消泡劑在制備再生GRC中的應用研究

王靈秀 張利俊 秦憲明 劉 佳 項斌峰 邱洪華 蔡素燕 趙紫溪

（中國建材檢驗認證集團北京天譽有限公司，北京 100113）

1 前 言

玻璃纖維增強水泥（Glass fiber Reinforced Cement， GRC）是一種高性能水泥基復合材料，它由高彈性模量的玻璃纖維嵌入水泥基體中形成[1]。其充分利用玻璃纖維高強度、高彈模、低拉伸、耐高溫等諸多特性，改善了水泥基材料拉伸強度低、變形小、耐沖擊性能差等缺點，同時大大減小了水泥基體的脆性[2]。目前全世界有40多個國家與地區以不同的規模生產和使用GRC制品，全球GRC制品的年產量約為40萬噸左右[3]。而我國的GRC行業也在日益擴大，年產量已達到40000噸[4]。

另一方面，隨著我國經濟的不斷發展和城鎮化的推進，新型建筑將快速增加，同時建筑垃圾排放量也會越來越大。2015年全國產生的建筑垃圾約35.5億噸，已占到城市垃圾總量的1/3以上。預計到2020年左右，我國建筑垃圾產生量將達到峰值[5]。將建筑垃圾中的廢混凝土制備成再生骨料[6][7]應用于GRC材料中，不僅提高了資源的循環利用率，減少污染，還減少對天然骨料如天然石英砂等資源的開采，降低成本，實現行業的可持續發展[8]。

混凝土制備過程中，由于外加劑的引入，如水泥中的助磨劑、聚羧酸減水劑等使混凝土產品中產生氣泡現象，過多的氣泡直接影響產品的抗壓、抗折等力學性能，進一步影響產品的使用。在攪拌過程中加入適量的消泡劑，可以實現抑制氣泡的產生、破環已產生的氣泡，達到降低含氣量，提高產品性能的作用。

2 實 驗

2.1 原材料

水泥：唐山北極熊建材有限公司生產的R·SAC 52.5快硬硫鋁酸鹽水泥，水泥比表面積為488m2/kg，初凝時間30分鐘，終凝時間為55分鐘，其1d抗折強度為 7.4MPa，抗壓強度為 54.1MPa；3d 抗折強度為8.1MPa，抗壓強度為 60.2MPa。

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，細度模數 2.2，壓碎值為7.6。

廢混凝土骨料：北京元泰達環保建材科技有限責任公司提供的廢混凝土再生骨料，主要為拆除的舊建筑物形成的建筑垃圾經過分揀、破碎、篩分、清洗后加工所得。為滿足建筑外墻板GRC試樣厚度為10mm的要求，本實驗采用廢混凝土顆粒粒徑范圍為0.075～3mm， 含泥量小于1%，堆積密度1.79g/cm3，細度模數3.0，壓碎值為18.9。

聚羧酸減水劑：北京中研益工程技術開發中心有限公司生產，減水率31.9%，含固量18.3%，密度1.05g/cm3，PH 值 6.3。

聚合物乳液：北京東聯北方化工有限公司生產，BA-209型丙烯酸酯共聚乳液，乳白色，固含量47.0%，粘度20mPa·s，PH 值 9.1。

消泡劑：試驗所用消泡劑為德國AGITAN P803粉末消泡劑，呈白色粉體狀，有效成分含量66.78%，PH值7.19。

玻璃纖維：湖北匯爾杰新材料科技股份有限公司生產，ARC15-2400L型耐堿玻璃纖維無捻粗紗，其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，含水率0.07%，密度為2.48g/cm3，彈性模量為63～70GPa。水：試驗所用拌合水為自來水。

2.2 試驗方案

本文主要研究消泡劑在再生GRC中的應用性能，主要包括消泡劑摻量對制備再生GRC的水泥砂漿流動度、含氣量的影響；對比有無消泡劑摻加的情況下，不同替代摻量（廢混凝土再生骨料替代天然石英砂）制備的GRC抗壓、抗彎、抗折強度變化規律；依據實驗數據分析消泡劑的作用機理。

2.2.1 消泡劑摻量對制備再生GRC的水泥砂漿流動度、含氣量的影響

實驗利用廢混凝土再生骨料部分替代天然石英砂制備GRC材料，替代摻量為30%。采用1∶1的膠砂比和0.35的水灰比，玻璃纖維的摻量為5.0%左右。研究消泡劑摻量分別為0%、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%時，用于制備GRC的水泥砂漿的流動度和含氣量的變化情況，并測試相應試塊的7d抗壓強度，確定消泡劑的最佳摻量。具體試驗配比如表1所示，表中編號P803-0.1中的P803表示選用的消泡劑類型，數字0.1表示消泡劑摻加比例為0.1%。

表1 不同消泡劑摻量下再生GRC試驗配比

2.2.2 摻加消泡劑對再生GRC材料力學性能的影響

實驗主要研究廢混凝土再生骨料部分替代天然石英砂制備GRC材料，比較是否摻加消泡劑的兩種情況，每種替代摻量的GRC的抗壓、抗彎、抗沖擊強度的變化情況。實驗中替代摻量分別為0%、15%、30%和60%。依據2.2.1的實驗結果，確定消泡劑的摻量為0.2%。具體實驗配比如表2所示，編號列中空白代表未摻加廢混凝土再生骨料，廢混-10中廢混代表摻加了廢混凝土再生骨料，10代表廢混凝土再生骨料部分替代天然石英砂的替代摻量為10%。

2.2.2.1 抗壓強度試驗

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》中要求，根據實驗方案的配比制備30mm×30mm×30mm立方體試件，測試GRC材料的7d抗壓強度。測試設備為無錫建儀儀器機械有限公司生產的TYE-300B型壓力試驗機。

表2 消泡劑對再生GRC強度的影響的試驗配比表

2.2.2.2 抗彎強度試驗

抗彎強度試驗參照GB/T 15231-2008 《玻璃纖維增強水泥性能試驗方法》中要求，從預制噴射試驗板上切割出250mm×50mm×10mm尺寸的試件，測試加載速度控制為4mm/min。測試設備為WD4100型電子式萬能試驗機（中國科學院長春科新試驗儀器研究所研制），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）。

2.2.2.3 抗沖擊強度試驗

抗沖擊強度試驗參照GB/T 15231-2008《玻璃纖維增強水泥性能試驗方法》中要求，從預制噴射試驗板上切割出120mm×50mm×10mm尺寸的試件，測試用擺錘能量級別為0-25J，試件破壞以后，用游標卡尺測量斷裂處的截面尺寸。測試設備為河北承德建德檢測儀器有限公司生產的XJS-50沖擊試驗機。

3 結果與討論

3.1 消泡劑摻量對制備再生GRC的水泥砂漿流動度、含氣量的影響

表3 制備再生GRC的水泥砂漿消泡試驗結果

由表3可知，制備再生GRC過程中，消泡劑摻量對水泥砂漿的流動度影響不大，但對其含氣量影響很大，不摻加消泡劑的空白砂漿含氣量為9.2%，而加入消泡劑后含氣量明顯降低，其中消泡劑摻量為0.2%時，含氣量降到最低為5.0%。此外對不同摻量消泡劑的砂漿試樣做抗壓強度測試，測試結果顯示，加入消泡劑后，試樣7天抗壓強度明顯提升，在消泡劑摻量為0.2%時，含氣量為5.0%，試塊抗壓強度達到最大，為47.8MPa。主要原因為加入消泡劑后，砂漿含氣量下降，砂漿內部孔洞數量減少，孔徑得到優化，使試樣力學性能得到提高。

圖1 消泡劑摻量對水泥砂漿含氣量及GRC試件抗壓強度的影響

3.2 消泡劑對再生GRC材料力學性能的影響

圖2、圖3、圖4分別表示消泡劑對再生GRC材料7天抗壓強度、抗彎強度和抗沖擊強度的影響變化柱圖，圖中橫坐標代表廢混凝土再生骨料替代天然石英砂的替代摻量，縱坐標分別代表再生GRC材料抗壓強度、抗彎強度和抗沖擊強度值。

圖2 消泡劑對GRC試件抗壓強度的影響

從圖中可以看出：與空白試樣（廢混凝土的替代摻量為0%）相比，廢混凝土替代摻量低于30%，再生GRC的7天抗壓強度、抗彎強度和抗沖擊強度值接近空白樣強度值。廢混凝土替代摻量超過30%，三個強度值明顯下降。這是因為廢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，所以結合界面強度較大，少量替代摻加廢混凝土對GRC強度影響不大。但當廢混凝土替代摻加過多，廢混凝土顆粒本身的強度較天然石英砂低，所以出現強度下降的現象。另一方面，比較每一組摻加消泡劑和未摻加消泡劑的GRC強度值，可以看出摻加消泡劑的GRC強度值均明顯比未摻加消泡劑的試件強度值高，表5所示摻加消泡劑后GRC抗壓強度最高可比未摻加增加9.93%，抗彎強度最高增加15.19%，抗彎強度最高增加12.20%。圖2中當廢混凝土替代天然石英砂的比例達到30%時，摻加消泡劑的試件含氣量為4.3%，抗壓強度達到最高為54.1MPa。圖3和圖4中也分別為當廢混凝土替代天然石英砂的比例達到30%時，摻加消泡劑的試件抗彎強度和抗沖擊強度值達到最大，分別為21.7 MPa和31.3KJ/m2。

圖3 消泡劑對GRC試件抗彎強度的影響

圖4 消泡劑對GRC試件抗沖擊強度的影響

表4 摻加消泡劑對再生GRC材料力學性能的影響結果

消泡劑是一種表面活性劑，可降低液相的表面張力，潤濕角減小到一定的程度時，氣泡即脫離固體表面的吸附而逸出或破沒[9]。氣泡在從內部往表面上升時，當兩個氣泡相互接近時，消泡劑分子末端相結合，使多數的小氣泡聚結成少數的較大氣泡，穩定的小氣泡變成了不穩定的大氣泡，氣泡體積變大，其上升速度加快，則脫泡速度加快，消泡效果也越好。消泡劑加入到水泥砂漿中，通過脫泡和消泡過程使其含氣量降低，內部有害孔隙減少，材料抗壓強度、抗彎強度和抗沖擊強度等力學性能明顯增加[9]。

4 結 論

本文研究了廢混凝土再生骨料部分替代天然石英砂制備GRC材料過程中，利用消泡劑控制水泥砂漿的含氣量、流動度。對比了廢混凝土再生骨料部分替代天然石英砂，不同替代摻量下，是否摻加消泡劑，再生GRC材料抗壓強度、抗彎強度和抗沖擊強度的變化情況。研究結論如下：

1）不同摻量的消泡劑摻加到制備再生GRC的水泥砂漿中，對砂漿流動度的影響不大，但對含氣量影響較為明顯，其中消泡劑摻量為0.2%時，含氣量降到最低為5.0%，較空白樣砂漿含氣量9.2%下降了4.2%。相應的砂漿試樣抗壓強度達到最高為47.8MPa。

2）廢混凝土再生骨料部分替代天然石英砂制備GRC，對比不同替代摻量下在消泡劑對GRC抗壓強度、抗彎強度和抗沖擊強度的影響程度。摻加消泡劑的GRC試件抗壓、抗彎和抗沖擊強度值均明顯高于未摻加消泡劑的試件，其中替代摻量為30%時，GRC試件的抗壓、抗彎和抗沖擊強度值達到最大，分別為54.1MPa、21.7 MPa 和 31.3KJ/m2。