低吸水率高抗冻再生GRC的制备研究

2020-03-23

中国建材科技 2020年6期

（中国建材检验认证集团北京天誉有限公司，北京 101113）

0 前言

玻璃纤维增强水泥（GRC）是一种纤维混凝土复合材料，其特点是具有较高的抗拉和抗折强度，以及良好的韧性[1]。GRC产品以其轻质高强、抗冲击韧性好、抗裂性能好、耐久性好、耐火、可加工和可模塑性好等优点[2-3]，在装配式建筑、盒子房、新农村房屋建设、城市景观建筑[4]中起到了其他产品无法替代的作用。GRC的主要原材为水泥、骨料、水和纤维，其中骨料一般为天然石英砂，但是石英砂的开采对环境的破坏和污染较严重，采用建筑固废制备的再生骨料取代天然石英砂制备再生GRC，可以减少天然骨料用量，节约天然资源，还可以消耗建筑垃圾，保护环境。但是再生骨料本身存在强度低、吸水量大等问题[5]，大量掺入会导致再生GRC的力学性能、物理性能和抗冻性能大幅降低。通过查阅相关文献发现，将建筑垃圾再生骨料应用于GRC材料的研究较少，同时并未对GRC制品的重要力学性能如抗弯强度、抗冲击强度、抗冻等性能进行研究[6-7]。本项目前期研究发现，再生骨料的最佳掺量一般在20%～30%，制备的再生GRC性能满足标准要求[8]，但是还需进一步深入研究，提高建筑垃圾再生骨料的使用率。

本文采用高贝利特硫铝酸盐水泥、废混凝土再生骨料、天然石英砂和耐碱玻纤作为原料，通过有机聚合物改性技术制备出具有良好工作性、力学性能和低吸水率高抗冻的高品质再生GRC材料，同时再生骨料的取代率提高到50%以上。高贝利特硫铝酸盐水泥是一种新型的特种水泥，具有生产成本低、低碳、低能耗等特点[9]。水泥的熟料产物主要为无水硫铝酸钙（30%～40%）和硅酸二钙（35%～45%），无水硫铝酸钙可以迅速与水和石膏发生反应释放水化热，提供水泥的早期强度，硅酸二钙可以在水化后期数年内持续缓慢与水反应生成水化硅酸钙相，促进水化后期强度持续增长；有机聚合物改性主要起到高分子聚合物增稠增韧[10]和有机硅烷疏水防水作用[11]。通过研究高品质的再生GRC，可以提高建筑固废使用率，消耗建筑垃圾，降低对天然资源的消耗，为再生GRC材料的进一步推广提供理论基础。

1 试验

1.1 试验原料

1.1.1 水泥

所用水泥为BS-CFR42.5 级抗裂双快高贝利特硫铝酸盐水泥，水泥矿物组成XRD图谱如图1所示，主要矿物为无水硫铝酸钙、β-硅酸二钙、无水石膏和铁相铝相，水泥比表面积490m2/kg，初凝19 分钟，终凝30 分钟，6 小时抗压/抗折强度18.4MPa/4.8MPa，7 天抗压/抗折强度41.7MPa/5.9MPa，氧化镁含量4.8%，三氧化硫含量0.7%，碱含量0.69%，细度筛余0.3%。

图1 BS-CFR42.5水泥的矿物组成

1.1.2 骨料

所用骨料分为天然石英砂（Quartz Sand, QS）和废混凝土再生骨料（Waste Concrete, WC），天然石英砂粒径小于1mm，废混凝土再生骨料为拆除的旧建筑物形成的废混凝土大块经过分拣、破碎、筛分、清洗后加工得到的粒径小于5mm的颗粒，微粉含量7.6%，骨料的部分性能指标见表1所示。

表1 试验用骨料的各项性能

1.1.3 玻璃纤维

所用玻璃纤维为耐碱玻纤（GF），二氧化锆含量16.63%，二氧化铪含量0.39%，密度2.730g/cm3，拉伸强度1240MPa，纤维直径13.2μm，线密度2406tex，可燃物含量1.79%。

1.1.4 外加剂

所用减水剂为聚羧酸类减水剂SP，缓凝剂为无机盐类缓凝剂RT，有机聚合物组分AE-OS，乳白色液体，活性组分含量50%左右。

1.2 试验过程

1.2.1 试样制备

试验采用直接喷射工艺成型一块900mm×900mm×10mm的试验板，养护完成后从试验板上切割试件进行吸水率、抗弯、抗冲击、抗冻性等力学性能和耐久性能的测试。按照表2中所列的配比，先将胶材、骨料、水、外加剂混合搅拌3～5min，制备成GRC料浆，再将混合均匀的料浆与耐碱玻纤采用喷射工艺喷筑成900mm×900mm×10mm试验板。

表2 GRC试验配合比

1.2.2 分析测试

GRC吸水率性能试件测试尺寸100mm×100mm×10mm，测试方法参照GB/T 15231-2008《玻璃纤维增强水泥性能试验方法》中吸水率的试验步骤[12]进行，吸水率采用饱水状态下的吸水量计算。GRC抗弯破坏强度值（MOR）测试试件为250mm×50mm×10mm，试验方法参考GB/T 15231-2008《玻璃纤维增强水泥性能试验方法》中四点抗弯性能试验步骤进行，加载速度控制在1.5mm/min，匀速加载，直至试件破坏。GRC抗冲击性能测试试件尺寸为120mm×50mm×10mm，测试方法按照GB/T 15231-2008《玻璃纤维增强水泥性能试验方法》中抗冲击强度的测定方法进行，选用适当能量级别的摆锤，使冲断试件所消耗的能量为该摆锤最大能量的20%～80%，试件破坏以后，用游标卡尺测量断裂处的截面尺寸。GRC抗冻性测试试件尺寸采用250mm×50mm×10mm，冻融循环机制如下：-20°C冷冻1h30min，冷冻时间以放入试件后温度重新降至-20°C时开始计时，取出后放入(20±5)°C清水中融化1h，以此为一次冻融循环。本试验以冻融循环50次和100次后观察GRC试件表面是否出现掉角、起层、剥落或龟裂等破坏现象，同时测试冻融前后的质量损失ΔW和强度损失Δf以表征抗冻性优劣，计算方法如下：

式中，W0i-冻融循环前试件的质量（g）；Wni-经N次冻融循环后的试件的质量（g）；ΔWni-经N次冻融循环后的试件的质量损失率（%），精确至0.01。

式中，fb0-冻融循环前试件的抗弯强度测定值，精确至0.1MPa；fbn-经N次冻融循环后的试件的抗弯强度测定值，精确至0.1MPa；Δfb-经N次冻融循环后的试件的抗弯强度损失率（%），精确至0.1。

2 结果与讨论

2.1 吸水率

加入聚合物改性组分AE-OS可以显著降低再生GRC的吸水率，普通再生GRC的吸水率在8%～14%，而本试验经改性处理的再生GRC的吸水率在2%～4%，说明AE-OS组分中的有机硅烷可以起到疏水防水作用，阻断再生GRC内外的水分传输和交换，降低吸水率。其原因在于有机硅烷可以与再生GRC基体中水泥水化产物以及硅烷自身发生反应，亲水基团与自身或水化产物相连，而疏水基团则外伸，从而形成一层防水膜，起到疏水作用。

图2 不同再生骨料掺量的再生GRC吸水率

2.2 力学强度

抗弯强度和抗冲击强度如图3、图4所示，可以看到，随着再生骨料的掺入，再生GRC的抗弯强度呈现降低趋势，再生骨料对再生GRC的抗弯强度起到劣化作用，从23.23MPa降低到16.66MPa，降幅达到40%；而抗冲击强度变化较小，再生骨料的加入对再生GRC的抗冲击强度影响不明显，基本在21～22kJ/m2。

图3 不同再生骨料掺量的再生GRC抗弯强度

图4 不同再生骨料掺量的再生GRC抗冲击强度

2.3 抗冻性能

选取空白组、再生骨料取代40%和80%三组试件进行抗冻性测试，经过50次和100次冻融循环后的质量损失率和抗弯强度损失率如表3所示。通过观察法发现，经过100次冻融循环的再生GRC试件表面没有出现掉角、起层、剥落或龟裂等破坏现象，从质量和强度损失率来看，再生骨料掺量的增大以及冻融循环次数的增加都会增大相应的损失率，即再生GRC性能的降低，但是质量损失率基本在1.5%以内，抗弯强度损失率则在15%以内。