中国历史性建筑是中华文明的重要组成和载体,在世界建筑史上形成了独特的建筑体系,富于伦理精神,师法自然,体现了中国能工巧匠的智慧,内涵精深,具有重要的艺术价值。中国历史性建筑由于长期的太阳辐射、温湿度变化、化学作用、风雨侵蚀、生物作用、战争、地震等破坏,材料和结构性能不可避免的减弱和损伤,大量历史性建筑已出现险情,对其维修保护的要求日益迫切。历史性建筑的破坏可以分为两个方面：自然作用及人为作用。从建筑结构的角度出发可以归结为外部因素和内部因素。外部因素包括自然作用的突发性事件：如地震、飓风等。内部因素包括建筑材料的老化和结构体系、营造质量和建筑基础情况的影响。历史性建筑不同于现代建筑,在材料性能和设计理念上无法同现代建筑相提并论,因此其整体性和刚度一般较弱,用现代的建筑结构设计标准去诊断和修复这些历史性建筑就出现了许多问题和挑战,为了更好地保护这些历史性建筑,对其结构机制和材料性能退化机理的研究己日益成为国内外研究的热点。因此,综合考虑历史性、艺术性和科学性,对这些历史建筑的结构机制和性能退化机理进行科学研究,为维修和保护提供科学依据,已是当务之急。本文以江浙皖地区石灰粘结材料、青砖瓦及传统空斗墙体为研究对象,通过古代文献搜集及现场实地考察,系统的梳理了传统石灰粘结材料及青砖瓦的发展历史、生产工艺。综合文物保护修缮工作,将先人给我们留下的珍贵的物质遗产、传统工艺保护起来。以传统青砖为主,建立力学与环境耦合作用下材料性能加速退化实验体系,建立加速退化速度与实际服役环境之间的定量关系,经总结提炼建立典型损伤因素组合的多重破坏因素作用下建筑材料的寿命预测模型,为建筑遗产的寿命预测提供了新理论与新方法。选择中国2种传统空斗墙砌筑方式,进行了6片空斗墙在水平荷载作用下平面外受力性能实验研究,和3片空斗墙平面内性能实验研究,测试了试件的荷载位移关系曲线,根据理论反演了空斗墙砌体的弯拉强度和剪切强度,并分析推导了地震作用下和风荷载作用下传统空斗墙体的砌筑高度限值。本文所取得的创新成果如下：(1)通过实地走访及取样检测制定了传统青砖、瓦质量检测标准通过文献检索解读中国古代砖瓦灰制作工艺的发展过程。将现存的口耳相传的传统工艺通过实地考察以及匠人走访的方式及时整理记录。为了掌握古代砖瓦灰的物理化学性能,对代表性古建筑遗址进行实地调查和取样,采用现代分析仪器分析方法对所取样品的组成、结构和性能进行分析检测。课题组实地考察了历史上著名的青砖瓦生产地南窑(嘉善)、北窑(苏州),拜访了著名传统青砖瓦制作工艺传承人丁惟建、沈步云,参观了当地仅存的为数不多的砖窑,梳理了青砖、瓦在我国的发展历史,对比了我国南北方砖瓦种类尺寸的区别,并对其进行了分类整理。详细记录整理了传统青砖瓦的制造、烧制和后期处理工艺。为挽救即将失传的传统手工工艺提供了宝贵的文字和影像记录。同时对为编制传统青砖瓦质量检测标准提供了十分重要的基础资料。同时通过对江浙沪多处古建筑青砖进行取样,通过现代分析手段,检测明清时期青砖制品的原材料及物理性能,根据大量的实测数据经过统计分析,制定了青砖瓦的质量标准,以期为对指导生产与当地古建筑相匹配的仿古青砖提供参考意见科学的依据。(2)揭示了青砖石灰良好相容性机理本文以南京明城墙为例,使用使用X射线衍射仪(XRD)、压汞仪(MIP)、扫描电镜显微镜(SEM)、热重-差热分析(DSC-TG)、X射线荧光光谱分析(XRF)、傅立叶红外(FT-IR)等先进实验设备,通过研究检测这两种古老的建筑材料,青砖以及有机无机复合石灰粘结材料的界面特点,探讨其维持数百年良好粘结性能的原因,为现代的古城墙修复提供科学的参考。在古建砖-灰砌筑体系中传统灰浆与青砖具有很好的相容性,其主要原因在于：首先是良好的机械咬合力,青砖表面粗糙度高,孔隙率较高,在毛细作用下,灰浆逐渐向青砖内部扩散,固化后与青砖紧密粘结在一起,形成互锁结构。青砖表面密度分为两个区域,靠近粘结界面处密度明显高于青砖内部样品。且显微硬度为1.8 GPa—2.5GPa,高于内部显微硬度1.2 GPa—1.9GPa。通过扫描电镜、XRD及XRF发现,大量碳酸钙通过石灰粘结材料扩散至青砖表面,扩散深度约为1.5mm。由于石灰粘结材料颗粒极其细小、分布均匀且形状不规则,平均粒径达到纳米级。而青砖样品含有大量0.03—2.0μm孔径范围小孔,因此使得碳酸钙在漫长的数百年间,逐渐大量扩散填充到青砖空隙当中。(3)研究了青砖耐久性损伤劣化规律并绘制了青砖寿命预测模型实验以质量损失率、相对动弹性模量为指标,研究青砖在冻融环境、硫酸盐腐蚀环境和压力荷载复合下的损伤劣化过程,比较和分析了各种破坏因素的冻融损伤特点和相互影响。对青砖在冻融循环作用下损伤劣化过程进行了实验研究和理论分析。在单一冻融因素作用下,青砖相对动弹性模量呈现先略增再降低的趋势。青砖样品80次冻融循环时降至0.60左右。荷载作用对其相对动弹性模量的影响明显,荷载作用加快了试件在冻融作用下的相对动弹性模量的下降速度。在施加10%和30%荷载以后,分别在60次和35次冻融循环以后相对动弹性模量下降到60%以下,达到试件破坏标准。荷载作用和硫酸钠的耦合作用对其相对动弹性模量的的下降产生了更加明显的影响,荷载及硫酸钠的耦合作用加快了试件在冻融作用下的相对动弹性模量的下降速度。在10%荷载以及5%硫酸钠溶液作用下,在35次冻融循环以后相对动弹性模量下降到60%以下,达到试件破坏标准。在30%荷载及5%硫酸钠溶液作用下,在20次冻融循环以后相对动弹性模量下降到60%以下,达到试件破坏标准。结合混凝土冻融疲劳损伤方程模型,通过青砖室内冻融循环次数,再根据余红发课题组统计的自然冻融循环次数、日最低气温和日最大降温速度等指标,并使用地理信息系统软件TopMap7绘制出了青砖基于水冻、荷载、盐冻环境下的多种冻融寿命区划图。(4)运用自行设计建造的墙体加载装置研究了空斗墙体的受力机制及砌筑高度限值自行设计与建造了适于青砖空斗墙体力学性能测试的大型加载装置,最大可满足高4m×长4m的大型空斗墙体的受力性能实验。利用该大型墙体加载装置,分别对2种空斗墙和1种实砌墙体,不同高宽比与宽厚比共计13片墙体,开展了平面外及平面内加载实验,测试了墙体变形,应变和载荷等等指标。根据实验结果分析砌筑形式、高宽比、高厚比对平均弯剪承载力的影响规律。考虑空斗墙内部拉结强弱,建立带有两端实心砌筑墙段的空斗墙截面受力模型,计算其抗弯刚度,推导高宽比、高厚比和弯拉强度的理论表达式。将实验结果与理论对比,提出平均弯拉强度取值。根据不同风压和不同地震烈度计算作用效应,以本文研究得到的平均弯拉强度值为依据,推导出空斗墙体危险砌筑高度限值。研究结果表明空斗墙的破坏为弯拉破坏,且为脆性破坏。空斗墙砌体平面外受荷工况比平面内受荷工况危险,对高度限值起控制作用。对空斗墙维护结构,风荷载比地震作用影响更为明显。建议空斗墙围护结构设置独立的抗风支撑辅助结构。推导出了无周边拉结空斗墙,在一次连续砌筑高度不小于2m条件下的砌筑高度限值,大于此限值应设置周边拉结或抗风扶壁柱。