紅磚建筑粉化帶現象論文

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論文關鍵詞：土木工程紅磚墻體粉化毛細作用結晶膨脹

論文摘要：處于堿性環境（礦物質，無機鹽類成分相對多，有機物成分相對少）中的紅磚建筑，由于毛細作用，將地表的水分往上吸收，溶解在水中的鹽類同時上升，沉積在離地面0.5m-1.5m的范圍內，形成一個鹽類富集區域，其中的紅磚受到物理和化學腐蝕作用，再結合水分結冰膨脹，風化，雨淋等作用，日久會形成一個紅磚粉化帶，早于其他部位的失效。

1.引言

5.12四川大地震引起了我們對建筑物安全質量的關注，在8.0級地震面前，大部分的建筑物不堪一擊，尤其是農村，醫療、交通等條件的落后，導致一旦出現大規模的地震，農村的死傷就會比城市慘重。在中國的農村，建筑物普遍采用紅磚，其本身強度就比混凝土結構弱，導致農村的建筑更容易在地震中垮塌，但僅僅是因為紅磚不如混凝土就可以導致這一切嗎，其實不然，紅磚本身的性能并沒有發揮到極限也是一個重要的原因，換一種說法就是，少量的紅磚拖了整個建筑的后腿，這部分紅磚早早失去了它們在整個建筑中應該起到的作用。這篇論文中，我們從物理，化學等方面闡述紅磚建筑粉化帶的成因，并用實驗模擬紅磚粉化現象，以驗證其成因，最后，找出解決這一現象的辦法。

2紅磚簡介

紅磚是以粘土，頁巖，煤矸石等為原料，經粉碎，混合捏練后以人工或機械壓制成型，經干燥后在900攝氏左右的溫度下以氧化焰燒制而成的燒結型建筑磚塊。燒結普通磚的外形為直角六面體，其公稱尺寸為：長240mm、寬115mm、高53mm。我國傳統的青磚制作工藝是在燒成高溫階段后期將全窯封閉從而使窯內供氧不足，磚坯內的鐵離子被從呈紅色的三價鐵還原成青色的低價鐵而成青磚。據有關專家的研究，青磚在抗氧化，水化，大氣侵蝕等方面性能明顯優于紅磚，中國古代的“秦磚漢瓦”，能歷經上千年仍保存完好可見青磚性能優良。但是因為青磚的燒成工藝復雜，能耗高，產量小，成本高，難以實現自動化和機械化生產，所以輪窯及擠磚機械等大規模工業化制磚設備問世后，紅磚得到了突飛猛進的發展，而青磚除個別仿古建筑仍使用外，已基本退出歷史的舞臺，隨著科學技術的發展和人們環保意識的加強，不斷有新的各種免燒磚問世，但是專家們認為，迄今為止紅磚依然是性能最優良，舒適感最好的建筑墻材。在農村和中小城市，由于其經濟性，方便性以及諸如透氣性等建筑性能，在今后相當長的時間紅磚的地位，其他產品仍難以取代。

3粉化原理

紅磚成分主要為硅酸鹽，鐵的氧化物和有機酸鹽和無機酸鹽，其中有機酸鹽是紅磚原料中的有機物經過不完全燃燒和其他物質發生復雜的化學反應生成。有兩個原因導致紅磚的粉化失效，共同的條件是紅磚中要有水分：紅磚中有很多弱酸鹽，可以析出，而有機酸鹽呈弱酸性，容易與發生反應，導致紅磚本身結構成分發生變化，磚體體積發生變化，從而崩碎粉化，這屬于化學腐蝕；溶解在水分中的部分可以結晶的鹽類，如，等，在水分充足的時候，完全以離子的形式存在于溶液中，當水分從紅磚體表蒸發，這些鹽類先生成結晶水合物，如，，，，結晶的過程中，體積會膨脹，將紅磚破壞，這屬于物理腐蝕，其效果比化學腐蝕更為嚴重。這就是紅磚容易被堿性物質腐蝕的原因。講到這里我們就明白了為什么制造紅磚用的泥土要在露天堆放很久了。紅磚原料粘土堆在露天，經由日曬、雨淋，經過長久的時間才能使用，因為粘土中含有水溶性的堿、鹽類或有機物及雜物等，這些成分在紅磚的制造過程和使用過程中所發生的化學反應，不利用紅磚的壽命，因此粘土最好經由日曬、雨淋。雨水可溶解粘土中之堿、鹽類，日曬可風化、分解有機物及其他雜物，經長期之作用才可以供制造紅磚之用。但是由于紅磚制造周期短，生產粗放，量大占地多，故堆放過程只有幾個月到幾年的時間，相對于一些極品陶瓷的原料需要堆放幾十年的時間來說，前者只是很短的時間，所以能起到一定程度上的作用，并不能解決紅磚的弱酸怕堿特點，換一種說法就是，原料堆放過的紅磚，只是比原料沒有堆放過的紅磚，質量好些而已。

4粉化帶現象

這時候有人就說了，紅磚容易粉化失效的原因都弄明白了，大不了在使用過程中注意就是了，給所有的紅磚加上防護措施。這樣認為的話，難免有些魯莽，要想延長紅磚的使用壽命，不僅要明白紅磚本身的性能和缺陷，還要熟悉紅磚的具體使用情況，否則，會造成浪費，因為并非給所有的紅磚加上防護措施，才有最大的經濟價值。

我們不妨在農村做一個觀察，不難發現，年久的紅磚建筑，確實出現了紅磚粉化現象，以堿性土壤為地基的紅磚建筑發生粉化現象相對更早更嚴重。而且，細心觀察會發現一個有趣的現象，紅磚粉化帶既不位于環境最為復雜的地表，也不位于接受日光暴曬，風吹雨打最為嚴重的房檐附近，而是位于距離地表0.5m-1.5m的范圍內（如圖1）。任何一個整體的失效，取決于關鍵部分的最先失效。在紅磚建筑其他部位，甚至木質房梁，檁條等尚且完好的情況下，粉化帶的失效嚴重縮短了整個建筑的使用壽命，造成了建筑材料的浪費，甚至在某些特定條件下，紅磚粉化帶過早形成且粉化嚴重，極易在還未引起人們注意的時候引發事故，造成人員傷亡。所以說，粉化帶的紅磚，要給與特別處理，而其他部位的紅磚若要同等待遇的話，顯然會造成不必要的浪費。因此研究紅磚粉化失效現象，對合理利用建筑材料，提升建筑質量，以及保障人民生命財產安全，有著十分重要的意義。

接下來解釋一下，為什么粉化帶處于一個距離地表0.5m-1.5m左右的范圍內以及其具體的粉化過程。

假如一個紅磚建筑是空中樓閣，因為雨水的沖刷作用，其體內的可以導致粉化的成分只會越來越少，并不會出現明顯的粉化帶，紅磚普遍有較長的使用壽命。出現粉化帶很關鍵的一點就是，紅磚建筑建在了地面上。因為紅磚的毛細作用，水分沿著紅磚的氣孔上升，一直達到毛管力（一種牽引水分在毛細管道內上升的力）與水分本身重力平衡的高度，即毛細上升高度。我們可以通過一些學者研究的成果粗略計算下這個高度。

4.1計算法

H＝2σcosθ/rρg

式中：r——毛管半徑，m。

ρ----液體的密度，kg/m

g-----重力加速度m/s

σ----液體的表面張力牛頓/m

θ――為彎月面與毛管之間的夾角

當毛管完全濕潤時，θ=0o,常溫下σ=72.8×10－牛頓/m,ρ＝1，g=9.8m/s

則H＝15×10-/r(m)

其中，H為毛細上升高度，r為毛細管道半徑，參考粘土顆粒大小為0.5mm-0.005mm,取紅磚毛細管道直徑0.05mm，即半徑r=0.025mm，計算得H=0.6m。

這兩種方法的計算成果，大體符合0.5m-2.0m的范圍，當然，由于紅磚實際微小結構的復雜性，紅磚建筑周圍環境的復雜性，以及水分的蒸發等原因，現有的計算理論部足以得出一個精確的高度。

通過毛細作用到達粉化帶的水分，有兩個作用，一是溶解了各種可溶性的鹽類，產生了各種離子，發生化學反應，加快化學腐蝕，二是這些水分中本身就有各種可溶性鹽類，其中不乏能發生結晶反應的鹽類，這些外來的鹽類和紅磚磚體本身含有（相對少量）鹽類，被因為水分在紅磚體表的蒸發形成的微小水流運至表面，隨著水分的減少，先發生結晶反應，結晶水合物膨脹，使紅磚體表粉化，此時物理腐蝕完畢。水分繼續蒸發，結晶水和鹽類分離，即風化，當結晶水也風化完畢的時候，紅磚墻體上會留下一層白色的粉末，俗稱“泛堿”，單純的“泛堿”過程對紅磚沒有腐蝕作用。當然，在粉化失效的過程中，水分結冰膨脹，風吹，雨淋等作用，會起到加速紅磚粉化的效果。5.實驗模擬

下面通過一個簡單的實驗來模擬一下紅磚的粉化過程：

1.取一干凈的礦泉水瓶A，按照一勺堿面兌一碗水的比例，配置溶液，然后倒入礦泉水瓶，溶液深度約為2cm。取兩塊紅磚碎塊，體積約為1cm，洗凈，放入礦泉水瓶中，擰上蓋子，密封，然后使碎塊完全浸濕。此時溶液呈清澈狀（如圖2）。取一干凈的礦泉水瓶B，然后倒入純凈水，深度約為2cm。取兩塊紅磚碎塊，體積約為1cm，洗凈，放入礦泉水瓶中，擰上蓋子，密封，然后使碎塊完全浸濕。此時溶液呈清澈狀。

結果很明顯，礦泉水瓶A中紅磚碎塊的粉化情況比礦泉水瓶B中紅磚碎塊的粉化情況嚴重。這說明了化學腐蝕和物理腐蝕導致紅磚粉化的結論，是正確的。當然，粉化現象并不是在浸沒的時候發生的，讓碎塊浸沒在溶液中拍照，是為了讓紅磚粉末懸浮在溶液中，能更清楚的看到兩者粉化程度的對比。

6.總結及防護措施

明白了紅磚粉化現象的原理，要防止這一現象的發生，關鍵是阻止毛細作用和結晶膨脹，可以從材料和建筑結構下手。廣大的農民群眾和土木工程師，在實踐生產的過程中，總結出了幾套比較有效的防護措施。

1.粉化帶以及以下的墻體，使用抗粉化性能好的建材，如石材。石材，本身也具有孔隙，因此也會發生毛細現象，但是其抗粉化性能比紅磚強很多，因此，盡管一系列的腐蝕作用也會發生，但是粉化現象比紅磚墻體輕很多。這一措施沒有徹底解決該問題的原因在于石材等的成本比紅磚高很多，而且石材不能就地取材，尤其影響了其在平原地區的應用。

2.利用水泥，石灰等建材，做紅磚墻體的墻裙，高度至少覆蓋粉化帶，這一措施的優點是可以避免風吹雨淋對紅磚墻體的沖擊，減緩風化作用，進而減緩粉化作用，缺點是不能避免粉化現象，只不過看不到罷了，日積月累，紅磚粉末在夾層中積累，導致紅磚墻體和墻裙之間斷開粘結，墻裙脫落，這個時候觀察紅磚墻體，可以發現仍然會有粉化帶存在，粉化帶的失效依然早于墻體的其他部分。

3.地基注漿法。地基注漿是用液壓，氣壓或者或者電化學原理，通過注漿管把漿液（如凈水泥漿）均勻的注入土層中，填充，滲透和擠密土層，驅走土顆粒間的水分和氣體，硬化后將土顆粒粘結成一個強度大，壓縮性低，抗滲透性高和穩定性良好的整體。這種方法可以在很大程度上阻止毛細現象的發生，還可以使地基得到加固，防止沉降。但是對技術和設備要求較高，成本也較高，目前在農村沒有推廣開。

4.紅磚建筑物開始建造的時候，在墻體與地表之間，鋪一層防水材料，如塑料薄膜，油氈等，可以再一定程度上隔絕水分，但是由于防水材料不可能恰好位于地表與墻體的交界處，因此日久仍會有毛細現象，繼而引發粉化現象。

由此可見，迄今為止并沒有任何一種完全有效的防護措施被廣泛應用，因此，對成本低，易操作，可以普遍采用并且切實有效的紅磚建筑防粉化措施的探索，仍舊任重而道遠。

參考文獻

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