聚合物乳液對(duì)再生GRC材料的影響研究

劉 佳 張利俊 秦憲明 王靈秀 項(xiàng)斌峰 邱洪華 蔡素燕

（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 100008）

0 前言

玻璃纖維增強(qiáng)水泥（GRC）是一種以耐堿玻璃纖維為增強(qiáng)材料、水泥砂漿為基體材料的纖維混凝土復(fù)合材料，其材料組成主要包括水泥、石英砂、纖維、聚合物、外加劑及其他材料。GRC由于質(zhì)輕、抗?jié)B、耐久性、高韌性、裝飾性、異性構(gòu)件等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑工程、市政工程、農(nóng)業(yè)工程、水利工程和園林工程等許多領(lǐng)域。但GRC的制備中會(huì)消耗大量的天然資源——石英砂。石英砂的開(kāi)采對(duì)環(huán)境破壞嚴(yán)重，鑒于此，京津冀地區(qū)已經(jīng)限制開(kāi)山炸石的行為。石英砂原材料的獲取成為制約GRC企業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要因素。而目前市場(chǎng)天然砂石市價(jià)約400～500元/噸，再生骨料約50元/噸。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各行業(yè)對(duì)天然砂資源不斷的消耗，這必將是GRC 制品生產(chǎn)和應(yīng)用行業(yè)必須面對(duì)的問(wèn)題。

另一方面，我國(guó)建筑垃圾的比例已占到城市垃圾總量的80%～90%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)建筑垃圾2014年度產(chǎn)生量超過(guò)15億t，并隨著城鎮(zhèn)化步伐加快而逐年遞增。因此，未來(lái)十幾年將是我國(guó)建筑垃圾大量產(chǎn)生的時(shí)期。預(yù)計(jì)2020年左右，我國(guó)建筑垃圾產(chǎn)生量將達(dá)到峰值。我國(guó)建筑垃圾大多以填埋或堆放處置為主，資源化利用率不足10%，遠(yuǎn)低于美國(guó)、日本等國(guó)家的水平。

鑒于此，本文從建筑垃圾資源化入手，研究廢混凝土取代率和乳液固含量對(duì)再生GRC試件的力學(xué)性能和耐久性能的影響，并與普通GRC試件的相關(guān)性能進(jìn)行對(duì)比，以此利用廢混凝土替代GRC中天然石英砂制備出高品質(zhì)的再生GRC板材。不僅拓寬了GRC產(chǎn)品原材料的來(lái)源，降低了GRC產(chǎn)品的整體成本，而且為建筑垃圾資源化提供了一種新的應(yīng)用途徑，引領(lǐng)建筑固廢資源化向高品質(zhì)建材領(lǐng)域的發(fā)展。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 廢混凝土骨料

廢混凝土骨料為北京元泰達(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)采用粒徑范圍為0.075～3mm的廢混凝土顆粒作為再生細(xì)骨料替代石英砂制備GRC外墻板，廢混凝土再生骨料含泥量為1.1%，堆積密度1.79g/cm3，細(xì)度模數(shù)3.0，壓碎值為 18.9。

1.2 天然石英砂

試驗(yàn)用砂為天然石英砂，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。

1.3 水泥

試驗(yàn)用水泥為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，比表面積為488m2/kg?？煊擦蜾X酸鹽水泥化學(xué)成分分析如表1所示。

表1 快硬硫鋁酸鹽水泥化學(xué)成分分析（%）

1.4 玻璃纖維

試驗(yàn)用玻璃纖維為湖北匯爾杰新材料科技股份有限公司生產(chǎn)的耐堿玻璃纖維無(wú)捻粗紗ARC15-2400L，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。

1.5 減水劑

試驗(yàn)用減水劑為北京中研益公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，減水率31.9%，含固量18.3%，密度1.05g/cm3，PH 值 6.3。

1.6 聚合物乳液

試驗(yàn)所用聚合物乳液為北京東聯(lián)北方化工有限公司提供的BA-209丙烯酸酯共聚乳液，乳白色液體，固含量47.0%，粘度 20mPa·s，PH 值 9.1。

1.7 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，活性組分約為65%，密度為0.34g/cm3，PH 值為 7.0。

1.8 水

試驗(yàn)所用拌合水為自來(lái)水。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試件制作

1）將水泥、廢混凝土骨料、天然石英砂、減水劑、聚合物乳液、消泡劑和水按配比進(jìn)行攪拌，其中廢混凝土骨料取代天然石英砂的比例分別為0、30%、60%，膠砂比為1∶1，水膠比為0.35， 保持料漿的流動(dòng)度達(dá)到300mm～330mm之間。

2）采用機(jī)械噴射工藝，將拌好的水泥砂漿和切斷的玻璃纖維束分別用壓縮空氣通過(guò)噴咀同時(shí)噴出，二者在空氣中會(huì)合后噴到模板上，此時(shí)纖維呈平面隨機(jī)配向狀態(tài)，這樣可以充分發(fā)揮纖維增強(qiáng)效果。成型尺寸為900mm×900mm×10mm的實(shí)驗(yàn)板，室溫養(yǎng)護(hù)1d后拆模，將拆模后的實(shí)驗(yàn)板放到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱（溫度20±2 ℃，相對(duì)濕度95%）中養(yǎng)護(hù)至7d，并切割成滿(mǎn)足測(cè)試要求尺寸的試件，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度等力學(xué)性能測(cè)試及耐久性能的測(cè)試。

2.2 強(qiáng)度試驗(yàn)

1）抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

抗壓強(qiáng)度測(cè)試依據(jù)GB/T 15231-2008《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法》的要求，試件尺寸為30mm×30mm×30mm，采用無(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)測(cè)試。

2）抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)

抗彎強(qiáng)度測(cè)試依據(jù)GB/T 15231-2008《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法》的要求，試件尺寸為250mm×50mm×10mm，采用中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春科新試驗(yàn)儀器研究所研制的WD4100型電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試。

3）抗沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)

抗沖擊強(qiáng)度測(cè)試依據(jù)GB/T 15231-2008《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法》的要求，試件尺寸為120mm×50mm×10mm，采用河北承德建德檢測(cè)儀器有限公司生產(chǎn)的XJS-50沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

2.3 耐久性試驗(yàn)

抗凍性試驗(yàn)依據(jù)GB/T7019-2014《纖維水泥制品試驗(yàn)方法》的要求，試件尺寸為300mm×200mm×10mm。凍融循環(huán)試驗(yàn)的方法為：①將試件放入水中（溫度：（20±5）℃；時(shí)間：24h），②取出的試件再放入低溫試驗(yàn)箱中（溫度：-20℃；冷凍時(shí)間：1h30min），③再取出后放入水中融化（溫度：（20±5）℃；時(shí)間：1h），如此為一個(gè)循環(huán)，共做25個(gè)循環(huán)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

3.1 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

在前期的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，本試驗(yàn)具體的配合比如表3所示。從表中可以看出，F(xiàn)T1、FT2、FT3六組試驗(yàn)中廢混凝土取代天然石英砂的比例分別為0、30%、60%，乳液的固含量為3.76%和5.64%兩種摻量，膠砂比為1:1，水膠比為0.35，六組試驗(yàn)的漿體流動(dòng)度均在318mm-330mm之 間。（FT1A、FT1B為 普 通GRC試 件，F(xiàn)T2A、FT2B、FT3A、FT3B均為再生GRC試件。）

3.2 乳液摻量對(duì)再生玻璃纖維增強(qiáng)水泥抗壓強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)配合比見(jiàn)表2所示。兩種乳液固含量的條件下，廢混凝土替代天然石英砂的比例對(duì)普通與再生GRC試件抗壓強(qiáng)度的影響如圖1所示。

從圖中可以看出，隨著乳液固含量的增加，普通GRC試件與再生GRC試件的7d抗壓強(qiáng)度均逐漸增大。隨著廢混凝土取代率的增加，再生GRC試件的7d抗壓強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)廢混凝土取代比例達(dá)到30%時(shí)，再生GRC試件的7d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)，為53.8MPa（乳液固含量為5.64%），達(dá)到了同條件下普通GRC試件抗壓強(qiáng)度的98.7%。這是因?yàn)閺U混凝土骨料與天然石英砂相比，表面粗糙、多孔、多裂紋、壓碎指標(biāo)較大等特征，尤其是其壓碎指標(biāo)較天然石英砂大，表示其強(qiáng)度較天然砂小，因而當(dāng)取代率增加到60%時(shí)，強(qiáng)度出現(xiàn)下降趨勢(shì)。此外乳液固含量的增加，總體起到了增稠增韌的效果。

表2 試驗(yàn)配合比

圖1 乳液對(duì)普通與再生GRC試件抗壓強(qiáng)度的影響

3.3 乳液摻量對(duì)再生玻璃纖維增強(qiáng)水泥抗彎強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)配合比見(jiàn)表3所示。兩種乳液固含量的條件下，廢混凝土替代天然石英砂的比例對(duì)普通與再生GRC試件抗彎強(qiáng)度的影響如圖2所示。

圖2 乳液對(duì)普通與再生GRC試件抗彎強(qiáng)度的影響

從圖中可以看出，隨著乳液固含量的增加，普通GRC試件與再生GRC試件的7d抗彎強(qiáng)度均逐漸增大。隨著廢混凝土取代率的增加，再生GRC試件的7d抗彎強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)廢混凝土取代比例達(dá)到30%時(shí)，再生GRC試件的7d抗彎強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)，為19.2MPa（乳液固含量為5.64%），達(dá)到了同條件下普通GRC試件抗彎強(qiáng)度的97.5%，與抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)的趨勢(shì)基本一致。由此可見(jiàn)聚合物乳液的增稠增韌效果比較顯著。

3.4 乳液摻量對(duì)再生玻璃纖維增強(qiáng)水泥抗沖擊強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)配合比見(jiàn)表3所示。兩種乳液固含量的條件下，廢混凝土替代天然石英砂的比例對(duì)普通與再生GRC試件抗沖擊強(qiáng)度的影響如圖3所示。

從圖中可以看出，隨著乳液固含量的增加，普通GRC試件與再生GRC試件的7d抗沖擊強(qiáng)度均逐漸增大。隨著廢混凝土取代率的增加，再生GRC試件的7d抗沖擊強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)廢混凝土取代比例達(dá)到30%時(shí)，再生GRC試件的7d抗沖擊強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)，為30.3KJ/m2（乳液固含量為5.64%），達(dá)到了同條件下普通GRC試件抗沖擊強(qiáng)度的99%，這與抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度呈現(xiàn)的趨勢(shì)基本一致。由此可見(jiàn)再生GRC試件的抗沖擊強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)的力學(xué)指標(biāo)。

圖3 乳液對(duì)普通與再生GRC試件抗沖擊強(qiáng)度的影響

3.5 乳液摻量對(duì)再生玻璃纖維增強(qiáng)水泥抗凍性的影響

試驗(yàn)配合比見(jiàn)表2所示。兩種乳液固含量的條件下，廢混凝土替代天然石英砂的比例對(duì)普通與再生GRC試件抗凍性的影響(圖4)。經(jīng)過(guò)25次凍融循環(huán)后的再生GRC試件與未凍融試件的對(duì)比圖(圖5)。

圖4 乳液對(duì)普通與再生GRC試件抗凍性的影響

圖5 經(jīng)25次凍融循環(huán)前后的再生GRC試件對(duì)比圖

從圖4可以看出，隨著乳液固含量的增加，普通GRC試件與再生GRC試件的7d強(qiáng)度損失率均逐漸降低。再生GRC試件的強(qiáng)度損失率均明顯高于普通GRC。隨著廢混凝土取代比例的增大，再生GRC試件的強(qiáng)度損失率逐漸增大；當(dāng)廢混凝土取代比例達(dá)到30%時(shí)，再生GRC試件的強(qiáng)度損失率最小?？傮w來(lái)看，再生GRC試件的強(qiáng)度損失率均在低于0.3%。從圖5可以看出，經(jīng)過(guò)25次凍融循環(huán)后的再生GRC試件與同齡期未凍融循環(huán)的試件相比，凍融循環(huán)后的所有再生GRC試件均未發(fā)現(xiàn)掉角、起層、剝落或龜裂現(xiàn)象。

由于廢混凝土較天然石英砂具有多孔、多裂紋的特點(diǎn)，在凍融循環(huán)中起到了劣化的作用，但從強(qiáng)度損失率和試件外觀上來(lái)看，再生GRC試塊的抗凍性均復(fù)合板材的耐久性要求，用廢混凝土取代天然石英砂制備再生GRC板材在抗凍性方面完全可行。

4 結(jié)論

1）當(dāng)聚合物乳液固含量為5.64%，廢混凝土顆粒替代天然石英砂比例為30%時(shí)，再生GRC試件的7d抗壓強(qiáng)度達(dá)到53.8MPa，7d抗彎強(qiáng)度達(dá)到19.2MPa，7d的抗沖擊強(qiáng)度達(dá)到30.3KJ/m2，制備的再生GRC試件的力學(xué)性能均優(yōu)于JC/T940-2004《玻璃纖維增強(qiáng)水泥（GRC）裝飾制品》中一等品的要求。

2）再生GRC試件經(jīng)過(guò)25次凍融循環(huán)后，均未發(fā)現(xiàn)掉角、起層、剝落或龜裂現(xiàn)象，再生GRC試件強(qiáng)度損失率均低于0.3%，制備的再生GRC試件的耐久性較為優(yōu)異。

3）廢混凝土取代天然石英砂用于配制再生GRC板材從力學(xué)性能和耐久性能角度看是可行的，但取代率不宜過(guò)大，當(dāng)廢混凝土取代率超過(guò)30%時(shí)，再生GRC的力學(xué)性能和耐久性能均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

4）利用廢混凝土替代天然石英砂制備高品質(zhì)再生GRC板材，不僅化廢為寶，促進(jìn)建筑垃圾資源化技術(shù)發(fā)展，而且節(jié)約天然資源，減少碳排放。