红砖建筑粉化带现象的研究.doc

红砖建筑粉化带现象的研究红砖建筑粉化带现象的研究李明乐大连海事大学机械设计系，辽宁大连（116026）摘摘 要：要：处于碱性环境（矿物质，无机盐类成分相对多，有机物成分相对少）中的红砖建筑， 由于毛细作用，将地表的水分往上吸收，溶解在水中的盐类同时上升，沉积在离地面 0.5m- 1.5m 的范围内，形成一个盐类富集区域，其中的红砖受到物理和化学腐蚀作用，再结合水分 结冰膨胀，风化，雨淋等作用，日久会形成一个红砖粉化带，早于其他部位的失效 关关键词键词： ：土木工程，红砖墙体粉化，毛细作用，结晶膨胀 中中图图分分类类号：号：TU503正文正文1. 引引 言言5.12 四川大地震引起了我们对建筑物安全质量的关注，在 8.0 级地震面前，大部分的 建筑物不堪一击，尤其是农村，医疗、交通等条件的落后，导致一旦出现大规模的地震， 农村的死伤就会比城市惨重在中国的农村，建筑物普遍采用红砖，其本身强度就比混凝 土结构弱，导致农村的建筑更容易在地震中垮塌，但仅仅是因为红砖不如混凝土就可以导 致这一切吗，其实不然，红砖本身的性能并没有发挥到极限也是一个重要的原因，换一种 说法就是，少量的红砖拖了整个建筑的后腿，这部分红砖早早失去了它们在整个建筑中应 该起到的作用。

这篇论文中，我们从物理，化学等方面阐述红砖建筑粉化带的成因，并用 实验模拟红砖粉化现象，以验证其成因，最后，找出解决这一现象的办法2. 红砖简介红砖简介红砖是以粘土，页岩，煤矸石等为原料，经粉碎，混合捏练后以人工或机械压制成型， 经干燥后在 900 摄氏左右的温度下以氧化焰烧制而成的烧结型建筑砖块烧结普通砖的外 形为直角六面体，其公称尺寸为：长 240mm、宽 115mm、高 53mm我国传统的青砖制作工 艺是在烧成高温阶段后期将全窑封闭从而使窑内供氧不足，砖坯内的铁离子被从呈红色的 三价铁还原成青色的低价铁而成青砖据有关砖家的研究，青砖在抗氧化，水化，大气侵 蚀等方面性能明显优于红砖，中国古代的“秦砖汉瓦” ，能历经上千年仍保存完好可见青砖 性能优良但是因为青砖的烧成工艺复杂，能耗高，产量小，成本高，难以实现自动化和 机械化生产，所以轮窑及挤砖机械等大规模工业化制砖设备问世后，红砖得到了突飞猛进 的发展，而青砖除个别仿古建筑仍使用外，已基本退出历史的舞台，随着科学技术的发展 和人们环保意识的加强，不断有新的各种免烧砖问世，但是专家们认为，迄今为止红砖依 然是性能最优良，舒适感最好的建筑墙材。

在农村和中小城市，由于其经济性，方便性以 及诸如透气性等建筑性能，在今后相当长的时间红砖的地位，其他产品仍难以取代3. 粉化原理粉化原理红砖成分主要为硅酸盐，铁的氧化物和有机酸盐和无机酸盐，其中有机酸盐是红砖原 料中的有机物经过不完全燃烧和其他物质发生复杂的化学反应生成有两个原因导致红砖的粉化失效，共同的条件是红砖中要有水分：红砖中有很多弱酸盐，可以析出OH，而有机酸盐呈弱酸性，容易与OH发生反应，导致红砖本身结构成分发生变化，砖体体积发生变化，从而崩碎粉化，这属于化学腐蚀；溶解在水分中的部分可以结晶的盐类，如24Na SO，23Na CO等，在水分充足的时候，完全以离子的形式存在于溶液中，当水分从红砖体表蒸发，这些盐类先生成结晶水合物，如242Na SO10H O，232Na COH O，232Na CO7H O，232Na CO10H O，结晶的过程中，体积会膨胀，将红砖破坏，这属于物理腐蚀，其效果比化学腐蚀更为严重这就是红砖容易被碱性物质腐蚀的原因讲到 这里我们就明白了为什么制造红砖用的泥土要在露天堆放很久了红砖原料粘土堆在露天， 经由日晒、雨淋，经过长久的时间才能使用，因为粘土中含有水溶性的碱、盐类或有机物 及杂物等，这些成分在红砖的制造过程和使用过程中所发生的化学反应，不利用红砖的寿 命，因此粘土最好经由日晒、雨淋。

雨水可溶解粘土中之碱、盐类，日晒可风化、分解有 机物及其他杂物，经长期之作用才可以供制造红砖之用但是由于红砖制造周期短，生产 粗放，量大占地多，故堆放过程只有几个月到几年的时间，相对于一些极品陶瓷的原料需 要堆放几十年的时间来说，前者只是很短的时间，所以能起到一定程度上的作用，并不能 解决红砖的怕碱特点，换一种说法就是，原料堆放过的红砖，只是比原料没有堆放过的红 砖，质量好些而已4. 粉化带现象粉化带现象这时候有人就说了，红砖容易粉化失效的原因都弄明白了，大不了在使用过程中注意 就是了，给所有的红砖加上防护措施这样认为的话，难免有些鲁莽，要想延长红砖的使 用寿命，不仅要明白红砖本身的性能和缺陷，还要熟悉红砖的具体使用情况，否则，会造 成浪费，因为并非给所有的红砖加上防护措施，才有最大的经济价值 我们不妨在农村做一个观察，不难发现，年久的红砖建筑，确实出现了红砖粉化现象， 以碱性土壤为地基的红砖建筑发生粉化现象相对更早更严重而且，细心观察会发现一个 有趣的现象，红砖粉化带既不位于环境最为复杂的地表，也不位于接受日光暴晒，风吹雨 打最为严重的房檐附近，而是位于距离地表 0.5m-1.5m 的范围内（如图 1） 。

任何一个整体 的失效，取决于关键部分的最先失效在红砖建筑其他部位，甚至木质房梁，檩条等尚且 完好的情况下，粉化带的失效严重缩短了整个建筑的使用寿命，造成了建筑材料的浪费， 甚至在某些特定条件下，红砖粉化带过早形成且粉化严重，极易在还未引起人们注意的时 候引发事故，造成人员伤亡所以说，粉化带的红砖，要给与特别处理，而其他部位的红 砖若要同等待遇的话，显然会造成不必要的浪费因此研究红砖粉化失效现象，对合理利 用建筑材料，提升建筑质量，以及保障人民生命财产安全，有着十分重要的意义接下来解释一下，为什么粉化带处于一个距离地表 0.5m-1.5m 左右的范围内以及其具 体的粉化过程 假如一个红砖建筑是空中楼阁，因为雨水的冲刷作用，其体内的可以导致粉化的成分 只会越来越少，并不会出现明显的粉化带，红砖普遍有较长的使用寿命出现粉化带很关 键的一点就是，红砖建筑建在了地面上因为红砖的毛细作用，水分沿着红砖的气孔上升， 一直达到毛管力（一种牵引水分在毛细管道内上升的力）与水分本身重力平衡的高度，即 毛细上升高度我们可以通过一些学者研究的成果粗略计算下这个高度4. 1 计算法计算法H＝2σcosθ/rρg式中： r——毛管半径，m。

ρ----液体的密度，kg/m 3g-----重力加速度 m/s 2σ----液体的表面张力 牛顿/mθ――为弯月面与毛管之间的夹角当毛管完全湿润时，θ=0o,常温下 σ=72.8×10－牛顿/m, ρ＝1，g=9.8 m/s72则 H＝15×10-/r (m)6其中，H 为毛细上升高度，r 为毛细管道半径，参考粘土颗粒大小为 0.5mm-0.005mm, 取红砖毛细管道直径 0.05mm，即半径 r=0.025mm，计算得 H=0.6m4.2 实验法实验法这两种方法的计算成果，大体符合 0.5m-2.0m 的范围，当然，由于红砖实际微小结构 的复杂性，红砖建筑周围环境的复杂性，以及水分的蒸发等原因，现有的计算理论部足以 得出一个精确的高度 通过毛细作用到达粉化带的水分，有两个作用，一是溶解了各种可溶性的盐类，产生 了各种离子，发生化学反应，加快化学腐蚀，二是这些水分中本身就有各种可溶性盐类， 其中不乏能发生结晶反应的盐类，这些外来的盐类和红砖砖体本身含有（相对少量）盐类， 被因为水分在红砖体表的蒸发形成的微小水流运至表面，随着水分的减少，先发生结晶反 应，结晶水合物膨胀，使红砖体表粉化，此时物理腐蚀完毕。

水分继续蒸发，结晶水和盐 类分离，即风化，当结晶水也风化完毕的时候，红砖墙体上会留下一层白色的粉末，俗称 “泛碱”， 单纯的“泛碱”过程对红砖没有腐蚀作用当然，在粉化失效的过程中，水分 结冰膨胀，风吹，雨淋等作用，会起到加速红砖粉化的效果5.实验模拟实验模拟下面通过一个简单的实验来模拟一下红砖的粉化过程：1.取一干净的矿泉水瓶 A，按照一勺碱面兑一碗水的比例，配置23Na CO溶液，然后倒入矿泉水瓶，溶液深度约为 2cm取两块红砖碎块，体积约为 1cm ，洗净，放入矿泉水瓶中，拧上盖子，密封，然后使碎块完全浸湿此时3溶液呈清澈状（如图 2） 取一干净的矿泉水瓶 B，然后倒入纯净水，深度约为 2cm取两块红砖碎块，体积约为 1cm ，洗净，放入矿泉水瓶中，拧上3盖子，密封，然后使碎块完全浸湿此时溶液呈清澈状2.将矿泉水瓶 A 和 B 平放，盖子一端稍微向下倾斜，使底部的碎块完全与溶液 分离，置于阳光下，从 8：10 维持至 20：00，这样做的作用是促进结晶膨胀 将矿泉水瓶 A 和 B 正放，使碎块完全浸湿，置于冰箱中，温度为零下 10 摄氏 度，从 20：10 维持至 8：00，这样做的作用是通过结冰膨胀使效果更明显， 迅速。

观察 3.重复第 2 步骤，维持 20 天如图 3 所示，从左到右分别为第 5 天和第 15 天 的情况4.对比矿泉水瓶 A 和 B，得出观察结论如图 4 所示，为第 20 天的情况其 中左边为矿泉水瓶 A，右边为矿泉水瓶 B）结果很明显，矿泉水瓶 A 中红砖碎块的粉化情况比矿泉水瓶 B 中红砖碎块的粉化情况 严重这说明了化学腐蚀和物理腐蚀导致红砖粉化的结论，是正确的当然，粉化现象并 不是在浸没的时候发生的，让碎块浸没在溶液中拍照，是为了让红砖粉末悬浮在溶液中， 能更清楚的看到两者粉化程度的对比6. 总结及防护措施总结及防护措施明白了红砖粉化现象的原理，要防止这一现象的发生，关键是阻止毛细作用和结晶膨 胀，可以从材料和建筑结构下手广大的农民群众和土木工程师，在实践生产的过程中， 总结出了几套比较有效的防护措施 1.粉化带以及以下的墙体，使用抗粉化性能好的建材，如石材石材，本身也具 有孔隙，因此也会发生毛细现象，但是其抗粉化性能比红砖强很多，因此，尽 管一系列的腐蚀作用也会发生，但是粉化现象比红砖墙体轻很多这一措施没 有彻底解决该问题的原因在于石材等的成本比红砖高很多，而且石材不能就地 取材，尤其影响了其在平原地区的应用。

2.利用水泥，石灰等建材，做红砖墙体的墙裙，高度至少覆盖粉化带，这一措施 的优点是可以避免风吹雨淋对红砖墙体的冲击，减缓风化作用，进而减缓粉化 作用，缺点是不能避免粉化现象，只不过看不到罢了，日积月累，红砖粉末在 夹层中积累，导致红砖墙体和墙裙之间断开粘结，墙裙脱落，这个时候观察红 砖墙体，可以发现仍然会有粉化带存在，粉化带的失效依然早于墙体的其他部 分 3.地基注浆法地基注浆是用液压，气压或者或者电化学原理，通过注浆管把浆 液（如净水泥浆）均匀的注入土层中，填充，渗透和挤密土层，驱走土颗粒间 的水分和气体，硬化后将土颗粒粘结成一个强度大，压缩性低，抗渗透性高和 稳定性良好的整体这种方法可以在很大程度上阻止毛细现象的发生，还可以 使地基得到加固，防止沉降但是对技术和设备要求较高，成本也较高，目前 在农村没有推广开 4.点滴化学注浆技术，采用气球密封注入前端 BCIT 构造，可有效解决注入过程 中浆液外溢现问题，更重要的是实现了在建筑物的顶部及其附近由下而上的注 浆加固但是由于此种方法对设备要求，操作要求很高，成本也很高，所以目 前只用于文物遗址保护 5.红砖建筑物开始建造的时候，在墙体与地表之间，铺一层防水材料，如塑料薄 膜，油毡等，可以再一定程度上隔绝水分，但是由于防水材料不可能恰好位于 地表与墙体的交界处，因此日久仍会有毛细现象，继而引发粉化现象。

由此可见，迄今为止并没有任何一种完全有效的防护措施被广泛应用，因此，对成 本低，易操作，可以普遍采用并且切实有效的红砖建筑防粉化措施的探索，仍旧任重而 道远参考文献参考文献[1] 孟召平，潘洁男等.含水量对沉积岩石理学性能及其冲击倾向性的影响［J］.岩石力学与工程学报.科学出版社.2009/5：2637[2] 赵柱刚.地基。