山西明清古砖物理性能及成分分析

李 斌，杜红秀，刘晓仙，王春波

(1.太原理工大学土木工程学院，太原 030024；2.山西省古建筑保护研究所，太原 030012)

0 引 言

山西省的古代建筑遍及全省各县市，而砖瓦结构建筑作为古建筑中的一大类，随着时间的推移，自然和人为因素对古建筑的影响不可避免。国内外许多学者通过对古砖进行大量试验研究，发现气候的影响主要改变了古砖的孔隙率和孔径大小，而古代砖塔结构劣化的根本原因是孔隙率和孔径大小的增加[1]。Elert[2]利用电子扫描镜和Ⅹ射线衍射的手段发现不含碳酸盐的黏土烧制出的砖的孔隙率小，耐久性更好。Barbara等[3]提出了通过使用结晶抑制剂的方法，阻止盐结晶继续对古建筑的侵蚀。曹红红等[4-5]发现青砖的矿物组成主要为α-石英和钠长石。陈港泉等[6-7]发现画像砖吸水率最高达33.48%，体积密度为1.41～1.91 g/cm3。赵鹏[8]发现古砖样本的吸水率及饱和系数主要分别集中在17%和85%左右。李庆繁[9]发现饱和系数与抗冻性之间存在着明显的相关性，同时，对于烧结普通砖来讲，单块饱和系数最大值不大于0.8，五块饱和系数平均值不大于0.78，则评定其具有较高的抗冻性。杨永净等[10]认为，基于环境变迁条件下，孔径小于1 μm的山西古砖的孔隙体积与饱和系数具有良好的相关性。

综上所述，当前研究结果适用范围具有局限性，为了使山西省古建筑的修缮工作更好地做到“修旧如旧”，需要大范围的研究样品。本研究采集了山西大部分地区的古砖，对古砖的地域、种类、规格等划分较为细致，并进行结果分析对比，且符合传统古砖材料的时代性、区域性特征，其对于山西省甚至全国的古建筑保护以及修复工作有着深远的影响。

1 实 验

1.1 古砖原构件情况

本次采集将山西省分为四个地区，分别为晋北地区(大同市、朔州市和忻州市)、晋中地区(晋中市和太原市)、晋东南地区(长治市和晋城市)以及晋南地区(临汾市和运城市),共涉及全省9个地级市。共计32块古砖原构件，其中晋北地区10块、晋中地区8块、晋东南地区6块和晋南地区8块,朝代涉及明、清两个朝代，其中明代古砖15块、清代古砖17块,采集地点包括民居、寺庙、长城、宫殿等。由于种类不同，古砖尺寸各不相同，其中长治市郊区小罗灵仙庙院内采集的古砖尺寸最小(除残砖外)，为191 mm×157 mm×28 mm，重量仅为1.25 kg，忻州市代县雁门关城墙上采集的古砖尺寸最大，为310 mm×195 mm×95 mm，重达7.85 kg。

对所采集的古砖按照地区分类并编号(按照地区名称拼音首字母进行编号)，具体情况如表1～表4所示，根据《文物建筑维修基本材料 青砖》对于不同种类的青砖有着不同尺寸的标准，本次采集的古砖原构件虽经历百年历史的风雨，但均较为完整，尺寸基本符合标准。城墙、寺庙、塔等建筑的古砖尺寸偏大，而民居中采集的古砖相对较小且更接近于现代普通烧结砖。同时晋北地区的古砖宽度及厚度总体大于其他地区，可以看出古砖尺寸受地区及采集位置影响较大。

表1 晋北地区明清古砖原构件信息表Table 1 Information of original components of Ming and Qing ancient bricks in northern Shanxi

表2 晋中地区明清古砖原构件信息表Table 2 Information of original components of Ming and Qing ancient bricks in central Shanxi

表3 晋东南地区明清古砖原构件信息表Table 3 Information of original components of Ming and Qing ancient bricks in southeastern Shanxi

表4 晋南地区明清古砖原构件信息表Table 4 Information of original components of Ming and Qing ancient bricks in southern Shanxi

1.2 试验方法

1.2.1 物理性能试验

24 h常压吸水率指试件在常压状态下，完全浸水24 h后的质量与其干质量之比的百分数，可以反映试件开口孔隙的含量。5 h沸煮吸水率指试件沸煮条件下吸水饱和的吸水率，可以反映试件总孔隙的情况。饱和系数指吸水率(24 h常压吸水率)与饱和吸水率(5 h沸煮吸水率)之比，反映试件中开口空隙与闭口空隙的相对含量，饱和系数越大，开口孔隙相对越多，试验步骤参考《砌墙砖试验方法》。

孔隙率试验的试验样本如图1与图2所示，从古砖原构件中取大小相近的不规则试块进行试验。试验在室内进行，试验时控制环境温度为(24±8) ℃，湿度为30%～70%。试验前，先用毛刷将古砖表面的灰尘、泥土清理干净，分别编号后将其放入电热鼓风干燥箱中，设定温度为105 ℃，待烘至每2 h的质量差不超过5‰时，将干燥箱的温度设置为20 ℃进行冷却，冷却完毕后将试件进行标记并称重记录。将烘干后的试件分别浸入融化成液体的石蜡中，使其不再冒出气泡时捞出并冷却，将冷却后的试件进行精确称重，使用排水法测其蜡封后的体积，计算其表观密度。取试块进行研磨(见图2)，并过0.08 mm方孔筛，放入坩埚中进行编号并放入鼓风干燥箱中进行烘干,设定温度为105 ℃，待烘至每2 h的质量差不超过5‰时停止烘干并取出装瓶，防止吸收空气中的水分。使用排液法测其体积，计算其密度。孔隙率P按式(1)计算：

图1 古砖表观密度试验样本Fig.1 Ancient bricks apparent density test samples

图2 古砖密度试验样本Fig.2 Ancient bricks density test samples

(1)

式中：ρ0为试件表观密度，g/cm3；ρ为试件密度，g/cm3。

1.2.2 X射线衍射试验

通过使用激光衍射仪(XRD)，对明清时期晋北和晋南两个地区的古砖原构件研磨取样(见图3)后进行X射线衍射分析，得到其XRD谱，并通过物相分析确定其物相组成及相对含量。本试验所采用的XRD仪器为德国生产的布鲁克D8达芬奇X射线衍射仪，试验步骤详见JY/T 009—1996 《转靶多晶体X射线衍射方法通则》，设置步长值0.02，扫描速度0.5°/s，角度范围为10°～80°。试验试件如表5所示，四块古砖原构件分别取自表1中9号、10号及表4中7号、8号原构件，并对其序号进行重新编制。

图3 XRD试验样本Fig.3 XRD test samples

表5 XRD试验样本Table 5 XRD test samples

2 结果与讨论

2.1 古砖原构件物理性能试验结果与分析

2.1.1 各个地区古砖物理性能试验结果分析

山西四个地区古砖原构件的吸水性能及孔隙率试验结果见表6～表9。由表可知，朝代对于山西古砖原构件各项性能的影响并不明显。山西四个地区的24 h常压吸水率平均值差别不大，分别为17.32%、18.65%、17.60%、18.54%；5 h沸煮吸水率以晋北地区的平均值最小，为19.33%，并满足小于20%的标准要求，其余三个地区的平均值均大于20%，分别为21.60%、22.61%和23.18%；饱和系数南北差异显著，晋北和晋中地区的饱和系数平均值分别为0.89和0.87，且大于现代烧结普通砖标准中的黏土砖抗风化性能要求(<0.85)，晋东南和晋南地区饱和系数较小，平均值分别为0.79和0.80。由于古砖的饱和系数和抗风化性能及抗冻性能均有着较强的相关性，古砖的饱和系数越小，说明其抗风化性能及抗冻性能越强[9，11]，结果表明晋东南和晋南古砖的抗风化性能及抗冻性能优于晋北和晋中古砖。孔隙率可以直观反映古砖的孔隙情况，四个地区的平均孔隙率分别为26.42%、29.16%、19.01%和24.20%，在一定程度上说明古砖原构件有着较为良好的密实度。

表6 晋北地区古砖原构件各项试验结果Table 6 Test results of ancient brick transfer components in northern Shanxi

表7 晋中地区古砖原构件各项试验结果Table 7 Test results of ancient brick transformation components in central Shanxi

表8 晋东南古砖原构件各项试验结果Table 8 Test results of ancient brick transfer components in southeastern Shanxi

表9 晋南地区古砖原构件各项试验结果Table 9 Test results of ancient brick transfer components in southern Shanxi

2.1.2 古砖原构件5 h沸煮吸水率与孔隙率的相关性分析

将山西每个地区古砖的5 h沸煮吸水率由小到大排列，以5 h沸煮吸水率为横轴，孔隙率为纵轴，绘制试验结果关系图及拟合曲线，如图4～图7所示。由图可知，四个地区古砖的5 h沸煮吸水率和孔隙率均有着明显的相关性，虽然不是线性相关，但是随着古砖孔隙率的增大，山西各地区古砖的5 h沸煮吸水率均有所提高，这种趋势在晋北和晋中地区的古砖原构件上更加明显。其中晋北地区和晋中地区为二次函数拟合，R2分别0.908 5和0.930 7；晋东南和晋南地区为三次函数拟合，R2分别0.999 5和0.834 1，说明趋势线的可靠性均较高。

图4 晋北地区古砖5 h沸煮吸水率与孔隙率的关系Fig.4 Relationship between 5 h boiling water absorption and porosity of ancient brick in northern Shanxi

图5 晋中地区古砖5 h沸煮吸水率与孔隙率的关系Fig.5 Relationship between 5 h boiling water absorption and porosity of ancient brick in central Shanxi

2.2 XRD结果与分析

将获得的XRD谱导入Jade分析软件，对其进行成分分析，并得到每块古砖原构件的主要物质组成，并结合Origin绘图软件绘制古砖成分对比图，如图8所示。从图中可以看出，四块古砖的XRD谱反映出类似的形态。衍射角在20.6°、26.5°、36.3°、39.3°、42.5°、49.9°、54.4°、59.8°、67.2°、80.3°和81.8°处的衍射峰属于石英(SiO2)，其中四块古砖均在26.5°附近的衍射峰出现了最强值。在21.9°、23.3°、25.1°、27.0°、27.5°、28.0°、31.0°、34.5°处的衍射峰属于长石类物质，包括钠长石(Na(AlSi3O8))、钙长石(Ca(AlSi3O8))和钾长石(K(AlSi3O8))，表明四块古砖均由以石英和长石类物质为主的成分构成。对比A和B可知，明代晋南古砖比晋北古砖多含有钙长石；对比C和D可知，清代晋南古砖比晋北古砖多含有透辉石；同一朝代下晋北地区的古砖中主要成分略少于晋南地区。对比A和C、B和D可知，在同一地区下，清代古砖和明代古砖的成分均有不同之处，且明代古砖中均含有红晶石而清代古砖中不含此物质。总而言之，地区和朝代对于古砖中主要成分的构成均有一定的影响。

图6 晋东南地区古砖5 h沸煮吸水率与孔隙率的关系Fig.6 Relationship between 5 h boiling water absorption and porosity of ancient brick in southeastern Shanxi

图7 晋南地区古砖5 h沸煮吸水率与孔隙率的关系Fig.7 Relationship between 5 h boiling water absorption and porosity of ancient brick in southern Shanxi

图8 各地区古砖成分对比图Fig.8 Composition comparison of ancient bricks in different regions

3 结 论

(1)朝代对于古砖原构件的各项物理性能影响较小且各个地区的古砖物理性能均有着区域独特性。晋北地区5 h沸煮吸水率平均值最小且满足标准要求；晋东南和晋南古砖抗冻性及抗风化性能较晋北和晋中古砖好；各地区古砖原构件较现代烧结普通砖密实度好，四个地区中晋东南古砖的孔隙率平均值最小。

(2)山西古砖的孔隙率与5 h沸煮吸水率有着显著的相关性，即随着古砖孔隙率的增高，5 h沸煮吸水率也有增高的趋势，且这种趋势在晋北和晋中地区更为显著。

(3)朝代和地区对山西古砖的主要成分构成均有一定的影响。山西明清古砖的主要矿物成分为石英、钠长石、钾长石及钙长石；同一朝代下，晋南地区古砖成分多于晋北地区；同一地区下，清代古砖和明代古砖的成分均有不同之处，明代古砖中均含有红晶石成分，而清代古砖均不含此物质。