建筑固廢對GRC性能影響研究

項斌峰 張利俊 秦憲明 王靈秀 劉佳 趙蔚慈 邱洪華 蔡素燕

（中國建材檢驗認證集團北京天譽有限公司，北京 100113）

0 前 言

隨著我國城市建設步伐的加快，大量舊有建筑物被拆除產(chǎn)生了大量的建筑垃圾。目前，我國建筑垃圾的數(shù)量已占到城市垃圾總量的 80%～90%[1]。我國建筑垃圾2014年度產(chǎn)生量超過15億噸，而這個數(shù)字還在隨著城鎮(zhèn)化步伐加快而逐年遞增，預計到2020年左右，我國建筑垃圾產(chǎn)生量將達到峰值[2]。同時我國的建筑資源化率不足10%，遠低于發(fā)達國家。

玻璃纖維增強水泥（Glass fiber Reinforced Cement， GRC）是一種以耐堿玻璃纖維為增強材料、水泥砂漿為基體材料的纖維混凝土復合材料[3]。GRC產(chǎn)品也以其輕質(zhì)高強、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[4][5][6]而成為裝配式建筑墻體材料的重點選擇品種之一，在裝配式建筑、盒子房、新農(nóng)村房屋建設、城市景觀建筑[7]中起了其它產(chǎn)品無法替代的作用。但是，GRC的制備普遍采用特種水泥和優(yōu)質(zhì)的天然石英砂，成本較高，而石英砂的開采對環(huán)境破壞比較嚴重，所以，原材料的獲取成為主要的制約因素。

如果將建筑固廢制備成再生骨料[8][9]應用于GRC中，不僅可以解決建筑垃圾污染和占用的問題，還可以節(jié)約天然骨料資源，降低成本，復合可持續(xù)發(fā)展的理念。目前將建筑固廢應用于GRC材料的研究較少，同時并未對GRC制品的重要力學性能如抗彎強度、抗沖擊強度等性能進行研究[10][11][12]。本文通過將建筑固廢取代部分天然石英砂，制備出了滿足標準要求的GRC材料，不僅可以應用于裝配式住宅外墻板的生產(chǎn)，還可以提高建筑固廢使用率，同時本文還探討了建筑固廢對GRC性能的影響規(guī)律，為GRC材料的進一步推廣使用提供理論基礎。

1 實 驗

1.1 原材料

1.1.1 水泥

試驗所用水泥為唐山北極熊建材有限公司生產(chǎn)的R·SAC 52.5快硬硫鋁酸鹽水泥，水泥的化學組成成分見表1，物理力學性能見表2。

1.1.2 天然石英砂與建筑固廢

表1 快硬硫鋁酸鹽水泥化學成分分析

表2 快硬硫鋁酸鹽水泥物理力學性能

試驗所用砂為天然石英砂，顆粒粒徑不大于2mm，堆積密度 1.52g/cm3，細度模數(shù) 2.2，壓碎值為 7.6%。建筑固廢采用廢混凝土、鐵尾礦、廢磚三種混合用來模擬實際中的建筑垃圾，其中廢混凝土和廢磚為拆除的舊建筑物形成的建筑垃圾經(jīng)過分揀、破碎、篩分、清洗后加工得到粒徑范圍為0.075～3mm的顆粒，尾礦為鐵礦石經(jīng)過選礦后留下的廢棄物，經(jīng)加工也制備成粒徑小于3mm的顆粒。廢混凝土顆粒堆積密度1.55g/cm3，細度模數(shù)2.8，壓碎值為31.8%；廢尾礦顆粒的堆積密度1.78g/cm3，細度模數(shù)2.6，壓碎值為26.4%；廢磚顆粒對的堆積密度1.29g/cm3，細度模數(shù) 2.8，壓碎值為 30.1%。

1.1.3 外加劑

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

2）RT：緩凝組分，酒石酸，C4H6O6，白色結(jié)晶粉末，密度 1.697g/cm3，水溶解度 20.6%。

1.1.4 玻璃纖維

試驗所用玻璃纖維為耐堿玻璃纖維無捻粗紗，ZrO2含量為14.61%，ZrO2+TiO2含量為19.35%，單絲直徑15μm，線密度2568tex，斷裂強度0.28N/tex，彈性模量為 63～70GPa。

1.1.5 水

試驗所用拌合水為自來水

1.2 試驗方法

1.2.1 試樣制作

試驗采用直接噴射工藝成型一塊900mm×900mm×10mm的實驗板，養(yǎng)護完成后從實驗板上切割試件進行體積密度，含水率，吸水率等物理性能測試以及抗壓、抗沖擊、抗彎等力學性能和抗凍性能的測試。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，同時將連續(xù)的的玻璃纖維無捻粗紗經(jīng)玻纖切割機切割成一定長度的短纖維與霧化的料漿一同噴射到模板上成型，反復噴射直至纖維水泥混合料達到所需厚度，將試件表面輥壓密實后覆膜標養(yǎng)至指定齡期測試。

1.2.2 試驗方案

利用建筑固廢混合物替代GRC中的部分的天然石英砂，取代摻量分別為0%、21%、41%、51%。其中21%組又根據(jù)廢混凝土和廢尾礦的比例分為21%-1（1:3）、21%-2（1:1）和 21%-3（3:1）三組，其余摻量廢混凝土和廢尾礦的比例均為1:1，廢磚摻量均為1%，采用1:1的膠砂比和0.35的水灰比，加入PED增稠組分以優(yōu)化GRC性能，通過前期摸索確定玻璃纖維的摻量控制在5%左右，新拌制的GRC料漿流動度控制在330mm左右以滿足噴射GRC工藝的漿體流動度要求。具體試驗配比如表3所示，F(xiàn)H代表建筑固廢混合物，BS代表空白對比樣品。

1.2.3 抗壓強度試驗

參照GB/T 15231-2008《玻璃纖維增強水泥性能試驗方法》中抗壓強度測試試件尺寸的要求，根據(jù)實驗方案的配比制備30mm×30mm×30mm的標準立方體試件用于GRC材料的7d抗壓強度測試，抗壓強度采用無錫建儀儀器機械有限公司生產(chǎn)的TYE-300B型壓力試驗機測試。

1.2.4 抗彎強度試驗

采用中國科學院長春科新試驗儀器研究所研制的WD4100型電子式萬能試驗機測定GRC材料的抗彎破壞強度值（MOR）和抗彎比例極限強度值（LOP）。試件為從試驗板上切割出250mm×50mm×10mm尺寸的噴射成型試件，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。

1.2.5 抗沖擊強度試驗

抗沖擊性能測試按照GB/T 15231-2008《玻璃纖維增強水泥性能試驗方法》中抗沖擊強度的測定方法進行。試件測試尺寸為120mm×50mm×10mm，沖擊試驗采用河北承德建德檢測儀器有限公司生產(chǎn)的XJS-50沖擊試驗機進行，試件破壞以后，用游標卡尺測量斷裂處的截面尺寸。

1.2.6 物理性能試驗

將噴射成型的試驗板切割出100mm×100mm×10mm的正方形板用于GRC材料體積密度，含水率，吸水率測試，物理性能測試方法參照GB/T 15231-2008《玻璃纖維增強水泥性能試驗方法》中體積密度、含水率和吸水率的實驗步驟進行。

1.2.7 抗凍性試驗

抗凍性試驗參照GB/T7019-2014《纖維水泥制品試驗方法》中的抗凍性試驗進行。先將試件至于室溫清水中24h，放置于低溫試驗箱中，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，以此為一次凍融循環(huán)。本試驗采用凍融循環(huán)25次后觀察GRC材料抗凍性，并測試凍融前后的質(zhì)量損失以此表征抗凍性優(yōu)劣。

2 結(jié)果與討論

表3 再生GRC試驗配比

2.1 體積密度、含水率和吸水率

再生GRC的物理性能如表4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1.8%～2.4%之間，吸水率在2.6%～3.5%之間，滿足JC/T1057-2007《玻璃纖維增強水泥矮墻板》和JC/T940-2004《玻璃纖維增強水泥（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4 再生GRC的體積密度、含水率和吸水率

2.2 抗壓強度

圖1所示的為再生GRC材料的抗壓強度隨建筑固廢替代摻量增加的變化柱圖。從圖中可以看出：再生GRC的7天抗壓強度隨FH取代摻量的增加呈降低趨勢，當FH的總?cè)〈浚?1%）不變時，廢混凝土和廢尾礦的含量一致時，抗壓強度達到峰值，而后強度值隨著FH摻量的增加而降低。

圖1 建筑固廢對GRC抗壓強度的影響

2.3 抗彎強度

再生GRC的抗彎強度包括兩個性能指標，分別為抗彎比例極限強度值（LOP）和抗彎破壞強度值（MOR）已經(jīng)相應的單塊最小值。圖2和圖3分別代表MOR、LOP對應建筑固廢（FH）替代摻量增加的變化柱圖。再生GRC的7天MOR/LOP隨FH取代摻量的增加呈現(xiàn)降低的趨勢。其中21%FH-2取代摻量制備的再生GRC的彎極限強度/抗彎比例極限強度達到最高，而后隨著摻量的增加而逐漸降低。

2.4 抗沖擊強度

圖4所示的為再生GRC材料的抗沖擊強度隨FH替代摻量增加的變化柱圖。再生GRC的7天抗沖擊強度與彎極限強度/抗彎比例極限強度的變化趨勢一致，呈現(xiàn)逐漸降低的變化，當FH的取代摻量為21%，廢混凝土和廢尾礦含量相同是達到峰值，再生GRC的抗沖擊強度可達30KJ/m2左右，遠超過了標準的指標。

圖2 建筑固廢對GRC抗彎極限強度的影響

圖3 建筑固廢對GRC抗彎比例極限強度的影響

圖4 建筑固廢對再生GRC抗沖擊強度的影響

2.5 抗凍性能

再生GRC試件經(jīng)過25次凍融循環(huán)后，所有GRC試件均沒有發(fā)現(xiàn)掉角、起層、剝落或龜裂現(xiàn)象。通過測量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，可以發(fā)現(xiàn)再生GRC板材的抗凍質(zhì)量損失均在0.2%以下，且再生GRC的質(zhì)量損失隨FH摻量的增加而增加。此試驗說明FH的摻入對再生GRC的抗凍性起到了劣化作用，但是所有的試樣均為發(fā)現(xiàn)凍融破壞現(xiàn)象，說明摻入建筑固廢取代骨料在抗凍方面可行。

圖5 凍融循環(huán)后再生GRC的質(zhì)量損失率

2.6 結(jié)果討論

從以上物理性能和力學性能試驗可以看出，建筑固廢可以作為替代天然石英砂的骨料用于制備GRC材料。同時再生GRC的抗壓、抗彎、抗沖擊強度隨FH中廢混凝土的含量增加而都呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，這是因為廢混凝土再生骨料的表面形貌與顆粒強度共同作用，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一定的促強作用，當FH取代率增高，廢混凝土和廢尾礦、廢磚顆粒本身的強度較天然石英砂低，所以出現(xiàn)強度下降的現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

本文研究了建筑固廢取代部分天然石英砂用于GRC的制備和建筑固廢取代率對再生GRC物理和力學性能的影響。所得結(jié)果如下：

1）采用噴射成型工藝，當建筑固廢取代率達到21%，廢混凝土和廢尾礦含量相同時，再生GRC的力學性能達到最優(yōu)，而后隨著摻量的增加力學性能逐漸降低。

2）建筑固廢取代天然石英砂對GRC的物理性能影響不大。

3）25次凍融循環(huán)后摻加建筑固廢的再生GRC沒有發(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0.2%以下。