沙漠砂蒸壓加氣混凝土砌塊耐久性能試驗(yàn)研究

牛愛(ài)宏 王玉山，2，* 王 銳 廖 歡 周 陽(yáng) 王 迪

（1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子832000；2.新疆兵團(tuán)高烈度寒區(qū)建筑抗震節(jié)能技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，石河子832000；3.石河子大學(xué)理學(xué)院，石河子832000）

0 引 言

在村鎮(zhèn)建筑當(dāng)中，黏土磚扮演著重要的角色，但是黏土磚的開(kāi)發(fā)會(huì)造成能源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染。隨著國(guó)家現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，近些年來(lái)國(guó)家已經(jīng)大力禁止黏土磚的使用。由于蒸壓加氣混凝土砌塊具有節(jié)能、環(huán)保和質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)，并且在國(guó)內(nèi)外建筑中普遍應(yīng)用［1-2］。所以蒸壓加氣混凝土引起了建筑行業(yè)的關(guān)注。此外，當(dāng)前建筑用砂的供需矛盾日益突出［3-4］。何曉瑩［5］研究表明，天然砂石的開(kāi)采需要花費(fèi)大量的成本。對(duì)于擁有塔克拉瑪干沙漠和古爾班通古特沙漠的西北地區(qū)來(lái)說(shuō)，沙漠砂資源相當(dāng)豐富，因此利用沙漠砂研發(fā)的新型砌塊——沙漠砂蒸壓加氣混凝土砌塊［6］，對(duì)于村鎮(zhèn)建筑來(lái)說(shuō)，可以充當(dāng)一種良好的替代品。但是作為村鎮(zhèn)建筑的墻體材料，耐久性能是一個(gè)重要的因素。尤其在西北地區(qū)［7］，凍融破壞是主要的病害之一。趙振亞等研究表明［8］，北方地區(qū)冬季時(shí)間長(zhǎng)，凍融循環(huán)對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷是一個(gè)值得考慮的問(wèn)題。畢曉茜［9］研究表明，通過(guò)在蒸壓加氣混凝土中加入粉煤灰要比加入污泥，對(duì)試塊的耐久性能更好。在西北大多數(shù)地區(qū)的冬季非常寒冷，季節(jié)性融雪對(duì)于墻體材料的耐久性能是一個(gè)很大的考驗(yàn)。新疆南疆地區(qū)屬于寒冷地區(qū)。該地區(qū)的特點(diǎn)是常年雨量稀少，并且冬季降雪較少以及凍土層深度較淺。由于晝夜溫差較大以及季節(jié)性凍融，因此考慮研究新型砌塊——沙漠砂蒸壓加氣混凝土砌塊的耐久性能是非常有必要的。

本試驗(yàn)通過(guò)利用在實(shí)驗(yàn)室放置兩年的新型砌塊——沙漠砂蒸壓加氣混凝土試塊，通過(guò)研究不同體積密度的沙漠砂蒸壓加氣混凝土砌塊的耐久性能，目的主要是為能夠?qū)⒃摲N砌塊更好地應(yīng)用于新疆南疆地區(qū)村鎮(zhèn)建筑提供數(shù)據(jù)支撐。本試驗(yàn)研究主要包括B06 級(jí)、B07 級(jí)以及涂有正硅酸乙酯（TEOS）的B06 級(jí)試塊。通過(guò)對(duì)比分析在不同的凍融循環(huán)次數(shù)下，沙漠砂蒸壓加氣混凝土砌塊的質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失，并且對(duì)涂有正硅酸乙酯（TEOS）的試塊，通過(guò)SEM來(lái)觀察試塊的內(nèi)部滲透結(jié)晶反應(yīng)生成的形貌，對(duì)比分析不同種類的沙漠砂蒸壓加氣混凝土砌塊的耐久性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料和儀器

原材料：沙漠砂蒸壓加氣混凝土砌塊以沙漠砂、水泥、生石灰、石膏、發(fā)泡劑等為原材料，其基本配合比為：水料比0.6～0.65，各成分按質(zhì)量百分比，分別按沙漠砂：50%～60%，水泥：25%～35%，石膏：3%～5%，生石灰：5%～17%，發(fā)泡劑：0.1～0.3 kg/m3。配合比試驗(yàn)所用的沙漠砂取自新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第五師83 團(tuán)沙山子鎮(zhèn)，構(gòu)成成分如表1 所示。正硅酸乙酯TEOS（SIO2含量40%），無(wú)水乙醇，購(gòu)自天津富宇精細(xì)化工有限公司。

表1 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第五師83團(tuán)沙山子鎮(zhèn)沙漠砂成分構(gòu)成（%）Table 1 Composition ofdesertsand in the 83rd Regiment，83rd Regiment，Xinjiang Production and Construction Corps %

儀器：試驗(yàn)儀器為試驗(yàn)儀器廠生產(chǎn)的TDS-300 型凍融試驗(yàn)機(jī)；掃描電鏡（SEM），型號(hào)FEI Quanta FEG 650，美國(guó)FEI公司；300 kN的壓力機(jī)。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）試件制作：本研究采用兩種不同體積密度的沙漠砂蒸壓加氣混凝土砌塊B06 級(jí)、B07 級(jí)和涂有一層正硅酸乙酯（TEOS）的B06 級(jí)試塊進(jìn)行凍融試驗(yàn)研究。試驗(yàn)應(yīng)嚴(yán)格按照GB/T 11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》［10］進(jìn)行。沿著制品的發(fā)氣方向進(jìn)行樣品的制定。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 的立方體，尺寸允許偏差為±2 mm，每一組取立方體3塊；試塊逐塊編號(hào)，并標(biāo)明鋸取的部位和發(fā)氣方向，如圖1、圖2所示。

圖1 B06試塊的編碼Fig.1 B06 test block encoding

圖2 試塊發(fā)氣方向和鋸取部位Fig.2 Gas direction and sawing area of the test block

（2）試驗(yàn)步驟：試驗(yàn)步驟嚴(yán)格參照《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，規(guī)定試塊冰凍6 小時(shí)，融化5 小時(shí)為一次凍融循環(huán)，每一類試塊經(jīng)過(guò)力學(xué)測(cè)試后回收試樣，各取三類試塊的角部表層2～5 mm 樣品，用無(wú)水乙醇浸泡脫水處理 2～3 次，然后烘干至恒重，經(jīng)處理后用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察表面的形貌。對(duì)不同類別的試塊進(jìn)行凍融試驗(yàn)，每一組試塊與凍融前相比，確定該組試塊凍融后的質(zhì)量損失平均值和強(qiáng)度損失平均值，數(shù)據(jù)如表2 所示。試驗(yàn)結(jié)果參照《蒸壓加氣混凝土砌塊應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》［11］；對(duì)于寒冷地區(qū)凍融循環(huán)次數(shù)15 次時(shí)，以質(zhì)量損失≤5%；強(qiáng)度損失≤25%為標(biāo)準(zhǔn)。B06 級(jí)試塊以及涂有TEOS 的B06 級(jí)試塊經(jīng)過(guò)15 次凍融循環(huán)后部分損失嚴(yán)重，B07 級(jí)試塊損失較輕。

表2 不同凍融次數(shù)對(duì)試塊質(zhì)量損失以及強(qiáng)度損失影響結(jié)果Table 2 The results of different freezing and thawing times on the quality loss and strength loss of the test block

2 結(jié)果與討論

2.1 不同凍融次數(shù)對(duì)B06級(jí)和涂有TEOS的B06級(jí)試塊質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失的影響

圖3 為兩種類別的B06 級(jí)試塊在不同的凍融次數(shù)下所對(duì)應(yīng)的質(zhì)量損失。從圖中可以看到，隨著凍融次數(shù)的增加，試塊的質(zhì)量損失不斷增加。與對(duì)照組A組相比，從凍融循環(huán)5次到10次，兩者的質(zhì)量損失都大于0 且小于5%，超過(guò)10 次以后，對(duì)于涂有TEOS 的試塊在一定范圍內(nèi)質(zhì)量損失未超過(guò)5%，而對(duì)于未涂TEOS 的試塊，質(zhì)量損失很快大于5%。從整體來(lái)看，涂有TEOS 的試塊質(zhì)量損失要更小。原因可能是：涂刷TEOS 后，硅酸乙酯沿著孔隙進(jìn)入試塊的內(nèi)部，在孔隙內(nèi)水的作用下硅酸乙酯發(fā)生水解，即TEOS 中的O-C 鍵斷裂，同時(shí)與試塊內(nèi)部的Ca2+和OH-結(jié)合，生成新的物質(zhì)——乙醇和硅酸鈣，由于硅酸鈣的存在，導(dǎo)致試塊內(nèi)部的孔隙被堵塞［12-13］，使得試塊的質(zhì)量損失明顯減小。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，產(chǎn)生的乙醇由于易揮發(fā)，不會(huì)對(duì)試塊結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生負(fù)面影響，故不用考慮。

圖3 凍融次數(shù)對(duì)質(zhì)量損失的影響Fig.3 Effect of freeze-thaw cycles on quality loss

圖4 為兩種類別的B06 級(jí)試塊所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度損失。從圖中可以了解到，TEOS對(duì)于試塊在強(qiáng)度損失這方面的作用并不是很明顯，隨著凍融次數(shù)的增多，兩者的強(qiáng)度損失非常接近，接近于0.25左右。原因可能是隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，試塊表面脫落的比較嚴(yán)重，導(dǎo)致涂有TEOS 的試塊表面的生成物產(chǎn)生掉落，則凍融到后期，兩者的強(qiáng)度損失非常接近。原因可能是對(duì)于試塊所涂的TEOS層數(shù)不夠多，可以考慮多涂幾次或者采用浸泡的形式，提高試塊的耐久性。

圖4 凍融次數(shù)對(duì)強(qiáng)度損失的影響Fig.4 Effect of freeze-thaw cycles on strength loss

2.2 不同凍融次數(shù)對(duì)B07 級(jí)試塊的質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失的影響

圖5 為凍融次數(shù)對(duì)于B07 級(jí)試塊的質(zhì)量損失。從圖中可以看到，隨著凍融次數(shù)的增多，質(zhì)量損失呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。前期質(zhì)量損失相對(duì)較小，從凍融循環(huán)5 次至循環(huán)15 次時(shí)，質(zhì)量損失均小于1.5%，超過(guò)20 次以后質(zhì)量損失比較明顯，直到凍融循環(huán)至25 次時(shí)，已經(jīng)超過(guò)了5%。與B06 級(jí)試塊對(duì)比分析，B07的試塊的質(zhì)量損失相對(duì)更少。

圖5 凍融次數(shù)對(duì)質(zhì)量損失的影響Fig.5 Effect of freeze-thaw cycles on quality loss

圖6 為凍融次數(shù)對(duì)于B07 級(jí)試塊的強(qiáng)度損失。從圖中可以了解到，隨著凍融次數(shù)的增加，強(qiáng)度損失的曲線逐漸上升，當(dāng)凍融循環(huán)至25 次時(shí)，強(qiáng)度損失平均值接近于0.6%左右，滿足規(guī)范所規(guī)定的要求。因此，可以考慮將B07 級(jí)試塊推廣應(yīng)用于村鎮(zhèn)建筑墻體材料。

圖6 凍融次數(shù)對(duì)強(qiáng)度損失的影響Fig.6 Effect of freeze-thaw cycles on strength loss

2.3 不同類別的沙漠砂蒸壓加氣混凝土試塊的SEM表面形貌分析

B06 級(jí)沙漠砂蒸壓加氣混凝土試塊表面的形貌，見(jiàn)圖7（a）；涂有 TEOS 的B06 級(jí)沙漠砂蒸壓加氣混凝土試塊表面的形貌，見(jiàn)圖7（b）；B07級(jí)沙漠砂蒸壓加氣混凝土試塊表面的形貌，見(jiàn)圖7（c）。

從圖7（a）中可以看到，B06 級(jí)沙漠砂蒸壓加氣混凝土砌塊的結(jié)構(gòu)主要以層狀為主，層與層之間的結(jié)構(gòu)連接并不非常緊密，此外內(nèi)部的空隙較多，這樣導(dǎo)致B06 級(jí)試塊在受到外界荷載的作用時(shí)，承受荷載作用的時(shí)間并不是很長(zhǎng)；并且當(dāng)試塊處于凍融環(huán)境下時(shí)，孔隙中將會(huì)進(jìn)入大量的水，結(jié)冰膨脹使得試塊內(nèi)部的結(jié)構(gòu)遭到破壞。

圖7 SEM表面的形貌分析圖Fig.7 Morphological analysis of SEM surface

從圖7（b）中可以看到，當(dāng)對(duì)試塊表面涂有一層硅酸乙酯以后，試塊中的Ca2+與硅酸乙酯水解之后的硅酸進(jìn)行反應(yīng)，生成結(jié)晶物質(zhì)，讓試塊表面變得更加致密，這樣使得試塊的強(qiáng)度得到了增強(qiáng)。當(dāng)試塊經(jīng)過(guò)15 次凍融循環(huán)之后，其形成的結(jié)晶物質(zhì)遭到了破壞。說(shuō)明在長(zhǎng)期凍融循環(huán)作用下，表面致密的一層結(jié)晶物質(zhì)并不能長(zhǎng)期保存，將會(huì)導(dǎo)致耐久性能下降。

從圖7（c）可以看到，B07 級(jí)的沙漠砂蒸壓加氣混凝土砌塊的微觀結(jié)構(gòu)主要以大量的網(wǎng)狀存在并且非常規(guī)整，交叉共存，使得B07級(jí)試塊的強(qiáng)度得以增強(qiáng)。體現(xiàn)了B07 級(jí)試塊的耐久性相對(duì)要更好。

從圖7對(duì)比分析比較，B07級(jí)試塊內(nèi)部的結(jié)構(gòu)比B06級(jí)以及涂有TEOS 的B06級(jí)都要好，涂有一層TEOS 的B06 級(jí)試塊表面比未涂的表面更加致密。

3 結(jié) 論

（1）涂有TEOS 和未涂的B06 級(jí)試塊對(duì)比分析，當(dāng)凍融循環(huán)至15 次時(shí)，涂有TEOS 的B06 級(jí)試塊的質(zhì)量損失基本在6%左右，而未涂TEOS 的試塊質(zhì)量損失已經(jīng)超過(guò)了10%，可見(jiàn)涂有TEOS 的質(zhì)量損失明顯要小，但強(qiáng)度損失表現(xiàn)的并不理想，凍融循環(huán)至15 次時(shí)，兩者的強(qiáng)度損失接近于0.25%左右，其原因可能是由于試塊表面所涂TEOS 的層數(shù)不夠。如果考慮要將B06 級(jí)沙漠砂蒸壓加氣混凝土試塊應(yīng)用于村鎮(zhèn)建筑，可以考慮采用浸泡、多層或其他形式提高B06 級(jí)試塊的耐久性能。

（2）對(duì)于B07 級(jí)的沙漠砂蒸壓加氣混凝土試塊，當(dāng)凍融循環(huán)至25次時(shí)，質(zhì)量損失基本在5%以內(nèi)，強(qiáng)度損失基本在0.6%左右，強(qiáng)度損失和質(zhì)量損失均符合規(guī)范要求。因此，可以考慮將該種材料推廣應(yīng)用于村鎮(zhèn)建筑墻體材料。

（3）由以上三種試塊表面形貌可知，未涂B06級(jí)的試塊表面形貌孔隙比較多，并且結(jié)構(gòu)分布不是非常規(guī)整。而涂有TEOS 后，試塊表面變得更密，其原因可能是由于其水化產(chǎn)物硅酸與Ca2+結(jié)合，生成硅酸鈣結(jié)晶物質(zhì)，分布于試塊的表面。對(duì)于B07試塊，試塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常規(guī)則，交叉共存增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性能，反映了B07 的耐久性能相對(duì)前兩者表現(xiàn)要更好。