陶瓷外墻磚抗凍性檢測(cè)技術(shù)研究

一、檢測(cè)原理

陶瓷外墻磚的抗凍性是指其在水飽和狀態(tài)下，能夠經(jīng)受多次凍融循環(huán)而不出現(xiàn)裂紋或剝落的能力。其技術(shù)原理核心在于水的相變應(yīng)力及材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)抵抗該應(yīng)力的能力。

1. 水的相變膨脹理論：水在凍結(jié)成冰時(shí)，體積膨脹約9%。當(dāng)陶瓷磚的開口孔隙充滿水后，在負(fù)溫環(huán)境下，孔隙中的水結(jié)冰產(chǎn)生膨脹壓力。該壓力作用于孔隙壁，當(dāng)此應(yīng)力超過陶瓷材料本身的抗拉強(qiáng)度時(shí)，即會(huì)導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生或擴(kuò)展。

2. 靜水壓力理論：在凍結(jié)過程中，磚體內(nèi)部不同位置的水并非同時(shí)結(jié)冰。未凍結(jié)區(qū)域的水在靜水壓力驅(qū)動(dòng)下，向已凍結(jié)區(qū)域遷移，從而加劇了局部應(yīng)力集中。反復(fù)的凍融循環(huán)使這種應(yīng)力交變作用，終導(dǎo)致材料疲勞破壞。

3. 臨界飽和度：陶瓷磚并非在任何含水狀態(tài)下都會(huì)發(fā)生凍害。存在一個(gè)臨界飽和度，當(dāng)磚的吸水率低于此臨界值時(shí)，即使經(jīng)歷凍融，其內(nèi)部孔隙空間足以容納冰的膨脹，而不產(chǎn)生破壞性應(yīng)力。抗凍性檢測(cè)的本質(zhì)就是通過強(qiáng)制飽和與凍融循環(huán)，模擬并加速這種不利條件下的破壞過程。

二、檢測(cè)項(xiàng)目

陶瓷外墻磚的抗凍性檢測(cè)是一個(gè)系統(tǒng)性評(píng)價(jià)，主要項(xiàng)目包括：

1. 前置基礎(chǔ)項(xiàng)目：

   • 吸水率測(cè)定：這是評(píng)估抗凍性的關(guān)鍵前置指標(biāo)。吸水率直接關(guān)系到磚體在自然環(huán)境中可達(dá)到的含水飽和度，通常吸水率越低，抗凍性潛力越好。

   • 顯氣孔率與體積密度：通過測(cè)定材料的開口氣孔率、閉口氣孔率和總體積密度，更深入地了解材料的微觀結(jié)構(gòu)，為抗凍性評(píng)估提供結(jié)構(gòu)依據(jù)。

2. 核心檢測(cè)項(xiàng)目：

   • 質(zhì)量損失率：凍融循環(huán)試驗(yàn)后，試樣因表面剝落、掉屑等造成的質(zhì)量損失，是評(píng)判破壞程度的直觀量化指標(biāo)。

   • 強(qiáng)度損失率：對(duì)比凍融前后試樣的抗折強(qiáng)度或抗壓強(qiáng)度，評(píng)估凍融循環(huán)對(duì)材料力學(xué)性能的衰減影響。

   • 外觀變化評(píng)定：在規(guī)定的光照條件下，觀察試樣表面是否出現(xiàn)裂紋、剝落、缺邊、掉角等可見缺陷，并進(jìn)行記錄和分級(jí)。

3. 輔助分析項(xiàng)目：

   • 微觀結(jié)構(gòu)分析：利用掃描電子顯微鏡觀察凍融前后陶瓷坯體的微觀形貌變化，分析裂紋的起源與擴(kuò)展路徑。

   • 超聲波波速檢測(cè)：通過測(cè)量凍融前后超聲波在試樣中的傳播速度變化，間接評(píng)估材料內(nèi)部損傷（如微裂紋）的發(fā)展情況。

三、檢測(cè)范圍

抗凍性檢測(cè)主要針對(duì)應(yīng)用于可能經(jīng)歷負(fù)溫環(huán)境的建筑外墻、地面及其他部位的陶瓷磚。

1. 建筑外墻領(lǐng)域：所有用于寒冷地區(qū)、溫帶冬季寒冷地區(qū)的建筑外墻干掛或濕貼的陶瓷磚，必須進(jìn)行強(qiáng)制性抗凍性檢測(cè)。這是保證建筑外墻在寒冷氣候下長期安全性和耐久性的關(guān)鍵。

2. 戶外地面領(lǐng)域：用于廣場(chǎng)、步行街、露臺(tái)、臺(tái)階等戶外地面的陶瓷磚，特別是吸水率較高的炻質(zhì)或陶質(zhì)磚，需進(jìn)行抗凍性檢測(cè)，以防止因凍融導(dǎo)致的表面粉化、起皮和結(jié)構(gòu)破壞。

3. 特殊應(yīng)用領(lǐng)域：用于冷凍庫外墻、冷水游泳池周邊、室外水景工程等特定潮濕且可能凍結(jié)環(huán)境下的陶瓷磚，其抗凍性要求更為嚴(yán)格。

4. 地域性要求：根據(jù)不同地區(qū)的氣候分區(qū)（如嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)），對(duì)陶瓷磚的抗凍性要求和檢測(cè)循環(huán)次數(shù)有不同的規(guī)定。

四、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)陶瓷磚抗凍性的檢測(cè)方法、循環(huán)次數(shù)和合格判據(jù)有詳細(xì)規(guī)定。

1. 標(biāo)準(zhǔn)：

   • ISO 10545-12《陶瓷磚第12部分：抗凍性的測(cè)定》：這是上廣泛認(rèn)可的基準(zhǔn)方法。它規(guī)定了水飽和試樣在特定條件下（如從+20°C±5°C降至-5°C±5°C，再回升）的循環(huán)過程，并要求至少進(jìn)行100次循環(huán)。終以無裂紋、剝落，且質(zhì)量損失率不超過特定值（如0.5%）為合格。

2. 中國標(biāo)準(zhǔn)：

   • GB/T 3810.12《陶瓷磚試驗(yàn)方法 第12部分：抗凍性的測(cè)定》：該標(biāo)準(zhǔn)等效采用ISO 10545-12，技術(shù)內(nèi)容與ISO標(biāo)準(zhǔn)基本一致，是我國主要的檢測(cè)依據(jù)。

   • GB/T 4100《陶瓷磚》：該產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)不同吸水率類別（干壓磚：E≤0.5%、0.5%<E≤3%、3%<E≤6%、6%<E≤10%）的陶瓷磚，明確了其抗凍性的適用性要求。通常，吸水率E<3%的磚可假定其抗凍性滿足要求，除非其使用環(huán)境為極端寒冷；而吸水率E>3%的磚必須進(jìn)行抗凍性檢測(cè)。

3. 歐美標(biāo)準(zhǔn)：

   • EN ISO 10545-12：與ISO標(biāo)準(zhǔn)一致。

   • ASTM C1026《鋪地磚抗凍性標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》：方法原理相似，但在溫度曲線、飽和方法及合格判據(jù)上可能存在細(xì)微差異。

對(duì)比分析：中國標(biāo)準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)已基本接軌，核心技術(shù)要求相同。主要差異可能體現(xiàn)在針對(duì)本土氣候特點(diǎn)或特定產(chǎn)品類型的補(bǔ)充要求上。在實(shí)際檢測(cè)中，需根據(jù)產(chǎn)品目標(biāo)市場(chǎng)或采購方要求選擇相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

五、檢測(cè)方法

以GB/T 3810.12 / ISO 10545-12 為主要方法：

1. 試樣準(zhǔn)備：選取不少于10塊整磚，表面應(yīng)無可見裂紋。如為大尺寸磚，可切割成代表性小樣，但需確保切割邊不影響試驗(yàn)。

2. 飽和處理：

   • 真空法：將試樣置于真空容器中，抽真空至壓力低于100mbar，并保持15分鐘。然后在保持真空狀態(tài)下注入蒸餾水或去離子水，直至完全淹沒試樣，再保持15分鐘后恢復(fù)常壓。試樣在水中繼續(xù)浸泡4小時(shí)。

   • 煮沸法：將試樣放入盛有蒸餾水的容器中，加熱至沸騰并保持2小時(shí)，然后冷卻至室溫。

3. 凍融循環(huán)：

   • 將飽和試樣側(cè)向（非使用面）立于試樣架上，放入低溫箱。

   • 循環(huán)過程：在+20°C±5°C溫水中浸泡至少15分鐘 -> 轉(zhuǎn)移至-5°C±5°C的低溫箱中保溫至少15分鐘 -> 再返回+20°C±5°C溫水中。此為一個(gè)循環(huán)。

   • 循環(huán)次數(shù)：通常為100次，對(duì)于嚴(yán)酷氣候條件下使用的產(chǎn)品，可增加至150次或更多。

4. 中間檢查：每25次循環(huán)后，取出試樣，在特定光照條件下檢查并記錄損壞情況。

5. 終檢驗(yàn)：完成所有循環(huán)后，取出試樣。首先進(jìn)行外觀缺陷檢查，然后擦干表面，稱量質(zhì)量，計(jì)算質(zhì)量損失率。必要時(shí)，進(jìn)行抗折強(qiáng)度測(cè)試。

操作要點(diǎn)：

• 必須使用去離子水或蒸餾水，防止水中雜質(zhì)在孔隙中結(jié)晶產(chǎn)生影響。

• 試樣間距需保證冷空氣流通，確保溫度均勻。

• 轉(zhuǎn)移過程應(yīng)迅速，以減少溫度波動(dòng)。

• 凍結(jié)溫度-5°C是核心參數(shù)，必須精確控制。

六、檢測(cè)儀器

1. 低溫試驗(yàn)箱：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：必須具備從室溫快速降至-30°C甚至更低的能力，且工作區(qū)域溫度均勻性需滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（如±2°C）。應(yīng)具備程序控制功能，能精確設(shè)定并自動(dòng)運(yùn)行凍融循環(huán)的溫度曲線和時(shí)間。內(nèi)膽通常由耐腐蝕的不銹鋼制成。

2. 真空裝置：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：包括真空容器、真空泵和壓力表。真空泵應(yīng)能在合理時(shí)間內(nèi)將容器內(nèi)壓力抽至標(biāo)準(zhǔn)要求的100mbar以下。真空容器應(yīng)能密封并耐壓。

3. 干燥箱：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：用于烘干試樣至恒重，溫度控制范圍通常在100°C至110°C之間，控溫精度高。

4. 天平：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：精度至少為0.01g，用于精確稱量試樣干燥質(zhì)量、飽和質(zhì)量及凍融后質(zhì)量，以計(jì)算吸水率和質(zhì)量損失率。

5. 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：用于測(cè)量凍融前后試樣的抗折強(qiáng)度，需符合陶瓷磚強(qiáng)度測(cè)試的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

七、結(jié)果分析

1. 外觀分析：在規(guī)定的照度下（如300 lx），距離試樣25~30cm處觀察。任何肉眼可見的裂紋、釉面剝落、坯體剝落、缺邊、掉角均被視為破壞。記錄破壞的類型、位置和程度。

2. 質(zhì)量損失率計(jì)算：

   • 計(jì)算公式：Δm = (m? - m?) / m? ×

   • 其中，Δm為質(zhì)量損失率(%)，m?為凍融前飽和面干質(zhì)量(g)，m?為凍融后干燥質(zhì)量(g)。

   • 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：通常，質(zhì)量損失率不得超過0.5%（具體以產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為準(zhǔn)）。且每塊試樣的損失率均需計(jì)算和檢查。

3. 強(qiáng)度損失率計(jì)算：

   • 計(jì)算公式：強(qiáng)度損失率 = (R? - R?) / R? ×

   • 其中，R?為凍融前平均抗折強(qiáng)度，R?為凍融后平均抗折強(qiáng)度。

   • 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：強(qiáng)度損失率不應(yīng)超過一定閾值（如25%），或凍融后強(qiáng)度絕對(duì)值仍需滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的低要求。

4. 綜合判定：

   • 合格：所有試樣在經(jīng)過規(guī)定次數(shù)的凍融循環(huán)后，無任何肉眼可見的破壞跡象（裂紋、剝落等），且平均質(zhì)量損失率未超過標(biāo)準(zhǔn)限值。

   • 不合格：只要有任何一塊試樣出現(xiàn)肉眼可見的裂紋或剝落，或平均質(zhì)量損失率超標(biāo)，即可判定該批次產(chǎn)品的抗凍性不合格。

5. 深度分析：對(duì)于不合格或處于臨界狀態(tài)的產(chǎn)品，可結(jié)合吸水率、氣孔率數(shù)據(jù)和微觀結(jié)構(gòu)分析，探究其抗凍性差的根本原因，如坯體燒結(jié)程度不足、原料配方不合理、內(nèi)部存在大尺寸缺陷或氣孔分布不佳等，為產(chǎn)品工藝改進(jìn)提供方向。