消泡劑在制備再生GRC中的應(yīng)用研究

王靈秀 張利俊 秦憲明 劉 佳 項(xiàng)斌峰 邱洪華 蔡素燕 趙紫溪

（中國(guó)建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)北京天譽(yù)有限公司，北京 100113）

1 前 言

玻璃纖維增強(qiáng)水泥（Glass fiber Reinforced Cement， GRC）是一種高性能水泥基復(fù)合材料，它由高彈性模量的玻璃纖維嵌入水泥基體中形成[1]。其充分利用玻璃纖維高強(qiáng)度、高彈模、低拉伸、耐高溫等諸多特性，改善了水泥基材料拉伸強(qiáng)度低、變形小、耐沖擊性能差等缺點(diǎn)，同時(shí)大大減小了水泥基體的脆性[2]。目前全世界有40多個(gè)國(guó)家與地區(qū)以不同的規(guī)模生產(chǎn)和使用GRC制品，全球GRC制品的年產(chǎn)量約為40萬(wàn)噸左右[3]。而我國(guó)的GRC行業(yè)也在日益擴(kuò)大，年產(chǎn)量已達(dá)到40000噸[4]。

另一方面，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，新型建筑將快速增加，同時(shí)建筑垃圾排放量也會(huì)越來(lái)越大。2015年全國(guó)產(chǎn)生的建筑垃圾約35.5億噸，已占到城市垃圾總量的1/3以上。預(yù)計(jì)到2020年左右，我國(guó)建筑垃圾產(chǎn)生量將達(dá)到峰值[5]。將建筑垃圾中的廢混凝土制備成再生骨料[6][7]應(yīng)用于GRC材料中，不僅提高了資源的循環(huán)利用率，減少污染，還減少對(duì)天然骨料如天然石英砂等資源的開(kāi)采，降低成本，實(shí)現(xiàn)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[8]。

混凝土制備過(guò)程中，由于外加劑的引入，如水泥中的助磨劑、聚羧酸減水劑等使混凝土產(chǎn)品中產(chǎn)生氣泡現(xiàn)象，過(guò)多的氣泡直接影響產(chǎn)品的抗壓、抗折等力學(xué)性能，進(jìn)一步影響產(chǎn)品的使用。在攪拌過(guò)程中加入適量的消泡劑，可以實(shí)現(xiàn)抑制氣泡的產(chǎn)生、破環(huán)已產(chǎn)生的氣泡，達(dá)到降低含氣量，提高產(chǎn)品性能的作用。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 原材料

水泥：唐山北極熊建材有限公司生產(chǎn)的R·SAC 52.5快硬硫鋁酸鹽水泥，水泥比表面積為488m2/kg，初凝時(shí)間30分鐘，終凝時(shí)間為55分鐘，其1d抗折強(qiáng)度為 7.4MPa，抗壓強(qiáng)度為 54.1MPa；3d 抗折強(qiáng)度為8.1MPa，抗壓強(qiáng)度為 60.2MPa。

天然石英砂：顆粒粒徑不大于2mm，含泥量為0.2%，堆積密度 1.52g/cm3，細(xì)度模數(shù) 2.2，壓碎值為7.6。

廢混凝土骨料：北京元泰達(dá)環(huán)保建材科技有限責(zé)任公司提供的廢混凝土再生骨料，主要為拆除的舊建筑物形成的建筑垃圾經(jīng)過(guò)分揀、破碎、篩分、清洗后加工所得。為滿(mǎn)足建筑外墻板GRC試樣厚度為10mm的要求，本實(shí)驗(yàn)采用廢混凝土顆粒粒徑范圍為0.075～3mm， 含泥量小于1%，堆積密度1.79g/cm3，細(xì)度模數(shù)3.0，壓碎值為18.9。

聚羧酸減水劑：北京中研益工程技術(shù)開(kāi)發(fā)中心有限公司生產(chǎn)，減水率31.9%，含固量18.3%，密度1.05g/cm3，PH 值 6.3。

聚合物乳液：北京東聯(lián)北方化工有限公司生產(chǎn)，BA-209型丙烯酸酯共聚乳液，乳白色，固含量47.0%，粘度20mPa·s，PH 值 9.1。

消泡劑：試驗(yàn)所用消泡劑為德國(guó)AGITAN P803粉末消泡劑，呈白色粉體狀，有效成分含量66.78%，PH值7.19。

玻璃纖維：湖北匯爾杰新材料科技股份有限公司生產(chǎn)，ARC15-2400L型耐堿玻璃纖維無(wú)捻粗紗，其ZrO2含量為14.61%，ZrO2+TiO2含量為 19.35%，單絲直徑 15μm，線(xiàn)密度2568tex，斷裂強(qiáng)度0.28N/tex，含水率0.07%，密度為2.48g/cm3，彈性模量為63～70GPa。水：試驗(yàn)所用拌合水為自來(lái)水。

2.2 試驗(yàn)方案

本文主要研究消泡劑在再生GRC中的應(yīng)用性能，主要包括消泡劑摻量對(duì)制備再生GRC的水泥砂漿流動(dòng)度、含氣量的影響；對(duì)比有無(wú)消泡劑摻加的情況下，不同替代摻量（廢混凝土再生骨料替代天然石英砂）制備的GRC抗壓、抗彎、抗折強(qiáng)度變化規(guī)律；依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析消泡劑的作用機(jī)理。

2.2.1 消泡劑摻量對(duì)制備再生GRC的水泥砂漿流動(dòng)度、含氣量的影響

實(shí)驗(yàn)利用廢混凝土再生骨料部分替代天然石英砂制備GRC材料，替代摻量為30%。采用1∶1的膠砂比和0.35的水灰比，玻璃纖維的摻量為5.0%左右。研究消泡劑摻量分別為0%、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%時(shí)，用于制備GRC的水泥砂漿的流動(dòng)度和含氣量的變化情況，并測(cè)試相應(yīng)試塊的7d抗壓強(qiáng)度，確定消泡劑的最佳摻量。具體試驗(yàn)配比如表1所示，表中編號(hào)P803-0.1中的P803表示選用的消泡劑類(lèi)型，數(shù)字0.1表示消泡劑摻加比例為0.1%。

表1 不同消泡劑摻量下再生GRC試驗(yàn)配比

2.2.2 摻加消泡劑對(duì)再生GRC材料力學(xué)性能的影響

實(shí)驗(yàn)主要研究廢混凝土再生骨料部分替代天然石英砂制備GRC材料，比較是否摻加消泡劑的兩種情況，每種替代摻量的GRC的抗壓、抗彎、抗沖擊強(qiáng)度的變化情況。實(shí)驗(yàn)中替代摻量分別為0%、15%、30%和60%。依據(jù)2.2.1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定消泡劑的摻量為0.2%。具體實(shí)驗(yàn)配比如表2所示，編號(hào)列中空白代表未摻加廢混凝土再生骨料，廢混-10中廢混代表?yè)郊恿藦U混凝土再生骨料，10代表廢混凝土再生骨料部分替代天然石英砂的替代摻量為10%。

2.2.2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照GB/T 15231-2008 《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法》中要求，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案的配比制備30mm×30mm×30mm立方體試件，測(cè)試GRC材料的7d抗壓強(qiáng)度。測(cè)試設(shè)備為無(wú)錫建儀儀器機(jī)械有限公司生產(chǎn)的TYE-300B型壓力試驗(yàn)機(jī)。

表2 消泡劑對(duì)再生GRC強(qiáng)度的影響的試驗(yàn)配比表

2.2.2.2 抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)

抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)參照GB/T 15231-2008 《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法》中要求，從預(yù)制噴射試驗(yàn)板上切割出250mm×50mm×10mm尺寸的試件，測(cè)試加載速度控制為4mm/min。測(cè)試設(shè)備為WD4100型電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春科新試驗(yàn)儀器研究所研制），測(cè)定GRC材料的抗彎破壞強(qiáng)度值（MOR）和抗彎比例極限強(qiáng)度值（LOP）。

2.2.2.3 抗沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)

抗沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)參照GB/T 15231-2008《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法》中要求，從預(yù)制噴射試驗(yàn)板上切割出120mm×50mm×10mm尺寸的試件，測(cè)試用擺錘能量級(jí)別為0-25J，試件破壞以后，用游標(biāo)卡尺測(cè)量斷裂處的截面尺寸。測(cè)試設(shè)備為河北承德建德檢測(cè)儀器有限公司生產(chǎn)的XJS-50沖擊試驗(yàn)機(jī)。

3 結(jié)果與討論

3.1 消泡劑摻量對(duì)制備再生GRC的水泥砂漿流動(dòng)度、含氣量的影響

表3 制備再生GRC的水泥砂漿消泡試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，制備再生GRC過(guò)程中，消泡劑摻量對(duì)水泥砂漿的流動(dòng)度影響不大，但對(duì)其含氣量影響很大，不摻加消泡劑的空白砂漿含氣量為9.2%，而加入消泡劑后含氣量明顯降低，其中消泡劑摻量為0.2%時(shí)，含氣量降到最低為5.0%。此外對(duì)不同摻量消泡劑的砂漿試樣做抗壓強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，加入消泡劑后，試樣7天抗壓強(qiáng)度明顯提升，在消泡劑摻量為0.2%時(shí)，含氣量為5.0%，試塊抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，為47.8MPa。主要原因?yàn)榧尤胂輨┖?，砂漿含氣量下降，砂漿內(nèi)部孔洞數(shù)量減少，孔徑得到優(yōu)化，使試樣力學(xué)性能得到提高。

圖1 消泡劑摻量對(duì)水泥砂漿含氣量及GRC試件抗壓強(qiáng)度的影響

3.2 消泡劑對(duì)再生GRC材料力學(xué)性能的影響

圖2、圖3、圖4分別表示消泡劑對(duì)再生GRC材料7天抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度的影響變化柱圖，圖中橫坐標(biāo)代表廢混凝土再生骨料替代天然石英砂的替代摻量，縱坐標(biāo)分別代表再生GRC材料抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度值。

圖2 消泡劑對(duì)GRC試件抗壓強(qiáng)度的影響

從圖中可以看出：與空白試樣（廢混凝土的替代摻量為0%）相比，廢混凝土替代摻量低于30%，再生GRC的7天抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度值接近空白樣強(qiáng)度值。廢混凝土替代摻量超過(guò)30%，三個(gè)強(qiáng)度值明顯下降。這是因?yàn)閺U混凝土顆粒的表面粗糙多孔，其粗糙表面更容易與水泥砂漿黏結(jié)，所以結(jié)合界面強(qiáng)度較大，少量替代摻加廢混凝土對(duì)GRC強(qiáng)度影響不大。但當(dāng)廢混凝土替代摻加過(guò)多，廢混凝土顆粒本身的強(qiáng)度較天然石英砂低，所以出現(xiàn)強(qiáng)度下降的現(xiàn)象。另一方面，比較每一組摻加消泡劑和未摻加消泡劑的GRC強(qiáng)度值，可以看出摻加消泡劑的GRC強(qiáng)度值均明顯比未摻加消泡劑的試件強(qiáng)度值高，表5所示摻加消泡劑后GRC抗壓強(qiáng)度最高可比未摻加增加9.93%，抗彎強(qiáng)度最高增加15.19%，抗彎強(qiáng)度最高增加12.20%。圖2中當(dāng)廢混凝土替代天然石英砂的比例達(dá)到30%時(shí)，摻加消泡劑的試件含氣量為4.3%，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高為54.1MPa。圖3和圖4中也分別為當(dāng)廢混凝土替代天然石英砂的比例達(dá)到30%時(shí)，摻加消泡劑的試件抗彎強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度值達(dá)到最大，分別為21.7 MPa和31.3KJ/m2。

圖3 消泡劑對(duì)GRC試件抗彎強(qiáng)度的影響

圖4 消泡劑對(duì)GRC試件抗沖擊強(qiáng)度的影響

表4 摻加消泡劑對(duì)再生GRC材料力學(xué)性能的影響結(jié)果

消泡劑是一種表面活性劑，可降低液相的表面張力，潤(rùn)濕角減小到一定的程度時(shí)，氣泡即脫離固體表面的吸附而逸出或破沒(méi)[9]。氣泡在從內(nèi)部往表面上升時(shí)，當(dāng)兩個(gè)氣泡相互接近時(shí)，消泡劑分子末端相結(jié)合，使多數(shù)的小氣泡聚結(jié)成少數(shù)的較大氣泡，穩(wěn)定的小氣泡變成了不穩(wěn)定的大氣泡，氣泡體積變大，其上升速度加快，則脫泡速度加快，消泡效果也越好。消泡劑加入到水泥砂漿中，通過(guò)脫泡和消泡過(guò)程使其含氣量降低，內(nèi)部有害孔隙減少，材料抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度等力學(xué)性能明顯增加[9]。

4 結(jié) 論

本文研究了廢混凝土再生骨料部分替代天然石英砂制備GRC材料過(guò)程中，利用消泡劑控制水泥砂漿的含氣量、流動(dòng)度。對(duì)比了廢混凝土再生骨料部分替代天然石英砂，不同替代摻量下，是否摻加消泡劑，再生GRC材料抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度的變化情況。研究結(jié)論如下：

1）不同摻量的消泡劑摻加到制備再生GRC的水泥砂漿中，對(duì)砂漿流動(dòng)度的影響不大，但對(duì)含氣量影響較為明顯，其中消泡劑摻量為0.2%時(shí)，含氣量降到最低為5.0%，較空白樣砂漿含氣量9.2%下降了4.2%。相應(yīng)的砂漿試樣抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高為47.8MPa。

2）廢混凝土再生骨料部分替代天然石英砂制備GRC，對(duì)比不同替代摻量下在消泡劑對(duì)GRC抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度的影響程度。摻加消泡劑的GRC試件抗壓、抗彎和抗沖擊強(qiáng)度值均明顯高于未摻加消泡劑的試件，其中替代摻量為30%時(shí)，GRC試件的抗壓、抗彎和抗沖擊強(qiáng)度值達(dá)到最大，分別為54.1MPa、21.7 MPa 和 31.3KJ/m2。