廢混凝土再生骨料及摻和料對GRC耐久性的影響

程海麗， 劉國強， 楊飛華， 郝利煒

(1.北方工業(yè)大學 土木工程學院， 北京 100144； 2.北京市政路橋股份有限公司, 北京 100068； 3.固廢資源化利用與節(jié)能建材國家重點實驗室, 北京 100041)

玻璃纖維增強混凝土(GRC)制品，具有輕質、高強、隔熱、保溫、防水、防火、可加工性良好、價格適中等優(yōu)點，在建筑、市政、農(nóng)業(yè)、水利和園林工程等許多領域的應用中取得了明顯的技術經(jīng)濟效果，顯示了廣闊的發(fā)展前景.但其存在長期耐久性能差的問題，特別是在潮濕環(huán)境下其強度與韌性降低的問題[1]，一直是制約其在更廣范圍內(nèi)應用的主要原因.

1)文中涉及的灰砂比、用量等均為質量比或質量分數(shù).

改善GRC耐久性的途徑主要為：(1)改善GRC中玻璃纖維(纖維相)的耐堿性能；(2)改善GRC中除纖維之外的基體(基體相)性能，主要為采用低堿度硫鋁酸鹽水泥，或用摻和料改性普通硅酸鹽水泥(但低堿度硫鋁酸鹽水泥由于價格高、產(chǎn)量少及強度倒縮的問題[2-3]制約了其應用)；(3)玻璃纖維表面涂覆處理；(4)改善纖維與基體界面的性能.學者們普遍認為，進一步增進含鋯抗堿玻璃纖維的抗堿能力是有一定限度的[4]，必須從水泥基材入手，設法同時降低水泥基材液相的堿度并最大限度減少水化產(chǎn)物中Ca(OH)2(CH)晶體的含量.目前尚未見從骨料角度改善GRC耐久性的文獻.事實上，GRC制品中灰砂比1)一般為1∶1～1∶2，即天然砂的用量不低于50%.因此，研究骨料對GRC性能的影響十分必要：一方面，骨料性能的改變對GRC性能影響也應引起關注，另一方面，GRC制品生產(chǎn)和使用對不可再生天然砂資源的消耗問題也應引起關注.

《中國建筑垃圾資源化產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告(2014年度)》顯示：中國每年產(chǎn)生的建筑垃圾總量約15.5～24.0億t，建筑廢棄物中廢混凝土的含量已達到50%以上，以填埋或堆放處置為主，資源化率不足5%，遠低于美國、日本等國家的水平.

鑒于此，本文在前期研究[5]的基礎上，以廢混凝土再生骨料(RWCA)取代GRC中的天然砂，研究其與活性摻和料復摻時對GRC性能的影響.這不僅能降低GRC的生產(chǎn)成本、節(jié)約天然砂資源，而且可將廢混凝土資源化，減少其污染環(huán)境、占用土地等負面影響，一舉數(shù)得.

1 原材料及其性能特征

1.1 主要原材料

水泥采用強度等級為P·O 42.5R的普通硅酸鹽水泥，其主要性能見表1；摻和料分別采用 Ⅱ 級粉煤灰和硅灰，硅灰來自甘肅三遠硅材料有限公司，二者的化學組成見表2，堿含量分別為0.8%和0.9%；玻璃纖維為北京興旺玻璃纖維有限公司生產(chǎn)的束狀短切耐堿玻璃纖維，其主要性能見表3，微觀形貌如圖1所示；天然砂采用ISO標準砂，其和RWCA的主要性能見表4；減水劑為聚羧酸系高效減水劑.

表1 P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥的主要性能Table 1 Main properties of P·O 42.5R

表2 粉煤灰及硅灰的化學組成Table 2 Chemical compositions of fly ash and silica fume w/%

表3 耐堿玻璃纖維的主要性能Table 3 Main properties of alkali-resistant glass fiber

表4 標準砂和RWCA的主要物理性能Table 4 Main physical properties of ISO standard sand and RWCA

圖1 玻璃纖維SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM image of glass fiber

1.2 廢混凝土再生骨料及其特征

RWCA來自拆除的舊建筑物，粒徑范圍為0.075～4.750mm，主要物理性能見表4，化學組成見表5，X射線衍射(XRD)圖譜見圖2，外觀形貌見圖3，粒徑分布見表6.圖2表明，RWCA的礦物組成主要為石英、石灰石等.圖3表明，RWCA表面粗糙、多孔、多棱角、具有裂紋.

RWCA的性能特征可歸結為：(1)表面效應——其表面粗糙、多棱角，可增強與水泥漿界面的嚙合能力[6]，提高骨料與水泥漿界面的黏結性；(2)多孔吸水效應——其多孔、吸水性較強，能吸收新拌水泥砂漿中多余的水分，降低骨料(特別是較粗的骨料)表面的實際水灰比，使得水泥漿-骨料界面和纖維-水泥基材界面的孔隙率降低，CH晶體生長的自由空間變小，導致CH晶體尺寸減小，從而使2個界面的結構得到改善.

表5 廢混凝土再生骨料的化學組成Table 5 Chemical composition of RWCA w/%

圖2 再生骨料的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of RWCA

圖3 廢混凝土骨料的外觀形貌Fig.3 Surface morphology of RWCA

Particle size/mm0.0750.150.150.30.30.60.61.181.182.362.364.75Percentage (by mass)/%10.312.817.613.317.527.1

2 試驗

2.1 試件制作

按照表7所列配合比，將水泥、RWCA、摻和料、外加劑和短切玻璃纖維放入水泥膠砂攪拌鍋內(nèi)，先加一部分水快速攪拌使玻璃纖維充分分散，再將剩余的水全部加入，攪拌成均勻料漿，制成尺寸為40mm×40mm×160mm的試件.固定膠砂比為0.51，水膠比為0.48，減水劑摻量以流動度相近為原則進行設置.

表7 GRC試件的配合比Table 7 Mix proportion of GRC specimens

2.2 加速老化及自然老化方法

加速老化方法基于Litherland等[7]的觀點，即：假設玻璃纖維的化學侵蝕是最主要的老化機理，可以采用加速老化的方法來預測材料的長期強度.Litherland等[7]根據(jù)測定的數(shù)據(jù)得出GRC在50℃水中放置1d相當于在英國當?shù)卮髿庵斜┞?.5個月.本文將GRC試件置于50℃水中加速老化以考察其長期耐久性.另取相同配合比的試件進行自然老化：置于常溫(15～25℃)水中養(yǎng)護至相應齡期.

2.3 耐久性考察方法

此處的耐久性能主要指GRC材料長期強度的保持能力.由于玻璃纖維在水泥基材中主要起提高彎拉強度、阻裂增韌等作用，因此，玻璃纖維在水泥基材中被腐蝕的程度主要體現(xiàn)在其折彎性能的改變.本文通過對比不同齡期GRC抗折強度保持率(P)的方法，來評定GRC的耐久性.GRC抗折強度保持率越大，表示其長期強度下降得越慢，亦即其耐久性越好.P的計算公式如下：

(1)

式中：f為不同齡期試件抗折強度，MPa；f7為常溫水養(yǎng)7d時試件的抗折強度，MPa.

2.4 抗折強度測試及分析手段

試件抗折強度測試參照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》進行.

紅外光譜(FTIR)試驗采用PERKIN-ELMER產(chǎn)的PE1750傅里葉變換紅外光譜儀；掃描電鏡(SEM)試驗采用日本生產(chǎn)的S-3400N型掃描電子顯微鏡；X射線衍射(XRD)試驗采用德國布魯克AXS有限公司產(chǎn)D8型X射線衍射儀.

3 試驗數(shù)據(jù)及分析

3.1 廢混凝土再生骨料對GRC性能的影響

各GRC試件經(jīng)自然老化和加速老化之后的性能見表8，9.由表8，9可見：R30組試件各齡期的抗折強度均較基準組(O組)試件高，這主要是因為RWCA的表面效應使其與水泥漿的嚙合能力增強，提高了GRC基體相的強度，使GRC抗折強度提高；R30組試件各齡期的抗折強度保持率也均較基準組高，說明RWCA以30%的質量分數(shù)取代天然砂可以延緩GRC抗折強度的下降，這是因為再生骨料的多孔吸水效應可降低GRC基體相中水泥與骨料界面過渡區(qū)的水灰比，導致CH晶體生長的自由空間變小，使得CH的平均晶體尺寸減小，改善了界面過渡區(qū)的結構和性能，從而既可提高基體相的強度，又可減輕CH對玻璃纖維的腐蝕.加速老化365d后，各GRC試件的XRD圖譜和FTIR圖譜(見圖4，5)也證實了這一點：圖4中R30組試件的CH特征峰較基準組有所減弱，圖5中R30組試件在3647cm-1處的CH特征峰較基準組也明顯減弱.由此可見，摻量為30%的RWCA對GRC中CH含量有一定程度的減少作用，降低了纖維相被腐蝕的程度，從而起到了延緩GRC長期強度下降的作用.

表8 常溫水養(yǎng)(自然老化)時各GRC試件的性能Table 8 Properties of GRC specimens with different mix proportions cured in normal temperature water

表9 50℃水養(yǎng)(加速老化)時各GRC試件的性能Table 9 Properties of GRC specimens with different mix proportions cured in 50℃ water

圖4 50℃水中養(yǎng)護365d時各GRC試件的 XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of GRC specimens cured in 50℃ water for 365d

圖5 50℃水中養(yǎng)護365d時各GRC試件的FTIR圖譜Fig.5 FTIR spectra of GRC specimens cured in 50℃ water for 365d

圖6為常溫水養(yǎng)365d時各GRC試件的SEM照片.由圖6可以看出：常溫水養(yǎng)365d后，基準組試件中的玻璃纖維表面不再光滑，出現(xiàn)了明顯的坑點，且表面有黏附物，周圍有CH密集；R30組試件中的玻璃纖維表面未見明顯坑點，可見玻璃纖維被腐蝕的程度有所降低，但玻璃纖維周圍仍被CH包圍.

圖7為50℃水養(yǎng)365d時各GRC試件的SEM照片.由圖7可以看出，50℃水養(yǎng)365d后，R30組試件中的玻璃纖維表面也出現(xiàn)了坑點，但較基準組試件中的玻璃纖維被腐蝕的程度要低.

3.2 粉煤灰對GRC性能的影響

表8顯示：在自然老化時，F(xiàn)A30組試件早期抗折強度較基準組和R30組試件低，但后期抗折強度超過了基準組和R30組試件；與基準組及R30組試件不同的是，其抗折強度在90d后仍持續(xù)增長，180d 時達到最大，之后才開始下降.由于FA30組試件7d抗折強度較低，所以其各齡期抗折強度保持率均高于基準組和R30組試件.

表9顯示，在加速老化時，早期因溫度的提高有利于水泥的水化以及粉煤灰潛在活性的激發(fā)，因而90d之前試件的抗折強度得以提高，但自180d起，加速老化試件的抗折強度較自然老化試件的抗折強度低.

粉煤灰的火山灰活性效應可提高GRC基體相強度，同時因其對CH的消耗而有利于減輕CH對玻璃纖維的腐蝕，其微集料效應也使其對水泥相有密實填充作用，可提高GRC中基體相的強度.

圖6 常溫水養(yǎng)365d時各GRC試件的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of GRC specimens cured in normal temperature water for 365d

圖7 50℃水養(yǎng)365d時各GRC試件的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM images of GRC specimens cured in 50℃ water for 365d

3.3 廢混凝土再生骨料與粉煤灰復摻對GRC性能的影響

表8顯示，R30+FA30組試件早期抗折強度雖仍較基準組低，但卻高于FA30組，說明再生骨料和粉煤灰復摻時，無論是自然老化還是加速老化，試件各齡期抗折強度保持率均較R30組高.

圖4中R30+FA30組CH和AFt的特征峰已經(jīng)很弱；圖5中R30+FA30組在3647cm-1處的CH特征峰也已很弱，1112cm-1處的鈣礬石特征峰也幾乎看不出.可見，二者復摻較各自單摻時效果好.

圖6顯示，R30+FA30組試件中的玻璃纖維表面有少量黏附物，未有明顯被腐蝕的現(xiàn)象.圖7中R30+FA30組試件中的玻璃纖維表面也出現(xiàn)少許坑點和劃痕，但同樣較基準組試件中的玻璃纖維被腐蝕程度低.

RWCA與粉煤灰復摻不但可以改善各GRC試件的性能，而且可節(jié)約水泥和天然骨料，同時還彌補了粉煤灰單摻時各GRC試件早期抗折強度低的問題.

3.4 廢混凝土再生骨料與粉煤灰、硅灰復摻對GRC性能的影響

針對粉煤灰單摻及其與RWCA復摻對GRC試件早期抗折強度不利的問題，在用RWCA以30%的質量分數(shù)替代天然砂的同時，用粉煤灰、硅灰分別以20%，10%的質量分數(shù)替代水泥，得到R30+FA20+Si10組試件.表8，9顯示，三者復摻時，GRC試件各齡期抗折強度均得到了較大提高，特別是早期抗折強度，說明三者復摻彌補了粉煤灰的摻入對試件早期抗折強度的不利影響，R30+FA20+Si10組試件各齡期抗折強度保持率也較基準組和R30組試件高.

硅灰具有很高的火山灰活性，使其在早期即能與水泥水化產(chǎn)物中的CH發(fā)生二次水化反應生成球狀且十分致密的水化硅酸鈣[9]，從而提高GRC基體相強度，同時減弱CH對玻璃纖維的腐蝕.硅灰的顆粒極其微小，具有很強的密實填充作用，從而使水泥基材料的孔隙率大大減小，提高了GRC基體強度.硅灰的摻入不但彌補了由于水泥用量減少及粉煤灰的摻入對GRC基體早期抗折強度的影響，還因其早期對CH的消耗，使得玻璃纖維可較少受CH腐蝕，進而改善了GRC的長期耐久性.

圖4顯示，R30+FA20+Si10組試件中CH的特征峰已經(jīng)很弱，AFt的特征峰已看不出.圖5中R30+FA20+Si10組試件在3647cm-1處的CH特征峰以及1112cm-1處的鈣礬石特征峰也幾乎看不出.圖6顯示，R30+FA20+Si10組試件中的玻璃纖維表面未見明顯坑點，雖然有少許黏附物，但玻璃纖維總體仍較平整光滑，其周圍基體相中CH也不明顯.圖7中，R30+FA20+Si10組試件因加速老化導致玻璃纖維表面出現(xiàn)了坑點，但玻璃纖維本身還很完整，其被腐蝕程度較基準組試件中的玻璃纖維被腐蝕程度也低很多.

4 結論

(1)在研究GRC的耐久性時，GRC中占比50%的骨料也是應考慮的對象.本文用30%的廢混凝土再生骨料替代GRC中的天然砂時，其表面效應和多孔吸水效應對GRC基體中CH的數(shù)量及結晶尺寸有一定程度的影響，因此廢混凝土再生骨料可以改善GRC基體的性能，同時還可減輕GRC中玻璃纖維的被腐蝕程度，從而可以在一定程度上改善GRC的耐久性.

(2)粉煤灰以30%的質量分數(shù)替代水泥時，其火山灰效應、微集料效應對GRC基體中CH的數(shù)量及結晶尺寸有一定程度的影響，因此粉煤灰既可改善GRC基體的性能，還可減輕GRC中玻璃纖維的被腐蝕程度，從而可以在一定程度上改善GRC的耐久性.但粉煤灰的摻入會影響GRC的早期抗折強度.

(3)當廢混凝土再生骨料以30%的質量分數(shù)替代天然砂，同時粉煤灰以30%的質量分數(shù)替代水泥時，不但GRC的早期抗折強度可以得到改善，而且二者復摻對GRC耐久性提高的效果要好于各自單摻時.二者的復摻不但可改善GRC的性能，還可節(jié)約天然砂和水泥用量.

(4)當廢混凝土再生骨料以30%的質量分數(shù)替代天然砂，同時粉煤灰、硅灰分別以20%，10%的質量分數(shù)替代水泥時，GRC早期和后期抗折強度均有較大的提高，有益于GRC長期抗折強度的保持.

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