理论研究
THEORETICAL RESEARCH
2022年第1期(总第387期)Number 1 in 2022(T otal No.387)
混 凝 土
Concrete
doi : 10.3969/j.issn.l 002-3550.2022.01.018
病害表征及因子研究
程世卓S 刘松茯2
(1•苏州科技大学建筑与城市规划学院，江苏苏州215000; 2•哈尔滨工业大学(深圳)建筑学院，广东深圳518000)
摘 要：我国长江中下游、江淮流域潮湿多雨，梅雨季节尤为突出典型。这种经年的集中湿热气候，给历史建筑带来了诸多病害。
对以苏州为代表的我国梅雨气候区历史建筑混凝土材料的病害表征进行梳理，统计其主要病害现象及其发生概率和分布情况， 进而对其致病因子进行科学分析，提出雨水渗透、酸雨、建筑表面的植物和微生物是历史建筑的混凝土材料主要病害因子。以此
研究为切入点，为完善丰富我国梅雨气候区历史建筑的保护与修缮技术链条奠定基础。
关键词：梅雨气候；历史建筑修缮技术；混凝土；病害
中图分类号：TU528.01 文献标志码：A 文章编号：1002-3550(2022)01 -0079-05
Study on the disease characterization and factors of concrete materials
of historic architecture in plum rainy climate zone
CHENG Shizhuo 1 f LIU Songfu 2
(1.S uzhou University of S cience and Technology , School of A rchitecture and Urban Planning , Suzhou 215000, China ；
2.School of A rchitecture , H arbin Institute of T echnology (Shenzhen ), Shenzhen 518000, C hina )
Abstract: The middle and lower reaches of the Yangtze River and the Jianghuai Basin are wet and rainy, especially during the plum rainy season.That has brought many diseases to historicarchitectures.The disease characterization of historic architecture concrete materials
in my coimtry's plum rainy climate zone represented by Suzhou is sorted out,the main disease phenomena and their occurrence probability and distribution are counted,and then the pathogenic factors are scientifically analyzed.Rainwater infiltration,acid rain,plants and mi
croorganisms on the surface are the main disease factors for the concrete materials of historic architecture.Taking this research as the start
ing point, it will lay the foundation for the improvement of the technical chain of p rotection and repair of h istoric architecture in the plum rainy climate zone of our country.
Key words: plum rainy season ; h istoric architecture repair technology ; concrete ; d isease
0引言
梅雨島-种具有代表性的气候现象，主要是指每年6月
中旬到7月上中旬的初夏，在我国长江中下游、江淮流域、 东南沿海和日本中南部、韩国南部等地出现的一种持续时
间长、高温髙湿、阴沉多雨的天气。在我国大陆主要涉及的
城市有武汉、南昌、上海、杭州、南京、苏州、杭州、无锡等地叫
而这些城市恰恰是中国文化悠久的历史名城，所属区域有
着为数众多的优秀历史建筑乃至文物保护单位。长期以 来，梅雨气候的高温、高湿及其带来的次生影响，给历史建
筑造成了不可小觑的材料病害，大多数甚至达到了无法逆
转的破损程度，文化及经济损失均非常巨大。
因此笔者在材料病理学的视野下，针对梅雨气候区历
史建筑中混凝土材料的病害进行分析，以梅雨季节气候区
的历史名城一苏州为例，系统梳理其典型病害表现特征 和致病因子，为梅雨地区历史建筑混凝土材料的针对性保
护和科学修缮奠定基础。
1梅雨气候的综合物理致病条件
以苏州为代表的我国梅雨气候区，每年梅雨季节25-30 d
左右，通常在6月初至中旬之间入梅,7月上旬出梅。虽然时 间长度尚不足整月，但由于其典型的湿、热特征，甚至时常
伴有极端天气发生，因此为历史建筑材料体系带来诸多不
可忽视的物理致病条件。
1.1降水持久、空气湿度大
梅雨气候最突出的特征便是较大的降水量且绵绵持
久。苏州市近二十年来年均降水量1 100 mm，年均梅雨量
230.9 mm （ 1999年梅雨量最高曾达到746.6 mm ）巩图1）。
收稿日期：2020-10-14
基金项目：国家自然科学基金面上项目“综合物理环境下东南沿海城市文物建筑病害及生产机理研究”（52078154） ；2021年江苏省“双创博
士”（JSSCBS20210713）
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梅雨季节占全年时间的6.5%左右，而降水量却占全年的20%强（图2）。正如当地谚语所说:“立夏小满雨水相赶”，在这二十多天内几乎连续降雨，仅有的数个无降雨天气中空气湿度也是极大的，通常居于85%以上，甚至可达90%乃至更高。
700
600
500
400
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年份
日期
图22019年苏州地区梅雨期日降雨量
对砖石类、混凝土类建筑材料来说，相对湿度小于60%时，称为干燥环境，相对湿度在60%和75%之间时，称为潮的环境；相对湿度高于75%时，被称为湿的环境，相对湿度约等于100%时称为非常潮湿的环境叫苏州地区在梅雨季节时期都属于湿环境与非常潮湿环境，加之26-32°C之间的温度，此时期可谓是高温高湿的天气。
由于历史建筑中的混凝土材料已存续近百年，在长期的无保护措施过程中，已然出现了各种程度的破损或病灶，一定时间的持续降水、高湿度环境会令混凝土材料中的含水率增加，突破材料的健康环境阈值，从而使混凝土材料呈现多元的病害形态表征。
1.2太阳辐射强度弱
与持久降雨共同造成空气高湿度的另一个原因是梅雨季节期间建筑接受的太阳辐射强度较弱，不能够短时间内将混凝土材料中的水分挥发出去。
太阳辐射对历史建筑中混凝土材料的影响主要来自两部分：红外线和紫外线。其中红外线的热效应会引起温度变化，对材料表面和内部的湿度产生影响。太阳辐射越强，材料表面的水分挥发越快，材料内部的水分停留时间越短，材料所处的环境中水分含量越低；太阳辐射越弱，则情况相反，会导致材料内部的水分挥发延迟，水分停留时间长。梅雨季节是什么时间
梅雨季节持久多雨、多云多雾的天气中，太阳辐射度较弱，这使得长江中下游和江淮流域本不干燥的历史建筑处于更加潮湿的环境当中。空气中、材料中的水分含量居高不下，催生、加剧了历史建筑混凝土材料因潮湿而发生的病害。
1.3酸雨频次高
与高湿度同时对历史建筑混凝土材料带来病害的是降水过程中的酸雨。近20年来，我国酸雨频次普遍呈增长趋势，给自然生态和城市生活带来方方面面的负面影响。苏州地区在2001-2015年期间，酸雨占主导性比例。根据苏州市环境监测公报,2001~2002年降水呈酸性，酸雨率低于40%；2003-2008年pH值为4.6-5.0，属于酸雨,2009年pH达4.18，为强酸雨，且当年酸雨占降雨频次的80.5%；在之后的2010-2015年间，苏州市区降水的年均pH值低于5.0%由此可见，苏州属于酸雨较为严重地区，直至2015年在苏州政府的多年综合治理下，降雨的pH均值才出现升高趋势，为4.78。而在酸雨频次上，在过去的20年中苏州市区的酸雨发生率大于50%，也就是说几乎每两场降雨中就有一场是酸雨，酸雨是近20年来苏州降水的主要特征（图3）o
根据欧洲水泥统计与技术协会对混凝土的化学侵蚀程度的评价,pH值在6.5~5.5的为弱侵蚀；pH值在5.57.5的为中等侵蚀;pH值在4.5-4.0的为强侵蚀；pH值小于4.0的为特强侵蚀叫由图3可见，苏州地区再过去20余年中的降雨中，近一半几率处于中等侵蚀甚至强侵蚀。
虽然，苏州市区在2020年上半年，市区酸雨发生频率已控制在34.1%，相较历史同期已然出现了大幅度下降，但长期的酸雨侵蚀，使苏州历史建筑的混凝土材料已劣化严重，病害状况突出。
2梅雨气候区的历史建筑混凝土材料病害表征梅雨季节高湿度、频降水的气候产生了综合的物理致病条件，导致历史建筑的病害。对于历史建筑中的混凝土材料来讲，其病害表征是典型又错综的。本研究针对苏州39幢历史建筑的混凝土材料进行了田野调查，其病害表征主要体现在如下几个方面。
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•
2.1白华与斑渍
在此次调研过程中，历史建筑混凝土材料最明显的病害表征便是其表面的白华和斑渍现象。
白华是指混凝土在由潮湿至干燥过程中生成大量的氢氧化钙，氢氧化钙随着水分移动至混凝土材料表面，和空气中的二氧化碳发生反应生成不溶于水的白碳酸钙，进而在混凝土的面层形成诸如白霜、白斑状的痕迹。
由于此次调研范畴内的苏州历史建筑多为民国时期所建，时间久远且混凝土品质尚不成熟稳定，因此在经年
梅雨季节的高湿高温作用下，白华现象十分普遍。在39幢建筑中，仅有2幢未见明显白华现象，且此2幢的面层均是新近整修过的。因此，白华现象发生率现实观察达到95%，综合其他相似环境中的研究，理论层次上来讲几乎可达10%另一种与白华同样普遍且明显的面层病害便是斑渍现象。在调研39幢历史建筑的混凝土材料中，有36幢出现了明显可见的斑渍，病害发生率92%。通常单幢建筑中会存在多处斑渍，且位置、面积、斑渍类型呈多样化的特征。在本次调研中，共计斑渍117处，平均每幢建筑3~4处。从出现位置角度来看，斑渍最多出现在墙脚处,43处，占总比例的37%；其次为墙体转角处，共30处，占总比例的25.6%，其余如屋檐、窗间墙和山墙墙体也是斑渍多发区域（表1）；从斑渍种类上来看，主要分为绿、墨绿、咖啡、黑等斑渍（图4）。
表1混眾土墙体的斑渍分布情况
部位姙比例/%墙体转角3025.60
墙脚处4337.00
屋檐下2118.00
窗间墙1311.00
山墙7 6.00
其他3 2.40
总计117100.00 2.2酥碱与疏松
酥碱是历史建筑和文物建筑的常见病害。在苏州地区的历史建筑混凝土材料调研中，发现作为结构的混凝土同样存在大量的酥碱现象，严重的甚至导致了结构疏松，不仅目前病害状况严重，潜在的后果也不可忽视。
针对此情况，本研究对苏州地区的历史建筑混凝土结构酥碱与疏松的病害表征进行了梳理。总体将酥碱划分为轻度与重度两个层次。轻度为混凝土结构表面的泛碱，多数表现为白华或有水线、白粉末状析出、砖材表层轻微
图4黑斑渍
脱落等现象。由于本次涉及的历史建筑大部分列为历史建筑保护单位，曾有过一定的修缮、保护，因此酥碱现象仍以轻度为多，占总比例的67%。
但同时也存在着一部分建筑的局部结构出现了混凝土粉化现象（图5），有的建筑甚至出现了结构材质缺损脱落（图6），导致内部材质明显疏松。这一情况多处于建筑的转角处和建筑的墙脚处，有的甚至是主要的承重结构，因此由于混凝土的病害失修导致该历史酬存在一定的疑隐患。
图5混凝土面层粉化
2.3裂缝与变形
混凝土材料的裂缝也是苏州地区因梅雨季节的高温潮湿带来的多发病害现象之一。虽然裂缝是混凝土材料较为普遍的问题，但它出现在已然存续近百年的历史建筑的基础部分的时候，它便不仅仅是普通的材料病害问题，而是涉及到建筑整体的坚固与安全问题。
在本次调研中，发现接近一半的历史建筑混凝土材料
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图6混凝土面层脱落表层酥粉
存在裂缝，共发现裂缝42处，按照其形态大致将其划分：纵向裂缝、横向裂缝与斜向裂缝。
纵向裂缝占绝大比例，共计27处，占总比例的64.3%。主要分布在窗上下檐口及附近的墙体、山墙体和基础部分（图7）。其中不乏长且宽的较大裂缝，如在本调研中的03号建筑，一层窗下檐至基础部分形成了宽处近18mm，长520mm的裂缝，其周围混凝土材料已然粉化，且存在较大面积的斑渍。这理缝已导致了较为复杂的病害效应链条，病害已深入至基础结构部分，对历史建筑造成的损害严重，使建筑存在安全隐患。斜向裂缝共计12处，占总比例的30.7%，横向裂缝仅有两处，且为细纹，破损程度比般微（表2、图8）。
图7混凝土窗下墙裂缝
表2混擬土墙体裂缝分布图
部位纵向裂缝斜向裂缝横向裂缝比例/%墙体转角41125.60墙脚处93137.00屋檐下5201&00窗间墙43011.00
山墙210 6.00
基础320 2.40
总计27122100,00
墙体转角
窗间墙
图8裂缝分布规律图
但需要特别注意的是，部分墙体和基础出现了多条裂缝同时聚集的情况，通常其周围混凝土材料破损程度也比较严重，且会伴有局部变形。如基础沉降、墙体缺失等情况。基础部分的裂缝和变形对建筑整体结构威胁较大，存在着安全隐患。
3梅雨气候区的历史建筑混凝土材料病害因子对苏州历史建筑混凝土材料病害表征的调查梳理，目的在于分析其背后的材料病害成因，进而为最终的治理、修缮提供科学支持。因此，本研究在针对苏州39幢历史建筑的混凝土材料的病害表征调研基础上，就其病害因子展开分析，发现其病害因子与高温高湿的梅雨气候有着紧密的关联，持续降雨、酸雨、低太阳辐射给历史建筑混凝土材料带来大量的水分、高酸度雨水、次生的植物与微生物均是产生病害的主要因素。
3.1水的渗透
在基于材料学的历史建筑病害机理考量中，水是多种建筑材料的主要病害因子。在梅雨气候区，这种典型极端的气候条件下，水对历史建筑混凝土材料的破坏更是起到了决定性的病害作用。
其一，梅雨气候区在梅雨期内持续降雨且降雨量集中增多，使混凝土材料表面始终浸润在雨水当中o而历史建筑中的混凝土材料，在混凝土配合比、骨料级配、砂浆密度等材料品质方面均不优越，历经近百年的冲刷和侵蚀其性能也已大大下降。具体表现为混凝土砂浆的孔隙率高，吸水性强，致使水分不仅易滞留其中，而且也易通过孔隙传递。
其二，梅雨期间持续的阴雨天气致使日照不充足，空气湿度大，建筑表面的水分不能迅速的蒸发。在这些多重因素下，雨水带来的水分不仅滞留在混凝土孔隙中，而且长时间渗透，不仅对混凝土材料表面造成损害，水分也沿着孔隙向内结构输送，造成内结构的劣化。多年周期性的侵蚀、循环，使材料的稳定性十分脆弱，面层、结构都表现出不同程度的病害现象。
妙卜，近代历史建筑排水设备技术标准的不规范，导致的水分疏导不畅或不合理飞溅，在某些部分加重了对建筑的病害作用。例如，屋顶排水不畅、局部积水，使建筑的屋顶某些部分长期浸泡在雨水中，病害严重；诸多排水管老
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化、密闭性差，在落水过程中沿墙体渗漏，对墙体造成加重的伤害；另有某些落水管与墙体和地面没有保持合理距离，距离地面大于了相关规范的小于150mm的要求，当梅雨季节中雨量较大时墙脚落水急剧增多，致使墙脚产生积水，使已然存在病害的墙脚造成更严重的损伤。
3.2酸雨侵蚀
近半个世纪以来，全球的历史建筑、文物建筑的非金属材料都出现了劣化速度加快、病害程度严重的现象，例如，已近三千年的希腊雅典卫城中的建筑与雕像，在近几十年中被酸和盐侵蚀，表面已满布坑坑点点；位于我国河北定兴的建于北齐年代的石柱，在60年代时其石雕花纹和文字均清晰可见，而如今已面目模糊。经专家考察认定上述现象的主要原因便是因酸雨的腐蚀叫
如前文所述，在本研究内以苏州为代表的梅雨气候区，近20年来酸雨占据着降雨的大比例，因此在当地历史建筑的混凝土材料病害过程中，雨水不仅因水分的渗透导致病害，还因其酸性给混凝土材料造成更复杂、深程度的侵蚀。
清华大学环境工程系的谢绍东等人曾进行过相关试验，结果发现酸雨与pH=5.7的自然降水相比，混凝土、砂浆外观受酸雨影响十分明显叫其外观颜会随着侵蚀时间的增长逐渐由原本的灰变深一$黄七白，呈渐阶式变化，同时也会伴随着不同程度的材料片层式鞭裂、脱落(图9、10)。
图10混凝土试件在不同pH值酸雨下质量随时间变化的规律其病害原理主要是：酸雨中的酸性物质与混凝土中碱性的硅酸
盐、铝酸盐、游离CaO发生反应，降低了混凝土介质碱度，致使水泥砂浆的一部分被溶解，另一部分则留在原位持续反应。与此同时，混凝土中的硫酸盐会随着水分入侵砂浆内部，结晶膨胀后导致砂浆出现裂缝。在这样的病害链条中，混凝土内部不断发生化学反应，初期是Ca(OHk 发生化学反应生成石膏析出白晶体，之后随着腐蚀渗入混凝土肌理，硅酸钙和水化铝酸钙水解、溶出，破坏了砂浆的凝胶胳构，使砂浆发生由外向内的逐层溶蚀，最终导致混凝土材料的白华、酥碱、裂缝等一系列病害表征。其反应式如下：
Ca(OH)2+H2SO4->CaSO4-2HQ(1) mCaOnSiO2*a?+»nH2SO4+HiO—»mCaSO4•aq+nSi(OH)2(2) 3.3植物与微生物
梅雨气候为历史建筑带来的病害因子不仅仅是大量降雨和酸雨本身逐有因湿热气候而衍生的次生病害因子。对于苏州地区历史建筑的混凝土材料来讲，附着在建筑墙体的植物、微生物和建筑周边的植物都对其构成了不同程度的病害影响。
一方面，由于梅雨气候区处于我国南部或东南部，植物茂盛且攀附在建筑墙体的爬藤类植物较多。在本研究调研的苏州历史建筑中，近三成混凝土建筑墙体上有着生长多年的爬藤类植物。而此类植物的存在对这些混凝土材料造成了病害，它们不仅在梅雨期吸收水分，增加了水分在附近墻体的滞留时间和程度，而且在梅雨期过后仍然缓慢蒸腾水分。叶片的遮挡也造成了墙体对太阳辐射接受率低，水分挥发缓慢，延长了墙体处于潮湿状态的周期，最终加重病害程度。例如，本研究内的17号建筑——苏州市民族乐器一厂的厂房，在梅雨期过后的数天内爬藤附近墙面仍然大面积潮湿，植物对阳光遮挡与植物水分蒸腾，加重建筑表面的水分浸湿，数十年的病害累积使建筑表面的植物覆盖处不仅斑渍变，而且混凝土面层脱离严重(图ll)o
图门爬藤及造成的病害
另一方面，墙体在适宜温度下，长时间处于潮湿状态极易生长微生物、霉菌、藤类以及苔蘇类植物，微生物会给混凝土材料带来多种病害。在我们调研的苏州历史建筑中，微生物通常生长在墙脚接近地面半米以内。这是由于此地带水分充足，且太阳辐射大多不会直射此处，或辐射较弱。以苔蘇为例，阳光直射和阴暗无光均不适合苔薛生长，而潮湿的空气、漫散射光是它最适宜的环境。而经过调研，苔薛最适宜生长温度为25-309，湿度为80%，生长周期为卜2周。苏州的梅雨季节完美地满足了这个要求，因此在
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