废混凝土再生骨料及掺和料对GRC耐久性的影响

程海丽， 刘国强， 杨飞华， 郝利炜

(1.北方工业大学 土木工程学院， 北京 100144； 2.北京市政路桥股份有限公司, 北京 100068； 3.固废资源化利用与节能建材国家重点实验室, 北京 100041)

玻璃纤维增强混凝土(GRC)制品，具有轻质、高强、隔热、保温、防水、防火、可加工性良好、价格适中等优点，在建筑、市政、农业、水利和园林工程等许多领域的应用中取得了明显的技术经济效果，显示了广阔的发展前景.但其存在长期耐久性能差的问题，特别是在潮湿环境下其强度与韧性降低的问题[1]，一直是制约其在更广范围内应用的主要原因.

1)文中涉及的灰砂比、用量等均为质量比或质量分数.

改善GRC耐久性的途径主要为：(1)改善GRC中玻璃纤维(纤维相)的耐碱性能；(2)改善GRC中除纤维之外的基体(基体相)性能，主要为采用低碱度硫铝酸盐水泥，或用掺和料改性普通硅酸盐水泥(但低碱度硫铝酸盐水泥由于价格高、产量少及强度倒缩的问题[2-3]制约了其应用)；(3)玻璃纤维表面涂覆处理；(4)改善纤维与基体界面的性能.学者们普遍认为，进一步增进含锆抗碱玻璃纤维的抗碱能力是有一定限度的[4]，必须从水泥基材入手，设法同时降低水泥基材液相的碱度并最大限度减少水化产物中Ca(OH)2(CH)晶体的含量.目前尚未见从骨料角度改善GRC耐久性的文献.事实上，GRC制品中灰砂比1)一般为1∶1～1∶2，即天然砂的用量不低于50%.因此，研究骨料对GRC性能的影响十分必要：一方面，骨料性能的改变对GRC性能影响也应引起关注，另一方面，GRC制品生产和使用对不可再生天然砂资源的消耗问题也应引起关注.

《中国建筑垃圾资源化产业发展报告(2014年度)》显示：中国每年产生的建筑垃圾总量约15.5～24.0亿t，建筑废弃物中废混凝土的含量已达到50%以上，以填埋或堆放处置为主，资源化率不足5%，远低于美国、日本等国家的水平.

鉴于此，本文在前期研究[5]的基础上，以废混凝土再生骨料(RWCA)取代GRC中的天然砂，研究其与活性掺和料复掺时对GRC性能的影响.这不仅能降低GRC的生产成本、节约天然砂资源，而且可将废混凝土资源化，减少其污染环境、占用土地等负面影响，一举数得.

1 原材料及其性能特征

1.1 主要原材料

水泥采用强度等级为P·O 42.5R的普通硅酸盐水泥，其主要性能见表1；掺和料分别采用 Ⅱ 级粉煤灰和硅灰，硅灰来自甘肃三远硅材料有限公司，二者的化学组成见表2，碱含量分别为0.8%和0.9%；玻璃纤维为北京兴旺玻璃纤维有限公司生产的束状短切耐碱玻璃纤维，其主要性能见表3，微观形貌如图1所示；天然砂采用ISO标准砂，其和RWCA的主要性能见表4；减水剂为聚羧酸系高效减水剂.

表1 P·O 42.5R普通硅酸盐水泥的主要性能Table 1 Main properties of P·O 42.5R

表2 粉煤灰及硅灰的化学组成Table 2 Chemical compositions of fly ash and silica fume w/%

表3 耐碱玻璃纤维的主要性能Table 3 Main properties of alkali-resistant glass fiber

表4 标准砂和RWCA的主要物理性能Table 4 Main physical properties of ISO standard sand and RWCA

图1 玻璃纤维SEM照片Fig.1 SEM image of glass fiber

1.2 废混凝土再生骨料及其特征

RWCA来自拆除的旧建筑物，粒径范围为0.075～4.750mm，主要物理性能见表4，化学组成见表5，X射线衍射(XRD)图谱见图2，外观形貌见图3，粒径分布见表6.图2表明，RWCA的矿物组成主要为石英、石灰石等.图3表明，RWCA表面粗糙、多孔、多棱角、具有裂纹.

RWCA的性能特征可归结为：(1)表面效应——其表面粗糙、多棱角，可增强与水泥浆界面的啮合能力[6]，提高骨料与水泥浆界面的黏结性；(2)多孔吸水效应——其多孔、吸水性较强，能吸收新拌水泥砂浆中多余的水分，降低骨料(特别是较粗的骨料)表面的实际水灰比，使得水泥浆-骨料界面和纤维-水泥基材界面的孔隙率降低，CH晶体生长的自由空间变小，导致CH晶体尺寸减小，从而使2个界面的结构得到改善.

表5 废混凝土再生骨料的化学组成Table 5 Chemical composition of RWCA w/%

图2 再生骨料的XRD图谱Fig.2 XRD pattern of RWCA

图3 废混凝土骨料的外观形貌Fig.3 Surface morphology of RWCA

Particle size/mm0.0750.150.150.30.30.60.61.181.182.362.364.75Percentage (by mass)/%10.312.817.613.317.527.1

2 试验

2.1 试件制作

按照表7所列配合比，将水泥、RWCA、掺和料、外加剂和短切玻璃纤维放入水泥胶砂搅拌锅内，先加一部分水快速搅拌使玻璃纤维充分分散，再将剩余的水全部加入，搅拌成均匀料浆，制成尺寸为40mm×40mm×160mm的试件.固定胶砂比为0.51，水胶比为0.48，减水剂掺量以流动度相近为原则进行设置.

表7 GRC试件的配合比Table 7 Mix proportion of GRC specimens

2.2 加速老化及自然老化方法

加速老化方法基于Litherland等[7]的观点，即：假设玻璃纤维的化学侵蚀是最主要的老化机理，可以采用加速老化的方法来预测材料的长期强度.Litherland等[7]根据测定的数据得出GRC在50℃水中放置1d相当于在英国当地大气中暴露3.5个月.本文将GRC试件置于50℃水中加速老化以考察其长期耐久性.另取相同配合比的试件进行自然老化：置于常温(15～25℃)水中养护至相应龄期.

2.3 耐久性考察方法

此处的耐久性能主要指GRC材料长期强度的保持能力.由于玻璃纤维在水泥基材中主要起提高弯拉强度、阻裂增韧等作用，因此，玻璃纤维在水泥基材中被腐蚀的程度主要体现在其折弯性能的改变.本文通过对比不同龄期GRC抗折强度保持率(P)的方法，来评定GRC的耐久性.GRC抗折强度保持率越大，表示其长期强度下降得越慢，亦即其耐久性越好.P的计算公式如下：

(1)

式中：f为不同龄期试件抗折强度，MPa；f7为常温水养7d时试件的抗折强度，MPa.

2.4 抗折强度测试及分析手段

试件抗折强度测试参照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行.

红外光谱(FTIR)试验采用PERKIN-ELMER产的PE1750傅里叶变换红外光谱仪；扫描电镜(SEM)试验采用日本生产的S-3400N型扫描电子显微镜；X射线衍射(XRD)试验采用德国布鲁克AXS有限公司产D8型X射线衍射仪.

3 试验数据及分析

3.1 废混凝土再生骨料对GRC性能的影响

各GRC试件经自然老化和加速老化之后的性能见表8，9.由表8，9可见：R30组试件各龄期的抗折强度均较基准组(O组)试件高，这主要是因为RWCA的表面效应使其与水泥浆的啮合能力增强，提高了GRC基体相的强度，使GRC抗折强度提高；R30组试件各龄期的抗折强度保持率也均较基准组高，说明RWCA以30%的质量分数取代天然砂可以延缓GRC抗折强度的下降，这是因为再生骨料的多孔吸水效应可降低GRC基体相中水泥与骨料界面过渡区的水灰比，导致CH晶体生长的自由空间变小，使得CH的平均晶体尺寸减小，改善了界面过渡区的结构和性能，从而既可提高基体相的强度，又可减轻CH对玻璃纤维的腐蚀.加速老化365d后，各GRC试件的XRD图谱和FTIR图谱(见图4，5)也证实了这一点：图4中R30组试件的CH特征峰较基准组有所减弱，图5中R30组试件在3647cm-1处的CH特征峰较基准组也明显减弱.由此可见，掺量为30%的RWCA对GRC中CH含量有一定程度的减少作用，降低了纤维相被腐蚀的程度，从而起到了延缓GRC长期强度下降的作用.

表8 常温水养(自然老化)时各GRC试件的性能Table 8 Properties of GRC specimens with different mix proportions cured in normal temperature water

表9 50℃水养(加速老化)时各GRC试件的性能Table 9 Properties of GRC specimens with different mix proportions cured in 50℃ water

图4 50℃水中养护365d时各GRC试件的 XRD图谱Fig.4 XRD patterns of GRC specimens cured in 50℃ water for 365d

图5 50℃水中养护365d时各GRC试件的FTIR图谱Fig.5 FTIR spectra of GRC specimens cured in 50℃ water for 365d

图6为常温水养365d时各GRC试件的SEM照片.由图6可以看出：常温水养365d后，基准组试件中的玻璃纤维表面不再光滑，出现了明显的坑点，且表面有黏附物，周围有CH密集；R30组试件中的玻璃纤维表面未见明显坑点，可见玻璃纤维被腐蚀的程度有所降低，但玻璃纤维周围仍被CH包围.

图7为50℃水养365d时各GRC试件的SEM照片.由图7可以看出，50℃水养365d后，R30组试件中的玻璃纤维表面也出现了坑点，但较基准组试件中的玻璃纤维被腐蚀的程度要低.

3.2 粉煤灰对GRC性能的影响

表8显示：在自然老化时，FA30组试件早期抗折强度较基准组和R30组试件低，但后期抗折强度超过了基准组和R30组试件；与基准组及R30组试件不同的是，其抗折强度在90d后仍持续增长，180d 时达到最大，之后才开始下降.由于FA30组试件7d抗折强度较低，所以其各龄期抗折强度保持率均高于基准组和R30组试件.

表9显示，在加速老化时，早期因温度的提高有利于水泥的水化以及粉煤灰潜在活性的激发，因而90d之前试件的抗折强度得以提高，但自180d起，加速老化试件的抗折强度较自然老化试件的抗折强度低.

粉煤灰的火山灰活性效应可提高GRC基体相强度，同时因其对CH的消耗而有利于减轻CH对玻璃纤维的腐蚀，其微集料效应也使其对水泥相有密实填充作用，可提高GRC中基体相的强度.

图6 常温水养365d时各GRC试件的SEM照片Fig.6 SEM images of GRC specimens cured in normal temperature water for 365d

图7 50℃水养365d时各GRC试件的SEM照片Fig.7 SEM images of GRC specimens cured in 50℃ water for 365d

3.3 废混凝土再生骨料与粉煤灰复掺对GRC性能的影响

表8显示，R30+FA30组试件早期抗折强度虽仍较基准组低，但却高于FA30组，说明再生骨料和粉煤灰复掺时，无论是自然老化还是加速老化，试件各龄期抗折强度保持率均较R30组高.

图4中R30+FA30组CH和AFt的特征峰已经很弱；图5中R30+FA30组在3647cm-1处的CH特征峰也已很弱，1112cm-1处的钙矾石特征峰也几乎看不出.可见，二者复掺较各自单掺时效果好.

图6显示，R30+FA30组试件中的玻璃纤维表面有少量黏附物，未有明显被腐蚀的现象.图7中R30+FA30组试件中的玻璃纤维表面也出现少许坑点和划痕，但同样较基准组试件中的玻璃纤维被腐蚀程度低.

RWCA与粉煤灰复掺不但可以改善各GRC试件的性能，而且可节约水泥和天然骨料，同时还弥补了粉煤灰单掺时各GRC试件早期抗折强度低的问题.

3.4 废混凝土再生骨料与粉煤灰、硅灰复掺对GRC性能的影响

针对粉煤灰单掺及其与RWCA复掺对GRC试件早期抗折强度不利的问题，在用RWCA以30%的质量分数替代天然砂的同时，用粉煤灰、硅灰分别以20%，10%的质量分数替代水泥，得到R30+FA20+Si10组试件.表8，9显示，三者复掺时，GRC试件各龄期抗折强度均得到了较大提高，特别是早期抗折强度，说明三者复掺弥补了粉煤灰的掺入对试件早期抗折强度的不利影响，R30+FA20+Si10组试件各龄期抗折强度保持率也较基准组和R30组试件高.

硅灰具有很高的火山灰活性，使其在早期即能与水泥水化产物中的CH发生二次水化反应生成球状且十分致密的水化硅酸钙[9]，从而提高GRC基体相强度，同时减弱CH对玻璃纤维的腐蚀.硅灰的颗粒极其微小，具有很强的密实填充作用，从而使水泥基材料的孔隙率大大减小，提高了GRC基体强度.硅灰的掺入不但弥补了由于水泥用量减少及粉煤灰的掺入对GRC基体早期抗折强度的影响，还因其早期对CH的消耗，使得玻璃纤维可较少受CH腐蚀，进而改善了GRC的长期耐久性.

图4显示，R30+FA20+Si10组试件中CH的特征峰已经很弱，AFt的特征峰已看不出.图5中R30+FA20+Si10组试件在3647cm-1处的CH特征峰以及1112cm-1处的钙矾石特征峰也几乎看不出.图6显示，R30+FA20+Si10组试件中的玻璃纤维表面未见明显坑点，虽然有少许黏附物，但玻璃纤维总体仍较平整光滑，其周围基体相中CH也不明显.图7中，R30+FA20+Si10组试件因加速老化导致玻璃纤维表面出现了坑点，但玻璃纤维本身还很完整，其被腐蚀程度较基准组试件中的玻璃纤维被腐蚀程度也低很多.

4 结论

(1)在研究GRC的耐久性时，GRC中占比50%的骨料也是应考虑的对象.本文用30%的废混凝土再生骨料替代GRC中的天然砂时，其表面效应和多孔吸水效应对GRC基体中CH的数量及结晶尺寸有一定程度的影响，因此废混凝土再生骨料可以改善GRC基体的性能，同时还可减轻GRC中玻璃纤维的被腐蚀程度，从而可以在一定程度上改善GRC的耐久性.

(2)粉煤灰以30%的质量分数替代水泥时，其火山灰效应、微集料效应对GRC基体中CH的数量及结晶尺寸有一定程度的影响，因此粉煤灰既可改善GRC基体的性能，还可减轻GRC中玻璃纤维的被腐蚀程度，从而可以在一定程度上改善GRC的耐久性.但粉煤灰的掺入会影响GRC的早期抗折强度.

(3)当废混凝土再生骨料以30%的质量分数替代天然砂，同时粉煤灰以30%的质量分数替代水泥时，不但GRC的早期抗折强度可以得到改善，而且二者复掺对GRC耐久性提高的效果要好于各自单掺时.二者的复掺不但可改善GRC的性能，还可节约天然砂和水泥用量.

(4)当废混凝土再生骨料以30%的质量分数替代天然砂，同时粉煤灰、硅灰分别以20%，10%的质量分数替代水泥时，GRC早期和后期抗折强度均有较大的提高，有益于GRC长期抗折强度的保持.

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