矿物学与烧结砖瓦生产(十九).pdf

捧 l1菇 识 谱 座 5 c c I I 1I c 1 0 0 6 f 矿物学与烧结砖瓦生产 十九 湛轩 业 l 6 4 4 干吸附法及烟气冷凝产生的反应物 的回收 利用 干吸附及烟气冷凝产生的反应物有 氟化钙 硫酸钙 亚硫酸钙及碳酸钙 研究结果表 明这些反 应物可用作 a 作为土壤调节料是完全可行的 从 园艺观点 看 残余物放置l O 年后 会改善土壤结构 试验表明 它对植物无破坏 由于只有少量 的残余物可以得到 利用 即每年只能利用废料储存坑 中的一部分 建 议使用废弃 的粘土坑作为这些反应物 中间储存 此 后可用于农业或森林地带 的改 良 b 作为制砖粘土添加料 只要C a S O 不引起砖泛 霜 在砖原料 中加入少量的这种反应物是可行 的 但可能会有大量 的F 释放 可通过增加喷入烟气 中 的石灰量来抵消 生产屋面瓦及缸砖时建议不加入该类添加料 这是 因为可能会有泛霜现象 出现 影响外观 但在 高温 1 I O 0 C 以上 下焙烧 缸 砖 时 C a S O 分 解 不会形 成泛霜现象 但加入烧结砖瓦原材料中不是一种非 常有效的解决方法 1 6 5 烧 结砖 瓦产品 的湿膨 胀 l 6 5 1 烧结砖瓦产品湿膨胀的概念 烧结砖瓦产品 湿膨胀 产生的原因和机理 是 半个 多世纪以来一直困扰着研究者的难题之一 因 此也引起 了国际上一些学者浓厚的兴趣 自上世纪 5 O 年代初人们发现烧 结砖瓦产 品的湿膨胀现象 以 来 对 湿 膨胀 问题 的研 究一 直 在 进行 因 为研 究 湿 膨胀问题 对烧结砖瓦产 品的生产 应用及建筑设 计都有着十分重要的实际意义 对烧结砖瓦产品来讲 尺 寸的稳 定性非常重 要 然而 某些制品 砖 上釉砖 上釉屋面瓦 墙地 砖 铺地砖等 使用 了很长时间后仍然膨胀 不 同类 型的烧结砖瓦产品线性湿膨胀大小 在两年 内可从 0 0 0 4 增长 到O 1 8 6 如果5 0 m长 的墙 出现O 1 的膨胀 墙的总长度就会增大5 c m 这种在长度上的 变化亦能产生严重 的结构破坏 有湿膨胀 内因的烧 结砖瓦产品如暴露在正常环境 中 湿膨胀在前6 个 月增加很迅 速 之后随时间 的延续 增加 速度逐渐 减缓 但是某些产品在5 O 年之后还会 出现湿膨胀 由于湿膨胀的作用力 在许多建筑物外表面 出现饰 面层裂缝 剥落 特别是外墙饰面 的建筑物 由于饰 面剥落造成的事故屡见不鲜 有的建筑物f 如砖砌围 墙 墙体上 出现 了 莫名其妙 的裂纹 对上釉 的烧结砖瓦产品 湿膨胀是使用 中最危 险的因素 即使在生产中将坯体和釉料的热膨胀系 数调整到 了极好 的配合状态 也就是釉面处于压应 力 的状态下 由于使用 中产品基体层湿膨胀的出 现 仅在基体长度上 的增加 就可能完全 抵消了这 种 压应 力 最 后 使釉 面 层 处于 受 拉状 态 这 种 情况 的出现 也许是一年或更长 的时间 随后整个 釉面 层会 出现龟裂 如果上釉制品基体的强度不是很高 如上釉 的建筑用砖 粘土质屋面瓦等 龟裂裂纹 将会延伸到产品的内部 釉面层就易出现剥落 湿 膨胀的负面作用在上釉的多孔饰面砖 外墙饰面条 形砖 琉璃砖 瓦 上釉屋面瓦等产 品上表现的特别 敏感 烧结砖瓦产品湿膨胀出现 的过程及作用力 对那些用标准检验方法是合格的上釉产品 如急冷 急热性能和抗冻性 但是用于建筑后则 出现釉面 龟裂剥落现象是一种较合理的解释 湿膨胀的作用力 在烧结砖 瓦产品内部增大了 内应力 某些局部的内应力由于微观裂纹的存在而 降低 这种 内应力的降低 事实上也证明了烧结砖 维普资讯 瓦产品的湿膨胀仅有少部分是可逆的 因为各种烧 结砖瓦本身就有一定数量的显微裂纹 湿膨胀的作 用力增大了这种裂纹 的数量 进一步削弱了产品的 强度 现已发现 烧结砖 瓦产品经蒸压处理后强度 常常是降低的 并且产品的抗冻融能力也降低 这 是由于蒸压处理加速了烧结砖瓦产品 湿膨胀 出 现 的进程 加工粗糙 的烧结砖瓦产品 如砌墙砖 湿膨胀 的作用力进一步增加了显微裂纹的数量 在使用一 定 时 间 后 发展 成 为 宏 观 裂缝 严 重 者 可导 致 产 品 完 全破坏 基于上述原 因 对湿膨胀 的研究 已从最早的烧 结砖发展到了上釉屋面瓦 快速焙烧的墙地砖等方 面 研究的手段也 日趋现代化 如利用各种热分析 方法 D T A T G 热膨胀分析 X 一 射线衍射分析 电子 显微镜分析等手段 从矿物学的观点上去研究湿膨 胀 而有的学者则通过数学推理 计算 结合对产 品 蒸压处理从动力学角度去研究湿膨胀 总之 无论 用 什 么手段 和 方法 人 们 总是想 探 究引 起湿 膨胀 现 象的机理 寻求 出水与烧结砖瓦产品中哪些组分作 用 从 而找到控制或抑制温膨胀 的方法 以指导实 际生产和应用 相信随着研究的深入发展 湿膨胀 也许会成 为烧结砖瓦产 品标准检验 中一项评价质 量的指标 如对高掺量粉煤灰烧结砖 1 6 5 2 烧结砖瓦产品湿膨胀机理的讨论 1 水 的结构特性与硅酸盐物质表面的化学 吸 附 虽 然众 多 研 究 者 对 湿膨 胀 机理 的解 释 各 不 相 同 直到现在还不能够确切地知道引起湿膨胀 的全 部机理 如水分子究竟与哪些组分或矿物相互作用 而促使湿膨胀 的出现 但是湿膨胀是在必须有水分 子参与和作用 下才能出现的一种物理 化学现象 因而有必要对水分子的结构特性和硅酸盐物质表 面吸附性能进行简要叙述 水分子是 由一个氧原子和两个氢原子组成 每 个氢原子给出仅有的一个电子 在水分子结构中有 氖 核 存 在 即水分 子是 以氢键 结合 的液 体 水 分 子是有极性的 它是一种有最佳结合方向的特殊形 状的分子 因此水分子也是一种缔合液体 它能与 许多固体物质直接发生反应形成结晶水 或直接进 入非晶相 或形成胶体状物质 这种作用在硅酸盐 工业 中特别重要 如水泥水化 硬化 C a O和熟石膏 的水化等 只 讲 座 科 S C N 烧结砖 瓦产 品是一类有大量微孑 L 体系的烧结 材料 它对水分子的吸附能力很强 这种吸附有物 理吸附 也有化学吸附 对湿膨胀而言 物理吸附的 作用可不考虑 因为在烧结砖瓦产 品中的物理吸附 水可 由抽真空或加热到1 1 0 时即可排出 在制品中 不会引起永久性 的湿膨胀 现在普遍认为只有化学 吸附水才能引起永久性的湿膨胀 因为化学吸附水 只能在7 0 5 或者更高温度下才能排出 2 无 定形硅酸盐物质 非 晶质 的化学吸附水 引起 的湿膨 胀 部分研究者认为 湿膨胀是由于烧结砖瓦产品 内部存在的无定形硅酸盐物质 晶质或结 晶程度 很差 对水的化学吸附所引起 并且认 为 在湿膨胀 期间 硅酸盐物质与水作用形成晶体的水化产物的 观点是不能成立 的 而是化学吸附水在非 晶质硅酸 盐物质表面f 指产品中的玻璃相 上产生了非晶质的 水化产物层引起 了湿膨胀 也有的指出 非晶质物 质有着高 的表面能 为了降低其表面能 它要求有 某种相邻的配位离子或分子来平衡 当吸附了极性 水分子后 其表面能降低 由于表面能降低 的松弛 而引起 了湿膨胀 这里研究的物质是非晶质或是结 晶程度非常差的硅酸盐物质 例如在高温时硅酸盐 矿物 如偏高岭石 转化期生成的晶相 有缺陷 和玻 璃相 关于焙烧后产品中其它结晶相是否会有水化 反应 引起 同样的松弛现象需进一步研究 烧结砖 瓦产 品中非 晶质硅酸盐物质和玻璃相 的存在 是诱发湿膨胀的起因 因此在 其原材料选 择 配料以及焙烧方法及高温焙烧 中形成的矿物相 和玻璃相的量要有所认识 这涉及到原材料中的矿 物组成 例如原材料中N a 0和K 2 0 都能导致非晶相 形成 氯化 N a C 1 在焙烧过程中极易出现熔融 它 可率先在产品内形成相当数量的不稳定的玻璃相 类似这样 的熔融体生成 的玻璃相在冷却 中以薄膜 和纤维状的形式分散遍及整个产品内部 扩大 了对 潮湿空气 中水分子吸附的表面面积 使湿膨胀的程 度加剧 产品中氧化钠 N a O 的存在 其熔融体的作 用会引起物体凝结 结果使到达产品表面的水蒸气 进入产品内部微孑 L 和毛细孑 L 的机会减少 熔融体填 充毛细孑 L 的作用 使含有氧化钠的产品在短期 内可 以减少湿膨胀 的程度 但是研究发现 湿膨胀的作 用会持续很长时间 也许是5 0 年或更长 因而 含有 氧化钠的玻璃相可引起长期的湿膨胀作用 氧化钾 K 2 0 的存在 首先 由于它延缓了硅铝酸盐 的晶化 维普资讯 捧 知 识 讲 座 5 c ff cf ff c l 0 f 0 6 f 臻 簿 臻 一 使得在某段高温情况下有大量的非 晶质物质存在 而这样的非 晶质物质极易产生熔融 结果在产品中 形成玻璃相 所以K O 含量过高 的产品 其湿膨胀程 度也 就 大 已观察到多孑 L 玻璃制品有着很高的湿膨胀 大 大超过 了那些在烧结砖 瓦产品中所 遇到的湿 膨胀 值 多孔玻璃制品甚至 当非极性分子被吸附时它们 也膨胀 这也是对产品非晶质硅酸盐物质或玻璃相 引起湿膨胀的一个有力的旁证 3 焙烧 中新形成的结晶相 的水化反应 引起 的 湿膨 胀 含有碳酸钙 的烧结砖 瓦产品原材料 特别是高 石灰质坯体在焙烧 的高温环境下 除与二氧化硅连 续反应 同时也与坯体 中的硅铝酸盐反应 生成钙 黄 长石 2 C a O A 1 0 S i 0 2 钙 长石 C a A I S i z 0 8 这些 产物是C a C O 分解后的石灰 C a O 与脱去羟基后的粘 土矿物反应形成的 当C a O的含量达2 0 或更高一 些时 一旦碳酸盐分解就生成钙黄长石 从 反应开 始钙黄长石就增加 直到约 1 1 0 0 在此期间 钙黄 长石开始和来 自原材料中的石英反应 在约1 0 0 0 C 时形成C a S i O 钙黄长石释放 出来的氧化铝 晶化成 为刚玉 因此 经合理焙烧后 的高石灰质坯体 中最 终 的物相 是 石 英 钙 黄 长石 假 硅 灰 石 刚 玉 赤铁 矿等 这类坯体直到1 I O 0 C 没有出现熔融 因而这种 类型的制 品中没有玻璃相 但 是有学者研究表明 这类制 品仍有较 大的湿 膨胀 因此 认为是制 品中 的最终物相 中的钙黄长石在吸附了水之后 形成 了 新的水化产物所致 其水化反应如下 2Ca O A 1 2 O3 Si O2 8 H2 O 2 Ca O Al 2 O3 Si O2 8 H2 O 该反应表现为膨胀或是前述 中的松弛现象 而 反映在制品上是湿膨胀值 的增加 实际上在烧结砖 瓦产品中 原材料 内含有 的氧化钙值很 少有超过 1 5 的 但是焙烧中如果氧化钙与粘土矿物反应不 完全 或是 因为氧化钙颗粒太大 不能充分反应 以 石灰或过烧石灰形式 留在制品中 同样对制 品产生 很大的破坏作用 因为这些未参 与反应的氧化物暴 露在潮湿环境下 将与空气 中的水分子产生水化反 应 同样可导致制 品湿膨胀 的出现 严重的可迅速 引起制品的破坏 这通常称为 石灰爆裂 在焙烧过程 中未参与反应 的石灰称 之为游离 C a O f C a O f C a O 是某些快速烧成制品中引起湿 膨胀的主要物质 而焙烧后制 品中f C a O 是未参与 反应的残 留物 残留卜C a O量的大小则 主要取决于 碳酸钙的颗粒尺寸和焙烧温度 而与原材料 中总氧 化钙含量高低 的关系为其次 因为焙烧过程中氧化 钙与粘土 中矿物质的反应为固相反应 在 固相反应 中 两种反应物 的颗粒必须相互接触 当以热的形 式加给足够能量时 反应就可以进行 这种能量就 是激活能 如果C a O与S i 0 的颗粒在这种高能状态 下接触反应中首先形 成的产物是C a S i O 随着反应 的进行 由于反应距离不断增加 从产物层上分离 出反应颗粒 直到反应物颗粒 的产物层被耗尽 由 于阳离子通过反应产物层 的扩散 使反应继续进 行 但 因为扩散 的路径随时 间而延长 反应的速率 降低 通过 以上分析可知 最终制 品中是否会 有f C a O的残 留物 主要 取决 于 制 品中碳 酸盐 颗 粒 的大 小 焙烧温度的高低 高温持续时问的长短 如原料 中较大的碳酸钙颗粒在分解后不能完全参与反应 首先是反应 生成 面的C a O阻止 了反应的深入进行 反应产物层变得太厚 焙烧过程不可能无限延长 最终就会在制品中留下引起膨胀的f C a O 4 原材料 中碱金属氧化物对湿膨胀的影响 如前所述 碱金属氧化物 中K 0 N a 0 是存在于 烧结砖瓦产品原料中最常见的物质 而这两种物质 无论 是 以什 么形 式 的矿 物相 存 在 于坯 体 中 在高 温 焙烧过程 中极易 出现熔融 形成液相 在冷却后 的 最终产品中以玻璃相存在 导致 了湿膨胀的产生 氧化钾还会在焙烧过程 中延缓硅铝酸盐的晶化 影 响稳定物相 的生成 使湿膨胀值增大 见前述 但 是烧结砖 瓦产品在一定意义上讲是受地域性或原 材料来源的限制 原材料 中K 0 N a 0的含量很难限 定在某一范围内 因此原材料中此种成分大量存在 时 对上釉产品如屋面瓦来说 是一种潜在 的影响 耐久性的因素 但是K 0和N a 0的含量应控制在什 么样 的范 围内 与它们伴生的矿物量的大小及种 类 焙烧温度 的高低及液相量生成 的多少需要进一 步研究 这些 因素都影响着湿膨胀 最小的碱金属离子锂 与本族元素形成的情况 正好相反 当碳酸锂加入到原材料 中后 在未出现 熔融之前就生成有结晶体 的锂硅铝酸盐物质 它促 进 了制品稳定的结晶相 的生成 在烧结砖瓦产品中 可降低湿膨胀 5 原材料中碱土金属的碳 酸盐及硫酸盐对湿 膨 胀 的影 响 碱土金属 的碳酸盐物质虽然在通常 的烧结砖 雪 维普资讯 产品中的总量是少数 但是在焙烧过程中它们却 响着 一 系 列 重要 的反 应 过 程 及最 终 产 品 中物相 的生成 C a C O Mg C O 在焙烧过程中 分解后的氧化 物会立 即与原材料中的石英及硅铝酸盐之间发生 固相反应 生成一系列对制品强度和耐久性有重要 影响的物质 如前所述 如果焙烧方法或温度不当 或因原料 中碳酸盐 的颗粒尺寸太大 最终在产品形 成了具有水化反应能力的物相 如钙黄长石 f C a O 等 使湿膨胀值增大 但是研究 已证明 只要高石灰 质原材料 中碳酸盐物质的颗粒很细且分布均匀 加 之原材料处理得当 同样 呵生产出高质量产品 并 减少湿膨 胀 碱土金属氧化物f 来 自碳酸盐 如钙 镁 锶 钡 氧化物都能够迅速地促使与铝硅酸盐物质的反应 使其在较低温度下形成很好的晶体 减少了非晶质 铝硅酸盐物质的含量 由于这种类型的产品中玻璃 相含量很低 可大幅度地减少湿膨胀 虽然这类制 品的吸水率增加 但是仍然保持有 良好 的抗冻性 能 此外 这类物质可增加制品的线性热膨胀系数 这 对 施加 低 温 釉 的 产 品 如 上 釉屋 面瓦 快 速烧 成 墙 地砖 来说 坯 体较 高 的热 膨胀 系数 对釉 面 的 耐久 是 有很大益 处 的 通过上述分析可知 碱土金属氧化物是否能够 引起湿膨胀 关键在于其碳酸盐在原材料 中的分布 状态 及焙烧过程所形成的最终产物 如在一些高 石灰质含量的粘土和页岩原材料 中 当原材料制备 和焙烧适 当时 出现的湿膨胀就可以忽略不计 焙 烧方法 及温 度对湿 膨胀 也有 直接影 响 前 文 中叙 述 的阿累尼乌斯方程式可对碱土金属氧化物与铝硅 酸盐 之间 的反应 已作解 释 温度上稍有增加 则会引起反应速度上大的增 长 换言之 要使碱土金属氧化物 f 主要是C a O和 Mg O 充分地与铝硅酸盐反应 则须提高烧成温度或 延长时间 如在高石灰质原料和页岩制品中 提高 烧成温度和保温时间 就可大幅度降低f C a O的含 量 而在低温下生成 的钙黄长石 如前所 述 在 I O 0 0 C 以上 时 与二 氧 化硅 反 应 形 成C a S i O 并 释 放 A 1 O A 1 O 晶化成为刚玉 这些产物均不会形成湿 膨胀 但是焙烧温度的提高也应根据原料中各种矿 物成分 制品性能综合确定 温度太高时也会引起 碱土金属的硅酸盐物质的熔融 出现液相 原料 中硫酸盐 3 C a S O 在大多数烧结砖瓦产 品的焙烧温度范围内 9 5 0 1 1 0 0 不能完全参与反 重 O横 L O G Y 应 也不会完全分解 即使未反应 的硫酸盐是微量 的 当制 品 暴 露 在潮 湿 环 境 中时 由于 这种 盐 的吸 湿溶解 会引起制 品内部松弛现象 即表现为湿膨 胀 当这些溶解后的硫酸盐 由水溶液带到制品表面 时即 出现 泛 霜 碳酸盐亦会引起 同硫酸盐一样的松弛现象 因 在焙烧过程或干燥过程 中 来 自原料或燃料中硫化 物 F e S 2 的S O 一 S O 气体会与碳酸盐反应形成可溶解 的硫 酸盐 6 产品中孑 L 隙率对湿膨胀的影响 产品中微孑 L 结构及体积显然影响着湿膨胀 因 为高孑 L 隙率 的产品使水分子容易渗入到物体 内部 物质表面上 制品孑 L 隙的大小也关系到制品吸水率 的大小 然而试验研究 的数据和资料表明 在湿膨 胀方面原材料成分的影响超过了孑 L 隙率的影响 例 如在伊利石质原材料 中 K 2 0 含量高 产品的吸水率 仅为1 0 5 对产品进行蒸压处理后 其线性湿膨胀 达0 1 9 5 而高石灰质 经合理 的原材料处理和焙 烧后 的砌墙砖吸水率达1 6 1 同时蒸压处理后的线 性 湿膨胀 值仅 为 0 0 0 8 总 的来讲 湿 膨 胀 出现 的速度 取 决 于制 品 的孑 L 隙率 而湿膨胀的大小程度则取决于焙烧制品的化 学成分和矿物成分 1 6 5 3 湿膨胀 的研究方 法 和实例 烧结砖 瓦产品的湿膨胀现象在 自燃环境下持 续很 长 时 间 已观察 到某 些砖 的湿膨 胀 可持续 发 展 5 0 年 因而 人们一直探索使用一定的设备和试验 方法 如 同制品的抗冻性一样能够事先预测和检验 产品的性能 从 目前所掌握的研究文献上看 各国 均没有 一 套 固定 的标准试 验研 究方法 其 原 因就 是 对引起湿膨胀的机理f 或物相 还不能够最后确定 但是 多数的研究者都是使用水蒸气处理方法 加 速湿膨胀 的出现 来测量和研究这种现象 常用的 设备是可进行蒸压处理的高压釜 即将研究用的试 样放人 悬挂 高压釜 中 在一定温度和压力下 蒸压 处理一定 的时间后 测定其 出现的湿膨胀值 目前 使用这种方法测定湿膨胀 的技术 已趋成熟 如有文 献报道 烧结砖 1 2 8 d 后的湿膨胀值达到了总量 的 9 2 而将该产品进行蒸压处理4 h 后的湿膨胀值即 达到了同样的数据 但是必须指出的是 蒸压处理 的温度 时间 压力与正常 自然环境下 的产品使用 年限之问的关系需要进一步的探讨研究 也就是说 这种试验研究方法必须在一定范围内使用 例如 维普资讯 科 S C I i N C 技 i l 纵 C H N O 横 L O G Y0 0 峨 谶 I 鞭 鞲 甓 嚣 麟 增加蒸压处理 的温度 被处理产品中物质可 以获得 更高的活化能 从而会促使在常温下不可能 出现的 水化反应发生 对湿膨胀的预测将会失去意义 又 如经蒸压或蒸养的硅酸盐建筑制品在水热处理 过 程 中 单从C a O S i O 系统就可产生一系列 的水化产 物 对湿膨胀机理的研究 采用现代 化的分析测定 手段 综合上述 的蒸压处理 对焙烧后产 品中形 成 的结晶相物质 非晶质和玻璃相进行测定分析 寻 求导致湿膨胀 出现的真正原因 用来指导生产和实 际应用 以求将湿膨胀的危 害减少到最小 如意大 利学者用这种方法研究 了快速焙烧墙地砖 湿膨胀 的机理 发现产品中f C a O 是引起湿膨胀的主要物 质 利用这种研究方法 还有许多 问题尚未得到结 论 直至现在还不能够真正确切地鉴别引起湿膨胀 的物 质 这种 分析 方 法也包 括 原材料 和 焙烧后 成 品 的物理化学 矿物学分析 使用 的仪器有 各种热分 析仪器 D T A 差热分析 T G热重量分析 热膨胀分 析 X 一 射线衍射分析 电子显微镜检测 图像分析 等等 此外 南斯拉夫学者Mi h a j i l o T o s i c 博士 将产品 中能与水起反应 引起湿膨胀的物质通称为 即 o H2 0 o H2 0 通过一系列的数学推理 结合对产 品的蒸压处 理 后 从烧 结 砖 瓦产 品湿膨 胀 动力 学 方 面去 研 究 湿 膨胀 1 6 5 4 控制湿膨胀的可能途径 从到 目前为止的研究结论看 控制和减缓湿膨 胀的途径可归纳如下 a 调整原材料 的矿物组成 把湿膨胀问题 减少 到最小 或到忽略不计的水平 调整原料成分 就是 控制原料 中可形成液相的组分 或是减少原料 中可 能引起湿膨胀的物质 如 控制或减少K O N a O的 含量 或是控制碳酸盐 硫酸盐的含量 或是加大能 够促进稳定的结 晶相物质生成 的外加剂等 b 合理地焙烧 有利于获得性能稳定的结 晶体 以及更多的化学性质稳定的玻璃相 增加制 品中结 晶体的数量和尺寸 的完善程度 这些措施都可 以使 湿膨胀降低 制定合理的焙烧 曲线在控制湿膨胀方 面显得 尤为 重要 1 2 在某些建筑设计中 设置膨胀缝 使用轻质石 灰砂浆也是避免湿膨胀危害的有效方法 但是必须 告诉建筑设计者所使用砖的湿膨胀值 霉 蓑 螽 鞲 糍i l簿 鬻蠢 鳓 l d 上釉 的烧结砖瓦产品 如上釉的外墙砌筑砖 快速焙烧的墙地砖 上釉的屋面瓦对湿膨胀的作用 非常敏感 对其釉面的破坏程度也很大 因此 在这 些产品 的检验 中 建议增加湿膨胀 的检验项 目作为 评价产品质量 的指标 规定湿膨胀值超过一定限度 时 不能用于建筑物 以免对建筑物构成危害 造成 更大的损失 如美国材料与试验协会 AS T M 规定 对上釉 的烧结建筑制品 要求须在1 5 0 1 b i n z 的水蒸 气压力下处理1 h 没有龟裂 才允许使用于建筑 e 如果要生产上釉制 品 或装饰制品时 在选择 原材料或配料 时就应 当考虑湿膨胀对制品的作用 控制坯料 中的玻璃相生成量 以及控制生成可起水 化反应 的物相 如钙黄 长石 C a 2 A I A 1 S i O 7 f C a O 等 顺便提及 在生产或研制含有大量玻璃体工业 废 渣 的 烧 结 制 品 时 应 对 其 成 品进 行 湿膨 胀 的测 定 例如高掺量的粉煤灰烧结砖 因为粉煤灰本身 玻璃体含量高 而同时又是经过高温烧结过的多微 孑 L 结构 的材料 在第二次烧结过程 中它原有的玻璃 体及莫来石等矿物成分是否有改变 改变的程度有 多大 它们与作为粘结料的粘土或页岩之问的物理 化学反应类型及程度等均需要很好地研究 但是已 有的试验数据表明 因粉煤灰烧结砖的多孑 L 结构 使其吸水率相对较高 湿膨胀值 也较其 它烧结砖 高 当然 这也与粉煤灰本身的特性有关 如有的电 厂粉煤灰中玻璃体含量很高 可达9 0 左右 而有 的 电厂粉煤灰 中所含的莫来石矿物量又很大等 烧结砖瓦产品湿膨胀的研究表 明 这种湿膨胀 的作用力 已成为影响某些烧结砖瓦产品的耐久性 和声誉的缺陷 但是 目前对这种有害的湿膨胀现 象的研究还远远不够 研究者们所选择的研究对象 样 品 之间存在着很大差别 因而得出的结论及对 湿膨胀机理的解释也就各不相同 但是已取得 的研 究成果 表明 怎样去预测和检验湿膨胀的方法和试 验设备是成功的 也被很多的研究者所采用 这种 方法即用高压釜对产品进行蒸压处理 以加速湿膨 胀 的出现 从而达到测量 预测 检验制品湿膨胀值 的 目的 其二 对引起湿膨胀 的物相 如非 晶质 或结 晶程度很差 的硅酸盐酸物质 玻璃相 高温生成 的 可水化 的结 晶相物质的研究也提供了控制产 品原 料 中成分的可能性 其三 对上釉产品而言 湿膨胀 的危害更大 因而从原材料的选择和配料 的开始就 得考虑湿膨胀的危害性 维普资讯 1 6 6烧结砖 瓦产品的适 用性和 耐久性 1 6 6 1 烧结砖 瓦产 品 的适 用性 据西欧中部的奥地利 瑞士 德国3 个国家的统 计资料表明 在经济建设中 总的材料流量 中的1 3 是建筑中使用的建筑材料 在我国经济建设中总的 材料流量 中建筑材料流量远远要大于西欧中部这3 个发达国家的比例 我 国住宅建筑总的发展趋势已 从 一人 一床 过 渡 到 了 一人 一 问房 或 是 一 户一 套房 的阶段 也就是从温饱向小康的过渡 其住宅 建筑性质将从低 级的安置性住宅向中级的 准小 康 适用性住宅 小康舒适性住宅和高级的豪华性 住宅过渡 而且未来建筑是节能的 健康的 具有高 度的舒适 性 这也是 历史 发展 的必然之 路 那 么 什 么样 的建 筑材 料 它应 具 备怎 样 的功能 才能 适 合 于 未来建筑发展的要求 呢 这一问题已讨论 了多年 其不容置 疑的答案 是 多功能的烧结建筑材料 这早仅列举西欧的知 名人士及美国对烧结砖瓦产品的评价来证明这一 回答 的正确性 美 国宇 航 局 的 研究 报 告 中指 出 在 月球 上 要 建造人类居住的掩护所 只能用烧结砖 足见烧结 砖瓦产 品的综合 建筑使用功能之好 西欧的一位 新 知觉 类学 术 权威 人 讲 到 现 在 所谓 的新 型墙 体材料均在模仿着烧结砖的功能 但 只能模仿砖 的 一 种或数种功能 而不能模仿其全部性能 烧结砖 性能上的不可模仿性 使得砖瓦建筑创造出了辉煌 的史绩 并将决定着它的将来 最近欧洲砖瓦工业 协会主席讲到 质量优 良的烧结砖瓦产 品是建筑 材料中的 卜 项 全能选手 要像描述 十项 全能体 育选手 一样 去宣传 自己的产品 在西欧 北美等 发达国家 有钱人 住 的是砖瓦房屋 因砖 瓦建筑 物 可提供舒 适 的居住 2 0 0 5 年6 月2 3日 意大利环境部与意大利烧结 砖瓦协会在罗马签署了一个协 义 该协议中提 出了 这样的 目标 提高对烧结砖产品性能的认识 因为 烧结砖瓦产品对环境的影响很低 排放的污染物很 低 并有着高度 的舒适性的价值 意大利环境部支 持烧结砖的发展 烧结砖建筑始终能与环境保持着 一 种和谐的美 该协议对烧结砖瓦工业来说是相 当 重要的 她表 明意大利环境部是直接地支持烧结砖 瓦工业 也就是说意大利政府肯定和强调了砖和砖 建筑物在环境保护及技术特征方面的独特性能 烧 结砖 的使用高效 维护最低 其它建筑材料无法与 知 识 讲 座i C技 E E 纵 E C H N O 横 L O G Y 之相比 烧结砖 瓦是现代建筑中不可缺少的要素 也就是烧结砖瓦在现代建筑 中的地位首次得到了 政府机构 的肯定 意大利环境部长托涛利 T o r t o l i 高度评价了环境部与砖瓦协会在 自愿联盟的基础 上签署的协议 并说明了其重要性 环境部长解释 了签署这一 协议 的 目的是为了改变公众 对烧结砖 瓦产品的认识 因为在他们的生活周期内的消费应 少一些 对 环境 的影 响 同时促进健康 的生活环 境 环境部长还指出 这一协议的签署是在制度上 支持烧结砖瓦工业的一个 历史性 的事件 在这一 协议中砖和砖建筑的技术和环境特性得到了肯定 砖瓦工业的责任是追随可持续发展和环境 的和谐 发 展 烧结砖 的再 次复兴并 已流行起 来 的趋势是 无 法 抗 拒 的事 实 大 I 烧 结 砖 l瓦产 品 对 环境 无 任 何 毒 害 它们在火火或是地震或在毁坏时不释放任何气 体和有毒物质 在烧结砖 的使用寿命终结时 能够 全部 回收利用 烧结砖显示出对机械的和化学的环 境影响有着高度 的抵抗力 同时并不损失它们原有 的性能 质量及特有 的建筑学特征 烧 结砖也可保 证 高度 的居 室质量 隔热 隔音 来 自外部 吸湿 来 自内部 还有烧结砖高度的耐久性 使用期的 维护成本低 烧结砖瓦产品能够给下一代 留下更好 质 量 的建 筑 结 构 有质 量 意 识 的 建 筑 即用 砖 的 建 筑 她会形成和谐共存的环境 世界著名建筑学家马里 欧伯塔 Ma r i o B o t t a 教授 是一位砖建筑艺术的翻译家 他认为砖的语 言是传达着传统和现代 伯塔也解释了这种全球性 的材料砖能够适应建筑学 的要求 一方 面可适应于 地方风俗 习惯的个体要求 而另一方面也表示 出了 能适应于全球范围内的大统一性要求 伯塔教授 是竭 力提倡砖建筑的建筑师们之一 他认 为 砖建 筑 的和谐 环境 也 即 砖 环境 长期的使用寿命也意味着资源和能源的节约 因为我们的建筑不是为了一代人而设计建造的 就 其耐久性而言 烧结材料的耐久性正如建筑史学所 证明的那样 烧结砖是一种 永恒 的建筑材料 如 万里长城 秦兵马俑 唐宋时期等大量砖瓦建筑 其 耐久性远远超过了钢材及混凝土 烧结砖瓦产品的 耐候性是非常好的 也是其它建筑墙体材料无法 与 之 比拟的 也就是说 烧结砖瓦产品具备 了抵御恶 劣环境和腐蚀性物质 尤其是大城市城区的空气 酸雨等 侵蚀的能力 且若干年后不会失去其本色 不需维修能始终保持着原来 的美 因此砖瓦建筑物 维普资讯 科 技 纵 横 3 c l f l c f l I f c l 0 0 6 y 刖 的维修和保护费用是最低 的建筑物 烧结砖瓦产 品在使用寿命终结后可分离 可全 部回收利用 烧结砖 瓦生产过程 中和使用 寿命 终结后 的固 体废料最少 烧结砖在生产中的固体废料根据德国 的统计大约为1 2 g k g 主要磨损 的金属件 托板 包 装用的塑料薄膜及润滑油 在使用寿命终结后的分 离回收容易 比混凝土及其它墙体材料而言 生产 中的废品可再加入原料中使用 烧结砖瓦产 品生产中废水的排放最少 烧结砖 生产 中对水 的消耗量大约每千克产品是1 8 1 1 0 扣 除原材料的 自然含水量 并在干燥期间 以水蒸气 的形式排入了大气 设备的冷却水可重复利用或是 加入原材料 中 所以烧结砖的生产中几乎无废水排 放 烧结砖瓦产品可提供舒适的居室环境 烧结砖瓦产品是一种多微孑 L 体 系的产品 其 湿传导功能可调节建筑物内湿度 且 吸湿与排出水 分 的速度相等 砖的吸水速度和排水速度要 比其它 建筑材料高1 0 倍 且在吸水和排 出水分时建筑物 的 结构强度不受任何影响 仅此就可使居住环境得到 改善 人体感觉舒适 而且砖砌体的平衡含水量非 常低 0 3 0 7 增强了砌体的隔热保温效果 单 层砖砌体 与砖复合的墙体 建筑物墙体中的平衡 水分 E q u i l i b r i u m m o i s t u r e 是指干燥后 留在墙体 的 水分与大气 中水分之间的平衡 对砖砌体来讲 这 一 平衡水分与其它建筑材料相 比 这是一非常低 的 数值 正是 因为这一非常低的数值 对居住在砖建 筑 中的人们提供 了舒服 健康 的环境 砖砌 体的吸 水速度和排水速度几乎是相同的 因此它可以调节 居室内小环境 的湿度 这就是常说的 呼吸 作用 另外 砖砌体这一非常低的平衡含水 量 对节能来 说同样非常重要 因为建筑材料含水量的增大而会 使其隔热保温性能变差 或恶化 从这个意义上 讲 砖本身就是非常好的 隔热体 砖砌体建筑 的 吸湿性能和吸湿速度对此有很好的调节作用 砖建 筑物有着很长的使用周期 至少有8 0 1 0 0 年 防火性能 在耐久性上防火安全性是非常重 要的 砖是不燃的建筑材料 在欧洲将其作为最高 等级的防火建筑材料 A1 因此砖砌体是非常理 想的 合适 的能用于生活区域 大楼 的进入 口 楼梯 的建筑构件 在工业建筑和商业建筑 中 砖建筑构 件可提供爆燃区域安全的防火隔离墙 烧砖砌体有着良好的密封程度 这是与烧结 砖使用 中可长期保持其尺寸的稳定性有关 烧结砖砌体有着 良好的隔音性能 烧结产品 可满足所有噪音防护的需要 2 4 0 m m厚的砖砌分 隔墙 隔音可达6 0 d B 完全可不考虑侧墙上声音的 传播 对 双层的夹心砖墙来讲 因中间填充有隔热 材料 对外部噪音的防护非常有效 在实际建筑 中 的测定结果表明 其隔音量可达7 0 d B 因此就隔音 性能而言 砖砌体是一种理想的结构体系 建设期 间烧结空心砖的运输负荷小 因为砖瓦 厂都是分散程度非常高的工厂 砖运输到施工现场 的距离最 短 因而在建设期间的运输对环境 的污染 和能源的消耗 相对 于其它墙体材料讲也是最小的 欧盟统计后认为 特别是轻质砖和轻质砌块 减 少了材料流动的总流量和距离 烧结砖瓦产品可保持有长期的尺寸稳定性 烧 结产品在使用 中的尺寸稳定性最好 不像其它墙体 材料 混凝土砌块 板材等 仅因温度 的影 响 在其 尺寸上就 出现很大变化 极易造成建筑墙体裂缝 严重时可危及到建筑物的结构安全强度 烧结砖在 使用 中的尺寸稳定性 比混凝土砌块大4 5 倍 比加 气混凝土砌块大4 倍 比有些板材还要大更多 从建 筑美学观点上来讲 砖瓦建 筑物古朴典 雅 美观大方 且砖 瓦产品 可适应于建筑学形式上 变化多样 的要求 另外 砖瓦建筑物与周围环境的 协调性好 可美化建筑环境 在建筑设计和结构设 计上讲 烧结砖具有更多 的灵 活性 和易变性 可满 足各种建筑造型的要求 烧结空心砖产品可建低能耗建筑 从综合能耗 与综合功能上讲 烧结砖 瓦产 品是优秀 的建筑材 料 表 5 2中比较了常见的典型建材的总能耗值 表5 2典型建筑材料的总能耗值材料名称容重 容重 可回收 的能 不可 回收的能 总能耗 材料名称 k g m3 MJ i m MJ i m MJ m3 砌墙空心砖 7 o o 3 9 2 2 4 8 5 2 5 2 4 2 钢筋混凝土 2 4 o o 1 0 4 9 5 1 6 0 5 2 6 4 9 EP S 2 0 2 8 1 9 0 0 1 9 2 8 矿棉 8 0 3 4 4 1 3 6 0 1 3 9 4 烧结材料在建筑上 的使用在 中国已有7 3 0 0 年 她的美感 和耐候性无与伦 比 几千年来 由砖决定的 建筑风格迄今仍是最好的造型构件 砖建筑使用期 维普资讯 的维修费最低 使用烧结砖 瓦产品的实践经验证 明 它具有抵抗各种恶劣环境的能力 并且长期使 用功能非常好 当人们用建筑粘土制品建造住宅 工厂或商店时 如果建筑物不再需要而被废弃 或 是经受 自然灾害 则希望这些建筑物永 远不用维 修 只有烧结砖瓦可以满足这样的要求 1 6 6 2 烧结砖瓦产品的耐久性 砖和屋面瓦的耐久性涉及到它们对大气侵蚀 雨水 酸雨1 结冰温度的抵抗能力 有时也涉及到可 溶性盐的侵蚀 例如来 自海水的氯化钠和来 自工业 性污染气体 中的硫酸盐 砖 瓦产品使用 的场所和环境决定于气候指数 的强度 在热的和干燥的地区 产品的强度仅要求 能够满足建筑物本身的荷载和应 力即可 事实上 未经焙烧的土坯砖在这种情况下也是完全适应的 在 大 多数 温 带地 区 由于 有 降雨 和 冰 冻 要 求 烧 结 砖瓦产品具备有专 门的特性 周期性 的冻融对含有 水分的产品破坏严重 有趣的是世界上大多数人都 是居住在温带地区 砖瓦建筑物给这里的人们提供 了保护和舒适的环境 在焙烧过后的产品中 其耐久性就是指暴露在 潮湿 结冰环境中的性能如何 而这种耐久性与焙 烧后产品 中存在 的物相 弹性 强度 孑 L 隙结 构有 关 所有这些 孑 L 隙结构对耐久性 的影响似乎是起 主要作用的因素 因为在大多数情况下 由合适的 焙烧 制度 得 到 的孔结 构合 理 时 就 可 以抵御 周 期性 的冻融 而且也可以得到适宜的物相结构和足够的 强 度 在烧结砖 瓦产品的所有性能中 唯独对砖的耐 久性和耐候性指标要用现有的测定方法 间接地对 其进行测定和预示 在试验测定过程时 成本高 而 且在某些情况下也反映不 lr产品在使用 中的真实 状 态 怎 样能用 简捷 方便 的方 法对其进 行评 价 一 直是争沦不休的问题 砖砌体无疑是耐久性非常好 的建筑材料 万里长城 秦汉 唐时代保留至今的建 筑物及西欧罗马时期的建筑物足以证明这一点 但 是 现今用现代化手段制造的烧结砖 却屡屡 出现 冻害问题 如我 国北部寒冷地区在1 9 9 9 年较寒冷的 冬季及有关文献中涉及到的苏格兰地 区 芬 加 拿大等国家在1 9 7 7 年到1 9 8 0 年连续3 年较严冷的冬 季 则出现 了大量的砖体冻害现象 当然这些冻害 现象的发生 不仅是砖制造者的原 因 有时也是使 用不当而造成冻害的出现 知 妒 I科 C I I C 技 E J I 纵 E C H N O 横 L O G Y 对烧结砖产品这种多孑 L 建筑材料抗冻性 的试 验研究 既包括间接的预测性的试验研究方法 又 包括有长期的直接观察记录的方法 如美国有关建 筑研究机构从1 9 3 0 年起就对粘土砖的抗冻性进行 着观察研究 将粘土砖柱长期暴露在自然环境中 在多 年 的研究 中 绝大 多数 研究 者 均将 注意 力 集中在这种多孑 L 材料 中的吸附水在冷冻期间的相 变作用力而使材料破坏的机理方面 早期的抗冻性 研究是将注意力集 中在粘土屋 面瓦上 但是烧结 砖 混凝 土这些多孑 L 建筑材料 由于环境湿度 的影 响和局部地区冬季突然变的更冷 其冻害现象剧 增 这就使人们更加意识到抗冻性问题的研究还远 没有完成 此外 对混凝土抗冻性的研究远 比对砖 砌体的研究深得多 对其冻融机理的了解也远比砖 砌体多 出现这种状况的原 因是 这两种材料虽说 均是非均质材料 但是混凝土中的物相变化 比砖砌 体 中少得 多 还有 混凝 土 的制造 技术 远 没有砖 的制 造技术复杂 因此在砖抗冻性能方面的研究 不能 完全照搬混凝土抗冻性 的方法 要完全抵御冰冻的作用 则要涉及到烧结砖瓦 产品中相当复杂的孑 L 隙类型和数量问题 这里的关 键看来是与微孑 L 的数量以及它们以怎样的微毛细 管连结方式有关 纵观各种类型的烧结砖瓦产品 总的孑 L 隙率似乎不是一个重要因素 但是对任一具 体 的材料而言 开 口孑 L 的总数量与防止孑 L 隙水结冰 之 间有极 大关 系 在实际应用中 开口孔 隙率通常是由吸水率来 测定 在某些试验室中是采用水银浸入法来测量 的 前者的优点是简单 后者的优点是能测定其微 孔尺寸分布 通常吸水率测定的作法是将砖样先在 冷水中浸泡2 4 h 后测定 此后在水 中煮沸5 h 后再次 测定 所以砖的吸水率有两个数值 根据 严格 的试 验 方法 美 国 国家标 准局 已找 出 了砖在 与水接触的状态下 砖抵御周期性冻融的能 力和饱和系数 S a t u r a t i o n c o e ffic i e n t 之间的合理关 系 饱和系数 C B 的比值 是在冷水中浸泡2 4 h 的吸 水百分率除以煮沸5 h 后的吸水百分率得到的 由于 这项工作的结果 美国材料与试验协会在C 6 2 中对 砖的饱和系数值作了规定 C 6 2 中规定 对于可能暴 露在恶劣的气候环境 中砖的饱和系数 规定5 块砖 的平均值不得大于0 7 8 单块砖最大值不能超过0 8 的饱和系数 对砖的这些要求 最重要的一点是抵 御冻害的作用 多年来 以低的饱和系数作为耐久 维普资讯 搏 知 识 讲 座 5 c f cf ff c l 0 l 0 6 y 性合适尺度的根据 证明了这种方法的有效性 当 然 除了内含烧 尽后 的物质残渣造成的假象或 当总 的吸水率低于2 时的情况除外 对于任何烧结砖瓦 材料 其特点是 C B的 比值 随着温度 的提高而降 低 在低温焙烧时接近于1 0 在 高温焙烧时可降低 到大约0 5 因此 饱和系数也就成为识别烧结砖瓦 产品焙烧成熟程度的指标之一 丁 现行烧结砖标 准中完全采用 了美 国饱和系数的检验方法 但标准 中对饱和系数方法使用 的边界条件没有给出限制 在砖 瓦产品的焙烧期间 微孔 的总体积随着温 度的升高而降低 自然也随之有收缩的产生 此外 在微孔尺寸的分布上亦有所变化 由真空挤 出制备 的 具有代表性 的烧结砖 瓦产 品 在不 同的焙烧温 度下得到了两种微孔尺寸的分布状态 如 图1 5 1 所 示 这些微孔尺寸分布的数据是由水银浸入法测定 的 在1 8 0 0 F f 9 8 2 C 下焙烧 的产品 没有抵御冰冻 的能力 但是在 1 9 5 0 F f 1 0 6 6 C 下焙烧 的产品 抵御 周期性的冻融超过5 0 次 图中的实线表示在欠烧环 境下微孔尺寸的分布状态 C B的比率在0 8 5 总的 煮沸后的吸水率大约是1 5 图中虚线表示 的是 同 样 的材料在 1 9 5 0下焙烧成熟后的微孔尺寸分布状 态 结果使C B的比率达到0 6 6 煮沸后总的吸水率 大约为5 5 从这两种微孔 尺寸的分布状态 人们 能够看出大多数的微孔是分布在1 m的范 围内 并 且合理的焙烧减少了总的微孔体积 若将其中一些 较大孔除去不计 在低于0 6 m的范围内 微孔的体 积大 大地减 少 什么是C B比率或者 是饱 和系数 的物 理意 义 微孔 直径 图1 5 1 在 欠烧 和正 常焙烧 的两种温度条件下砖产 品的微孔 尺寸分布 呢 它是微孔结构 的一种度量 高 的饱和系数则表 明产品浸在冷水 中时 大多数 的敞开孔容易被水充 满 而低 的C B比率是指在水 中浸泡时所有 敞开的 孔不能被水充满 也许是因这种微孔结构里面截留 有空气 在真空环境中把产品浸泡于冷水中 得到 的吸水率值接近于煮沸5 h 后的吸水率值 当用真空 法做吸水率试验时 饱和系数记作为C V 这里需预 先指明 当人们考虑以各种原材料制造的烧结砖瓦 产品时 饱和系数与总的吸水率是没有联系的 饱 和 系数 低 于0 8 的产 品 总 的吸水 率大 约在4 一 1 8 合理的焙烧有堵塞水进入微孑 L 的可能性 也许 是 由于在焙烧过程 中消除了许多微毛细管 破坏了 微 孔 结 构 的连续 性 从 而 减少 了微 孔 总的数 量 如 果微孔不能被水充满 将有一定 的空间允许结冰时 的膨胀 这样在制品的内部结构 中就不会存在结冰 时产生 的巨大应 力 已经观察到 在烧结砖 瓦产品中水结冰出现在 两个阶段 首先 在一些过冷的环境中 大孔隙中的 水在0 c C 时结冰 同时伴随有一定 的体积膨胀 例如 水在大孔隙中结冰时 外界的水从互相连通的毛细 管中流入到大孔中并在大孔 中结冰 这种迁移一直 不断进行 致使冰相 中的压力增大到大孔 中冰的化 学势能与毛细管冰的化学势能相等时 这种迁移才 会停止 在这种情况下 烧结砖 瓦产品中仅有少量 的水能够流动进入大孔隙中 因为坚固的孔壁迫使 压力迅速上升 当然 孔 壁出现 断裂 显微裂纹 除 外 其次 温度更低时 毛细管 中的水就会结冰 出 现更大的膨胀 在毛细管 中硅酸盐物质表面上水的 凝聚 增加 了毛细管冰 的化学势能 因此随着 温度 的降低在越来越细的毛细管中 水就会进一步出现 结冰 在烧结产品中毛细管水 的结冰温度大约在一 2 8 c C 通常在毛细管中水的结冰 比在大孔隙中水 的结冰会出现更大的膨胀 假设冰相 水相 与产品外部的饱和蒸 汽压处于 平衡状态 根据 毛细管理论 在烧结砖瓦产 中水结 冰所产生的破坏压力可由下式表示 n S T r T o c 一 一 式 中 P 冰相的压力 S 广溶解 熵 r 厂 在最 细 毛细管 中的结 冰温度 常压下整块冰的融化温度 广在腽 度下冰的克分子体积 维普资讯 上述