廢混凝土制備GRC的研究

項(xiàng)斌峰 張利俊 王靈秀 秦憲明 蔡素燕 邱洪華 李 維

（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 100113）

0 前 言

玻璃纖維增強(qiáng)水泥（Glass fiber Reinforced Cement， GRC）是一種由高彈性模量玻璃纖維嵌入水泥基體中而形成的高性能水泥基復(fù)合材料[1]。GRC制品通過(guò)水泥基體中嵌入的玻璃纖維傳遞外加荷載，充分利用玻璃纖維高強(qiáng)度、高彈模、耐高溫等諸多特性，改善了水泥基材料拉伸強(qiáng)度低、變形小、耐沖擊性能差等缺點(diǎn)，有效減小了水泥基體的脆性。早在20世紀(jì)40年代玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的發(fā)展初期，人們就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到使用玻璃纖維來(lái)增強(qiáng)水泥基材料的可能性[2]。20世紀(jì)70年代，中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院自主研發(fā)了抗堿玻璃纖維和低堿度硫鋁酸鹽水泥這兩種產(chǎn)品[3]，將他們復(fù)合制成抗堿玻璃纖維增強(qiáng)低堿度硫鋁酸鹽水泥具有優(yōu)異的長(zhǎng)期耐久性[4]。

目前全世界有40多個(gè)國(guó)家與地區(qū)以不同的規(guī)模生產(chǎn)和使用GRC制品，全球GRC制品的年產(chǎn)量約為40萬(wàn)噸左右[5]。而我國(guó)的GRC行業(yè)也在日益擴(kuò)大，年產(chǎn)量已達(dá)到40000噸[6]。同時(shí)GRC產(chǎn)品也以其輕質(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)[7][8][9]而成為裝配式建筑墻體材料的重點(diǎn)選擇品種之一，在裝配式建筑、盒子房、新農(nóng)村房屋建設(shè)、城市景觀建筑[10]中起了其它產(chǎn)品無(wú)法替代的作用。但是，目前GRC類(lèi)產(chǎn)品普遍采用特種水泥和優(yōu)質(zhì)的天然石英砂，成本較高，而石英砂的開(kāi)采對(duì)環(huán)境破壞比較嚴(yán)重，所以，原材料的獲取成為制約企業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要因素。

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的建設(shè)，新型建筑將快速增加，而建筑垃圾排放量也會(huì)越來(lái)越大。2015年全國(guó)產(chǎn)生的建筑垃圾約35.5億噸，預(yù)計(jì)到2020年左右，我國(guó)建筑垃圾產(chǎn)生量將達(dá)到峰值[11]。目前我國(guó)的建筑垃圾大多以填埋或堆放處置為主，資源利用化率不足10%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家的水平。大量建筑垃圾的堆放和填埋嚴(yán)重破壞了環(huán)境。廢混凝土作為建筑垃圾中的主要組分，除了堆放填埋處理以外，還可以制備成再生骨料[12][13]應(yīng)用于水泥基材料中，不僅提高了循環(huán)利用率，減少污染，還減少對(duì)天然骨料資源的開(kāi)采[14]。將廢棄混凝土再生骨料應(yīng)用于GRC中便可以節(jié)約部分石英砂資源，降低成本，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。

將廢混凝土應(yīng)用與GRC材料的研究較少，同時(shí)并未對(duì)GRC制品的重要力學(xué)性能如抗彎強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度等性能進(jìn)行研究[15][16]。本文通過(guò)將廢舊混凝土取代部分天然石英砂，制備出了具有優(yōu)異性能的高品質(zhì)再生GRC材料，不僅可以應(yīng)用于裝配式住宅外墻板的生產(chǎn)，還可以使用廢混凝土建筑垃圾，提高建筑固廢使用率，降低非可再生資源消耗，同時(shí)探討了廢混凝土取代天然石英砂對(duì)GRC力學(xué)性能的影響，為高品質(zhì)再生GRC材料進(jìn)的一步推廣使用提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1 水泥

試驗(yàn)所用水泥為R·SAC 52.5快硬硫鋁酸鹽水泥，水泥比表面積為488m2/kg，初凝時(shí)間30分鐘，終凝時(shí)間為55分鐘，其1d抗折強(qiáng)度為7.4MPa，抗壓強(qiáng)度為 54.1MPa；3d 抗折強(qiáng)度為 8.1MPa，抗壓強(qiáng)度為60.2MPa。R·SAC 52.5快硬硫鋁酸鹽水泥的化學(xué)組成成分見(jiàn)表1。

1.1.2 天然石英砂與廢混凝土

試驗(yàn)所用砂為天然石英砂，顆粒粒徑不大于2mm，含泥量為0.2%，堆積密度1.52g/cm3，細(xì)度模數(shù)2.2，壓碎值為7.6。廢混凝土主要為拆除的舊建筑物形成的建筑垃圾經(jīng)過(guò)分揀、破碎、篩分、清洗后加工所得的廢混凝土顆粒，本實(shí)驗(yàn)采用粒徑范圍為0.075～3mm的廢混凝土顆粒作為骨料替代石英砂制備GRC外墻板，廢混凝土含泥量為1%，堆積密度1.79g/cm3，細(xì)度模數(shù)3.0，壓碎值為18.9。

1.1.3 外加劑

SP：減水組分，減水率31.9%，含固量18.3%，密度 1.05g/cm3，PH 值 6.3。

1.1.4 玻璃纖維

試驗(yàn)所用玻璃纖維為耐堿玻璃纖維無(wú)捻粗紗，其ZrO2含量為14.61%，單絲直徑15μm，線(xiàn)密度2568tex，斷裂強(qiáng)度 0.28N/tex，含水率 0.07%，密度為 2.48g/cm3，彈性模量為63～70GPa。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試樣制作

試驗(yàn)采用直接噴射工藝成型一塊900mm×900mm×10mm的實(shí)驗(yàn)板，養(yǎng)護(hù)完成后從實(shí)驗(yàn)板上切割試件進(jìn)行體積密度，含水率，吸水率等物理性能測(cè)試以及抗彎、抗沖擊、抗凍性等力學(xué)性能和耐久性能的測(cè)試。噴射工藝原理如下：利用噴射槍將混合均勻的料漿霧化噴出，同時(shí)將連續(xù)的的玻璃纖維無(wú)捻粗紗經(jīng)玻纖切割機(jī)切割成一定長(zhǎng)度的短纖維與霧化的料漿一同噴射到模板上成型，反復(fù)噴射直至纖維水泥混合料達(dá)到所需厚度，將試件表面輥壓密實(shí)后覆膜標(biāo)養(yǎng)至指定齡期測(cè)試。

1.2.2 試驗(yàn)方案

利用廢混凝土替代GRC中的部分的天然石英砂，取代摻量分別為0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%。采用1∶1的膠砂比和0.35的水灰比，通過(guò)前期摸索確定玻璃纖維的摻量控制在5%左右，新拌制的GRC料漿流動(dòng)度控制在330mm左右以滿(mǎn)足噴射GRC工藝的漿體流動(dòng)度要求。具體試驗(yàn)配比如表2所示，表中FT代表廢混凝土再生骨料，BS代表空白對(duì)比樣品。

1.2.3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

參照GB/T 15231-2008《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法》中抗壓強(qiáng)度測(cè)試試件尺寸的要求，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案的配比制備30mm×30mm×30mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件用于GRC材料的7d抗壓強(qiáng)度測(cè)試，抗壓強(qiáng)度采用無(wú)錫建儀儀器機(jī)械有限公司生產(chǎn)的TYE-300B型壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試。

1.2.4 抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)

采用中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春科新試驗(yàn)儀器研究所研制的WD4100型電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定GRC材料的抗彎破壞強(qiáng)度值（MOR）和抗彎比例極限強(qiáng)度值（LOP）?？箯澰嚰?50mm×50mm×10mm尺寸的噴射成型試件，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》中抗彎性能試驗(yàn)步驟進(jìn)行。

1.2.5 抗沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)

抗沖擊性能測(cè)試按照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(cè)定方法進(jìn)行。試件測(cè)試尺寸為120mm×50mm×10mm，沖擊試驗(yàn)采用河北承德建德檢測(cè)儀器有限公司生產(chǎn)的XJS-50沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，試件破壞以后，用游標(biāo)卡尺測(cè)量斷裂處的截面尺寸。

1.2.6 物理性能試驗(yàn)

將噴射成型的試驗(yàn)板切割出100mm×100mm×10mm的正方形板用于GRC材料體積密度，含水率，吸水率測(cè)試，物理性能測(cè)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》中體積密度、含水率和吸水率的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行。

1.2.7 抗凍性試驗(yàn)

抗凍性試驗(yàn)參照GB/T7019-2014《纖維水泥制品試驗(yàn)方法》中的抗凍性試驗(yàn)進(jìn)行。先將試件至于室溫清水中24h，再放置于低溫試驗(yàn)箱中，在-20℃冷凍1h30min，冷凍時(shí)間以放入試件后溫度重新降至-20℃時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，取出后放入（20±5）℃的清水中融化1h，以此為一次凍融循環(huán)。本試驗(yàn)采用凍融循環(huán)25次后觀察GRC材料抗凍性，并測(cè)試凍融前后的質(zhì)量損失以此表征抗凍性?xún)?yōu)劣。

2 結(jié)果與討論

2.1 體積密度、含水率和吸水率

再生GRC的物理性能如表3所示，從表中可以發(fā)現(xiàn)再生GRC的體積密度基本為2.1 g/cm3，含水率在3.5%～4.1%之間，吸水率在3.6%～4.8%之間，滿(mǎn)足JC/T1057-2007《玻璃纖維增強(qiáng)水泥矮墻板》和JC/T940-2004《玻璃纖維增強(qiáng)水泥（GRC）裝飾制品》中關(guān)于物理性能的要求，即體積密度≥1.8 g/cm3，吸水率≤14%。

表2 再生GRC試驗(yàn)配比

表3 再生GRC的體積密度、含水率和吸水率

2.2 抗壓強(qiáng)度

圖1所示的為再生GRC材料的抗壓強(qiáng)度隨廢混凝土替代摻量增加的變化柱圖。從圖中可以看出：再生GRC的7天抗壓強(qiáng)度隨廢混凝土取代摻量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng)FT的取代摻量達(dá)到30%，抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值。這是因?yàn)閺U混凝土顆粒的表面粗糙多孔，其粗糙表面更容易與水泥砂漿黏結(jié)，所以結(jié)合界面強(qiáng)度較大，同時(shí)由于粗糙多孔，吸水性較強(qiáng)，可以降低體系的水灰比，強(qiáng)度會(huì)有所提升。當(dāng)廢混凝土摻入過(guò)多，廢混凝土顆粒本身的強(qiáng)度較天然石英砂低，所以出現(xiàn)強(qiáng)度下降的現(xiàn)象。

圖1 廢混凝土取代率對(duì)GRC抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 抗彎強(qiáng)度

再生GRC的抗彎強(qiáng)度包括兩個(gè)性能指標(biāo)，分別為抗彎比例極限強(qiáng)度值（LOP）和抗彎破壞強(qiáng)度值（MOR）已經(jīng)相應(yīng)的單塊最小值。圖2和圖3分別代表MOR、LOP對(duì)應(yīng)廢混凝土再生骨料（FT）替代摻量增加的變化柱圖。再生GRC的7天MOR/LOP隨FT取代摻量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。其中30%FT取代摻量制備的再生GRC的彎極限強(qiáng)度/抗彎比例極限強(qiáng)度達(dá)到最高，而后隨摻量的增加而逐漸降低。

2.4 抗沖擊強(qiáng)度

圖4所示的為再生GRC材料的抗沖擊強(qiáng)度隨廢混凝土替代摻量增加的變化柱圖。再生GRC的7天抗沖擊強(qiáng)度與彎極限強(qiáng)度/抗彎比例極限強(qiáng)度的變化趨勢(shì)一致，呈現(xiàn)先增加后降低的變化，當(dāng)FT的取代摻量增加到30%，再生GRC的抗沖擊強(qiáng)度均達(dá)到了30KJ/m2以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)。

圖2 廢混凝土取代率對(duì)GRC抗彎極限強(qiáng)度的影響

圖3 廢混凝土取代摻量對(duì)再生GRC抗彎比例極限強(qiáng)度的影響

圖4 廢混凝土取代摻量對(duì)再生GRC抗沖擊強(qiáng)度的影響

2.5 抗凍性能

再生GRC試件經(jīng)過(guò)25次凍融循環(huán)后，所有GRC試件均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)掉角、起層、剝落或龜裂現(xiàn)象。通過(guò)測(cè)量25次凍融循環(huán)之前與之后的質(zhì)量變化，可以得到再生GRC板材不同建筑固廢摻量的質(zhì)量損失如圖5所示，發(fā)現(xiàn)再生GRC板材的抗凍質(zhì)量損失均在0.3%以下，且再生GRC的質(zhì)量損失隨廢混凝土摻量的增加而增加。此試驗(yàn)說(shuō)明廢混凝土的摻入對(duì)再生GRC的抗凍性起到了微小的劣化的作用，但是所有的試樣均為發(fā)現(xiàn)凍融破壞現(xiàn)象，說(shuō)明摻入廢混凝土取代骨料在抗凍方面完全可行。

2.6 結(jié)果討論

從以上物理性能和力學(xué)性能試驗(yàn)可以看出，廢混凝土可以作為替代天然石英砂的骨料用于制備再生GRC材料。同時(shí)再生GRC的抗壓、抗彎、抗沖擊強(qiáng)度隨廢混凝土的取代率提高都呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，這是因?yàn)閺U混凝土的表面形貌與顆粒強(qiáng)度共同作用，前者由于表面粗糙多孔，可以吸附體系水分與水泥料漿從而起到促?gòu)?qiáng)的作用，后者因?yàn)閺U混凝土的顆粒強(qiáng)度不如天然石英砂，所以廢混凝土摻量超過(guò)30%就出現(xiàn)了強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。

圖5 凍融循環(huán)后再生GRC的質(zhì)量損失率

3 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了廢混凝土取代部分天然石英砂用于制備再生高品質(zhì)GRC的制備和骨料取代率對(duì)再生GRC物理和力學(xué)性能的影響。所得結(jié)果如下：

1）采用噴射成型工藝，當(dāng)廢混凝土取代率達(dá)到30%時(shí)，再生GRC的力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)，而后隨著摻量的增加力學(xué)性能逐漸降低。

2）廢混凝土取代天然石英砂制備再生GRC的物理性能滿(mǎn)足GRC標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于體積密度和吸水率的要求，可以用于制備再生高品質(zhì)GRC外墻板或裝飾板。

3）25次凍融循環(huán)后摻加廢混凝土的再生GRC沒(méi)有發(fā)現(xiàn)凍融破壞現(xiàn)象，且再生GRC板材的抗凍質(zhì)量損失均在0.25%以下。