刘元珍,胡凤丽,高 莉,张云飞

(太原理工大学 建筑与土木工程学院,太原 030024)



酸侵蚀下玻化微珠保温砂浆抗侵蚀性能的试验研究

刘元珍,胡凤丽,高 莉,张云飞

(太原理工大学 建筑与土木工程学院,太原 030024)

为了研究酸侵蚀下玻化微珠保温砂浆的抗侵蚀性能,配制了pH值分别为3，4，5的酸性溶液(内含H+，SO42-，NO3-，NH4+等离子),进行干湿循环加速试验,测定侵蚀前后保温砂浆的质量损失率、导热系数、抗压强度和拉伸粘结强度。试验结果表明:侵蚀龄期和溶液酸度对保温砂浆的性能均具有影响。侵蚀龄期相同时,质量损失率和导热系数随着酸性的增加而增大;相同pH值下,随着龄期的增加质量损失率、抗压强度和拉伸粘结强度先增加后减小;pH=3的侵蚀溶液下,56次干湿循环作用后,质量、抗压强度和拉伸粘结强度的损失率分别为-5.7%，19.6%，18.5%;pH=3时,导热系数达到本试验的最高值0.051 7 W/(m·K),相比未侵蚀试件仅增大9.1%,仍满足相关行业标准的要求。

玻化微珠保温砂浆;酸侵蚀;干湿循环;质量损失率;导热系数;抗压强度;拉伸粘结强度

酸性环境是指水气、大气等的pH值低于某一阈值(如pH<5.6),从而呈弱酸性和酸性,其中以酸雨最为典型。近年来随着经济的发展,在东南亚地区出现了世界第三大酸雨区,该地区包括中国长江以南广大地区和台湾岛、朝鲜半岛和日本列岛,其中降水酸性最强、面积最大的酸雨区在中国[1],每年向空中排放的SO2约在2×107t左右[2]。建筑物因酸雨侵蚀导致破坏的现象越来越严重。而我国在这方面的研究却相对较少,特别是酸雨对水泥基材料侵蚀方面的研究更少。因此,加强酸雨对水泥基材料的研究刻不容缓。

目前,国内外专家学者基本从侵蚀溶液和材料组成两个角度研究酸雨对水泥基材料的破坏机理[3-7]。研究表明,酸雨对水泥基材料的破坏主要是由于酸雨中的化学侵蚀性介质(H+,SO42-等)通过水泥基材料的孔隙,进入其内部与某些组分发生化学反应,导致C-S-H凝胶分解,从而使水泥基材料的强度和粘结性降低,影响其使用性能。作为一种高效节能无机保温材料,玻化微珠保温砂浆具有抗老化性防火性能、强度高、粘结性好、不空鼓开裂以及绿色无污染等特性[8]。目前对玻化微珠保温砂浆的配合比和基本力学性能已进行了大量的研究[9-12]。但对于其在酸雨侵蚀下抗侵蚀性能的研究目前尚处于空白。因此,本文以前期研究为基础,模拟酸雨侵蚀后,玻化微珠保温砂浆的抗侵蚀性能,以揭示保温砂浆的劣化破坏规律和机理,为产品改进及应用提供有效的依据。

1 原材料和试验设计

1.1 原材料

本次试验采用预拌单组份干粉保温砂浆浆料,该浆料由玻化微珠、水泥、砂子、纤维、胶粉及引气剂充分搅拌制成。其中玻化微珠由信阳华豫矿业有限公司生产提供,粒径为0.5～1.5 mm;水泥采用太原狮头水泥厂生产的铝酸盐快硬水泥;砂子选用豆罗中砂;纤维选用北京国豪化工机械有限公司生产的聚丙烯纤维;胶凝材料选择河南靳伟宏业生产的可分散性乳胶粉;水选用当地自来水。根据行业标准JC/T 2164—2013《玻化微珠保温隔热砂浆应用技术规程》,保温砂浆的配制采用配比为:料浆需用水∶干粉料=1∶1(质量比)。

1.2 试验方案设计

1.2.1 酸溶液配制

模拟酸雨的酸度和离子组成,选用(NH4)2SO4试剂和浓HNO3溶液进行酸溶液配制,溶液pH值分别为3，4，5。配制溶液时(NH4)2SO4试剂用电子称称量,称量精度为±0.1 g;浓HNO3溶液用试管量取,精度为±0.2 mL。试验过程中要始终保持溶液体积和试件体积比在4∶1左右。

1.2.2 试件制备

本试验制作的玻化微珠保温砂浆试块尺寸见表1。在制作过程中,先对搅拌机进行预湿,然后加入水,再加入配置好的玻化微珠保温砂浆干粉料,缓缓搅拌直至砂浆和易性符合现场施工要求为止。最后入模振捣,用不透气塑料薄膜覆盖模具,48 h后拆模,并于标准养护条件下养护28 d。对养护后的试块,进行干湿循环加速试验,并测定循环前后试块的质量损失率、导热系数、抗压强度和拉伸粘结强度。

表1 试件设计情况

1.2.3 试验过程

玻化微珠保温砂浆试块经过28 d标准养护以后,在室内进行干湿循环侵蚀试验,循环次数分别为0,14,28,56次。侵蚀制度为:在酸溶液中浸泡16 h,拿出试件在通风干燥处放置1 h,然后再放入烘干机里恒温80 ℃烘6 h,最后拿出试块冷却1 h,1 d为1个循环。浸泡过程中温度、湿度以室内环境为准。每次循环结束后调整溶液的pH值,每7个循环更换1次溶液。

2 试验结果及分析

2.1 侵蚀前后表观形态的对比分析

玻化微珠保温砂浆试块经过干湿循环作用后,表面发生了变化。由图1可以看出,pH值相同时,随着侵蚀龄期的增加,表层砂浆脱落越来越严重,同时孔隙增多,孔隙率变大;循环次数相同的情况下,pH值越小,砂浆侵蚀越严重,表层脱落和孔隙的变化也越明显。

图1 不同循环次数下玻化微珠保温砂浆外部特征Fig.1 Exterior features of glazed hollow beads thermal insulation mortar subjected to acid erosion

2.2 质量损失率

表2列出不同pH值下的质量损失率。

表2 玻化微珠保温砂浆在不同pH值下的质量损失率

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

由表2横向可以看出,当循环次数相同时,随着酸性的增大,玻化微珠保温砂浆试块的质量损失率逐渐增大;从纵向看,pH值相同时,试块的质量损失率先增大后减小。这是因为相同龄期下,酸性越强,侵蚀作用越大,导致试块表面浆体脱落越严重,使质量损失率增大。当pH值相同而龄期不同时,伴随着酸雨侵蚀作用的不断积累,酸雨腐蚀产物CaSO4·2H2O晶体以及SiO2·nH2O和A12O3·nH2O胶体产生,使其质量增加,随着龄期的增大,增加的质量逐渐大于脱落的质量,总体质量增加。

2.3 导热系数

表3列出不同pH下的导热系数。

表3 玻化微珠保温砂浆在不同pH值下的导热系数

由表3所得,玻化微珠保温砂浆的导热系数随着酸性的增加而逐渐增大,pH=3时达到最高导热系数值0.051 7 W/(m·K),与侵蚀前保温砂浆试件相比增加了9.1%；pH值介于4和3之间,保温砂浆导热系数增加的幅度最大。JGJ 144—2008标准中规定保温材料的导热系数要小于或等于0.6 W/(m·K),所以玻化微珠保温砂浆经过pH=3的强酸性溶液侵蚀后,仍满足该行业标准的要求。

从试验结果可以看出,玻化微珠保温砂浆试块在侵蚀过程中导热系数的增加幅度较小,仅9.1%。说明玻化微珠保温砂浆作为一种优良的保温材料,在侵蚀破坏过程中具有稳定的物理性质,在较高浓度酸性溶液侵蚀下依然具有良好的保温隔热性能。

2.4 抗压强度

图2为试验得出的抗压强度变化规律。

图2 干湿循环作用下玻化微珠保温砂浆抗压强度变化规律Fig.2 Change of the compressive strength of thermal insulation glazed hollow beads mortar under the action of dry-wet cycles

由图2可以得出,相同pH值的溶液中,随着干湿循环次数的增加,玻化微珠保温砂浆的抗压强度先增大后减小;相同循环次数下,抗压强度随着pH值的增大而逐渐减小。56次干湿循环后,pH值为3，4，5的侵蚀溶液下,保温砂浆的立方体抗压强度损失率分别为19.6%，17.9%，16.3%。有关研究表明[13-14],干湿循环早期,保温砂浆基体水化反应尚未完全,试验过程中水化继续进行使材料更加密实;此外,侵蚀溶液和保温砂浆中的某些成分在侵蚀过程中发生化学反应生成膨胀性物质。这些因素都会使孔隙减小,密实度增加,因而在侵蚀早期强度增强;后期,随着侵蚀深入,侵蚀作用逐渐大于水化及膨胀作用,材料宏观上出现了剥落现象,强度逐渐下降,抗压强度逐渐变小。

行业标准JC/T 2164—2013《玻化微珠保温砂浆应用技术规程》规定,玻化微珠保温砂浆用于墙体时,抗压强度≥0.2 MPa;用作地面及屋面材料时,抗压强度≥0.3 MPa。由本试验结果可知在pH=3的酸性溶液中经过56次干湿循环后,玻化微珠保温砂浆的抗压强度达到最小值,为0.386 MPa,满足行业标准的要求。

2.5 拉伸粘结强度

图3为酸侵蚀后拉伸粘结试块的表观形态变化规律，图4为试验得出的拉伸粘结强度和干湿循环次数的关系。

由图3可以看出,在酸侵蚀条件下,随着干湿循环次数的增加,玻化微珠保温砂浆拉伸粘结试块表面逐渐出现脱落。14次干湿循环试块表面基本没有变化,28次干湿循环试块表面少部分脱落,而56次干湿循环后表面几乎全部脱落,玻化微珠颗粒裸露在外面,侵蚀破坏严重,且一组试件中有2个试块,保温砂浆和水泥砂浆块发生了脱离。由图4可以看出,玻化微珠保温砂浆随着干湿循环次数的增加,拉伸粘结强度先增大后降低, pH=3酸性溶液下,56次干湿循环作用后,强度降低了18.5%。

图3 酸侵蚀后玻化微珠保温砂浆拉伸粘结试块Fig.3 Specimens of glazed hollow beads thermal insulation mortar after acid erosion

图4 拉伸粘结强度和干湿循环次数的关系Fig.4 Relationship between tensile bond strength and dry-wet cycles

玻化微珠保温砂浆外墙外保温系统是层次分明的复合墙体,其中玻化微珠保温砂浆作为关键层,其粘结强度对系统的整体性和完整性具有重要的影响。通过试验发现,长期酸侵蚀作用下,玻化微珠保温砂浆的粘结强度降低,部分试块保温砂浆与水泥砂浆块脱离。因此在实际施工中,特别是酸雨较严重的地区,要提高保温砂浆的粘结强度,增强保温砂浆和界面砂浆、基层墙体之间的粘结,以保证保温系统的整体性,避免因侵蚀发生界面开裂或脱落的现象。

3 结论

通过研究酸侵蚀作用下玻化微珠保温砂浆的抗侵蚀性能,得出如下结论:

1) 相同干湿循环作用后,随着酸性的增大,玻化微珠保温砂浆试块的质量损失率逐渐增大;pH值相同时,随着循环次数的增大,保温砂浆试块的质量损失率先增大后减小。56次干湿循环后,pH值为3，4，5的侵蚀溶液下,保温砂浆的质量损失率分别为-5.7%，-4.2%，-3.1%。

2) 相同干湿循环作用后,玻化微珠保温砂浆的导热系数随着酸性的增加而逐渐增大,但变化幅度不大,pH=3时,达到本试验的最高导热系数值0.051 7 W/(m·K),相比未侵蚀试件仅增大9.1%,满足行业标准JGJ 144—2008的要求。

3) 相同pH值的溶液中,随着干湿循环次数的增加,玻化微珠保温砂浆的抗压强度和拉伸粘结强度先增大后减小;pH=3的侵蚀溶液下,56次干湿循环作用后,抗压强度和拉伸粘结强度的损失率分别为19.6%和18.5%。

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(编辑：贾丽红)

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

国家自然科学基金资助项目:玻化微珠保温砂浆劣化机理及对结构耐久性影响(51308371)；山西省自然科学基金资助项目：装配式保温混凝土剪力墙结构抗震性能研究(2014011033-1)

刘元珍(1974-)，女，山西霍州人，博士，副教授，主要研究混凝土结构、建筑节能，(E-mail)liuyuanzhen@tyut.edu.cn

TQ177.6

A

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