再生骨料對(duì)GRC孔結(jié)構(gòu)和吸水率的影響研究

（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 101113）

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[1]。制備GRC的骨料一般采用天然石英砂，而天然石英砂會(huì)消耗大量的自然資源，且對(duì)環(huán)境保護(hù)不利。利用建筑固廢再生骨料取代天然骨料制備GRC材料則可以降低GRC的應(yīng)用成本，還可以促進(jìn)建筑固廢資源循環(huán)利用。但是，采用建筑固廢制備的再生骨料硬度/強(qiáng)度低、吸水率高[2-4]，其性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到天然石英砂的性能指標(biāo)，用其代替天然砂石制備玻璃纖維增強(qiáng)水泥材料時(shí)，難以制備出力學(xué)性能和耐久性能符合技術(shù)要求的材料[5-6]。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，再生骨料硬度/強(qiáng)度低、吸水率高是因?yàn)樵偕橇现苽浼庸r(shí)受外力作用在表面留下裂縫缺陷，以及再生骨料本身含有源自廢舊混凝土水化遺留的孔隙，但是并沒有再生骨料的孔隙率如何分布以及影響GRC吸水率的相關(guān)資料。

本文通過(guò)研究再生骨料的孔隙率、吸水率以及其制備的再生GRC材料孔隙率、吸水率的測(cè)試和對(duì)比，探究其作用機(jī)理和影響規(guī)律，為進(jìn)一步推廣建筑固廢再生骨料在GRC中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 原料及儀器

1.1.1 原料

采用唐山北極熊建材有限公司的42.5級(jí)抗裂雙快高貝利特硫鋁酸鹽水泥作為膠材，比表面積453m2/kg，28天抗壓強(qiáng)度50.3MPa，抗折強(qiáng)度8.0MPa，初凝時(shí)間17 分鐘，終凝時(shí)間30分鐘。采用曲陽(yáng)正合石粉有限公司的天然石英砂，細(xì)度模數(shù)2.7，含泥量0.6%，壓碎指標(biāo)4%，松散堆積密度1410kg/m3，飽和面干吸水率2%。采用北京都市綠源環(huán)?？萍加邢薰镜脑偕?xì)骨料，細(xì)度模數(shù)2.7，壓碎指標(biāo)27.5%，松散堆積密度1390kg/m3，再生砂需水量比168%，再生膠砂強(qiáng)度比71%。采用山東泰山玻璃纖維有限公司的耐堿玻璃纖維Cem-FIL?61.2 82 tex 2500，二氧化鋯含量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%。

1.1.2 儀器設(shè)備

500g/0.01g電子天平，NJ-1068凈漿攪拌機(jī)，JJ-5砂漿攪拌機(jī)，101-2電熱鼓風(fēng)干燥箱，90型（普通型）恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 樣品制備

微觀樣品制備：稱取100g樣品置于塑料容器內(nèi)，加入稱量好的50g超純水（水膠比為0.5）。手動(dòng)攪拌2分鐘后，將拌合物置于塑料小瓶?jī)?nèi)，在20±1℃環(huán)境下密封保存。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天后，將固化的樣品取出，破碎成小塊，選取中心部分的小塊，采用無(wú)水乙醇進(jìn)行終止水化處理，終止水化后取出樣品，并置于40℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，烘干至恒重。

宏觀樣品制備：選擇與微觀實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的配比，制備GRC料漿并將料漿與纖維采用噴射工藝成型試驗(yàn)板，噴射纖維摻量固定在5.0%左右，料漿硬化后從試驗(yàn)板上切割指定尺寸的小試樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到指定齡期后測(cè)試。

1.2.2 分析測(cè)試

孔結(jié)構(gòu)分析：上述終止水化處理后的小塊置于40℃的真空烘干箱內(nèi)烘干12h，取5～7mm尺寸的水泥樣品小塊進(jìn)行測(cè)試，采用美國(guó)Micromeritics公司生產(chǎn)的AutoPore IV 9510型壓汞儀測(cè)定不同齡期水泥硬化漿體的孔隙率和孔徑分布，最小壓力0.0014MPa，最大壓力420MPa，儀器可測(cè)量孔徑的范圍為0.003～400μm。

壓汞法測(cè)試材料孔結(jié)構(gòu)的原理如下：汞對(duì)大多數(shù)固體材料具有非潤(rùn)濕性，通過(guò)外加壓力汞能進(jìn)入固體孔中，汞能進(jìn)入固體孔的體積大小與外加壓力符合如下方程：

其中，D-當(dāng)量孔徑，單位nm；γ-汞的表面張力，單位N/m；P-作用壓強(qiáng)，單位MPa；θ-汞與固體的固液接觸角，單位°。通過(guò)控制不同的外加壓強(qiáng)，可測(cè)出壓入空隙中的汞的體積，由此得到對(duì)應(yīng)于不同外加壓強(qiáng)的孔徑大小的一階微分曲線或累積分布曲線。

吸水率測(cè)試：試件尺寸100mm×100mm×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》中吸水率的試驗(yàn)步驟進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 骨料的吸水率與孔徑分布

測(cè)試樣品為不同再生骨料取代天然石英砂后的骨料混合物的飽和面干吸水率，結(jié)果如圖1，可以看出，隨著再生骨料取代摻量（0～100%）的增大，骨料混合物整體的需水率增高，說(shuō)明再生骨料的加入會(huì)增大再生GRC料漿的需水率。

圖1 不同摻量再生骨料的吸水率

通過(guò)孔徑分析（圖2）可以證明，再生骨料多孔結(jié)構(gòu)（相對(duì)于天然石英砂）的孔隙率在8%左右，而天然骨料的孔隙率則在2%以下，可見再生骨料的孔數(shù)量體積多于天然骨料，從孔徑分布來(lái)看，再生骨料的全部孔級(jí)數(shù)量均多于天然骨料，尤其是在有害孔級(jí)和多害孔級(jí)上，從而影響再生骨料的吸水率、強(qiáng)度等性能。

圖2 再生骨料與天然骨料孔徑分布

2.2 再生GRC的吸水率和孔徑分布

采用與微觀測(cè)試相同的配合比制備再生GRC料漿，與5%左右的耐堿玻纖復(fù)合應(yīng)用噴射工藝制備再生GRC，不同再生骨料摻量（0～100%）的再生GRC吸水率如圖3所示。通過(guò)對(duì)比可知，隨著再生骨料摻量的增加，再生GRC的吸水率逐漸增加，從初始的8.78%升高到14%，說(shuō)明再生骨料的摻入對(duì)GRC的性能起到劣化作用。通過(guò)圖4和圖5孔徑分析可以看出，再生骨料的加入增大了再生GRC的孔隙率，由27%提高到32%，其中無(wú)害孔級(jí)和少害孔級(jí)的孔（2.5～50nm）數(shù)量減少，有害孔級(jí)及多害孔級(jí)的孔（50nm以上）數(shù)量增多，從而造成再生GRC吸水率的增加和強(qiáng)度的降低。

圖3 不同再生骨料摻量的GRC吸水率

圖4 不同再生骨料摻量的GRC孔隙率

圖5 不同再生骨料摻量的GRC孔徑分布

2.3 結(jié)果與討論

根據(jù)前述結(jié)果對(duì)比可知，再生骨料的孔隙率大于天然骨料，且隨著摻量的增大對(duì)再生GRC的吸水性能起到劣化作用，因?yàn)樵龃罅嗽偕鶪RC的孔隙率。根據(jù)吳中偉院士關(guān)于混凝土中的孔級(jí)劃分和分孔隙率ei及其影響因素xi的概念，2.5～20nm的孔為無(wú)害孔級(jí)，20～50nm的孔為少害孔級(jí)，50～200nm的孔為有害孔級(jí)，200nm以上的孔為多害孔級(jí)。根據(jù)不同孔級(jí)對(duì)應(yīng)再生GRC孔徑分布可以觀察到，5～13μm孔數(shù)量隨著再生骨料的增多而增加，有害及多害孔級(jí)的孔出現(xiàn)并增多，100～700nm的孔數(shù)量最多，而無(wú)害孔級(jí)的孔則隨著再生骨料的加入而減少。綜上，再生骨料的加入會(huì)減少無(wú)害孔級(jí)的孔數(shù)量，增多有害孔級(jí)和多害孔級(jí)的孔數(shù)量，導(dǎo)致再生GRC的力學(xué)性能、吸水率等性能的降低。

3 結(jié)論

本文通過(guò)研究再生骨料以及再生骨料制備再生GRC的吸水率和孔結(jié)構(gòu)，對(duì)比不同再生骨料替代率情況下的再生GRC的孔隙率和孔徑分布，得到了再生骨料對(duì)GRC孔結(jié)構(gòu)和吸水率的影響，結(jié)論如下：1）再生骨料含有較多的有害孔級(jí)和多害孔級(jí)的孔，孔隙率在8%以上；2）隨著再生骨料的加入，再生GRC的孔隙率增加，從而增大了吸水率；3）增大再生骨料取代摻量的會(huì)增多再生GRC中有害孔級(jí)和多害孔級(jí)的孔數(shù)量，減少無(wú)害孔級(jí)的孔數(shù)量，對(duì)材料力學(xué)性能和吸水率的造成不利影響。