuǎn)化為黏漿狀物質(zhì)，后又被雨水不斷沖刷，由此，灰漿的劣化便使其本身暴露于環(huán)境中。即使未必具有膠結(jié)能力，但由于火山灰砂漿的水硬性使得其在修復(fù)之前同樣能夠出現(xiàn)上述的現(xiàn)象。砌體結(jié)構(gòu)中硫酸鹽可能單獨來自灰漿，或去除石灰的灰漿，而其在原始砂漿（特別是用于抹灰）或者是用于以后干預(yù)或修復(fù)的砂漿中作為一種膠凝材料。另一方面，眾所周知的是砌磚中同樣可能存在數(shù)量可觀的水溶性硫酸鹽，其來自潮濕砌體結(jié)構(gòu)中的水。在砌體建筑中硫酸鹽也可以間接來源于環(huán)境：地基中含有硫酸鹽的毛細水上升或由風(fēng)帶來了海洋環(huán)境中的物質(zhì)。然而,因為包含在由光和燃油消耗產(chǎn)生的排放物中液相二氧化硫的多相氧化使得在城市中心氣候條件越來越惡劣,因此在砌體建筑中這種更長遠的硫酸鹽來源不容忽視。另一方面,由于抹灰砂漿的高孔隙度和其主要基于碳酸鈣的特性,使得這種環(huán)境硫酸鹽化（腐蝕）作用的機制不能被提前排除在外,而這種假設(shè)已經(jīng)被提出。上述證據(jù)已使得越來越多的人意識到為了避免來自修復(fù)措施本身的損失應(yīng)在修復(fù)中使用兼容性的材料,而且,一個正確的有計劃的（修復(fù)）干預(yù)需要進行仔細的初步診斷與調(diào)查,由此，如果有任何劣化機制和兼容性的問題則可以被指出來。在許多情況下,盡管在砌體結(jié)構(gòu)膠凝砂漿和歷史建筑抹灰砂漿的劣化產(chǎn)物中越來越多的發(fā)現(xiàn)鈣礬石和碳硫硅鈣石的存在，但運用最有效的方法x射線衍射進行評估仍然有困難,因為它們的特征線由于環(huán)境熱吸濕性的變化在強度或位置上都會被修改。鈣礬石會受到相對濕度降低和溫度升高的逆向影響。而碳硫硅鈣石主要受溫度增加的影響并且其恢復(fù)結(jié)構(gòu)需要很長時間。因此,當(dāng)碳硫硅鈣石在受熱而被分解的情況下，做出一個正確的判斷是十分困難的。2. 實驗調(diào)查對位于Ancona港口同一老區(qū)的兩棟建筑的劣化抹灰樣品進行了檢測，兩棟建筑具有不同的特性、年齡、歷史價值，及暴露于海風(fēng)帶來的海洋環(huán)境的情況。圖1顯示的建筑位于安科納的歷史中心,背向港口，所以不會直接暴露于海水作用。它建于17-18世紀(jì)但卻沒有特殊的歷史意義和建筑風(fēng)格。正因為如此，以至于這里成為該領(lǐng)域研究理想的實驗室。特別是研究此地當(dāng)時的材料和建造技術(shù)以及在后來的維護與修復(fù)中結(jié)構(gòu)和材料所經(jīng)歷的變化。恰恰相反，圖二顯示的萬維泰利摩爾莊園（Vanvitellis Mole）則是一棟建造于18世紀(jì)的不朽建筑，它位于Ancona港口，其基礎(chǔ)浸在海中使其直接暴露在海水的作用下。經(jīng)過不斷地檢測研究,前一建筑盡管一再被維護和改造,但其內(nèi)部并沒有顯示出特別的劣化現(xiàn)象。這主要在于該建筑在第二次世界大戰(zhàn)中被損壞后重建時作為粘結(jié)劑的現(xiàn)役石膏被用于內(nèi)部砂漿，同時還在于其特有的來自地基的上升毛細水。然而，該建筑外部抹灰砂漿出現(xiàn)了嚴(yán)重的劣化，從形態(tài)學(xué)的角度來看其顯然是由于鈣礬石和碳硫硅鈣石的生成而導(dǎo)致的的，因為可以看到砂漿嚴(yán)重剝離而接近于平滑的切除，而這正是其產(chǎn)物（鈣礬石和碳硫硅鈣石）產(chǎn)生的證據(jù)。相比之下，作為一個整體萬維泰利摩爾莊園（Vanvitellis Mole）無疑更容易受到海水的劣化作用，特別是因為毛細作用而通過墻體上升的海水的作用。事實上，可以看到在這種嚴(yán)重劣化的情況下接縫普遍被掏空，抹灰砂漿嚴(yán)重剝離。在本文中，記錄了兩棟建筑的接縫和抹灰砂漿的檢測結(jié)果以探尋最可能的劣化機制，其檢測是通過X射線衍射分析取樣于建筑表面不同深度的樣品，這主要是為了確定粘結(jié)劑的性質(zhì)特別為了確定包含在不同樣品中的石膏、鈣礬石和碳硫硅鈣石。事實上，在檢測膠凝材料中的結(jié)晶物時X射線衍射分析一直被認為是一個強大的工具。然而,如果微量成分的數(shù)量低于一定閾值時這種技術(shù)就會變得無效,而這種情況通常在其劣化產(chǎn)物中尋找鈣礬石和碳硫硅鈣石時發(fā)生。此外,屬于兩個產(chǎn)物的XRD線重疊使得情況變得復(fù)雜。由于面臨上面提到的問題,和之前工作中建議的一樣，一種先進的技術(shù)應(yīng)用到精化數(shù)據(jù)以提高即使非常弱的x射線衍射峰。3. 結(jié)果及討論由取自圖1所示建筑的樣品的X射線衍射分析結(jié)果得出石膏、鈣礬石在一定濃度范圍的沿墻體截面厚度的方向的相關(guān)資料，如圖3.所示。從由石膏和砂組成的抹灰層內(nèi)側(cè)的勾縫砂漿采集的樣品中有石膏的存在，這點可以歸結(jié)到由熱濕環(huán)境改變推動的遷移現(xiàn)象中。相反，從砌墻外側(cè)采集的樣品中有石膏和鈣礬石的存在則是常被用于制備抹灰砂漿的膠結(jié)劑的水硬特性的證據(jù)。這點，對于最初使用的水硬性石灰或石灰火山灰混合料甚至對于后來使用的水泥和最近使用的用于維護和修復(fù)的抹灰都是有效地。另一方面來說，這些樣品中并沒有碳硫硅鈣石只能意味著如果其形成也被大氣作用消除。事實上,因為存在鈣礬石所以不能排除它的形成，同時因為該地區(qū)冬天的氣候條件使得其轉(zhuǎn)換成黏漿狀的可能也不能被排除在外。因為在該砌體建筑沒有觀察到明顯的毛細水上升,所以外部抹灰中鈣礬石的存在及其相關(guān)的劣化可能是來自環(huán)境的硫酸鹽腐蝕。相反，圖4為從萬維泰利摩爾莊園砌墻采集的勾縫砂漿的X射線衍射結(jié)果，顯示出：l 室內(nèi)勾縫砂漿包含石英和方解石, 其為由石灰和砂構(gòu)成的砂漿的典型成分；l 外部勾縫砂漿(對應(yīng)立面表面上的接縫)含有石膏和方解石,而缺乏石英則可能意味著,在施工期間甚至往日的修理期間,為了確保外部接縫的耐久性火山灰代替了沙子；l 在最近應(yīng)用于維護和修復(fù)等干預(yù)措施的外部水泥勾縫砂漿中(如此稱謂是因為其中存在無水水泥成分)包含方解石,石英,鈣礬石和碳硫硅鈣石。此外,在劣化的抹灰樣品中也發(fā)現(xiàn)了石膏、鈣礬石和碳硫硅鈣石(圖5),在抹灰砂漿中檢測到這些（產(chǎn)物）時幾乎肯定的是其中使用了水泥。再者,劣化的原因可能只是具有侵蝕性的環(huán)境。同時海洋霧氣不能被忽視，因為其一直陪伴著建筑物,在過去的幾十年劣化現(xiàn)象在迅速增長,伴隨其增長的還有大氣中的二氧化硫。而這種來自環(huán)境的腐蝕對水泥砂漿非常不利，因為方解石通過硫酸鹽化作用提供了石膏的來源,而這對于后續(xù)的鈣礬石和碳硫硅鈣石的形成是必要的。4. 結(jié)論對位于同一地區(qū)但暴露在具有不同硫酸鹽來源的環(huán)境中的兩棟建筑的抹灰砂漿和勾縫砂漿樣品進行檢測，關(guān)于劣化,只在抹灰砂漿和勾縫砂漿表面發(fā)現(xiàn)石膏,鈣礬石和碳硫硅鈣石的形成,這對于兩建筑來說看上去很相似，盡管其暴露于不同硫酸鹽侵蝕環(huán)境中。這些證據(jù)使的環(huán)境硫酸鹽化作用機制成為劣化的原因。在劣化產(chǎn)物中出現(xiàn)鈣礬石和碳硫硅鈣石