有機硅添加劑對GRC性能的影響研究

（中國建材檢驗認證集團北京天譽有限公司，北京 101113）

0 前言

玻璃纖維增強水泥（GRC）作為一種纖維混凝土復(fù)合材料，具有較高的抗拉和抗折強度，以及良好的韌性，可做出各種具有裝飾效果的異型構(gòu)件[1]。GRC的主要組成為水泥、天然砂、水和耐堿玻纖，其中天然砂主要為天然石英砂，在GRC中用量大，優(yōu)質(zhì)的石英砂成本高，開采還會破壞環(huán)境。采用建筑固廢制備的再生骨料替代石英砂制備GRC可降低生產(chǎn)成本，節(jié)約天然資源，同時消耗建筑固廢，減少固廢污染[2-3]。但是再生骨料強度低、吸水率高[4-5]，而GRC本身的吸水率已較高（8%～14%），如果采用高吸水率的再生骨料替代低吸水率的石英砂，勢必進一步增大GRC的吸水率，對GRC的耐久性非常不利。

有機硅添加劑可以對建筑物和構(gòu)筑物起到防護作用，主要原理在于有機硅中的大多數(shù)硅氧烷和硅烷都是非常小的分子，可以滲透很深，并均勻分布在材料結(jié)構(gòu)中，它們與膠材的水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，且自身也發(fā)生反應(yīng)，形成耐久的結(jié)合。固化時，在基材表層形成保護層，允許水蒸汽傳輸，同時防止含有溶解的氯離子或酸的液態(tài)水進入基層，從而起到滲透、成膜、疏水、防水的作用[6-7]。

查閱相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)，關(guān)于利用有機硅作為添加劑改善再生GRC材料的性能，沒有已發(fā)布的相關(guān)資料。本文主要通過研究有機硅添加劑對于再生GRC材料力學(xué)性能、吸水率以及抗凍性能的影響，初步探究其作用機理，為其進一步推廣使用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗

1.1 原材料

1.1.1 水泥

試驗所用水泥為42.5級高貝利特硫鋁酸鹽水泥，主要礦物組成為硫鋁酸鈣、硅酸二鈣、硫酸鈣和鐵相，水泥的主要性能如表1所示。

表1 高貝利特硫鋁酸鹽水泥物理力學(xué)性能

1.1.2 細骨料

所用細骨料包括天然石英砂和廢混凝土再生骨料。天然石英砂20～40目，細度模數(shù)2.7，堆積密度1410kg/m3。廢混凝土再生骨料為舊建筑物形成的建筑垃圾中的廢混凝土塊經(jīng)過破碎、清洗、篩分后加工得到的顆粒（粒徑范圍0.075～3mm），本文所用廢混凝土再生骨料粒徑小于2mm，壓碎指標(biāo)27.5%，細度模數(shù)2.7。

1.1.3 玻璃纖維

所用纖維為耐堿玻璃纖維，其ZrO2含量16.63%，單絲直徑13.2μm，線密度2406tex，密度2.73g/cm3，可燃物含量1.79%。

1.1.4 有機硅添加劑

所用有機硅為SHP60 Plus有機硅憎水粉末，自由流動性白色粉末，組分為硅烷/樹脂基。

1.2 試驗過程

1.2.1 試驗樣品制備

按表2所列配合比制備GRC料漿，將料漿與纖維采用噴射工藝成型試驗板，試驗板總體尺寸1.0m×1.0m×10.0mm，固定水灰比0.35，固定膠砂比1:1，通過調(diào)節(jié)減水劑摻量控制料漿流動度在320±10mm，噴射纖維摻量固定在5.0%左右，料漿硬化后從試驗板上切割指定尺寸的小試樣進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護到指定齡期進行測試。未加入有機硅添加劑的試件標(biāo)號為R0～R5，加入有機硅添加劑的試驗編號為R0S～R5S，有機硅摻量為干料成分的0.5%（重量比）。

表2 再生GRC試驗配比

1.2.2 抗彎強度測試

抗彎強度測試試件尺寸250mm×50mm×10mm，采用四點彎曲試驗，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，加載速度采用位移控制在4mm/min，直至損壞。

1.2.3 吸水率測試

吸水率測試的試件尺寸100mm×100mm×10mm，試驗方法參考GB/T 15231-2008《玻璃纖維增強水泥性能試驗方法》中吸水率的試驗步驟進行。

1.2.4 抗凍性能測試

抗凍性測試的試件尺寸250mm×50mm×10mm，采用天津市港源試驗儀器廠生產(chǎn)的全自動低溫凍融試驗機，凍融循環(huán)機制以在-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為一次凍融循環(huán)。分別測試25次和50次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率，同時觀察試件表面是否出現(xiàn)起層、剝落等破壞現(xiàn)象，如果試件表面無起層、剝落等破壞現(xiàn)象，則通過質(zhì)量損失率ΔW評定抗凍性能，質(zhì)量損失率越小，表示質(zhì)量下降越慢，抗凍性能越優(yōu)異。ΔW的計算公式如下：

式中，W0i-凍融循環(huán)前試件的質(zhì)量（g）；Wni-經(jīng)N次凍融循環(huán)后的試件的質(zhì)量（g）；ΔWni-經(jīng)N次凍融循環(huán)后的試件的質(zhì)量損失率（%），精確至0.01。

2 結(jié)果與討論

2.1 有機硅添加劑對再生GRC抗彎強度的影響

再生GRC的抗彎強度取28天齡期的抗彎破壞強度值（MOR）進行對比，圖1列出了未加入有機硅添加劑和加入有機硅添加劑的MOR。從圖中可以看出：再生GRC的抗彎強度隨廢混凝土再生骨料替代摻量的增大而逐漸降低，強度降低可達30%；加入有機硅添加劑后對于再生GRC的抗彎強度影響不大，強度差值在6%以內(nèi)，這是因為有機硅添加劑的主要成分硅烷/樹脂基在水泥基材料中起到滲透/疏水的作用，只在基層形成疏水保護層，對于基體的力學(xué)性能影響不大。

圖1 有機硅添加劑對再生GRC抗彎強度的影響

2.2 有機硅添加劑對再生GRC吸水率的影響

未加入有機硅添加劑的再生GRC吸水率和加入有機硅添加劑的再生GRC吸水率如圖2所示。從圖2可見，加入有機硅添加劑可以明顯降低再生GRC的吸水率，下降幅度60%～74%，還可以看到隨著廢混凝土再生骨料的替代摻量增加，再生GRC的吸水率也逐漸增大，這是因為再生骨料本身強度低、多孔多裂縫、吸水率高，導(dǎo)致制備的再生GRC吸水率進一步增大。同時，加入有機硅添加劑在再生GRC基體的表面和內(nèi)部表層形成憎水層，可以阻擋外界和內(nèi)部的水分循環(huán)，從而降低再生GRC的吸水率。

圖2 有機硅添加劑對再生GRC吸水率的影響

2.3 有機硅添加劑對再生GRC抗凍性能的影響

再生GRC的抗凍性能通過質(zhì)量損失率ΔW評定，未加入有機硅添加劑和加入有機硅添加劑的再生GRC經(jīng)過25次和50次凍融的質(zhì)量損失率如表3所示。從表中可以看出，廢混凝土再生骨料對再生GRC的抗凍性能造成不利影響，基本在40次左右表層就出現(xiàn)裂縫、起層、剝落等現(xiàn)象。同時，有機硅添加劑的加入又可以大大改善再生GRC抵抗凍融循環(huán)破壞的能力，這是因為有機硅添加劑中的硅烷分子通過自身或與水化產(chǎn)物反應(yīng)在基體表層形成疏水保護層，阻隔了內(nèi)部與外界的水分交換，阻斷了基體中毛細孔中水分的流通，從而起到了增強抗凍能力的作用。

表3 有機硅添加劑對再生GRC抗凍性能的影響

3 結(jié)論

本文研究了有機硅添加劑對于不同再生骨料摻量的再生GRC制品的抗彎強度、吸水率、抗凍性能等的影響，所得結(jié)論如下：

1）隨著廢混凝土再生骨料替代量的增加，再生GRC的抗彎強度和抗凍性能隨之逐漸降低，而吸水率則隨之逐漸增大。

2）有機硅添加劑可以改善再生GRC的表層親疏水情況，降低再生GRC的吸水率，從而增強抗凍融循環(huán)能力。

3）有機硅添加劑對于再生GRC的抗彎強度影響較小，主要是改善再生GRC的界面性能，阻斷基體內(nèi)部與外界的水分交換。