聚合物乳液對再生GRC材料的影響研究

劉 佳 張利俊 秦憲明 王靈秀 項(xiàng)斌峰 邱洪華 蔡素燕

（中國建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)北京天譽(yù)有限公司，北京 100008）

0 前言

玻璃纖維增強(qiáng)水泥（GRC）是一種以耐堿玻璃纖維為增強(qiáng)材料、水泥砂漿為基體材料的纖維混凝土復(fù)合材料，其材料組成主要包括水泥、石英砂、纖維、聚合物、外加劑及其他材料。GRC由于質(zhì)輕、抗?jié)B、耐久性、高韌性、裝飾性、異性構(gòu)件等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑工程、市政工程、農(nóng)業(yè)工程、水利工程和園林工程等許多領(lǐng)域。但GRC的制備中會消耗大量的天然資源——石英砂。石英砂的開采對環(huán)境破壞嚴(yán)重，鑒于此，京津冀地區(qū)已經(jīng)限制開山炸石的行為。石英砂原材料的獲取成為制約GRC企業(yè)發(fā)展的一個重要因素。而目前市場天然砂石市價約400～500元/噸，再生骨料約50元/噸。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各行業(yè)對天然砂資源不斷的消耗，這必將是GRC 制品生產(chǎn)和應(yīng)用行業(yè)必須面對的問題。

另一方面，我國建筑垃圾的比例已占到城市垃圾總量的80%～90%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國建筑垃圾2014年度產(chǎn)生量超過15億t，并隨著城鎮(zhèn)化步伐加快而逐年遞增。因此，未來十幾年將是我國建筑垃圾大量產(chǎn)生的時期。預(yù)計(jì)2020年左右，我國建筑垃圾產(chǎn)生量將達(dá)到峰值。我國建筑垃圾大多以填埋或堆放處置為主，資源化利用率不足10%，遠(yuǎn)低于美國、日本等國家的水平。

鑒于此，本文從建筑垃圾資源化入手，研究廢混凝土取代率和乳液固含量對再生GRC試件的力學(xué)性能和耐久性能的影響，并與普通GRC試件的相關(guān)性能進(jìn)行對比，以此利用廢混凝土替代GRC中天然石英砂制備出高品質(zhì)的再生GRC板材。不僅拓寬了GRC產(chǎn)品原材料的來源，降低了GRC產(chǎn)品的整體成本，而且為建筑垃圾資源化提供了一種新的應(yīng)用途徑，引領(lǐng)建筑固廢資源化向高品質(zhì)建材領(lǐng)域的發(fā)展。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 廢混凝土骨料

廢混凝土骨料為北京元泰達(dá)環(huán)保建材科技有限責(zé)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(jīng)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(shí)驗(yàn)采用粒徑范圍為0.075～3mm的廢混凝土顆粒作為再生細(xì)骨料替代石英砂制備GRC外墻板，廢混凝土再生骨料含泥量為1.1%，堆積密度1.79g/cm3，細(xì)度模數(shù)3.0，壓碎值為 18.9。

1.2 天然石英砂

試驗(yàn)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。

1.3 水泥

試驗(yàn)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，比表面積為488m2/kg。快硬硫鋁酸鹽水泥化學(xué)成分分析如表1所示。

表1 快硬硫鋁酸鹽水泥化學(xué)成分分析（%）

1.4 玻璃纖維

試驗(yàn)用玻璃纖維為湖北匯爾杰新材料科技股份有限公司生產(chǎn)的耐堿玻璃纖維無捻粗紗ARC15-2400L，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(qiáng)度 0.28N/tex，含水率0.07%，密度為 2.48g/cm3，彈性模量為 63～70GPa。

1.5 減水劑

試驗(yàn)用減水劑為北京中研益公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，減水率31.9%，含固量18.3%，密度1.05g/cm3，PH 值 6.3。

1.6 聚合物乳液

試驗(yàn)所用聚合物乳液為北京東聯(lián)北方化工有限公司提供的BA-209丙烯酸酯共聚乳液，乳白色液體，固含量47.0%，粘度 20mPa·s，PH 值 9.1。

1.7 消泡劑

試驗(yàn)所用消泡劑為德國AGITAN P803粉末消泡劑，呈白色粉體狀，活性組分約為65%，密度為0.34g/cm3，PH 值為 7.0。

1.8 水

試驗(yàn)所用拌合水為自來水。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試件制作

1）將水泥、廢混凝土骨料、天然石英砂、減水劑、聚合物乳液、消泡劑和水按配比進(jìn)行攪拌，其中廢混凝土骨料取代天然石英砂的比例分別為0、30%、60%，膠砂比為1∶1，水膠比為0.35， 保持料漿的流動度達(dá)到300mm～330mm之間。

2）采用機(jī)械噴射工藝，將拌好的水泥砂漿和切斷的玻璃纖維束分別用壓縮空氣通過噴咀同時噴出，二者在空氣中會合后噴到模板上，此時纖維呈平面隨機(jī)配向狀態(tài)，這樣可以充分發(fā)揮纖維增強(qiáng)效果。成型尺寸為900mm×900mm×10mm的實(shí)驗(yàn)板，室溫養(yǎng)護(hù)1d后拆模，將拆模后的實(shí)驗(yàn)板放到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱（溫度20±2 ℃，相對濕度95%）中養(yǎng)護(hù)至7d，并切割成滿足測試要求尺寸的試件，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度等力學(xué)性能測試及耐久性能的測試。

2.2 強(qiáng)度試驗(yàn)

1）抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

抗壓強(qiáng)度測試依據(jù)GB/T 15231-2008《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法》的要求，試件尺寸為30mm×30mm×30mm，采用無錫建儀儀器機(jī)械有限公司生產(chǎn)的TYE-300B型壓力試驗(yàn)機(jī)測試。

2）抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)

抗彎強(qiáng)度測試依據(jù)GB/T 15231-2008《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法》的要求，試件尺寸為250mm×50mm×10mm，采用中國科學(xué)院長春科新試驗(yàn)儀器研究所研制的WD4100型電子式萬能試驗(yàn)機(jī)測試。

3）抗沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)

抗沖擊強(qiáng)度測試依據(jù)GB/T 15231-2008《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法》的要求，試件尺寸為120mm×50mm×10mm，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(yàn)機(jī)進(jìn)行測試。

2.3 耐久性試驗(yàn)

抗凍性試驗(yàn)依據(jù)GB/T7019-2014《纖維水泥制品試驗(yàn)方法》的要求，試件尺寸為300mm×200mm×10mm。凍融循環(huán)試驗(yàn)的方法為：①將試件放入水中（溫度：（20±5）℃；時間：24h），②取出的試件再放入低溫試驗(yàn)箱中（溫度：-20℃；冷凍時間：1h30min），③再取出后放入水中融化（溫度：（20±5）℃；時間：1h），如此為一個循環(huán)，共做25個循環(huán)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

3.1 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

在前期的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，本試驗(yàn)具體的配合比如表3所示。從表中可以看出，F(xiàn)T1、FT2、FT3六組試驗(yàn)中廢混凝土取代天然石英砂的比例分別為0、30%、60%，乳液的固含量為3.76%和5.64%兩種摻量，膠砂比為1:1，水膠比為0.35，六組試驗(yàn)的漿體流動度均在318mm-330mm之 間。（FT1A、FT1B為 普 通GRC試 件，F(xiàn)T2A、FT2B、FT3A、FT3B均為再生GRC試件。）

3.2 乳液摻量對再生玻璃纖維增強(qiáng)水泥抗壓強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)配合比見表2所示。兩種乳液固含量的條件下，廢混凝土替代天然石英砂的比例對普通與再生GRC試件抗壓強(qiáng)度的影響如圖1所示。

從圖中可以看出，隨著乳液固含量的增加，普通GRC試件與再生GRC試件的7d抗壓強(qiáng)度均逐漸增大。隨著廢混凝土取代率的增加，再生GRC試件的7d抗壓強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)廢混凝土取代比例達(dá)到30%時，再生GRC試件的7d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)，為53.8MPa（乳液固含量為5.64%），達(dá)到了同條件下普通GRC試件抗壓強(qiáng)度的98.7%。這是因?yàn)閺U混凝土骨料與天然石英砂相比，表面粗糙、多孔、多裂紋、壓碎指標(biāo)較大等特征，尤其是其壓碎指標(biāo)較天然石英砂大，表示其強(qiáng)度較天然砂小，因而當(dāng)取代率增加到60%時，強(qiáng)度出現(xiàn)下降趨勢。此外乳液固含量的增加，總體起到了增稠增韌的效果。

表2 試驗(yàn)配合比

圖1 乳液對普通與再生GRC試件抗壓強(qiáng)度的影響

3.3 乳液摻量對再生玻璃纖維增強(qiáng)水泥抗彎強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)配合比見表3所示。兩種乳液固含量的條件下，廢混凝土替代天然石英砂的比例對普通與再生GRC試件抗彎強(qiáng)度的影響如圖2所示。

圖2 乳液對普通與再生GRC試件抗彎強(qiáng)度的影響

從圖中可以看出，隨著乳液固含量的增加，普通GRC試件與再生GRC試件的7d抗彎強(qiáng)度均逐漸增大。隨著廢混凝土取代率的增加，再生GRC試件的7d抗彎強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)廢混凝土取代比例達(dá)到30%時，再生GRC試件的7d抗彎強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)，為19.2MPa（乳液固含量為5.64%），達(dá)到了同條件下普通GRC試件抗彎強(qiáng)度的97.5%，與抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)的趨勢基本一致。由此可見聚合物乳液的增稠增韌效果比較顯著。

3.4 乳液摻量對再生玻璃纖維增強(qiáng)水泥抗沖擊強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)配合比見表3所示。兩種乳液固含量的條件下，廢混凝土替代天然石英砂的比例對普通與再生GRC試件抗沖擊強(qiáng)度的影響如圖3所示。

從圖中可以看出，隨著乳液固含量的增加，普通GRC試件與再生GRC試件的7d抗沖擊強(qiáng)度均逐漸增大。隨著廢混凝土取代率的增加，再生GRC試件的7d抗沖擊強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)廢混凝土取代比例達(dá)到30%時，再生GRC試件的7d抗沖擊強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)，為30.3KJ/m2（乳液固含量為5.64%），達(dá)到了同條件下普通GRC試件抗沖擊強(qiáng)度的99%，這與抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度呈現(xiàn)的趨勢基本一致。由此可見再生GRC試件的抗沖擊強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了標(biāo)準(zhǔn)中對應(yīng)的力學(xué)指標(biāo)。

圖3 乳液對普通與再生GRC試件抗沖擊強(qiáng)度的影響

3.5 乳液摻量對再生玻璃纖維增強(qiáng)水泥抗凍性的影響

試驗(yàn)配合比見表2所示。兩種乳液固含量的條件下，廢混凝土替代天然石英砂的比例對普通與再生GRC試件抗凍性的影響(圖4)。經(jīng)過25次凍融循環(huán)后的再生GRC試件與未凍融試件的對比圖(圖5)。

圖4 乳液對普通與再生GRC試件抗凍性的影響

圖5 經(jīng)25次凍融循環(huán)前后的再生GRC試件對比圖

從圖4可以看出，隨著乳液固含量的增加，普通GRC試件與再生GRC試件的7d強(qiáng)度損失率均逐漸降低。再生GRC試件的強(qiáng)度損失率均明顯高于普通GRC。隨著廢混凝土取代比例的增大，再生GRC試件的強(qiáng)度損失率逐漸增大；當(dāng)廢混凝土取代比例達(dá)到30%時，再生GRC試件的強(qiáng)度損失率最小。總體來看，再生GRC試件的強(qiáng)度損失率均在低于0.3%。從圖5可以看出，經(jīng)過25次凍融循環(huán)后的再生GRC試件與同齡期未凍融循環(huán)的試件相比，凍融循環(huán)后的所有再生GRC試件均未發(fā)現(xiàn)掉角、起層、剝落或龜裂現(xiàn)象。

由于廢混凝土較天然石英砂具有多孔、多裂紋的特點(diǎn)，在凍融循環(huán)中起到了劣化的作用，但從強(qiáng)度損失率和試件外觀上來看，再生GRC試塊的抗凍性均復(fù)合板材的耐久性要求，用廢混凝土取代天然石英砂制備再生GRC板材在抗凍性方面完全可行。

4 結(jié)論

1）當(dāng)聚合物乳液固含量為5.64%，廢混凝土顆粒替代天然石英砂比例為30%時，再生GRC試件的7d抗壓強(qiáng)度達(dá)到53.8MPa，7d抗彎強(qiáng)度達(dá)到19.2MPa，7d的抗沖擊強(qiáng)度達(dá)到30.3KJ/m2，制備的再生GRC試件的力學(xué)性能均優(yōu)于JC/T940-2004《玻璃纖維增強(qiáng)水泥（GRC）裝飾制品》中一等品的要求。

2）再生GRC試件經(jīng)過25次凍融循環(huán)后，均未發(fā)現(xiàn)掉角、起層、剝落或龜裂現(xiàn)象，再生GRC試件強(qiáng)度損失率均低于0.3%，制備的再生GRC試件的耐久性較為優(yōu)異。

3）廢混凝土取代天然石英砂用于配制再生GRC板材從力學(xué)性能和耐久性能角度看是可行的，但取代率不宜過大，當(dāng)廢混凝土取代率超過30%時，再生GRC的力學(xué)性能和耐久性能均呈現(xiàn)下降趨勢。

4）利用廢混凝土替代天然石英砂制備高品質(zhì)再生GRC板材，不僅化廢為寶，促進(jìn)建筑垃圾資源化技術(shù)發(fā)展，而且節(jié)約天然資源，減少碳排放。