既有建筑泛碱问题探讨

既有建筑泛碱问探讨 1.问题的提出 河南大学大礼堂是我校近代建筑群的瑰宝，具有典型的中西文化合璧的建筑特征，具有 较高的学术研究价值，是百年名校的重要象征。虽然大礼堂雄伟壮观且具有多重象征意义， 但是泛碱病害却影响其视觉效果并危及结构安全。为保护这座近代建筑物且维持其美感，我 校不得不经常粉刷墙面。多年来，学校后勤处采用多种防治方法，但效果甚微。因此，提出 简单实用的技术根治泛碱病害并确保大礼堂结构安全，将具有重要的意义。本文在观察泛碱 病害的基础上，分析影响大礼堂泛碱的因素及其根本成因，综合前人研究成果，提出针对大 礼堂泛碱的根治对策，仅供同类工程参考。 2.泛碱现象 2.1 泛碱现象观察 泛碱是建筑物表面的一种常见的病害，根据其不同成因和表现方式，有泛霜、泛白、析 白、起霜、墙身和装饰面侵蚀等多种叫法，是土、土坯、砖体、水泥、砂浆、混凝土、砌体、 瓷砖、涂料等建筑材料的内可溶性盐碱随温度、湿度等外部环境的变化，在吸收水分、水分 迁移、水分蒸发过程中随着物理、化学变化的发生而使原建筑材料破坏的一种病害现象，侵 蚀破坏的程度也有很大的差异，常见的有返潮、起泡、粉化、起鼓、空鼓、开裂、剥落、发 霉、结晶等现象。河南大学大礼堂外墙、门庭、围廊、大厅内等多处墙身均有不同程度的泛 碱现象，现分述如下： ⑴西墙自西北角往南 22.70m 距地面高 1.50m-3.25m 处，病害部位上界由北至南高度降 低，中部有白色晶体析出（既泛碱），析出物大致呈带状，有水渍，在析出带的上面和下面， 砖和石灰砂浆都有相当严重的粉化、剥落，上部颜色较浅，下部较深，砖的表皮已经松胀， 轻微的击打即成层剥落，剥落物可用手捻碎，有砂的质感，下部修复的水泥砂浆抹面再次出 现泛碱。 ⑵西墙自西南角向南 2.5m，下部 55 墙与上部 40 墙之间的 4-5cm 厚、约 20cm（三皮砖） 高的石灰砂浆和水泥砂浆已剥落，裸露出内部结构部分，部分砖体表面已经剥落，剥落物呈 片状、粉末状，裸露的砖表面上有一层“白霜”，砂浆已经失去胶结强度。 ⑶东面入口出北侧窗台下，有一皮砖，长度有 20cm，表面疏松，有片状的剥落物，周 围的砖体无明显的破损。 ⑷墙外修复时用的是水泥砂浆抹面，在水泥砂浆与墙身交接的地方和抹面上再次出现了 结晶体。泛碱病害的重复性可见一斑。 ⑸东面、北面和西面作为勒脚 1.5m 高的水刷石有 70%-80%的已经空鼓，西墙自西北角 向南有 11.5m，西入口向南有 3.0m；整个北墙自西北角向东有 2.7m 未空鼓，其余的都已经 空鼓。北墙东入口向西的水刷石上沿已经与墙身产生裂缝，裂缝长度可达 7.5m，最大宽度 可达 12.2cm，可以说到了一触即倒的地步。裂缝内的墙身有大量的白色晶体析出，在潮湿 的环境中有滑腻感，有咸味和涩味。 ⑹门厅内东山墙有高度小于 80cm 的仿瓷涂料起皮现象。门厅的三个入口中间的墙身上 有高度小于 1.10m 的涂料起皮现象，有轻微棉絮状结晶体出现，涂料呈浅蓝色（仿瓷涂料浸 水后的颜色）。 ⑺西围廊西侧窗台以上 0.80m 及以下 1.20m 处，有严重的结晶析白现象，结晶层厚度 可达 3cm，有严重鼓起，大量的棉絮状结晶体聚集在墙身表面，白色的结晶体有咸味和涩味， 鼓起的涂料形状如被蚕食的桑叶，已经完全脆性。有水渍。 ⑻围廊东段的窗台为木结构，没有明显析白，墙身上的仿瓷涂料在 2.5m 以下的均失去 光泽，有点状和不连续线状浅蓝色斑点（是返潮所致）。 ⑼一层教室的墙身上有严重的泛碱现象。30-40cm 墙身以下最为严重，水泥砂浆墙裙已 经脱离墙身。4mm 厚的仿瓷涂料鼓起约 2cm,面上有棉絮状结晶体，揭开鼓起的涂料，内有 粉化的砂浆和针状的结晶体。40-90cm 处墙身表层覆盖一层水膜，涂料紧贴墙身，呈浅蓝色， 有少许的黄豆粒大的突起。向上至 2m 涂料失去光泽，有连续的高度不一的鼓起，最高鼓起 约 1cm。 ⑽楼梯间北墙 2.7m 以下墙身长度范围内出现小块起皮、棉絮状的结晶体呈环形，如月 球上的环形山，有不规则线状不连续小突起，呈浅蓝色，为仿瓷涂料被溶后涨起所致。 ⑾男厕东侧房间。房顶上的涂料大块的开裂，裂口呈人字型三岔口状，开裂的涂料自岔 口卷起、下垂。背靠大厅临近厕所的墙身上，高 2.5-2.9m 墙身长度范围内涂料空鼓，墙角 处高 40-120cm、宽 20cm 区域覆盖一层水膜，其中心约长 20cm(竖向)、宽 5cm 的区域内发 霉，呈绿色，为长期过于潮湿且通风不良所致。 ⑿大厅内采用的是麻刀灰抹面，西墙 60cm 以下墙身长度范围内的抹面变成棉絮状，砂 浆失去胶结强度，只有少量的麻纤维起联系作用，轻轻的触动变纷纷坠落。 ⒀对于清水墙来说，泛碱的发生有向某一区域集中的趋势。5#楼南面，下面是水泥砂浆 抹面，上面仅有一两皮砖发生粉化，其中每处都有一块砖粉化深度达到 1-2cm，其余的地方 只是轻微的白色晶体析出，在大礼堂东面、北面的墙身，还有开封古城墙上多处都是这样。 2.2 泛碱的危害 泛碱是我国大部分盐渍土地区建筑物普遍存在的一种病害现象，其危害有：⑴影响建筑 物的立面观感效果及建筑工程观感质量评定等级且给人以不安全感。⑵影响粉刷的质量，基 层与表面粉刷层粘结力不够，贴面粘贴不牢固，影响装饰工程的质量甚至引起质量事故。⑶ 造成结构安全隐患，水分在墙身内迁移的过程中对砖体和砂浆的冲刷、溶蚀作用使得墙身的 抗压承载力降低，墙身表面的粉化剥落使得墙身的结构断面不断的减小，单位面积承受荷载 加大，增加了结构的不安全因素。 泛碱现象对大礼堂造成的危害不仅仅是建筑方面的，作为河南大学的象征，直接影响着 河南大学的形象，作为文物保护对象，侵蚀着国家文物保护的成果。 3.影响泛碱的因素 3.1 与地基土类型及化学成分有关 开封土壤主要以黄河泛滥、改道等所形成的近代黄河冲积物或其风积物为成土母质，土 壤多砂质,据资料，在埋深 21.1m 范围内的地层自上而下为：①填土：黄褐色，可塑，湿， 松散，含砖块及煤屑，主要成分为粉土，厚 1.90m，层底埋深 1.90m；②细砂（Q4al+pl）：褐 黄-黄褐色，饱和-很湿，稍密，见植物根系及贝壳，为近代沉积，厚 4.50-5.90m，层底埋深 6.2-7.60m；③粉砂（Q4al+pl）:黑褐-褐黑色，饱和，稍密，见腐殖质，局部夹淤泥粉土，厚 5.8-7.5m，层底埋深 12.7-14.0m；④粉细砂（Q4al+pl）:厚度 1.2-5.3m,层底埋深大于 18.9m。 地基土的物理性质指标见表 1。 大礼堂基础直接座于层②细砂地层上，层②细砂与下伏地层组成潜水含水层。根据表 2 的颗粒分析成果，层②细砂孔隙比较大并具有一定的粘性，故与层①填土一样，在潜水水位 以上都可形成毛细管水。据文献，校园内土壤属硫酸钠型土壤，以 Na2SO4为主，CaSO4和 MgSO4次之，碳酸盐含量很少，这些物质通过毛细水携至墙面或者被蒸发或者与墙身及其 饰面物质发生化学反应，从而对墙身及饰面构成侵蚀并破坏墙面。 表 1 地基土的物理性质一览表 含水量 天然重 度 孔隙比 饱和度 液限 塑限 塑性指 数 液性指 数 地层 编号 统计 方法 % KN/m3 - (%) (%) (%) - - 最大值 36.9 19.8 0.995 99 30.6 20.8 10.8 1.76 最小值 23.1 18.5 0.687 94 26.2 18.8 7.2 0.39 平均值 28.5 19.3 0.797 97 28.7 19.9 8.9 0.97 ② 细砂 频数 15 15 15 16 15 14 15 10 最大值 30.1 26.4 0.869 28.7 20.2 9.0 1.56 最小值 21.0 17.1 0.546 24.2 18.3 6.3 0.38 平均值 24.2 20.1 0.668 26.1 19.1 7.1 0.72 ③ 粉砂 频数 14 15 15 14 15 15 14 表 2 颗粒分析成果一览表（单位：%） 粒组（mm） >2 1-2 1-0.5 0.5-0.25 0.25-0.075 <0.075 层①填土 20.5 52.6 26.9 层②细砂 27.6 59.0 13.4 根据岩土中水的物理力学性质可将地下水分为：气态水、结合水、毛细水、重力水、固 态水以及结晶水和结构水。其中，对于土体来说，毛细水上升的快慢及高度决定与土颗粒的 大小。土颗粒愈细，毛细水上升高度越大[1]。 毛细水上升高度与土的种类的关系[1]（cm） 土名 粗砂 中砂 细砂 粘质粉土 粉质粘土 粘土 H(cm) 2-4 12-35 35-120 120-250 250-350 500-600 理论和实测数据均显示大礼堂下地基土在多数时间内接近或处于饱和状态，这是泛碱问 题的最根本的客观环境因素。 3.2 与墙身材料、饰面及其孔隙有关 墙身材料、饰面含可溶盐量较低的情况下，虽然有水分的迁移，但溶蚀作用就会大大降 低，对结构造成的危害也就减少,结晶现象也会减少。大厅内采用的是麻刀灰抹面，其孔隙 率大，结构性强，较为坚固，透气性好，本身又有相当的厚度，可以作为水汽传输的通道， 而且析出的盐碱结晶体留在麻刀灰抹面的孔隙里，避免了盐碱结晶体析出对墙身的侵蚀，但 在长时间内会使砂浆失去胶结能力，如大厅西墙脚。而与此相比，围廊两侧的仿瓷涂料的抵 抗能力相对较差，仿瓷涂料本身不厚、透气性差，有潮气侵袭时就失去光泽，返潮，空鼓， 开裂，起皮。 3.3 与大气温度、湿度有关 墙身泛碱现象更多发生在冬末、初春和秋末、冬初季节的原因是，在这些季节里，由于 气温回升或是雨水的减少，空气中的水蒸气的百分含量远远低于空气饱和时水蒸气的百分含 量，湿气从地下迁移到墙身，再由墙身蒸发到附近潮湿的空气中，最后湿气扩散补充到干燥 的空气中，在这个过程中，水中携带的盐分最终在墙身上结晶析出。在这些季节里，人容易 皮肤干燥，嘴唇干裂也是这个道理。 3.4 与地基的温度有关 地基土温度的差异可以引起地下水分的迁移[2]，跟许多建筑，特别是无人居住的建筑一 样，冬、春季节，建筑物地基土的温度高于周围的土体的温度，水分朝建筑物方向迁移，而 夏、秋季节特别是夏季，建筑下地基土的温度低于周围土体的温度，水分虽有朝周围土体迁 移的趋势，但周围土体本身由于大气降水而水位已经很高，湿气不能得到疏散，这样经过季 节更替，湿气就逐渐在建筑物下的地基聚集起来，显得格外的潮湿。通常情况下，舞台前的 地面分布有米粒大小的渗出水珠，如人出汗状。 3.6 与光照有关 南向外墙很少有泛碱现象，而北墙墙身长度范围内均有不同程度的发生，修复后的水泥 砂浆抹面也再次出现病害；东向的墙身病害要比西向墙身少，程度轻；东墙和西墙的南半部 也要比北半部程度轻。 向阳墙身温度相对较高，水分多在墙身内蒸发，由毛细水表面张力引起的负压不存在， 不能形成毛细现象，墙身干燥，泛碱现象发生的客观环境就不存在。 3.7 与通风有关 礼堂内的泛碱现象要比外边的重、普遍；围廊的东、西段比北段要轻；大厅的七个入口，只 有南面的三个的门垛没有泛碱现象，这些门垛使用的频度高，而且日常看护时常处于开启状 态，通风好，水汽不易集结，泛碱病害相应就少、轻。 4. 泛碱成因 4.1 地下水 开封地区地下潜水的自由水面距地面近，土壤的机械组成、孔隙率适宜毛细水的上升， 加上墙身的防潮层的失效，由于毛细水表面张力作用，毛细水沿着土壤和砖体中的空隙上升， 使墙身内的砖和砂浆具有较高的含水率，甚至接近饱和，随着水分的蒸发，墙身上部的毛细 水中的盐分的浓度逐渐高于下部的浓度，形成了渗透压力差，这样有更利于毛细水的上升， 加上温度、湿度等其他因素的影响，毛细水这时上升的高度要高于在同样孔隙率的其它纯净 介质中上升的高度，毛细水在上升的过程中，冲刷砖体和砂浆中的可溶盐，在长时间内，盐 分不断在上部聚集，由溶液盐浓度形成的压力差逐渐增大，给水分的上升提供了更加便利的 条件,这样就形成了一个恶性循环，盐分逐渐结晶析出,由于 Na2SO4+10H2O=Na2SO4·10H2O,Na2SO4·10H2O 晶体体积是 Na2SO4晶体的 2-4 倍，晶体的结 晶、膨胀应力的积累,墙身逐渐遭到破坏。另一方面，由于水的蒸发在局部产生蒸汽压力， 蒸汽压力作用于墙身，经过干湿、冷热的交替，应力不断积累，砖体表面不断松胀，加上其 他因素，墙身逐渐风化破坏。地下水的影响有广泛、持续等特点，大礼堂内多数地方都是这 种原因造成的。 4.2 其他水 其他水，为区别地下水而单列出来，包括雨水、管道渗漏水、空气中的水分等直接来源 非地下水的一切影响墙身的水的总称。其他水不一定具有可靠的补给来源，如果通风等环境 条件好就不会聚集，不对建筑物造成危害。若这些偶然聚集起来的水没有及时的蒸发，聚集 在墙身内，墙身内的砖体的盐分溶于水中，潮湿的墙身不断的从周围吸收水气，溶蚀墙身， 最终也会导致结晶和蒸汽压的应力积累现象。 泛碱现象终归是水造成的，其原因是复杂的，相互交织在一起的。 5. 防治对策 泛碱现象的发生早已有之，治理的也不少，同为青砖建筑，有的经历几百年仍然完 好，有的三二十年就风化严重，根本原因就是建筑防潮层失效，所以在建筑一定要做好耐久， 有效的防潮层，作为大礼堂既有建筑来讲，这是马后炮，不可用。可用的治理方案大致上有 这么“防、堵、放”这些思路。 5.1 防 防，通过改良土壤，包括降低土壤含水量、降低矿化度、减小土壤的孔隙率等途径来从根本 上防止泛碱的发生。 5.1.1 种树[3] 在大礼堂东，西，北三个方向种植高大、根系发达、耐盐碱、蒸腾作用强、四季常青的 树种，利用植物对水分和矿物的需求，这样就等于在大礼堂周围配备上了无能耗、不间断、 环保的“抽水机”和“抽矿机”，可以降低土壤的含水量，降低矿化度，减少水分向大礼堂的地 基迁移，甚至可使大礼堂地基内的水向周围迁移。树的存在还有利于大礼堂周围环境的温度 保持，使得昼夜温差相对较小。也就是说可以从温湿两方面改善大礼堂的状况，而且符合城 市规划、大学校园氛围的和大礼堂的形象。缺点是这种方法见效慢甚至前期没有明显效 果。 5.1.2 地基注浆法[6] 其原理是把利用液压、气压或电化学的方法，通过注浆管把浆液均匀的注入土层中，浆 液以充填，渗透和挤密等方式，进入土颗粒之间的空隙中，将原来较为松散的土体胶结成一 个整体，形成强度高，防渗透和化学稳定性好的固结体[1]。这样通过切断毛细水的渗透路径 来根治泛碱，浆体之所以能起到切断毛细水渗透路径的作用，主要取决于浆体的粘塑性[4] 特征，浆体刚注入后还有较大的流动性，注浆结束后，浆体的塑性强度逐渐增强，这样充实 了土壤中的孔隙切断了毛细水上升的渗透路径，但施工工艺上要更加严格控制注浆压力和注 浆量，注浆压力过大会严重破坏土粒的原有结构，进而影响地基的承载力，造成结构的安全 问题，注浆材料的选用不能污染地下水。通过对地基土的处理，使地基胶结成一个整体，制 止了毛细水，根本上治理泛碱病害。 5.2 堵 切断水分向墙身渗透的通道。 5.2.1 墙身锯缝灌浆修筑水平隔断层法[5] 用水平开缝锯分段将墙身沿根部锯开，然后高压灌入聚合物材料，使整个墙身沿根部形 成一层新的防潮层，切断毛细水的上升通路，达到治理泛碱的目的。 5.2.2 墙身注浆法[6] 在墙身用注浆材料注浆，切断毛细水的渗透路径，此法和地基注浆法的原理一样，也是 利用了注入浆体的粘塑性特征，同时此法和墙身锯缝灌浆修筑水平隔断层法一样，对墙身有 一定的破坏性，使用时要注意控制好各种施工参数，保证结构的安全问题。 5.2.3 墙身设置隔蒸汽层 墙身表面粘贴釉面瓷砖等非透气性材料做装饰面（隔蒸汽层），阻止墙身中的水分向外 散发，从而防止盐碱结晶析出[6]。此法对外墙有可行性，对内墙来讲，不符合大礼堂的声学 要求。而且长时间的使用后瓷砖表面有小坑，釉面被破坏，坑内有白色的结晶体，而且隔蒸 汽层上部的仿瓷涂料和墙身开始出现，这是水分向上迁移的结果，所以此法不可行。 5.3 放 排出墙身内的水分，避免盐分在墙身内结晶对墙身造成损害。 5.3.1 内墙设置通风夹层[6] 在清水墙表面铺设龙骨,外钉装饰性矿棉吸声板,在矿棉吸声板表面预先扎出小孔以通风 排气,使得潮气可以排出,析出的盐碱留在矿棉吸声板和墙身之间的夹层里,河南大学的两栋 楼房采用了此法处理后取得了良好的初期效果,但是随着时间的推移，盐碱不仅在夹层中析 出，在矿棉吸声板表面也开始大量的析出，矿棉吸声板破坏，告治理措施失效，又要进行大 面积的修整，现对此法进行改进，不在矿棉吸声板上预扎小孔，而是在 180cm×180cm 的矿 棉吸声板中心设置 60cm×60cm、厚度深入墙身少许的矿棉吸声板，在矿棉吸声板上预留大 量小孔，作为晶体析出的薄弱点，水蒸汽散发的通道，这样就逐渐形成一个通道，定向的释 放水蒸汽和毛细水，这样可以不至于再次发生大面积的泛碱现象，节约材料，而且可以大大 减小泛碱发生的范围，矿棉吸声板的吸声作用也符合大礼堂的功能要求。 5.3.2 外墙仍然采用传统的水泥抹面进行修复，在一米见方的水泥抹面中心设置一个直径为 10cm，深度少许深入墙身的洞，洞内装矿棉等松散吸湿的材料，洞口留 1-2cm 的抹面（洞 的大小、间距有待商榷），将矿棉作为晶体析出的薄弱点，让盐分在薄弱点析出，减少晶体 在两种介质的交接面发生结晶现象的可能性，减少空鼓，这样可以以定期更换吸湿材料来代 替大面积的重复的修复，而且保护了墙身。 这两种不同的处理方法都是利用了泛碱现象有集中趋势的特征，理论上符合要求。 6.结语 （1）对大礼堂室内外的泛碱现象进行了较为细致的描述和测量，为认识泛碱病害奠定了基 础。大礼堂的泛碱病害是严重的，虽在室内粉刷仿瓷涂料、室外粘贴水刷石并粉刷水泥砂浆 等，仍无法阻挡泛碱病害的发生和发展。 （2）泛碱病害与地基土类型及化学成分、墙身及饰面材料及其孔隙、表面水、地下水位及 水质、大气温度及湿度、光照、通风情况等有关。 （3）针对大礼堂的泛碱现象，本文根据前人工程的实践，提出了多种根治泛碱现象的设想， 尚有待于工程实践的检验。