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在历史砖石建筑中重新定位砂浆接缝(一)

发布日期:2021-07-14 10:20   浏览量:
  在历史砖石建筑中重新定位砂浆接缝
 
  砖石——砖、石头、赤陶和混凝土块——几乎可以在每一座历史建筑上找到。立即想到具有全砖石外观的结构,但大多数其他建筑物至少有砖石基础或烟囱。虽然通常被认为是“永久性的”,但砌体会变质,尤其是在砂浆接缝处。重新指点,也简称为“指点”或——有些不准确——“折点”*,是从砌体墙的接缝处去除老化砂浆并用新砂浆替换的过程。正确完成后,重新定位可以恢复砌体的视觉和物理完整性。如果操作不当,重新指向不仅有损建筑物的外观,还可能对砌体单元本身造成物理损坏。
 
  本简报的目的是提供有关重新定位历史砖石建筑的适当材料和方法的一般指导,旨在使建筑业主、建筑师和承包商受益。简介应作为指导,以准备重新定位历史砖石建筑的规范。它还应该有助于培养对历史砖石的特殊需求的敏感性,并协助历史建筑业主与建筑师、建筑保护人员和历史保护顾问以及承包商合作。虽然专门针对历史建筑,但该指南也适用于其他砖石建筑。本出版物更新了保护简报 2:重新定位历史砖砌建筑中的砂浆接缝包括所有类型的历史单元砌体。先前简报的范围也扩大到承认许多建于 20 世纪上半叶的建筑物现在具有历史意义并有资格列入国家史迹名录,并且它们最初可能是用波特兰建造的水泥砂浆。
 
  历史背景
 
  数千年来,主要由石灰和沙子组成的砂浆一直被用作砖石结构的组成部分。直到大约 19 世纪中叶,石灰或生石灰(有时称为块状石灰)被运送到建筑工地,在那里必须将其消解或与水混合。与水混合使其沸腾并产生湿石灰腻子,该腻子在坑或木箱中成熟数周,长达一年。传统砂浆由石灰腻子或熟石灰与当地沙子混合制成,通常按体积比为 1 份石灰腻子与 3 份沙子。通常其他成分,如碎海贝壳(石灰的另一种来源)、砖灰、粘土、天然水泥、颜料,甚至动物毛发也被添加到砂浆中,
 
  波特兰水泥于 1824 年在英国获得专利。它以来自多塞特郡波特兰的石头命名,它在坚硬时类似于。这是一种快速固化的水硬性水泥,可在水下硬化。波特兰水泥于 1871 年首次在美国生产,但在此之前进口。但直到 20 世纪初,它才在全国普遍使用。直到世纪之交,波特兰水泥主要被认为是一种添加剂,或“次要成分”,以帮助加快砂浆凝固时间。然而,到 1930 年代,大多数泥瓦匠使用等量的硅酸盐水泥和石灰腻子的混合物。因此,在 1871 年至 1930 年间建造的砖石结构中发现的砂浆可以从纯石灰和沙子混合物到各种石灰、波特兰水泥和沙子组合。
 
  在 1930 年代,更多旨在加快和简化泥瓦匠工作的新砂浆产品被引入美国,其中包括砖石水泥,一种预混袋装砂浆,由波特兰水泥和碎石灰石以及熟石灰、机器熟石灰混合而成。消除了在现场将生石灰熟化成腻子的必要性。
 
  重新定位的决定通常与一些明显的劣化迹象有关,例如砂浆崩解、砂浆接缝中的裂缝、松散的砖块或石头、潮湿的墙壁或损坏的灰泥。然而,假设单独重新指向将解决由其他问题导致的缺陷是错误的。损坏的根本原因——屋顶或排水沟漏水、建筑物的差异沉降、毛细作用导致潮湿上升或极端天气暴露——应始终在开始工作之前处理。
 
  如果没有适当的维修来消除问题的根源,砂浆会继续恶化,任何重新指向都是浪费时间和金钱。
 
  寻找合适的砂浆匹配
 
  有必要进行初步研究,以确保提议的重新定位工作在物理和视觉上都适合建筑物。对与新砂浆匹配的历史砂浆未风化部分的分析可以为重新定位砂浆提供适当的混合物,这样它就不会因为它太坚固或不透水而损坏建筑物。
 
  对砌体单元(砖、石头或赤陶)以及原始建筑中使用的技术进行检查和分析将有助于保持建筑物的历史外观。对砌体单元和砂浆进行简单的、非技术性的评估可以提供有关每种材料的相对强度和渗透性的信息——选择重新定位砂浆的关键因素——而对历史砂浆的视觉分析可以提供开发所需的信息新的砂浆混合和应用技术。
 
  虽然对于成功的重新定位项目并不重要,但对于涉及具有特殊历史意义的属性的项目,由合格实验室进行的砂浆分析可以提供有关原始成分的信息。然而,这种分析存在局限性,替代砂浆规格不应仅基于实验室分析。分析需要解释,并且有一些重要的因素无法通过实验室分析来确定影响砂浆的状况和性能。这些可能包括:原始含水量、固化速度、原始施工期间的天气条件、混合和放置砂浆的方法以及沙子的清洁度和状况。 实验室分析中最有用的信息是通过分级和颜色识别沙子。 这使得砂浆的颜色和质地能够以一定的精度匹配,因为沙子是体积最大的成分。
 
  在创建与砌体单元兼容的重新指向砂浆时,目标是实现尽可能与历史砂浆匹配的砂浆,以便新材料可以与旧材料共存,以同情,支持,并在必要时牺牲容量。只要新砂浆符合以下标准,旧砂浆的确切物理和化学特性并不重要:
 
  新砂浆必须在颜色、质地和工具上与历史砂浆相匹配。(如果进行实验室分析,有可能将粘合剂成分及其比例与历史砂浆相匹配,如果这些材料可用。)
 
  沙子必须与历史砂浆中的沙子相匹配。(如果沙子匹配成功,新砂浆的颜色和质地通常会落到位。)
 
  新砂浆必须比砌体单元具有更大的蒸汽渗透性并且更柔软(以抗压强度来衡量)。
 
  与旧砂浆相比,新砂浆必须具有透汽性,并且柔软或更软(以抗压强度衡量)。(柔软度或硬度不一定是渗透性的指标;旧的硬石灰砂浆仍然可以保持高渗透性。)
 
  砂浆分析
 
  分析砂浆的方法可分为两大类:湿化学法和仪器法。许多分析历史砂浆的实验室使用简单的湿化学法称为酸消化的方法,将研钵样品压碎,然后与稀酸混合。酸不仅溶解粘合剂中的所有含碳酸盐矿物,而且溶解骨料(如牡蛎壳、珊瑚砂或其他碳酸盐基材料)以及任何其他酸溶性材料。留下沙子和细粒酸不溶性物质。简单的酸消化测试有几种变化。一种是收集碳酸盐被酸消化时放出的二氧化碳气体;根据气体体积,可以准确确定砂浆的碳酸盐含量(Jedrzejewska,1960)。简单的酸消解方法快速、廉价且易于执行,但他们提供的有关砂浆原始成分的信息仅限于沙子的颜色和质地。与简单的酸消解测试相比,气体收集方法提供了更多关于粘合剂的信息。
 
  器乐已用于评估砂浆的分析方法包括偏振光或薄片显微镜、扫描电子显微镜、原子吸收光谱、X 射线衍射和差热分析。所有仪器方法不仅需要昂贵的专业设备,还需要训练有素的经验丰富的分析师。然而,仪器方法可以提供更多关于迫击炮的信息。薄片显微镜可能是最常用的仪器方法。在透射光下检查砂浆的薄片通常用于补充酸消化方法,特别是寻找碳酸盐基骨料。例如,新的 ASTM 测试方法,ASTM C 1324-96“硬化砂浆检查和分析的测试方法”
 
  大多数砂浆分析方法的缺点是尚未对已知成分的砂浆样品进行分析以评估该方法。历史上的迫击炮并没有按照质量一致的材料严格定义规格;它们包含大量当地衍生的材料,由泥瓦匠自行决定组合。虽然一种特定的方法可能能够准确地确定由现代材料制成的石灰水泥砂浆的原始比例,但该方法用于评估历史砂浆的有效性值得怀疑,除非该方法已针对由更常用材料制成的砂浆进行了测试在过去。
 
  砂浆性能
 
  用于重新定位的砂浆应该比砌体单元更软或更易渗透,并且不比历史砂浆更硬或更不渗透,以防止损坏砌体单元。假设硬度或高强度是适当性的衡量标准是一个常见的错误,特别是对于石灰基历史砂浆。由膨胀、收缩、水分迁移或沉降引起的墙内应力必须以某种方式加以调节;在砌体墙中,这些应力应由砂浆而不是砌体单元来缓解。抗压强度高于砌体单元的砂浆不会“屈服”,从而导致应力通过砌体单元释放——导致砌体永久性损坏,例如开裂和剥落,无法轻易修复。
 
  虽然应力也会破坏砂浆和砌体单元之间的结合,使水渗入由此产生的细缝,但与裂缝发生在砌体单元中相比,通过重新指向在接缝中更容易纠正。
 
  渗透性或蒸汽传输率也很关键。高石灰砂浆比密度大的水泥砂浆更具渗透性。从历史上看,砂浆充当垫层材料 - 与膨胀缝不同 - 而不是砌体单元的“胶水”,并且水分能够通过砂浆接缝而不是砌体单元迁移。当水分从砖石中蒸发时,它会在表面上以风化形式或在表面下方以亚荧光形式沉积任何可溶性盐。 虽然沉积在砌体单元表面的盐分通常相对无害,但砌体单元内的盐结晶会产生压力,导致部分外表面剥落或分层。如果砂浆不允许水分或湿气迁移出墙体并蒸发,结果将损坏砌体单元。
 
  砂浆的成分
 
  沙
 
  沙子是砂浆的最大成分,是赋予砂浆独特颜色、质地和内聚力的材料。沙子必须不含杂质,例如盐或粘土。砂的三个主要特征是:颗粒形状、级配和空隙率。
 
  在放大镜或低倍显微镜下观察时,沙粒通常具有圆形边缘,例如在海滩和河沙中发现的,或在碎沙或人造沙中发现的尖锐的棱角边缘。对于重新打磨砂浆,出于两个原因,首选圆形砂或天然砂。它通常类似于历史砂浆中的沙子,并提供更好的视觉匹配。它还具有更好的工作质量或可塑性,因此可以更容易地压入接缝中,与剩余的历史砂浆和相邻砌体单元的表面形成良好的接触。尽管人工砂通常更容易获得,但通常可以找到圆形砂的供应源。
 
  砂的级配(粒度分布)对砂浆的耐久性和内聚性起着非常重要的作用。砂浆必须具有一定比例的大颗粒和小颗粒,以提供最佳性能。可以在 ASTM C 144(美国测试与材料协会)中找到可接受的粒度分布指南。然而,实际上,由于历史和现代沙子都不总是符合 ASTM C 144,匹配相同的颗粒外观和级配通常需要对沙子进行筛分。
 
  一勺沙子在单个颗粒之间包含许多小空隙。性能良好的砂浆以平衡的方式用粘合剂(水泥/石灰组合或混合物)填充所有这些小空隙。分级良好的砂通常具有 30% 的体积空隙率。因此,通常应使用 30% 体积的粘合剂,除非旧砂浆具有不同的粘合剂:骨料比。这代表了砂浆规格中常见的 1:3 粘合剂与砂的比率。
 
  对于重新打磨,沙子通常应符合 ASTM C 144 以确保适当的级配和不含杂质;可能需要进行一些变化以匹配原始尺寸和层次。沙子的颜色和质地也应该尽可能地与原始颜色相匹配,以提供适当的颜色匹配,而无需其他添加剂。
 
  酸橙
 
  19 世纪后期之前的砂浆配方使用石灰作为主要粘合材料。石灰来源于在高温下加热石灰石,燃烧掉二氧化碳,并将石灰石变成生石灰。有三种类型的石灰石——钙、镁和白云石——根据它们所含碳酸镁的不同水平来区分,这些碳酸镁赋予砂浆特定的品质。历史上,石灰钙用于砂浆,而不是今天最常用的白云石灰(碳酸钙镁)。但同样重要的是要记住,历史上的石灰和砂浆的其他成分变化很大,因为它们是天然的,而不是现代石灰,后者是制造出来的,因此是标准化的。因为有些石灰,以及砂浆的其他成分,
 
  石灰本身与水混合成糊状时非常具有塑性和奶油状。如果储存在密封容器中,它将无限期地保持可用和柔软。石灰(氢氧化钙)通过碳酸化作用硬化,主要从空气中吸收二氧化碳,将自身转化为碳酸钙。一旦石灰和砂浆混合并放置在墙上,它就会开始碳酸化过程。如果让石灰砂浆干燥太快,砂浆的碳化会减少,导致附着力差和耐久性差。此外,石灰砂浆微溶于水,因此能够重新密封砂浆使用寿命期间可能出现的任何细纹裂缝。石灰砂浆柔软、多孔,在温度波动时体积变化很小,因此是历史建筑的理想选择。由于这些品质,高钙石灰砂浆可以考虑用于许多重新定位的项目,而不仅仅是涉及历史建筑的项目。
 
  对于重新指出,石灰应符合 ASTM C 207,S 型或 SA 型,砌体用水合石灰。这种机器熟石灰旨在确保高可塑性和保水性。如果时间和金钱允许,在某些修复项目中,使用必须用手消解和浸泡的生石灰可能比熟石灰更具优势。
 
  石灰腻子
 
  石灰腻子是具有腻子或糊状稠度的熟石灰。它应符合 ASTM C 5。可以根据 ASTM C 270 性能或比例规范使用石灰腻子混合砂浆。
 
  硅酸盐水泥
 
  最近,20 世纪的砂浆使用波特兰水泥作为主要粘结材料。直的波特兰水泥砂浆非常坚硬,可以抵抗水的运动,凝固时收缩,并且经受较大的热运动。当与水混合时,波特兰水泥会形成一种粗糙、坚硬的糊状物,非常难以使用,很快就会变硬。(与石灰不同,波特兰水泥无论天气条件如何都会硬化,并且不需要润湿和干燥循环。)一些波特兰水泥有助于砂浆的和易性和可塑性,而不会对完成的项目产生不利影响;它还为砂浆提供早期强度和速度设置。因此,在某些情况下需要稍硬的砂浆时,即使在重新使用相对较软的 18 或 19 世纪砖时,也可以将一些波特兰水泥添加到基本为石灰基的砂浆中。添加到砂浆配方中的硅酸盐水泥越多,它就会变得越硬,初始凝固速度也就越快。
 
  重新指出,波特兰水泥应符合 ASTM C 150。与更常见的灰色波特兰水泥相比,白色、无污染的波特兰水泥可为某些历史砂浆提供更好的颜色匹配。但是,不应假定白色波特兰水泥总是适用于所有历史建筑,因为原始砂浆可能已与灰色水泥混合。水泥的碱含量不应超过 0.60%,以帮助避免风化。
 
  砌筑水泥
 
  砌筑水泥是一种预混砂浆混合物,常见于五金店和家庭维修店。它旨在生产在工作现场与沙子和水混合时抗压强度为 750 psi 或更高的砂浆。它可能含有熟石灰,但它总是含有大量的硅酸盐水泥,以及磨碎的石灰石和其他和易剂,包括加气剂。因为砌筑水泥不需要含有熟石灰,而且通常不含石灰,所以它们产生的高强度砂浆会损坏历史悠久的砖石。 因此,通常不建议将它们用于历史悠久的砖石建筑。
 
  石灰砂浆(预混合)
 
  熟石灰砂浆和带有或不带有匹配砂子的预混石灰腻子砂浆可商购获得。定制砂浆也有颜色可供选择。在大多数情况下,含有沙子的预混石灰砂浆可能无法提供完全匹配;然而,如果该项目需要完全重新定位,只要砂浆在强度上与砖石相容,预混石灰砂浆可能值得考虑。如果项目只涉及选定的“点”重新定位,那么最好进行砂浆分析,它可以提供定制的预混合石灰砂浆和匹配的砂。在任何一种情况下,如果要使用预混石灰砂浆,它应包含符合 ASTM C 207 的 S 型或 SA 型熟石灰。
 
  水
 
  水应该是可饮用的——干净且不含酸、碱或其他溶解的有机物质。
 
  其他组件
 
  历史组成部分
 
  除了沙子的颜色外,砂浆的质地对于复制历史砂浆也至关重要。大多数可追溯到 19 世纪中叶的迫击炮——除了一些例外——具有相当均匀的质地和颜色。一些早期的砂浆质地不均匀,可能含有部分燃烧的石灰块或“脏石灰”、壳(通常提供石灰源,特别是在沿海地区)、天然水泥、粘土块、油烟或其他颜料,甚至动物毛。这些砂浆的视觉特性可以通过在重新指向砂浆中使用类似的材料来复制。
 
  复制这种独特的或单独的迫击炮需要为每个项目编写新的规格。如果可能,应包括特殊材料的建议来源。例如,可以从家禽供应商处获得各种尺寸的碎牡蛎壳。
 
  颜料
 
  一些历史悠久的迫击炮,特别是在 19 世纪后期,被着色以与砖块或石头相匹配或形成对比。通常使用红色颜料,有时以砖灰的形式,以及棕色和黑色颜料。现代颜料可以在工作现场添加到砂浆中,但它们不应超过混合物中硅酸盐水泥重量的 10%,炭黑应限制在 2%。只能使用耐碱、耐晒的合成矿物氧化物,以防止漂白和褪色。
 
  现代组件
 
  外加剂用于在砂浆中创造特定的特性,是否应该使用它们取决于个别项目。例如,加气剂可帮助砂浆抵抗北方气候下的冻融破坏。促进剂用于在凝固前减少砂浆冻结,而缓凝剂有助于延长砂浆在炎热气候下的使用寿命。外加剂的选择应由建筑师或建筑保护人员作为规范的一部分进行,而不是泥瓦匠通常添加的内容。
 
  一般来说,现代化学添加剂是不必要的,事实上,它可能会对历史悠久的砖石工程产生不利影响。不推荐使用防冻化合物。它们对高石灰砂浆不是很有效,并且可能会引入盐分,这可能会导致以后风化。更好的做法是加热沙子和水,并防止已完成的工作冻结。没有明确的研究确定是否应该使用加气添加剂来抵抗霜冻作用和增强可塑性,但在需要使用低渗透性高强度砂浆的极端暴露区域,10-16% 的加气量可能是可取的(见公式用于“砂浆类型和混合”中的“恶劣天气暴露”)。粘合剂不能代替适当的关节准备,通常应避免使用。如果接缝准备得当,新砂浆和相邻表面之间就会有良好的粘合。此外,如果将粘合剂涂抹在砖石表面,则难以去除。

 

在历史砖石建筑中重新定位砂浆接缝(二)

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