低吸水率高抗凍再生GRC的制備研究

（中國建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)北京天譽(yù)有限公司，北京 101113）

0 前言

玻璃纖維增強(qiáng)水泥（GRC）是一種纖維混凝土復(fù)合材料，其特點(diǎn)是具有較高的抗拉和抗折強(qiáng)度，以及良好的韌性[1]。GRC產(chǎn)品以其輕質(zhì)高強(qiáng)、抗沖擊韌性好、抗裂性能好、耐久性好、耐火、可加工和可模塑性好等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，在裝配式建筑、盒子房、新農(nóng)村房屋建設(shè)、城市景觀建筑[4]中起到了其他產(chǎn)品無法替代的作用。GRC的主要原材為水泥、骨料、水和纖維，其中骨料一般為天然石英砂，但是石英砂的開采對環(huán)境的破壞和污染較嚴(yán)重，采用建筑固廢制備的再生骨料取代天然石英砂制備再生GRC，可以減少天然骨料用量，節(jié)約天然資源，還可以消耗建筑垃圾，保護(hù)環(huán)境。但是再生骨料本身存在強(qiáng)度低、吸水量大等問題[5]，大量摻入會導(dǎo)致再生GRC的力學(xué)性能、物理性能和抗凍性能大幅降低。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，將建筑垃圾再生骨料應(yīng)用于GRC材料的研究較少，同時并未對GRC制品的重要力學(xué)性能如抗彎強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度、抗凍等性能進(jìn)行研究[6-7]。本項(xiàng)目前期研究發(fā)現(xiàn)，再生骨料的最佳摻量一般在20%～30%，制備的再生GRC性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[8]，但是還需進(jìn)一步深入研究，提高建筑垃圾再生骨料的使用率。

本文采用高貝利特硫鋁酸鹽水泥、廢混凝土再生骨料、天然石英砂和耐堿玻纖作為原料，通過有機(jī)聚合物改性技術(shù)制備出具有良好工作性、力學(xué)性能和低吸水率高抗凍的高品質(zhì)再生GRC材料，同時再生骨料的取代率提高到50%以上。高貝利特硫鋁酸鹽水泥是一種新型的特種水泥，具有生產(chǎn)成本低、低碳、低能耗等特點(diǎn)[9]。水泥的熟料產(chǎn)物主要為無水硫鋁酸鈣（30%～40%）和硅酸二鈣（35%～45%），無水硫鋁酸鈣可以迅速與水和石膏發(fā)生反應(yīng)釋放水化熱，提供水泥的早期強(qiáng)度，硅酸二鈣可以在水化后期數(shù)年內(nèi)持續(xù)緩慢與水反應(yīng)生成水化硅酸鈣相，促進(jìn)水化后期強(qiáng)度持續(xù)增長；有機(jī)聚合物改性主要起到高分子聚合物增稠增韌[10]和有機(jī)硅烷疏水防水作用[11]。通過研究高品質(zhì)的再生GRC，可以提高建筑固廢使用率，消耗建筑垃圾，降低對天然資源的消耗，為再生GRC材料的進(jìn)一步推廣提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

1.1.1 水泥

所用水泥為BS-CFR42.5 級抗裂雙快高貝利特硫鋁酸鹽水泥，水泥礦物組成XRD圖譜如圖1所示，主要礦物為無水硫鋁酸鈣、β-硅酸二鈣、無水石膏和鐵相鋁相，水泥比表面積490m2/kg，初凝19 分鐘，終凝30 分鐘，6 小時抗壓/抗折強(qiáng)度18.4MPa/4.8MPa，7 天抗壓/抗折強(qiáng)度41.7MPa/5.9MPa，氧化鎂含量4.8%，三氧化硫含量0.7%，堿含量0.69%，細(xì)度篩余0.3%。

圖1 BS-CFR42.5水泥的礦物組成

1.1.2 骨料

所用骨料分為天然石英砂（Quartz Sand, QS）和廢混凝土再生骨料（Waste Concrete, WC），天然石英砂粒徑小于1mm，廢混凝土再生骨料為拆除的舊建筑物形成的廢混凝土大塊經(jīng)過分揀、破碎、篩分、清洗后加工得到的粒徑小于5mm的顆粒，微粉含量7.6%，骨料的部分性能指標(biāo)見表1所示。

表1 試驗(yàn)用骨料的各項(xiàng)性能

1.1.3 玻璃纖維

所用玻璃纖維為耐堿玻纖（GF），二氧化鋯含量16.63%，二氧化鉿含量0.39%，密度2.730g/cm3，拉伸強(qiáng)度1240MPa，纖維直徑13.2μm，線密度2406tex，可燃物含量1.79%。

1.1.4 外加劑

所用減水劑為聚羧酸類減水劑SP，緩凝劑為無機(jī)鹽類緩凝劑RT，有機(jī)聚合物組分AE-OS，乳白色液體，活性組分含量50%左右。

1.2 試驗(yàn)過程

1.2.1 試樣制備

試驗(yàn)采用直接噴射工藝成型一塊900mm×900mm×10mm的試驗(yàn)板，養(yǎng)護(hù)完成后從試驗(yàn)板上切割試件進(jìn)行吸水率、抗彎、抗沖擊、抗凍性等力學(xué)性能和耐久性能的測試。按照表2中所列的配比，先將膠材、骨料、水、外加劑混合攪拌3～5min，制備成GRC料漿，再將混合均勻的料漿與耐堿玻纖采用噴射工藝噴筑成900mm×900mm×10mm試驗(yàn)板。

表2 GRC試驗(yàn)配合比

1.2.2 分析測試

GRC吸水率性能試件測試尺寸100mm×100mm×10mm，測試方法參照GB/T 15231-2008《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法》中吸水率的試驗(yàn)步驟[12]進(jìn)行，吸水率采用飽水狀態(tài)下的吸水量計(jì)算。GRC抗彎破壞強(qiáng)度值（MOR）測試試件為250mm×50mm×10mm，試驗(yàn)方法參考GB/T 15231-2008《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法》中四點(diǎn)抗彎性能試驗(yàn)步驟進(jìn)行，加載速度控制在1.5mm/min，勻速加載，直至試件破壞。GRC抗沖擊性能測試試件尺寸為120mm×50mm×10mm，測試方法按照GB/T 15231-2008《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法》中抗沖擊強(qiáng)度的測定方法進(jìn)行，選用適當(dāng)能量級別的擺錘，使沖斷試件所消耗的能量為該擺錘最大能量的20%～80%，試件破壞以后，用游標(biāo)卡尺測量斷裂處的截面尺寸。GRC抗凍性測試試件尺寸采用250mm×50mm×10mm，凍融循環(huán)機(jī)制如下：-20°C冷凍1h30min，冷凍時間以放入試件后溫度重新降至-20°C時開始計(jì)時，取出后放入(20±5)°C清水中融化1h，以此為一次凍融循環(huán)。本試驗(yàn)以凍融循環(huán)50次和100次后觀察GRC試件表面是否出現(xiàn)掉角、起層、剝落或龜裂等破壞現(xiàn)象，同時測試凍融前后的質(zhì)量損失ΔW和強(qiáng)度損失Δf以表征抗凍性優(yōu)劣，計(jì)算方法如下：

式中，W0i-凍融循環(huán)前試件的質(zhì)量（g）；Wni-經(jīng)N次凍融循環(huán)后的試件的質(zhì)量（g）；ΔWni-經(jīng)N次凍融循環(huán)后的試件的質(zhì)量損失率（%），精確至0.01。

式中，fb0-凍融循環(huán)前試件的抗彎強(qiáng)度測定值，精確至0.1MPa；fbn-經(jīng)N次凍融循環(huán)后的試件的抗彎強(qiáng)度測定值，精確至0.1MPa；Δfb-經(jīng)N次凍融循環(huán)后的試件的抗彎強(qiáng)度損失率（%），精確至0.1。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸水率

加入聚合物改性組分AE-OS可以顯著降低再生GRC的吸水率，普通再生GRC的吸水率在8%～14%，而本試驗(yàn)經(jīng)改性處理的再生GRC的吸水率在2%～4%，說明AE-OS組分中的有機(jī)硅烷可以起到疏水防水作用，阻斷再生GRC內(nèi)外的水分傳輸和交換，降低吸水率。其原因在于有機(jī)硅烷可以與再生GRC基體中水泥水化產(chǎn)物以及硅烷自身發(fā)生反應(yīng)，親水基團(tuán)與自身或水化產(chǎn)物相連，而疏水基團(tuán)則外伸，從而形成一層防水膜，起到疏水作用。

圖2 不同再生骨料摻量的再生GRC吸水率

2.2 力學(xué)強(qiáng)度

抗彎強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度如圖3、圖4所示，可以看到，隨著再生骨料的摻入，再生GRC的抗彎強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢，再生骨料對再生GRC的抗彎強(qiáng)度起到劣化作用，從23.23MPa降低到16.66MPa，降幅達(dá)到40%；而抗沖擊強(qiáng)度變化較小，再生骨料的加入對再生GRC的抗沖擊強(qiáng)度影響不明顯，基本在21～22kJ/m2。

圖3 不同再生骨料摻量的再生GRC抗彎強(qiáng)度

圖4 不同再生骨料摻量的再生GRC抗沖擊強(qiáng)度

2.3 抗凍性能

選取空白組、再生骨料取代40%和80%三組試件進(jìn)行抗凍性測試，經(jīng)過50次和100次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率和抗彎強(qiáng)度損失率如表3所示。通過觀察法發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過100次凍融循環(huán)的再生GRC試件表面沒有出現(xiàn)掉角、起層、剝落或龜裂等破壞現(xiàn)象，從質(zhì)量和強(qiáng)度損失率來看，再生骨料摻量的增大以及凍融循環(huán)次數(shù)的增加都會增大相應(yīng)的損失率，即再生GRC性能的降低，但是質(zhì)量損失率基本在1.5%以內(nèi)，抗彎強(qiáng)度損失率則在15%以內(nèi)。

表3 不同再生骨料摻量的再生GRC抗凍性能

3 結(jié)論

本文利用高貝利特硫鋁酸鹽水泥、廢混凝土再生骨料、天然石英砂、耐堿玻纖制備高品質(zhì)的低吸水率高抗凍再生GRC材料，得到結(jié)論如下：

1）低吸水率高抗凍再生GRC材料的吸水率在2%～3%，抗凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到100次，表面無起層、剝落等破壞現(xiàn)象；

2）低吸水率高抗凍再生GRC材料經(jīng)過100次凍融循環(huán)，質(zhì)量損失率小于1.5%，抗彎強(qiáng)度損失率小于15.0%；

3）低吸水率高抗凍再生GRC材料抗彎強(qiáng)度受再生骨料摻量影響較明顯下降，抗沖擊性能受影響不明顯。