酸侵蝕下玻化微珠保溫砂漿抗侵蝕性能的試驗研究

劉元珍,胡鳳麗,高 莉,張云飛

(太原理工大學 建筑與土木工程學院,太原 030024)

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酸侵蝕下玻化微珠保溫砂漿抗侵蝕性能的試驗研究

劉元珍,胡鳳麗,高 莉,張云飛

(太原理工大學 建筑與土木工程學院,太原 030024)

為了研究酸侵蝕下玻化微珠保溫砂漿的抗侵蝕性能,配制了pH值分別為3，4，5的酸性溶液(內含H+，SO42-，NO3-，NH4+等離子),進行干濕循環加速試驗,測定侵蝕前后保溫砂漿的質量損失率、導熱系數、抗壓強度和拉伸粘結強度。試驗結果表明:侵蝕齡期和溶液酸度對保溫砂漿的性能均具有影響。侵蝕齡期相同時,質量損失率和導熱系數隨著酸性的增加而增大;相同pH值下,隨著齡期的增加質量損失率、抗壓強度和拉伸粘結強度先增加后減小;pH=3的侵蝕溶液下,56次干濕循環作用后,質量、抗壓強度和拉伸粘結強度的損失率分別為-5.7%，19.6%，18.5%;pH=3時,導熱系數達到本試驗的最高值0.051 7 W/(m·K),相比未侵蝕試件僅增大9.1%,仍滿足相關行業標準的要求。

玻化微珠保溫砂漿;酸侵蝕;干濕循環;質量損失率;導熱系數;抗壓強度;拉伸粘結強度

酸性環境是指水氣、大氣等的pH值低于某一閾值(如pH<5.6),從而呈弱酸性和酸性,其中以酸雨最為典型。近年來隨著經濟的發展,在東南亞地區出現了世界第三大酸雨區,該地區包括中國長江以南廣大地區和臺灣島、朝鮮半島和日本列島,其中降水酸性最強、面積最大的酸雨區在中國[1],每年向空中排放的SO2約在2×107t左右[2]。建筑物因酸雨侵蝕導致破壞的現象越來越嚴重。而我國在這方面的研究卻相對較少,特別是酸雨對水泥基材料侵蝕方面的研究更少。因此,加強酸雨對水泥基材料的研究刻不容緩。

目前,國內外專家學者基本從侵蝕溶液和材料組成兩個角度研究酸雨對水泥基材料的破壞機理[3-7]。研究表明,酸雨對水泥基材料的破壞主要是由于酸雨中的化學侵蝕性介質(H+,SO42-等)通過水泥基材料的孔隙,進入其內部與某些組分發生化學反應,導致C-S-H凝膠分解,從而使水泥基材料的強度和粘結性降低,影響其使用性能。作為一種高效節能無機保溫材料,玻化微珠保溫砂漿具有抗老化性防火性能、強度高、粘結性好、不空鼓開裂以及綠色無污染等特性[8]。目前對玻化微珠保溫砂漿的配合比和基本力學性能已進行了大量的研究[9-12]。但對于其在酸雨侵蝕下抗侵蝕性能的研究目前尚處于空白。因此,本文以前期研究為基礎,模擬酸雨侵蝕后,玻化微珠保溫砂漿的抗侵蝕性能,以揭示保溫砂漿的劣化破壞規律和機理,為產品改進及應用提供有效的依據。

1 原材料和試驗設計

1.1 原材料

本次試驗采用預拌單組份干粉保溫砂漿漿料,該漿料由玻化微珠、水泥、砂子、纖維、膠粉及引氣劑充分攪拌制成。其中玻化微珠由信陽華豫礦業有限公司生產提供,粒徑為0.5～1.5 mm;水泥采用太原獅頭水泥廠生產的鋁酸鹽快硬水泥;砂子選用豆羅中砂;纖維選用北京國豪化工機械有限公司生產的聚丙烯纖維;膠凝材料選擇河南靳偉宏業生產的可分散性乳膠粉;水選用當地自來水。根據行業標準JC/T 2164—2013《玻化微珠保溫隔熱砂漿應用技術規程》,保溫砂漿的配制采用配比為:料漿需用水∶干粉料=1∶1(質量比)。

1.2 試驗方案設計

1.2.1 酸溶液配制

模擬酸雨的酸度和離子組成,選用(NH4)2SO4試劑和濃HNO3溶液進行酸溶液配制,溶液pH值分別為3，4，5。配制溶液時(NH4)2SO4試劑用電子稱稱量,稱量精度為±0.1 g;濃HNO3溶液用試管量取,精度為±0.2 mL。試驗過程中要始終保持溶液體積和試件體積比在4∶1左右。

1.2.2 試件制備

本試驗制作的玻化微珠保溫砂漿試塊尺寸見表1。在制作過程中,先對攪拌機進行預濕,然后加入水,再加入配置好的玻化微珠保溫砂漿干粉料,緩緩攪拌直至砂漿和易性符合現場施工要求為止。最后入模振搗,用不透氣塑料薄膜覆蓋模具,48 h后拆模,并于標準養護條件下養護28 d。對養護后的試塊,進行干濕循環加速試驗,并測定循環前后試塊的質量損失率、導熱系數、抗壓強度和拉伸粘結強度。

表1 試件設計情況

1.2.3 試驗過程

玻化微珠保溫砂漿試塊經過28 d標準養護以后,在室內進行干濕循環侵蝕試驗,循環次數分別為0,14,28,56次。侵蝕制度為:在酸溶液中浸泡16 h,拿出試件在通風干燥處放置1 h,然后再放入烘干機里恒溫80 ℃烘6 h,最后拿出試塊冷卻1 h,1 d為1個循環。浸泡過程中溫度、濕度以室內環境為準。每次循環結束后調整溶液的pH值,每7個循環更換1次溶液。

2 試驗結果及分析

2.1 侵蝕前后表觀形態的對比分析

玻化微珠保溫砂漿試塊經過干濕循環作用后,表面發生了變化。由圖1可以看出,pH值相同時,隨著侵蝕齡期的增加,表層砂漿脫落越來越嚴重,同時孔隙增多,孔隙率變大;循環次數相同的情況下,pH值越小,砂漿侵蝕越嚴重,表層脫落和孔隙的變化也越明顯。

圖1 不同循環次數下玻化微珠保溫砂漿外部特征Fig.1 Exterior features of glazed hollow beads thermal insulation mortar subjected to acid erosion

2.2 質量損失率

表2列出不同pH值下的質量損失率。

表2 玻化微珠保溫砂漿在不同pH值下的質量損失率

Table 2 Mass loss rate of glazed hollow beads thermal insulation mortar in acidic solution with different pH

由表2橫向可以看出,當循環次數相同時,隨著酸性的增大,玻化微珠保溫砂漿試塊的質量損失率逐漸增大;從縱向看,pH值相同時,試塊的質量損失率先增大后減小。這是因為相同齡期下,酸性越強,侵蝕作用越大,導致試塊表面漿體脫落越嚴重,使質量損失率增大。當pH值相同而齡期不同時,伴隨著酸雨侵蝕作用的不斷積累,酸雨腐蝕產物CaSO4·2H2O晶體以及SiO2·nH2O和A12O3·nH2O膠體產生,使其質量增加,隨著齡期的增大,增加的質量逐漸大于脫落的質量,總體質量增加。

2.3 導熱系數

表3列出不同pH下的導熱系數。

表3 玻化微珠保溫砂漿在不同pH值下的導熱系數

由表3所得,玻化微珠保溫砂漿的導熱系數隨著酸性的增加而逐漸增大,pH=3時達到最高導熱系數值0.051 7 W/(m·K),與侵蝕前保溫砂漿試件相比增加了9.1%；pH值介于4和3之間,保溫砂漿導熱系數增加的幅度最大。JGJ 144—2008標準中規定保溫材料的導熱系數要小于或等于0.6 W/(m·K),所以玻化微珠保溫砂漿經過pH=3的強酸性溶液侵蝕后,仍滿足該行業標準的要求。

從試驗結果可以看出,玻化微珠保溫砂漿試塊在侵蝕過程中導熱系數的增加幅度較小,僅9.1%。說明玻化微珠保溫砂漿作為一種優良的保溫材料,在侵蝕破壞過程中具有穩定的物理性質,在較高濃度酸性溶液侵蝕下依然具有良好的保溫隔熱性能。

2.4 抗壓強度

圖2為試驗得出的抗壓強度變化規律。

圖2 干濕循環作用下玻化微珠保溫砂漿抗壓強度變化規律Fig.2 Change of the compressive strength of thermal insulation glazed hollow beads mortar under the action of dry-wet cycles

由圖2可以得出,相同pH值的溶液中,隨著干濕循環次數的增加,玻化微珠保溫砂漿的抗壓強度先增大后減小;相同循環次數下,抗壓強度隨著pH值的增大而逐漸減小。56次干濕循環后,pH值為3，4，5的侵蝕溶液下,保溫砂漿的立方體抗壓強度損失率分別為19.6%，17.9%，16.3%。有關研究表明[13-14],干濕循環早期,保溫砂漿基體水化反應尚未完全,試驗過程中水化繼續進行使材料更加密實;此外,侵蝕溶液和保溫砂漿中的某些成分在侵蝕過程中發生化學反應生成膨脹性物質。這些因素都會使孔隙減小,密實度增加,因而在侵蝕早期強度增強;后期,隨著侵蝕深入,侵蝕作用逐漸大于水化及膨脹作用,材料宏觀上出現了剝落現象,強度逐漸下降,抗壓強度逐漸變小。

行業標準JC/T 2164—2013《玻化微珠保溫砂漿應用技術規程》規定,玻化微珠保溫砂漿用于墻體時,抗壓強度≥0.2 MPa;用作地面及屋面材料時,抗壓強度≥0.3 MPa。由本試驗結果可知在pH=3的酸性溶液中經過56次干濕循環后,玻化微珠保溫砂漿的抗壓強度達到最小值,為0.386 MPa,滿足行業標準的要求。

2.5 拉伸粘結強度

圖3為酸侵蝕后拉伸粘結試塊的表觀形態變化規律，圖4為試驗得出的拉伸粘結強度和干濕循環次數的關系。

由圖3可以看出,在酸侵蝕條件下,隨著干濕循環次數的增加,玻化微珠保溫砂漿拉伸粘結試塊表面逐漸出現脫落。14次干濕循環試塊表面基本沒有變化,28次干濕循環試塊表面少部分脫落,而56次干濕循環后表面幾乎全部脫落,玻化微珠顆粒裸露在外面,侵蝕破壞嚴重,且一組試件中有2個試塊,保溫砂漿和水泥砂漿塊發生了脫離。由圖4可以看出,玻化微珠保溫砂漿隨著干濕循環次數的增加,拉伸粘結強度先增大后降低, pH=3酸性溶液下,56次干濕循環作用后,強度降低了18.5%。

圖3 酸侵蝕后玻化微珠保溫砂漿拉伸粘結試塊Fig.3 Specimens of glazed hollow beads thermal insulation mortar after acid erosion

圖4 拉伸粘結強度和干濕循環次數的關系Fig.4 Relationship between tensile bond strength and dry-wet cycles

玻化微珠保溫砂漿外墻外保溫系統是層次分明的復合墻體,其中玻化微珠保溫砂漿作為關鍵層,其粘結強度對系統的整體性和完整性具有重要的影響。通過試驗發現,長期酸侵蝕作用下,玻化微珠保溫砂漿的粘結強度降低,部分試塊保溫砂漿與水泥砂漿塊脫離。因此在實際施工中,特別是酸雨較嚴重的地區,要提高保溫砂漿的粘結強度,增強保溫砂漿和界面砂漿、基層墻體之間的粘結,以保證保溫系統的整體性,避免因侵蝕發生界面開裂或脫落的現象。

3 結論

通過研究酸侵蝕作用下玻化微珠保溫砂漿的抗侵蝕性能,得出如下結論:

1) 相同干濕循環作用后,隨著酸性的增大,玻化微珠保溫砂漿試塊的質量損失率逐漸增大;pH值相同時,隨著循環次數的增大,保溫砂漿試塊的質量損失率先增大后減小。56次干濕循環后,pH值為3，4，5的侵蝕溶液下,保溫砂漿的質量損失率分別為-5.7%，-4.2%，-3.1%。

2) 相同干濕循環作用后,玻化微珠保溫砂漿的導熱系數隨著酸性的增加而逐漸增大,但變化幅度不大,pH=3時,達到本試驗的最高導熱系數值0.051 7 W/(m·K),相比未侵蝕試件僅增大9.1%,滿足行業標準JGJ 144—2008的要求。

3) 相同pH值的溶液中,隨著干濕循環次數的增加,玻化微珠保溫砂漿的抗壓強度和拉伸粘結強度先增大后減小;pH=3的侵蝕溶液下,56次干濕循環作用后,抗壓強度和拉伸粘結強度的損失率分別為19.6%和18.5%。

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(編輯：賈麗紅)

Experimental Study on Corrosion Stability of Glazed Hollow Beads Thermal Insulation Mortar Subjected to Acid Erosion

LIU Yuanzhen,HU Fengli,GAO Li,ZHANG Yunfei

(College of Architecture and Civil Engineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

In order to study the durability of glazed hollow beads thermal insulation mortar in acid rain, the acidic solution with pH of 3, 4, 5 (containing H+，SO42-，NO3-，NH4+et al)was compounded separately.The test of fast dry-wet cycles was adopted. The mass loss rate, coefficient of thermal conductivity, compressive strength and tensile bond strength were tested.Test results show that both dry-wet cycles and acidity had an effect on performances of the mortar. The mass loss rate and coefficient of thermal conductivity of glazed hollow beads thermal insulation mortar increased with the decrease of pH after the same wet-dry cycles.On the other hand, when the value of pH was the same, the mass loss rate, compressive strength and tensile bond strength increased at first then decreased with increasing cycles of dry-wet. Meanwhile, after 56 dry-wet cycles, when the value of pH was 3, the lost rate in mass, compressive strength and tensile bond strength is -5.7%, 19.6% and 18.5%, respectively. Furthermore, when the value of pH was 3, the maximum value of coefficient of thermal conductivity was obtained, which was 0.051 7 W/(m·K) a 9.1% increase compared with the value before acid erosion,meeting the requirements of relevant professional standard.

glazed hollow beads thermal insulation mortar;acid erosion;dry-wet cycles;mass loss rate;coefficient of thermal conductivity;compressive strength;tensile bond strength

1007-9432(2016)04-0490-05

2016-12-29

國家自然科學基金資助項目:玻化微珠保溫砂漿劣化機理及對結構耐久性影響(51308371)；山西省自然科學基金資助項目：裝配式保溫混凝土剪力墻結構抗震性能研究(2014011033-1)

劉元珍(1974-)，女，山西霍州人，博士，副教授，主要研究混凝土結構、建筑節能，(E-mail)liuyuanzhen@tyut.edu.cn

TQ177.6

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.04.011