模擬酸雨對(duì)水泥聚苯模殼侵蝕影響的試驗(yàn)研究

楊勝光，曹啟坤，暴佳樂(lè)(遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧阜新123000)

模擬酸雨對(duì)水泥聚苯模殼侵蝕影響的試驗(yàn)研究

楊勝光，曹啟坤，暴佳樂(lè)
(遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧阜新123000)

該試驗(yàn)以配制不同PH值酸雨溶液對(duì)水泥聚苯模殼的質(zhì)量損失率和壓折比影響進(jìn)行基礎(chǔ)性研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，模殼的質(zhì)量損失率、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度呈先增加后減少的趨勢(shì)，但壓折比呈現(xiàn)先降后增趨勢(shì)。49d循環(huán)后，質(zhì)量損失率達(dá)到5.7%，抗折強(qiáng)度較初始值下降了15.37%，抗壓強(qiáng)度較初始值下降了10.51%，因而壓折比提高了6.38%。

水泥聚苯模殼；酸雨侵蝕；質(zhì)量損失率；壓折比

0 引言

水泥聚苯模殼是由水泥（膠凝材料）、聚苯乙烯泡沫塑料顆粒（保溫骨料）、乳膠粉、纖維素（外加劑）等原料經(jīng)充分?jǐn)嚢?，附纖維網(wǎng)，鑄壓模形成的新型復(fù)合保溫材料[1]。水泥聚苯模殼作為免拆墻體模板與混凝土澆筑為集低耗、輕質(zhì)、承重、隔熱為一體的新型節(jié)能墻體，具備工業(yè)化生產(chǎn)和裝配化施工條件，同時(shí)綠色、節(jié)能、環(huán)保和一體化施工符合國(guó)家墻改和推行綠色建筑的要求，因此具有良好的應(yīng)用前景[2-3]。

酸雨是指PH＜5.6的降雨、雪、雹，霧、露等大氣降水[4]。我國(guó)降雨日益酸化，酸雨降雨頻率與日俱增，分布范圍也不斷擴(kuò)大，而受酸性介質(zhì)侵蝕作用的建筑物，其結(jié)構(gòu)使用性會(huì)面臨大幅度下降等實(shí)際問(wèn)題[5]。水泥聚苯模殼作為格構(gòu)式墻體外保溫材料是先于墻體結(jié)構(gòu)與外界酸雨接觸，在酸雨的侵蝕作用下模殼發(fā)生溫度應(yīng)變和干縮應(yīng)變，這些不均勻應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致飾面層出現(xiàn)裂縫，進(jìn)而影響建筑物耐久性與正常使用。但目前關(guān)于酸雨條件下的水泥聚苯模殼性能變化的研究報(bào)道較少，因此，本文采用硫酸和硝酸等酸液配置不同PH值來(lái)模擬酸雨，研究酸雨侵蝕對(duì)水泥聚苯模殼的質(zhì)量損失率和力學(xué)性能變化的影響，為水泥聚苯模殼在實(shí)際工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 原材料和配合比

水泥：采用阜新產(chǎn)地的PO.42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水泥有關(guān)性能見(jiàn)表1。聚苯乙烯顆粒：由可發(fā)性聚苯乙烯樹(shù)脂膨脹發(fā)泡制成，粒徑4～6mm。外添加劑和附加材料：由乳膠粉、羥丙基甲基纖維素醚、引氣劑、減水劑和耐堿玻纖網(wǎng)格布等材料組成。外添加劑粘度要求在500～1000cP，pH值在8.0～10.0，固體含量在48%。其作用增強(qiáng)了拌合物體系的粘結(jié)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

表1 水泥物理性能

配合比設(shè)計(jì)是參考文獻(xiàn)[6]采用的3因素3水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，見(jiàn)表2。通過(guò)對(duì)混合料成型28d齡期試件的抗壓強(qiáng)度、抗凍性和導(dǎo)熱系數(shù)三種指標(biāo)的極差分析，綜合經(jīng)濟(jì)成本確定理想配合比方案。最終方案為A2B2C3。

表2 配合比正交試驗(yàn)

1.2 試件材料的制作與養(yǎng)護(hù)

試件鑄壓模成型后除去多余砂漿，平地放置5min，用刮刀抹平，于室溫下覆膜養(yǎng)護(hù)1d，拆去試件模板將試件編號(hào)后轉(zhuǎn)入養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)室溫度控制在在（20±2）℃，濕度為（95±3）℃，達(dá)到齡期后，將試件放入烘干箱烘干至恒重。

1.3 配置模擬酸雨

酸雨的組成與性質(zhì)指的是離子濃度、PH值和雨量[7]。我國(guó)酸雨類型主要為硫酸型酸雨，較為嚴(yán)重的地區(qū)酸雨P(guān)H值已經(jīng)達(dá)到了2.85，并且仍有下降趨勢(shì)[8]。根據(jù)遼寧省主要酸雨區(qū)實(shí)測(cè)酸根離子均值比例，用H2SO4和HNO3（按摩爾濃度比約5∶1）和蒸餾水配置作為模擬酸雨的酸母液，采用CaCl23.1g/L、NH4Cl 2.8g/L、NaCl 0.91g/L和KCl 0.75g/L配制模擬酸雨成分1000倍的電解質(zhì)母液。將電解質(zhì)母液稀釋1000倍后，用酸母液將pH值分別調(diào)節(jié)為3、4、5模擬酸雨。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 酸雨侵蝕方法

酸雨侵蝕試驗(yàn)采用干濕循環(huán)侵蝕機(jī)制，即將試件材料浸泡在恒溫（20±2）℃的侵蝕溶液中，16h后取出并擦干其表面水分，自然干燥1h，再將試件放入65℃恒溫烘箱，6h后取出自然冷卻1h，每個(gè)循環(huán)為1d，7d為一個(gè)齡期，侵蝕齡期分別為7d、14d、21d、28d、35d、42d、49d共7個(gè)齡期。

1.4.2 材料質(zhì)量損失率和壓折比試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前需要對(duì)所有試塊材料在烘箱中烘干稱重，然后每組試件材料在不同PH值溶液進(jìn)行干濕循環(huán)侵蝕，每循環(huán)一個(gè)齡期后分別稱重、記錄。參照《建筑砂漿基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》測(cè)試試件經(jīng)過(guò)循環(huán)每個(gè)齡期后的立方體抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。試件尺寸和數(shù)量詳見(jiàn)表3。每組試件為三個(gè)試塊，材料質(zhì)量損失率、抗折強(qiáng)度取每一齡期三個(gè)試塊的算術(shù)平均值。

表3 試件尺寸和數(shù)量

單個(gè)試塊的質(zhì)量損失率計(jì)算公式：

（1）式中，△Wni為n次侵蝕循環(huán)烘干后第i個(gè)試塊的質(zhì)量損失率（100%）；Woi為侵蝕循環(huán)前烘干第i個(gè)試塊的質(zhì)量（g）；Wni為侵蝕循環(huán)烘干后第i個(gè)試塊的質(zhì)量（g）。

單個(gè)試塊抗折強(qiáng)度計(jì)算公式：

（2）式中，Rf為抗折強(qiáng)度（MPa）；Ff為折斷時(shí)施加于水泥聚苯模殼試件中部的荷載(N)；L為支撐柱間距離(100mm)；b為水泥聚苯模殼正方形截面的邊長(zhǎng)(40mm)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同PH值酸雨溶液對(duì)材料試件質(zhì)量損失的影響

隨著干濕循環(huán)次數(shù)的遞增，試件表面細(xì)度較小的水泥顆粒發(fā)生剝落，露出亞表層的耐堿玻纖網(wǎng)，且表面裂紋增多。在相同齡期的情況下，pH值越小上述現(xiàn)象越明顯，模殼邊角處越圓潤(rùn)孔隙率逐次增大，見(jiàn)圖1。

圖1 侵蝕后水泥聚苯模殼試件表觀變化

圖2 水泥聚苯模殼質(zhì)量損失率變化趨勢(shì)

從圖2中可以看出，水泥聚苯模殼質(zhì)量損失率是先增加后減小。主要是由于在被侵蝕前期，侵蝕作用反應(yīng)效率小于水化作用反應(yīng)效率造成的；而在28d至35d循環(huán)之間質(zhì)量損失出現(xiàn)突變，也就意味著侵蝕循環(huán)進(jìn)行到后期，侵蝕作用的反應(yīng)效率大于水化作用的反應(yīng)效率。pH值越小質(zhì)量下降趨勢(shì)越明顯，其PH=3酸溶液的試塊質(zhì)量損失率經(jīng)49d循環(huán)后達(dá)到5.7%。

2.2 不同PH值酸雨溶液對(duì)材料試件壓折比影響

2.2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

圖3為部分抗壓破壞試驗(yàn)，選取的是PH值為3的不同齡期的試塊。圖4是部分抗折試驗(yàn)，選取的是侵蝕齡期14d，分別對(duì)pH=3、pH=4、pH=5的侵蝕試件。

圖3 PH=3時(shí)不同侵蝕齡期下水泥聚苯模殼立方體抗壓破壞狀態(tài)

圖4 抗折破壞試驗(yàn)現(xiàn)象

從圖中可以看出，試塊受壓破壞為斜裂縫破壞形式，隨著循環(huán)次數(shù)的增加破壞越嚴(yán)重；相同齡期的情況下，不同pH值酸液中試塊的抗折破壞形式呈現(xiàn)不同情況的變化，pH=3侵蝕溶液中的試件，破壞形式明顯出現(xiàn)了塑性破壞特征，而pH=5侵蝕溶液中的試件基本為脆性破壞。

2.2.2 結(jié)果分析

圖5、圖6可以看出，隨著侵蝕作用加劇，水泥聚苯模殼抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)49d侵蝕作用后，抗壓強(qiáng)度分別降低：17.58%（pH=3），12.19%（pH=4），1.76%（pH=5）；抗折強(qiáng)度分別降低：20.94%（pH=3），17.55%（pH=4），1.63%（pH=5）。對(duì)比可看出抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度受侵蝕循環(huán)條件影響的敏感度不同；由圖7可以得出，隨著酸侵蝕循環(huán)次數(shù)的增加，試件的壓折比為先減小后增大趨勢(shì)，0-28d齡期內(nèi)的不同PH值酸液侵蝕后試件其抗折強(qiáng)度有大致相同的下降程度，而在28-49d齡期內(nèi)，PH值越小其壓折比上升程度越大。過(guò)分析，試件壓折比的變低是由于在試件侵蝕的初期侵蝕溶液中的SO42-、NO3-等離子與水泥聚苯模殼的組成材料發(fā)生反應(yīng)，生成膨脹性物質(zhì)會(huì)縮小孔隙增加密實(shí)度，因而強(qiáng)度增強(qiáng)，一定程度上提高了水泥聚苯模殼試件抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。試件抗壓強(qiáng)度的提高程度小于抗折強(qiáng)度的提高程度，所以這組比值的變化降低了水泥聚苯模殼試件壓折比。隨著循環(huán)的繼續(xù)，侵蝕作用大于水化反應(yīng)，增大了水泥聚苯模殼內(nèi)部孔隙率，內(nèi)部空間孔洞變多變大，空間結(jié)構(gòu)變得脆弱、稀疏，這就導(dǎo)致水泥聚苯模殼試件抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均呈降低趨勢(shì)，但由于在不同的pH值環(huán)境和試件內(nèi)部的玻纖網(wǎng)的作用下，使得試件抗壓強(qiáng)度變化更快，從而壓折比變大。因此，雖然PH溶液取值不同，不同節(jié)點(diǎn)對(duì)試件影響效果不同，但是整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中試件整體變化趨勢(shì)接近一致。

圖5 侵蝕作用下水泥聚苯模殼抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

圖6 侵蝕作用下水泥聚苯模殼抗折強(qiáng)度變化規(guī)律

圖7 侵蝕作用下水泥聚苯模殼壓折比變化規(guī)律

以上試驗(yàn)說(shuō)明：開(kāi)始時(shí)試件的壓折比呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，此時(shí)水泥聚苯模殼試件的柔韌性能與抗裂能力呈現(xiàn)變強(qiáng)趨勢(shì)經(jīng)

3 結(jié)論

（1）隨著干濕循環(huán)次數(shù)的遞增，試件表面有裂紋，孔隙率增多，且酸性越強(qiáng)，現(xiàn)象越明顯。水泥聚苯模殼的質(zhì)量變化規(guī)律是隨侵蝕齡期的增加而增大，到了一定階段后又減小，PH=3酸溶液的試塊質(zhì)量損失率經(jīng)49d酸侵蝕循環(huán)后達(dá)到5.7%。

（2）模擬酸雨侵蝕下的試塊受壓破壞為斜裂縫破壞形式，PH=3試塊抗折破壞為塑性破壞，PH=5試塊抗折破壞為脆性破壞。酸雨侵蝕干濕循環(huán)作用下的水泥聚苯模殼的強(qiáng)度都呈現(xiàn)先增高后減小的趨勢(shì)。

（3）侵蝕溶液中的SO42-、NO3-等離子與水泥聚苯模殼的組成材料發(fā)生反應(yīng)，生成膨脹性物質(zhì)，會(huì)縮小孔隙增加密實(shí)度，試件抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，但在試驗(yàn)后期侵蝕作用明顯，抗折強(qiáng)度損失速度要高于其抗壓強(qiáng)度損失速度，從而壓折比先降后增。在49d循環(huán)后，三種不同PH值試件平均抗折強(qiáng)度較初始值下降了15.37%，平均抗壓強(qiáng)度較初始值下降了10.51%，因而壓折比提高了6.38%。

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責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

ExperimentalSimulation on Erosion Influence of Acid Rain on EPSC

The experiment is performed to study the effectof acid rain solution of different pH values on themass loss rate and the ratio of compressive strength to flexuralstrength ofexpansivepolystyrene shell cement(EPSC).The resultsshow thatw ith the increaseof drying-wetting cycle,themass loss rate,compressive strength rate and flexural strength of the shell increase firstand then decrease,but the ratio of compressive strength to flexuralstrength tends to decrease firstand then increase.After a circulation of 49 days,themass loss rate reached 5.7%,the flexural strength decreasesby 15.37%compared with the initialvalue,the compressive strength decreasesby 10.51%compared with the initialvalue,so the ratio of compressive strength to flexural strength increasesby 6.38%.

EPSC;acid rain erosion;mass loss rate;ratio of compressivestrength to flexuralstrength

TU 528.79

A

1671-9107（2017）07-0060-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.07.060

2017-04-10

楊勝光（1992-）男，河南禹州人，研究生，主要研究方向混凝土材料和結(jié)構(gòu)工程。