碳硫硅钙石在砌体结构修复中错误干预的证据.doc

碳硫硅钙石：在砌体结构修复中错误干预的证据摘要碳硫硅钙石和钙矾石，已经越来越多被发现是胶凝材料受硫酸盐腐蚀而劣化形成的化合物。二者，特别是钙矾石，已被大量的报道，其不仅涉及到混凝土劣化，而且更多的涉及到了砌体砌筑砂浆和抹灰砂浆的劣化。特别是在修复历史建筑的过程中问题尤其严重，就因为钙矾石和碳硫硅钙石的形成使得砂浆非常容易劣化。然而，虽然碳硫硅钙石是导致劣化的主要物质，但在大多数情况下，由于它可以部分甚至完全被大气作用消除，以至于其可能不被检测到。很多因素可以导致砌体结构中出现硫酸盐。大多数情况下砂浆和灰浆是碳酸钙的来源。此外，砌体是典型的多孔材料，它容易渗透水，无论是上升的地下水或下降的雨水。因此，作为钙铝酸盐和钙硅酸盐的来源，当水泥基材料作为粘合剂使用时，将使碳硫硅钙石形成的所有的因素都具备。如此，将有一个兼容性的问题出现，如果处理不当，将迟早导致干预无效。关键词 砌体修复 ;硫酸盐环境 ;灰浆劣化1. 介绍现在人们普遍接受并记录，砌体结构中砌砖勾缝砂浆或抹灰砂浆的劣化最有可能的原因是与硫酸盐有关，而其经常在砌体本身中出现。因此，如果对含有硫酸盐的砌体结构使用水硬性胶凝材料进行修复，其失效的风险便众所周知了。反应发生时所在的潮湿环境将产生负面的影响。包含在砌体结构中的硫酸盐和包含在水硬性砂浆中的硅酸钙水化物作用生成钙矾石或者和同上砂浆中硅酸钙水化物产生碳硫硅钙石。对灰浆而言，钙矾石的生成往往伴随着砂浆的膨胀、开裂和脱落。相反，当水硬性胶凝材料的使用导致碳硫硅钙石生成时，由于在潮湿寒冷的环境下，砂浆转化为黏浆状物质，后又被雨水不断冲刷，由此，灰浆的劣化便使其本身暴露于环境中。即使未必具有胶结能力，但由于火山灰砂浆的水硬性使得其在修复之前同样能够出现上述的现象。砌体结构中硫酸盐可能单独来自灰浆，或去除石灰的灰浆，而其在原始砂浆（特别是用于抹灰）或者是用于以后干预或修复的砂浆中作为一种胶凝材料。另一方面，众所周知的是砌砖中同样可能存在数量可观的水溶性硫酸盐，其来自潮湿砌体结构中的水。在砌体建筑中硫酸盐也可以间接来源于环境：地基中含有硫酸盐的毛细水上升或由风带来了海洋环境中的物质。然而,因为包含在由光和燃油消耗产生的排放物中液相二氧化硫的多相氧化使得在城市中心气候条件越来越恶劣,因此在砌体建筑中这种更长远的硫酸盐来源不容忽视。另一方面,由于抹灰砂浆的高孔隙度和其主要基于碳酸钙的特性,使得这种环境硫酸盐化（腐蚀）作用的机制不能被提前排除在外,而这种假设已经被提出。上述证据已使得越来越多的人意识到为了避免来自修复措施本身的损失应在修复中使用兼容性的材料,而且,一个正确的有计划的（修复）干预需要进行仔细的初步诊断与调查,由此，如果有任何劣化机制和兼容性的问题则可以被指出来。在许多情况下,尽管在砌体结构胶凝砂浆和历史建筑抹灰砂浆的劣化产物中越来越多的发现钙矾石和碳硫硅钙石的存在，但运用最有效的方法x射线衍射进行评估仍然有困难,因为它们的特征线由于环境热吸湿性的变化在强度或位置上都会被修改。钙矾石会受到相对湿度降低和温度升高的逆向影响。而碳硫硅钙石主要受温度增加的影响并且其恢复结构需要很长时间。因此,当碳硫硅钙石在受热而被分解的情况下，做出一个正确的判断是十分困难的。2. 实验调查对位于Ancona港口同一老区的两栋建筑的劣化抹灰样品进行了检测，两栋建筑具有不同的特性、年龄、历史价值，及暴露于海风带来的海洋环境的情况。图1显示的建筑位于安科纳的历史中心,背向港口，所以不会直接暴露于海水作用。它建于17-18世纪但却没有特殊的历史意义和建筑风格。正因为如此，以至于这里成为该领域研究理想的实验室。特别是研究此地当时的材料和建造技术以及在后来的维护与修复中结构和材料所经历的变化。恰恰相反，图二显示的万维泰利摩尔庄园（Vanvitellis Mole）则是一栋建造于18世纪的不朽建筑，它位于Ancona港口，其基础浸在海中使其直接暴露在海水的作用下。经过不断地检测研究,前一建筑尽管一再被维护和改造,但其内部并没有显示出特别的劣化现象。这主要在于该建筑在第二次世界大战中被损坏后重建时作为粘结剂的现役石膏被用于内部砂浆，同时还在于其特有的来自地基的上升毛细水。然而，该建筑外部抹灰砂浆出现了严重的劣化，从形态学的角度来看其显然是由于钙矾石和碳硫硅钙石的生成而导致的的，因为可以看到砂浆严重剥离而接近于平滑的切除，而这正是其产物（钙矾石和碳硫硅钙石）产生的证据。相比之下，作为一个整体万维泰利摩尔庄园（Vanvitellis Mole）无疑更容易受到海水的劣化作用，特别是因为毛细作用而通过墙体上升的海水的作用。事实上，可以看到在这种严重劣化的情况下接缝普遍被掏空，抹灰砂浆严重剥离。在本文中，记录了两栋建筑的接缝和抹灰砂浆的检测结果以探寻最可能的劣化机制，其检测是通过X射线衍射分析取样于建筑表面不同深度的样品，这主要是为了确定粘结剂的性质特别为了确定包含在不同样品中的石膏、钙矾石和碳硫硅钙石。事实上，在检测胶凝材料中的结晶物时X射线衍射分析一直被认为是一个强大的工具。然而,如果微量成分的数量低于一定阈值时这种技术就会变得无效,而这种情况通常在其劣化产物中寻找钙矾石和碳硫硅钙石时发生。此外,属于两个产物的XRD线重叠使得情况变得复杂。由于面临上面提到的问题,和之前工作中建议的一样，一种先进的技术应用到精化数据以提高即使非常弱的x射线衍射峰。3. 结果及讨论由取自图1所示建筑的样品的X射线衍射分析结果得出石膏、钙矾石在一定浓度范围的沿墙体截面厚度的方向的相关资料，如图3.所示。从由石膏和砂组成的抹灰层内侧的勾缝砂浆采集的样品中有石膏的存在，这点可以归结到由热湿环境改变推动的迁移现象中。相反，从砌墙外侧采集的样品中有石膏和钙矾石的存在则是常被用于制备抹灰砂浆的胶结剂的水硬特性的证据。这点，对于最初使用的水硬性石灰或石灰火山灰混合料甚至对于后来使用的水泥和最近使用的用于维护和修复的抹灰都是有效地。另一方面来说，这些样品中并没有碳硫硅钙石只能意味着如果其形成也被大气作用消除。事实上,因为存在钙矾石所以不能排除它的形成，同时因为该地区冬天的气候条件使得其转换成黏浆状的可能也不能被排除在外。因为在该砌体建筑没有观察到明显的毛细水上升,所以外部抹灰中钙矾石的存在及其相关的劣化可能是来自环境的硫酸盐腐蚀。相反，图4为从万维泰利摩尔庄园砌墙采集的勾缝砂浆的X射线衍射结果，显示出：l 室内勾缝砂浆包含石英和方解石, 其为由石灰和砂构成的砂浆的典型成分；l 外部勾缝砂浆(对应立面表面上的接缝)含有石膏和方解石,而缺乏石英则可能意味着,在施工期间甚至往日的修理期间,为了确保外部接缝的耐久性火山灰代替了沙子；l 在最近应用于维护和修复等干预措施的外部水泥勾缝砂浆中(如此称谓是因为其中存在无水水泥成分)包含方解石,石英,钙矾石和碳硫硅钙石。此外,在劣化的抹灰样品中也发现了石膏、钙矾石和碳硫硅钙石(图5),在抹灰砂浆中检测到这些（产物）时几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蚀性的环境。同时海洋雾气不能被忽视，因为其一直陪伴着建筑物,在过去的几十年劣化现象在迅速增长,伴随其增长的还有大气中的二氧化硫。而这种来自环境的腐蚀对水泥砂浆非常不利，因为方解石通过硫酸盐化作用提供了石膏的来源,而这对于后续的钙矾石和碳硫硅钙石的形成是必要的。4. 结论对位于同一地区但暴露在具有不同硫酸盐来源的环境中的两栋建筑的抹灰砂浆和勾缝砂浆样品进行检测，关于劣化,只在抹灰砂浆和勾缝砂浆表面发现石膏,钙矾石和碳硫硅钙石的形成,这对于两建筑来说看上去很相似，尽管其暴露于不同硫酸盐侵蚀环境中。这些证据使的环境硫酸盐化作用机制成为劣化的原因。在劣化产物中出现钙矾石和碳硫硅钙石