有機硅添加劑對GRC性能的影響研究

（中國建材檢驗認證集團北京天譽有限公司，北京 101113）

0 前言

玻璃纖維增強水泥（GRC）作為一種纖維混凝土復合材料，具有較高的抗拉和抗折強度，以及良好的韌性，可做出各種具有裝飾效果的異型構件[1]。GRC的主要組成為水泥、天然砂、水和耐堿玻纖，其中天然砂主要為天然石英砂，在GRC中用量大，優(yōu)質的石英砂成本高，開采還會破壞環(huán)境。采用建筑固廢制備的再生骨料替代石英砂制備GRC可降低生產成本，節(jié)約天然資源，同時消耗建筑固廢，減少固廢污染[2-3]。但是再生骨料強度低、吸水率高[4-5]，而GRC本身的吸水率已較高（8%～14%），如果采用高吸水率的再生骨料替代低吸水率的石英砂，勢必進一步增大GRC的吸水率，對GRC的耐久性非常不利。

有機硅添加劑可以對建筑物和構筑物起到防護作用，主要原理在于有機硅中的大多數硅氧烷和硅烷都是非常小的分子，可以滲透很深，并均勻分布在材料結構中，它們與膠材的水化產物發(fā)生反應，且自身也發(fā)生反應，形成耐久的結合。固化時，在基材表層形成保護層，允許水蒸汽傳輸，同時防止含有溶解的氯離子或酸的液態(tài)水進入基層，從而起到滲透、成膜、疏水、防水的作用[6-7]。

查閱相關文獻發(fā)現(xiàn)，關于利用有機硅作為添加劑改善再生GRC材料的性能，沒有已發(fā)布的相關資料。本文主要通過研究有機硅添加劑對于再生GRC材料力學性能、吸水率以及抗凍性能的影響，初步探究其作用機理，為其進一步推廣使用提供理論基礎。

1 試驗

1.1 原材料

1.1.1 水泥

試驗所用水泥為42.5級高貝利特硫鋁酸鹽水泥，主要礦物組成為硫鋁酸鈣、硅酸二鈣、硫酸鈣和鐵相，水泥的主要性能如表1所示。

表1 高貝利特硫鋁酸鹽水泥物理力學性能

1.1.2 細骨料

所用細骨料包括天然石英砂和廢混凝土再生骨料。天然石英砂20～40目，細度模數2.7，堆積密度1410kg/m3。廢混凝土再生骨料為舊建筑物形成的建筑垃圾中的廢混凝土塊經過破碎、清洗、篩分后加工得到的顆粒（粒徑范圍0.075～3mm），本文所用廢混凝土再生骨料粒徑小于2mm，壓碎指標27.5%，細度模數2.7。

1.1.3 玻璃纖維

所用纖維為耐堿玻璃纖維，其ZrO2含量16.63%，單絲直徑13.2μm，線密度2406tex，密度2.73g/cm3，可燃物含量1.79%。

1.1.4 有機硅添加劑

所用有機硅為SHP60 Plus有機硅憎水粉末，自由流動性白色粉末，組分為硅烷/樹脂基。

1.2 試驗過程

1.2.1 試驗樣品制備

按表2所列配合比制備GRC料漿，將料漿與纖維采用噴射工藝成型試驗板，試驗板總體尺寸1.0m×1.0m×10.0mm，固定水灰比0.35，固定膠砂比1:1，通過調節(jié)減水劑摻量控制料漿流動度在320±10mm，噴射纖維摻量固定在5.0%左右，料漿硬化后從試驗板上切割指定尺寸的小試樣進行標準養(yǎng)護到指定齡期進行測試。未加入有機硅添加劑的試件標號為R0～R5，加入有機硅添加劑的試驗編號為R0S～R5S，有機硅摻量為干料成分的0.5%（重量比）。

表2 再生GRC試驗配比

1.2.2 抗彎強度測試

抗彎強度測試試件尺寸250mm×50mm×10mm，采用四點彎曲試驗，試驗方法參考GB/T 15231-2008《玻璃纖維增強水泥性能試驗方法》中抗彎性能試驗步驟進行，加載速度采用位移控制在4mm/min，直至損壞。

1.2.3 吸水率測試

吸水率測試的試件尺寸100mm×100mm×10mm，試驗方法參考GB/T 15231-2008《玻璃纖維增強水泥性能試驗方法》中吸水率的試驗步驟進行。

1.2.4 抗凍性能測試

抗凍性測試的試件尺寸250mm×50mm×10mm，采用天津市港源試驗儀器廠生產的全自動低溫凍融試驗機，凍融循環(huán)機制以在-20℃冷凍1h30min，冷凍時間以放入試件后溫度重新降至-20℃時開始計時，取出后放入（20±5）℃的清水中融化1h為一次凍融循環(huán)。分別測試25次和50次凍融循環(huán)后的質量損失率，同時觀察試件表面是否出現(xiàn)起層、剝落等破壞現(xiàn)象，如果試件表面無起層、剝落等破壞現(xiàn)象，則通過質量損失率ΔW評定抗凍性能，質量損失率越小，表示質量下降越慢，抗凍性能越優(yōu)異。ΔW的計算公式如下：

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

2 結果與討論

2.1 有機硅添加劑對再生GRC抗彎強度的影響

再生GRC的抗彎強度取28天齡期的抗彎破壞強度值（MOR）進行對比，圖1列出了未加入有機硅添加劑和加入有機硅添加劑的MOR。從圖中可以看出：再生GRC的抗彎強度隨廢混凝土再生骨料替代摻量的增大而逐漸降低，強度降低可達30%；加入有機硅添加劑后對于再生GRC的抗彎強度影響不大，強度差值在6%以內，這是因為有機硅添加劑的主要成分硅烷/樹脂基在水泥基材料中起到滲透/疏水的作用，只在基層形成疏水保護層，對于基體的力學性能影響不大。

圖1 有機硅添加劑對再生GRC抗彎強度的影響

2.2 有機硅添加劑對再生GRC吸水率的影響

未加入有機硅添加劑的再生GRC吸水率和加入有機硅添加劑的再生GRC吸水率如圖2所示。從圖2可見，加入有機硅添加劑可以明顯降低再生GRC的吸水率，下降幅度60%～74%，還可以看到隨著廢混凝土再生骨料的替代摻量增加，再生GRC的吸水率也逐漸增大，這是因為再生骨料本身強度低、多孔多裂縫、吸水率高，導致制備的再生GRC吸水率進一步增大。同時，加入有機硅添加劑在再生GRC基體的表面和內部表層形成憎水層，可以阻擋外界和內部的水分循環(huán)，從而降低再生GRC的吸水率。

圖2 有機硅添加劑對再生GRC吸水率的影響

2.3 有機硅添加劑對再生GRC抗凍性能的影響

再生GRC的抗凍性能通過質量損失率ΔW評定，未加入有機硅添加劑和加入有機硅添加劑的再生GRC經過25次和50次凍融的質量損失率如表3所示。從表中可以看出，廢混凝土再生骨料對再生GRC的抗凍性能造成不利影響，基本在40次左右表層就出現(xiàn)裂縫、起層、剝落等現(xiàn)象。同時，有機硅添加劑的加入又可以大大改善再生GRC抵抗凍融循環(huán)破壞的能力，這是因為有機硅添加劑中的硅烷分子通過自身或與水化產物反應在基體表層形成疏水保護層，阻隔了內部與外界的水分交換，阻斷了基體中毛細孔中水分的流通，從而起到了增強抗凍能力的作用。

表3 有機硅添加劑對再生GRC抗凍性能的影響

3 結論

本文研究了有機硅添加劑對于不同再生骨料摻量的再生GRC制品的抗彎強度、吸水率、抗凍性能等的影響，所得結論如下：

1）隨著廢混凝土再生骨料替代量的增加，再生GRC的抗彎強度和抗凍性能隨之逐漸降低，而吸水率則隨之逐漸增大。

2）有機硅添加劑可以改善再生GRC的表層親疏水情況，降低再生GRC的吸水率，從而增強抗凍融循環(huán)能力。

3）有機硅添加劑對于再生GRC的抗彎強度影響較小，主要是改善再生GRC的界面性能，阻斷基體內部與外界的水分交換。