红砖建筑粉化带现象的研究

　　 论文 关键词：土木工程　红砖墙体粉化　毛细作用　结晶膨胀

　　论文摘 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。

　　1. 引 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。据有关专家的研究，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
　　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，而有机酸盐呈弱酸性，容易与发生反应，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 ， 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 ， ， ， ，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，并不能解决红砖的弱酸怕碱特点，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
　　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。

（图1）

　　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
　　h＝2σcosθ/rρg

　　式中： r——毛管半径，m。

　　ρ----液体的密度，kg/m

　　g-----重力加速度 m/s

　　σ----液体的表面张力 牛顿/m

　　θ――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/s

　　则 h＝15×10 - /r (m)

　　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=0.6m。

　　4.2实验法
砂土的毛细上升高度的测定

（卡明斯基管观测法）

粒粗（毫米）

毛细上升高度（厘米）

达到最大高度的时间（昼夜）

5—2

3.5

3

2—1

6.5

4

1—0.5

13

6

0.5—0.1

25

8

0.1—0.05

105

72

0.05—0.025

266

300

　　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
　　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，拧上盖子，密封，然后使碎块完全浸湿。此时溶液呈清澈状。

（图2）

　　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。

(图3)

　　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）

(图4)

　　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
　　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.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

[1] 李泉.水文地质学基础实验ppt.2008.7.7

[2] 赵柱刚.地基注浆加固.春报. ，2008.10.30

[3] 佚名. . ，2009.8.6

[4] 佚名.红砖. ，2009.8.5

[5] 佚名.随说陶土. blog/static/2568521520071029115220423/ .2009.8.7

[6] 佚名.毛细水的运动. .2008.8.7

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