沙漠砂蒸压加气混凝土砌块耐久性能试验研究

牛爱宏 王玉山，2，* 王 锐 廖 欢 周 阳 王 迪

（1.石河子大学水利建筑工程学院，石河子832000；2.新疆兵团高烈度寒区建筑抗震节能技术工程实验室，石河子832000；3.石河子大学理学院，石河子832000）

0 引 言

在村镇建筑当中，黏土砖扮演着重要的角色，但是黏土砖的开发会造成能源的浪费和环境的污染。随着国家现代化进程的加快，近些年来国家已经大力禁止黏土砖的使用。由于蒸压加气混凝土砌块具有节能、环保和质轻等优点，并且在国内外建筑中普遍应用［1-2］。所以蒸压加气混凝土引起了建筑行业的关注。此外，当前建筑用砂的供需矛盾日益突出［3-4］。何晓莹［5］研究表明，天然砂石的开采需要花费大量的成本。对于拥有塔克拉玛干沙漠和古尔班通古特沙漠的西北地区来说，沙漠砂资源相当丰富，因此利用沙漠砂研发的新型砌块——沙漠砂蒸压加气混凝土砌块［6］，对于村镇建筑来说，可以充当一种良好的替代品。但是作为村镇建筑的墙体材料，耐久性能是一个重要的因素。尤其在西北地区［7］，冻融破坏是主要的病害之一。赵振亚等研究表明［8］，北方地区冬季时间长，冻融循环对结构的损伤是一个值得考虑的问题。毕晓茜［9］研究表明，通过在蒸压加气混凝土中加入粉煤灰要比加入污泥，对试块的耐久性能更好。在西北大多数地区的冬季非常寒冷，季节性融雪对于墙体材料的耐久性能是一个很大的考验。新疆南疆地区属于寒冷地区。该地区的特点是常年雨量稀少，并且冬季降雪较少以及冻土层深度较浅。由于昼夜温差较大以及季节性冻融，因此考虑研究新型砌块——沙漠砂蒸压加气混凝土砌块的耐久性能是非常有必要的。

本试验通过利用在实验室放置两年的新型砌块——沙漠砂蒸压加气混凝土试块，通过研究不同体积密度的沙漠砂蒸压加气混凝土砌块的耐久性能，目的主要是为能够将该种砌块更好地应用于新疆南疆地区村镇建筑提供数据支撑。本试验研究主要包括B06 级、B07 级以及涂有正硅酸乙酯（TEOS）的B06 级试块。通过对比分析在不同的冻融循环次数下，沙漠砂蒸压加气混凝土砌块的质量损失和强度损失，并且对涂有正硅酸乙酯（TEOS）的试块，通过SEM来观察试块的内部渗透结晶反应生成的形貌，对比分析不同种类的沙漠砂蒸压加气混凝土砌块的耐久性能。

1 试验部分

1.1 原材料和仪器

原材料：沙漠砂蒸压加气混凝土砌块以沙漠砂、水泥、生石灰、石膏、发泡剂等为原材料，其基本配合比为：水料比0.6～0.65，各成分按质量百分比，分别按沙漠砂：50%～60%，水泥：25%～35%，石膏：3%～5%，生石灰：5%～17%，发泡剂：0.1～0.3 kg/m3。配合比试验所用的沙漠砂取自新疆生产建设兵团第五师83 团沙山子镇，构成成分如表1 所示。正硅酸乙酯TEOS（SIO2含量40%），无水乙醇，购自天津富宇精细化工有限公司。

表1 新疆生产建设兵团第五师83团沙山子镇沙漠砂成分构成（%）Table 1 Composition ofdesertsand in the 83rd Regiment，83rd Regiment，Xinjiang Production and Construction Corps %

仪器：试验仪器为试验仪器厂生产的TDS-300 型冻融试验机；扫描电镜（SEM），型号FEI Quanta FEG 650，美国FEI公司；300 kN的压力机。

1.2 试验方法

（1）试件制作：本研究采用两种不同体积密度的沙漠砂蒸压加气混凝土砌块B06 级、B07 级和涂有一层正硅酸乙酯（TEOS）的B06 级试块进行冻融试验研究。试验应严格按照GB/T 11969—2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》［10］进行。沿着制品的发气方向进行样品的制定。试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm 的立方体，尺寸允许偏差为±2 mm，每一组取立方体3块；试块逐块编号，并标明锯取的部位和发气方向，如图1、图2所示。

图1 B06试块的编码Fig.1 B06 test block encoding

图2 试块发气方向和锯取部位Fig.2 Gas direction and sawing area of the test block

（2）试验步骤：试验步骤严格参照《蒸压加气混凝土性能试验方法》进行，规定试块冰冻6 小时，融化5 小时为一次冻融循环，每一类试块经过力学测试后回收试样，各取三类试块的角部表层2～5 mm 样品，用无水乙醇浸泡脱水处理 2～3 次，然后烘干至恒重，经处理后用扫描电子显微镜（SEM）观察表面的形貌。对不同类别的试块进行冻融试验，每一组试块与冻融前相比，确定该组试块冻融后的质量损失平均值和强度损失平均值，数据如表2 所示。试验结果参照《蒸压加气混凝土砌块应用技术规程》［11］；对于寒冷地区冻融循环次数15 次时，以质量损失≤5%；强度损失≤25%为标准。B06 级试块以及涂有TEOS 的B06 级试块经过15 次冻融循环后部分损失严重，B07 级试块损失较轻。

表2 不同冻融次数对试块质量损失以及强度损失影响结果Table 2 The results of different freezing and thawing times on the quality loss and strength loss of the test block

2 结果与讨论

2.1 不同冻融次数对B06级和涂有TEOS的B06级试块质量损失和强度损失的影响

图3 为两种类别的B06 级试块在不同的冻融次数下所对应的质量损失。从图中可以看到，随着冻融次数的增加，试块的质量损失不断增加。与对照组A组相比，从冻融循环5次到10次，两者的质量损失都大于0 且小于5%，超过10 次以后，对于涂有TEOS 的试块在一定范围内质量损失未超过5%，而对于未涂TEOS 的试块，质量损失很快大于5%。从整体来看，涂有TEOS 的试块质量损失要更小。原因可能是：涂刷TEOS 后，硅酸乙酯沿着孔隙进入试块的内部，在孔隙内水的作用下硅酸乙酯发生水解，即TEOS 中的O-C 键断裂，同时与试块内部的Ca2+和OH-结合，生成新的物质——乙醇和硅酸钙，由于硅酸钙的存在，导致试块内部的孔隙被堵塞［12-13］，使得试块的质量损失明显减小。在整个实验过程中，产生的乙醇由于易挥发，不会对试块结构和性能产生负面影响，故不用考虑。

图3 冻融次数对质量损失的影响Fig.3 Effect of freeze-thaw cycles on quality loss

图4 为两种类别的B06 级试块所对应的强度损失。从图中可以了解到，TEOS对于试块在强度损失这方面的作用并不是很明显，随着冻融次数的增多，两者的强度损失非常接近，接近于0.25左右。原因可能是随着冻融循环次数的增多，试块表面脱落的比较严重，导致涂有TEOS 的试块表面的生成物产生掉落，则冻融到后期，两者的强度损失非常接近。原因可能是对于试块所涂的TEOS层数不够多，可以考虑多涂几次或者采用浸泡的形式，提高试块的耐久性。

图4 冻融次数对强度损失的影响Fig.4 Effect of freeze-thaw cycles on strength loss

2.2 不同冻融次数对B07 级试块的质量损失和强度损失的影响

图5 为冻融次数对于B07 级试块的质量损失。从图中可以看到，随着冻融次数的增多，质量损失呈现上升趋势。前期质量损失相对较小，从冻融循环5 次至循环15 次时，质量损失均小于1.5%，超过20 次以后质量损失比较明显，直到冻融循环至25 次时，已经超过了5%。与B06 级试块对比分析，B07的试块的质量损失相对更少。

图5 冻融次数对质量损失的影响Fig.5 Effect of freeze-thaw cycles on quality loss

图6 为冻融次数对于B07 级试块的强度损失。从图中可以了解到，随着冻融次数的增加，强度损失的曲线逐渐上升，当冻融循环至25 次时，强度损失平均值接近于0.6%左右，满足规范所规定的要求。因此，可以考虑将B07 级试块推广应用于村镇建筑墙体材料。

图6 冻融次数对强度损失的影响Fig.6 Effect of freeze-thaw cycles on strength loss

2.3 不同类别的沙漠砂蒸压加气混凝土试块的SEM表面形貌分析

B06 级沙漠砂蒸压加气混凝土试块表面的形貌，见图7（a）；涂有 TEOS 的B06 级沙漠砂蒸压加气混凝土试块表面的形貌，见图7（b）；B07级沙漠砂蒸压加气混凝土试块表面的形貌，见图7（c）。

从图7（a）中可以看到，B06 级沙漠砂蒸压加气混凝土砌块的结构主要以层状为主，层与层之间的结构连接并不非常紧密，此外内部的空隙较多，这样导致B06 级试块在受到外界荷载的作用时，承受荷载作用的时间并不是很长；并且当试块处于冻融环境下时，孔隙中将会进入大量的水，结冰膨胀使得试块内部的结构遭到破坏。

图7 SEM表面的形貌分析图Fig.7 Morphological analysis of SEM surface

从图7（b）中可以看到，当对试块表面涂有一层硅酸乙酯以后，试块中的Ca2+与硅酸乙酯水解之后的硅酸进行反应，生成结晶物质，让试块表面变得更加致密，这样使得试块的强度得到了增强。当试块经过15 次冻融循环之后，其形成的结晶物质遭到了破坏。说明在长期冻融循环作用下，表面致密的一层结晶物质并不能长期保存，将会导致耐久性能下降。

从图7（c）可以看到，B07 级的沙漠砂蒸压加气混凝土砌块的微观结构主要以大量的网状存在并且非常规整，交叉共存，使得B07级试块的强度得以增强。体现了B07 级试块的耐久性相对要更好。

从图7对比分析比较，B07级试块内部的结构比B06级以及涂有TEOS 的B06级都要好，涂有一层TEOS 的B06 级试块表面比未涂的表面更加致密。

3 结 论

（1）涂有TEOS 和未涂的B06 级试块对比分析，当冻融循环至15 次时，涂有TEOS 的B06 级试块的质量损失基本在6%左右，而未涂TEOS 的试块质量损失已经超过了10%，可见涂有TEOS 的质量损失明显要小，但强度损失表现的并不理想，冻融循环至15 次时，两者的强度损失接近于0.25%左右，其原因可能是由于试块表面所涂TEOS 的层数不够。如果考虑要将B06 级沙漠砂蒸压加气混凝土试块应用于村镇建筑，可以考虑采用浸泡、多层或其他形式提高B06 级试块的耐久性能。

（2）对于B07 级的沙漠砂蒸压加气混凝土试块，当冻融循环至25次时，质量损失基本在5%以内，强度损失基本在0.6%左右，强度损失和质量损失均符合规范要求。因此，可以考虑将该种材料推广应用于村镇建筑墙体材料。

（3）由以上三种试块表面形貌可知，未涂B06级的试块表面形貌孔隙比较多，并且结构分布不是非常规整。而涂有TEOS 后，试块表面变得更密，其原因可能是由于其水化产物硅酸与Ca2+结合，生成硅酸钙结晶物质，分布于试块的表面。对于B07试块，试块内部结构非常规则，交叉共存增强了结构的整体性能，反映了B07 的耐久性能相对前两者表现要更好。