模拟酸雨对水泥聚苯模壳侵蚀影响的试验研究

杨胜光，曹启坤，暴佳乐(辽宁工程技术大学建筑工程学院，辽宁阜新123000)

模拟酸雨对水泥聚苯模壳侵蚀影响的试验研究

杨胜光，曹启坤，暴佳乐
(辽宁工程技术大学建筑工程学院，辽宁阜新123000)

该试验以配制不同PH值酸雨溶液对水泥聚苯模壳的质量损失率和压折比影响进行基础性研究。试验结果表明：随着干湿循环次数的增加，模壳的质量损失率、抗压强度和抗折强度呈先增加后减少的趋势，但压折比呈现先降后增趋势。49d循环后，质量损失率达到5.7%，抗折强度较初始值下降了15.37%，抗压强度较初始值下降了10.51%，因而压折比提高了6.38%。

水泥聚苯模壳；酸雨侵蚀；质量损失率；压折比

0 引言

水泥聚苯模壳是由水泥（胶凝材料）、聚苯乙烯泡沫塑料颗粒（保温骨料）、乳胶粉、纤维素（外加剂）等原料经充分搅拌，附纤维网，铸压模形成的新型复合保温材料[1]。水泥聚苯模壳作为免拆墙体模板与混凝土浇筑为集低耗、轻质、承重、隔热为一体的新型节能墙体，具备工业化生产和装配化施工条件，同时绿色、节能、环保和一体化施工符合国家墙改和推行绿色建筑的要求，因此具有良好的应用前景[2-3]。

酸雨是指PH＜5.6的降雨、雪、雹，雾、露等大气降水[4]。我国降雨日益酸化，酸雨降雨频率与日俱增，分布范围也不断扩大，而受酸性介质侵蚀作用的建筑物，其结构使用性会面临大幅度下降等实际问题[5]。水泥聚苯模壳作为格构式墙体外保温材料是先于墙体结构与外界酸雨接触，在酸雨的侵蚀作用下模壳发生温度应变和干缩应变，这些不均匀应变会导致饰面层出现裂缝，进而影响建筑物耐久性与正常使用。但目前关于酸雨条件下的水泥聚苯模壳性能变化的研究报道较少，因此，本文采用硫酸和硝酸等酸液配置不同PH值来模拟酸雨，研究酸雨侵蚀对水泥聚苯模壳的质量损失率和力学性能变化的影响，为水泥聚苯模壳在实际工程应用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 原材料和配合比

水泥：采用阜新产地的PO.42.5级普通硅酸盐水泥，水泥有关性能见表1。聚苯乙烯颗粒：由可发性聚苯乙烯树脂膨胀发泡制成，粒径4～6mm。外添加剂和附加材料：由乳胶粉、羟丙基甲基纤维素醚、引气剂、减水剂和耐碱玻纤网格布等材料组成。外添加剂粘度要求在500～1000cP，pH值在8.0～10.0，固体含量在48%。其作用增强了拌合物体系的粘结强度和稳定性。

表1 水泥物理性能

配合比设计是参考文献[6]采用的3因素3水平正交试验设计方法，见表2。通过对混合料成型28d龄期试件的抗压强度、抗冻性和导热系数三种指标的极差分析，综合经济成本确定理想配合比方案。最终方案为A2B2C3。

表2 配合比正交试验

1.2 试件材料的制作与养护

试件铸压模成型后除去多余砂浆，平地放置5min，用刮刀抹平，于室温下覆膜养护1d，拆去试件模板将试件编号后转入养护室养护，养护室温度控制在在（20±2）℃，湿度为（95±3）℃，达到龄期后，将试件放入烘干箱烘干至恒重。

1.3 配置模拟酸雨

酸雨的组成与性质指的是离子浓度、PH值和雨量[7]。我国酸雨类型主要为硫酸型酸雨，较为严重的地区酸雨PH值已经达到了2.85，并且仍有下降趋势[8]。根据辽宁省主要酸雨区实测酸根离子均值比例，用H2SO4和HNO3（按摩尔浓度比约5∶1）和蒸馏水配置作为模拟酸雨的酸母液，采用CaCl23.1g/L、NH4Cl 2.8g/L、NaCl 0.91g/L和KCl 0.75g/L配制模拟酸雨成分1000倍的电解质母液。将电解质母液稀释1000倍后，用酸母液将pH值分别调节为3、4、5模拟酸雨。

1.4 试验方法

1.4.1 酸雨侵蚀方法

酸雨侵蚀试验采用干湿循环侵蚀机制，即将试件材料浸泡在恒温（20±2）℃的侵蚀溶液中，16h后取出并擦干其表面水分，自然干燥1h，再将试件放入65℃恒温烘箱，6h后取出自然冷却1h，每个循环为1d，7d为一个龄期，侵蚀龄期分别为7d、14d、21d、28d、35d、42d、49d共7个龄期。

1.4.2 材料质量损失率和压折比试验方法

实验开始前需要对所有试块材料在烘箱中烘干称重，然后每组试件材料在不同PH值溶液进行干湿循环侵蚀，每循环一个龄期后分别称重、记录。参照《建筑砂浆基本力学性能试验方法标准》和《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》测试试件经过循环每个龄期后的立方体抗压强度和抗折强度。试件尺寸和数量详见表3。每组试件为三个试块，材料质量损失率、抗折强度取每一龄期三个试块的算术平均值。

表3 试件尺寸和数量

单个试块的质量损失率计算公式：

（1）式中，△Wni为n次侵蚀循环烘干后第i个试块的质量损失率（100%）；Woi为侵蚀循环前烘干第i个试块的质量（g）；Wni为侵蚀循环烘干后第i个试块的质量（g）。

单个试块抗折强度计算公式：

（2）式中，Rf为抗折强度（MPa）；Ff为折断时施加于水泥聚苯模壳试件中部的荷载(N)；L为支撑柱间距离(100mm)；b为水泥聚苯模壳正方形截面的边长(40mm)。

2 试验结果与分析

2.1 不同PH值酸雨溶液对材料试件质量损失的影响

随着干湿循环次数的递增，试件表面细度较小的水泥颗粒发生剥落，露出亚表层的耐碱玻纤网，且表面裂纹增多。在相同龄期的情况下，pH值越小上述现象越明显，模壳边角处越圆润孔隙率逐次增大，见图1。

图1 侵蚀后水泥聚苯模壳试件表观变化

图2 水泥聚苯模壳质量损失率变化趋势

从图2中可以看出，水泥聚苯模壳质量损失率是先增加后减小。主要是由于在被侵蚀前期，侵蚀作用反应效率小于水化作用反应效率造成的；而在28d至35d循环之间质量损失出现突变，也就意味着侵蚀循环进行到后期，侵蚀作用的反应效率大于水化作用的反应效率。pH值越小质量下降趋势越明显，其PH=3酸溶液的试块质量损失率经49d循环后达到5.7%。

2.2 不同PH值酸雨溶液对材料试件压折比影响

2.2.1 试验现象

图3为部分抗压破坏试验，选取的是PH值为3的不同龄期的试块。图4是部分抗折试验，选取的是侵蚀龄期14d，分别对pH=3、pH=4、pH=5的侵蚀试件。

图3 PH=3时不同侵蚀龄期下水泥聚苯模壳立方体抗压破坏状态

图4 抗折破坏试验现象

从图中可以看出，试块受压破坏为斜裂缝破坏形式，随着循环次数的增加破坏越严重；相同龄期的情况下，不同pH值酸液中试块的抗折破坏形式呈现不同情况的变化，pH=3侵蚀溶液中的试件，破坏形式明显出现了塑性破坏特征，而pH=5侵蚀溶液中的试件基本为脆性破坏。

2.2.2 结果分析

图5、图6可以看出，随着侵蚀作用加剧，水泥聚苯模壳抗压强度和抗折强度均呈现先增大后减小的趋势。经过49d侵蚀作用后，抗压强度分别降低：17.58%（pH=3），12.19%（pH=4），1.76%（pH=5）；抗折强度分别降低：20.94%（pH=3），17.55%（pH=4），1.63%（pH=5）。对比可看出抗压强度及抗折强度受侵蚀循环条件影响的敏感度不同；由图7可以得出，随着酸侵蚀循环次数的增加，试件的压折比为先减小后增大趋势，0-28d龄期内的不同PH值酸液侵蚀后试件其抗折强度有大致相同的下降程度，而在28-49d龄期内，PH值越小其压折比上升程度越大。过分析，试件压折比的变低是由于在试件侵蚀的初期侵蚀溶液中的SO42-、NO3-等离子与水泥聚苯模壳的组成材料发生反应，生成膨胀性物质会缩小孔隙增加密实度，因而强度增强，一定程度上提高了水泥聚苯模壳试件抗压强度和抗折强度。试件抗压强度的提高程度小于抗折强度的提高程度，所以这组比值的变化降低了水泥聚苯模壳试件压折比。随着循环的继续，侵蚀作用大于水化反应，增大了水泥聚苯模壳内部孔隙率，内部空间孔洞变多变大，空间结构变得脆弱、稀疏，这就导致水泥聚苯模壳试件抗压强度与抗折强度均呈降低趋势，但由于在不同的pH值环境和试件内部的玻纤网的作用下，使得试件抗压强度变化更快，从而压折比变大。因此，虽然PH溶液取值不同，不同节点对试件影响效果不同，但是整个试验过程中试件整体变化趋势接近一致。

图5 侵蚀作用下水泥聚苯模壳抗压强度变化规律

图6 侵蚀作用下水泥聚苯模壳抗折强度变化规律

图7 侵蚀作用下水泥聚苯模壳压折比变化规律

以上试验说明：开始时试件的压折比呈现降低趋势，此时水泥聚苯模壳试件的柔韧性能与抗裂能力呈现变强趋势经

3 结论

（1）随着干湿循环次数的递增，试件表面有裂纹，孔隙率增多，且酸性越强，现象越明显。水泥聚苯模壳的质量变化规律是随侵蚀龄期的增加而增大，到了一定阶段后又减小，PH=3酸溶液的试块质量损失率经49d酸侵蚀循环后达到5.7%。

（2）模拟酸雨侵蚀下的试块受压破坏为斜裂缝破坏形式，PH=3试块抗折破坏为塑性破坏，PH=5试块抗折破坏为脆性破坏。酸雨侵蚀干湿循环作用下的水泥聚苯模壳的强度都呈现先增高后减小的趋势。

（3）侵蚀溶液中的SO42-、NO3-等离子与水泥聚苯模壳的组成材料发生反应，生成膨胀性物质，会缩小孔隙增加密实度，试件抗压强度和抗折强度呈现缓慢上升趋势，但在试验后期侵蚀作用明显，抗折强度损失速度要高于其抗压强度损失速度，从而压折比先降后增。在49d循环后，三种不同PH值试件平均抗折强度较初始值下降了15.37%，平均抗压强度较初始值下降了10.51%，因而压折比提高了6.38%。

[1]张良纯.水泥聚苯模壳格构式混凝土建筑体系技术[J].墙材革新与建筑节能，2011（8）：30-31.

[2]邵云波，郭洪亮.水泥聚苯模壳格构式墙体保温结构一体化建筑技术[J].建设科技，2013（21）：44-45.

[3]中国建筑科学研究院.CECS173-2004水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体住宅技术规程[S].北京：中国计划出版社，2004.

[4]张倩，赵洁，成华.酸雨对水泥混凝土强度影响的模拟及其腐蚀化学机理分析[J].重庆交通学院学报，2005（6）：49-51.

[5]王凯，马保国，龙世宗，等.不同品种水泥混凝土的抗酸雨侵蚀性能[J].武汉理工大学学报，2009（1）：1-4.

[6]乔巍，马志春，常海亮，等.格构式混凝土墙体用水泥聚苯模壳生产与应用[J].建筑节能，2013（8）：52-59.

[7]胡晓波.酸雨侵蚀混凝土的试验模拟分析[J].硅酸盐学报，2008，36(S1)：147-152.

[8]王凤池，赵晗宇，刘昊宇，等.酸雨环境下老旧砖砌体的抗压性能[J].土木建筑与环境工程，2017（2）：410-146.

责任编辑：孙苏，李红

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

杨胜光（1992-）男，河南禹州人，研究生，主要研究方向混凝土材料和结构工程。