建筑固废对GRC性能影响研究

项斌峰 张利俊 秦宪明 王灵秀 刘佳 赵蔚慈 邱洪华 蔡素燕

（中国建材检验认证集团北京天誉有限公司，北京 100113）

0 前 言

随着我国城市建设步伐的加快，大量旧有建筑物被拆除产生了大量的建筑垃圾。目前，我国建筑垃圾的数量已占到城市垃圾总量的 80%～90%[1]。我国建筑垃圾2014年度产生量超过15亿吨，而这个数字还在随着城镇化步伐加快而逐年递增，预计到2020年左右，我国建筑垃圾产生量将达到峰值[2]。同时我国的建筑资源化率不足10%，远低于发达国家。

玻璃纤维增强水泥（Glass fiber Reinforced Cement， GRC）是一种以耐碱玻璃纤维为增强材料、水泥砂浆为基体材料的纤维混凝土复合材料[3]。GRC产品也以其轻质高强、抗冲击韧性好、抗裂性能好、耐久性好、耐火、可加工和可模塑性好等优点[4][5][6]而成为装配式建筑墙体材料的重点选择品种之一，在装配式建筑、盒子房、新农村房屋建设、城市景观建筑[7]中起了其它产品无法替代的作用。但是，GRC的制备普遍采用特种水泥和优质的天然石英砂，成本较高，而石英砂的开采对环境破坏比较严重，所以，原材料的获取成为主要的制约因素。

如果将建筑固废制备成再生骨料[8][9]应用于GRC中，不仅可以解决建筑垃圾污染和占用的问题，还可以节约天然骨料资源，降低成本，复合可持续发展的理念。目前将建筑固废应用于GRC材料的研究较少，同时并未对GRC制品的重要力学性能如抗弯强度、抗冲击强度等性能进行研究[10][11][12]。本文通过将建筑固废取代部分天然石英砂，制备出了满足标准要求的GRC材料，不仅可以应用于装配式住宅外墙板的生产，还可以提高建筑固废使用率，同时本文还探讨了建筑固废对GRC性能的影响规律，为GRC材料的进一步推广使用提供理论基础。

1 实 验

1.1 原材料

1.1.1 水泥

试验所用水泥为唐山北极熊建材有限公司生产的R·SAC 52.5快硬硫铝酸盐水泥，水泥的化学组成成分见表1，物理力学性能见表2。

1.1.2 天然石英砂与建筑固废

表1 快硬硫铝酸盐水泥化学成分分析

表2 快硬硫铝酸盐水泥物理力学性能

试验所用砂为天然石英砂，颗粒粒径不大于2mm，堆积密度 1.52g/cm3，细度模数 2.2，压碎值为 7.6%。建筑固废采用废混凝土、铁尾矿、废砖三种混合用来模拟实际中的建筑垃圾，其中废混凝土和废砖为拆除的旧建筑物形成的建筑垃圾经过分拣、破碎、筛分、清洗后加工得到粒径范围为0.075～3mm的颗粒，尾矿为铁矿石经过选矿后留下的废弃物，经加工也制备成粒径小于3mm的颗粒。废混凝土颗粒堆积密度1.55g/cm3，细度模数2.8，压碎值为31.8%；废尾矿颗粒的堆积密度1.78g/cm3，细度模数2.6，压碎值为26.4%；废砖颗粒对的堆积密度1.29g/cm3，细度模数 2.8，压碎值为 30.1%。

1.1.3 外加剂

1）SP：减水组分，减水率31.9%，含固量18.3%，密度 1.05g/cm3，PH 值 6.3。

2）RT：缓凝组分，酒石酸，C4H6O6，白色结晶粉末，密度 1.697g/cm3，水溶解度 20.6%。

1.1.4 玻璃纤维

试验所用玻璃纤维为耐碱玻璃纤维无捻粗纱，ZrO2含量为14.61%，ZrO2+TiO2含量为19.35%，单丝直径15µm，线密度2568tex，断裂强度0.28N/tex，弹性模量为 63～70GPa。

1.1.5 水

试验所用拌合水为自来水

1.2 试验方法

1.2.1 试样制作

试验采用直接喷射工艺成型一块900mm×900mm×10mm的实验板，养护完成后从实验板上切割试件进行体积密度，含水率，吸水率等物理性能测试以及抗压、抗冲击、抗弯等力学性能和抗冻性能的测试。喷射工艺原理如下：利用喷射枪将混合均匀的料浆雾化喷出，同时将连续的的玻璃纤维无捻粗纱经玻纤切割机切割成一定长度的短纤维与雾化的料浆一同喷射到模板上成型，反复喷射直至纤维水泥混合料达到所需厚度，将试件表面辊压密实后覆膜标养至指定龄期测试。

1.2.2 试验方案

利用建筑固废混合物替代GRC中的部分的天然石英砂，取代掺量分别为0%、21%、41%、51%。其中21%组又根据废混凝土和废尾矿的比例分为21%-1（1:3）、21%-2（1:1）和 21%-3（3:1）三组，其余掺量废混凝土和废尾矿的比例均为1:1，废砖掺量均为1%，采用1:1的胶砂比和0.35的水灰比，加入PED增稠组分以优化GRC性能，通过前期摸索确定玻璃纤维的掺量控制在5%左右，新拌制的GRC料浆流动度控制在330mm左右以满足喷射GRC工艺的浆体流动度要求。具体试验配比如表3所示，FH代表建筑固废混合物，BS代表空白对比样品。

1.2.3 抗压强度试验

参照GB/T 15231-2008《玻璃纤维增强水泥性能试验方法》中抗压强度测试试件尺寸的要求，根据实验方案的配比制备30mm×30mm×30mm的标准立方体试件用于GRC材料的7d抗压强度测试，抗压强度采用无锡建仪仪器机械有限公司生产的TYE-300B型压力试验机测试。

1.2.4 抗弯强度试验

采用中国科学院长春科新试验仪器研究所研制的WD4100型电子式万能试验机测定GRC材料的抗弯破坏强度值（MOR）和抗弯比例极限强度值（LOP）。试件为从试验板上切割出250mm×50mm×10mm尺寸的喷射成型试件，试验方法参考GB/T 15231-2008《玻璃纤维增强水泥性能试验方法》中抗弯性能试验步骤进行。

1.2.5 抗冲击强度试验

抗冲击性能测试按照GB/T 15231-2008《玻璃纤维增强水泥性能试验方法》中抗冲击强度的测定方法进行。试件测试尺寸为120mm×50mm×10mm，冲击试验采用河北承德建德检测仪器有限公司生产的XJS-50冲击试验机进行，试件破坏以后，用游标卡尺测量断裂处的截面尺寸。

1.2.6 物理性能试验

将喷射成型的试验板切割出100mm×100mm×10mm的正方形板用于GRC材料体积密度，含水率，吸水率测试，物理性能测试方法参照GB/T 15231-2008《玻璃纤维增强水泥性能试验方法》中体积密度、含水率和吸水率的实验步骤进行。

1.2.7 抗冻性试验

抗冻性试验参照GB/T7019-2014《纤维水泥制品试验方法》中的抗冻性试验进行。先将试件至于室温清水中24h，放置于低温试验箱中，在-20℃冷冻1h30min，冷冻时间以放入试件后温度重新降至-20℃时开始计时，取出后放入（20±5）℃的清水中融化1h，以此为一次冻融循环。本试验采用冻融循环25次后观察GRC材料抗冻性，并测试冻融前后的质量损失以此表征抗冻性优劣。

2 结果与讨论

表3 再生GRC试验配比

2.1 体积密度、含水率和吸水率

再生GRC的物理性能如表4所示，从表中可以发现再生GRC的体积密度基本为2.1 g/cm3，含水率在1.8%～2.4%之间，吸水率在2.6%～3.5%之间，满足JC/T1057-2007《玻璃纤维增强水泥矮墙板》和JC/T940-2004《玻璃纤维增强水泥（GRC）装饰制品》中关于物理性能的要求，即体积密度≥1.8 g/cm3，吸水率≤14%。

表4 再生GRC的体积密度、含水率和吸水率

2.2 抗压强度

图1所示的为再生GRC材料的抗压强度随建筑固废替代掺量增加的变化柱图。从图中可以看出：再生GRC的7天抗压强度随FH取代掺量的增加呈降低趋势，当FH的总取代量（21%）不变时，废混凝土和废尾矿的含量一致时，抗压强度达到峰值，而后强度值随着FH掺量的增加而降低。

图1 建筑固废对GRC抗压强度的影响

2.3 抗弯强度

再生GRC的抗弯强度包括两个性能指标，分别为抗弯比例极限强度值（LOP）和抗弯破坏强度值（MOR）已经相应的单块最小值。图2和图3分别代表MOR、LOP对应建筑固废（FH）替代掺量增加的变化柱图。再生GRC的7天MOR/LOP随FH取代掺量的增加呈现降低的趋势。其中21%FH-2取代掺量制备的再生GRC的弯极限强度/抗弯比例极限强度达到最高，而后随着掺量的增加而逐渐降低。

2.4 抗冲击强度

图4所示的为再生GRC材料的抗冲击强度随FH替代掺量增加的变化柱图。再生GRC的7天抗冲击强度与弯极限强度/抗弯比例极限强度的变化趋势一致，呈现逐渐降低的变化，当FH的取代掺量为21%，废混凝土和废尾矿含量相同是达到峰值，再生GRC的抗冲击强度可达30KJ/m2左右，远超过了标准的指标。

图2 建筑固废对GRC抗弯极限强度的影响

图3 建筑固废对GRC抗弯比例极限强度的影响

图4 建筑固废对再生GRC抗冲击强度的影响

2.5 抗冻性能

再生GRC试件经过25次冻融循环后，所有GRC试件均没有发现掉角、起层、剥落或龟裂现象。通过测量25次冻融循环之前与之后的质量变化，可以得到再生GRC板材不同建筑固废掺量的质量损失如图5所示，可以发现再生GRC板材的抗冻质量损失均在0.2%以下，且再生GRC的质量损失随FH掺量的增加而增加。此试验说明FH的掺入对再生GRC的抗冻性起到了劣化作用，但是所有的试样均为发现冻融破坏现象，说明掺入建筑固废取代骨料在抗冻方面可行。

图5 冻融循环后再生GRC的质量损失率

2.6 结果讨论

从以上物理性能和力学性能试验可以看出，建筑固废可以作为替代天然石英砂的骨料用于制备GRC材料。同时再生GRC的抗压、抗弯、抗冲击强度随FH中废混凝土的含量增加而都呈现逐渐降低的趋势，这是因为废混凝土再生骨料的表面形貌与颗粒强度共同作用，前者由于表面粗糙多孔，可以吸附体系水分与水泥料浆从而起到一定的促强作用，当FH取代率增高，废混凝土和废尾矿、废砖颗粒本身的强度较天然石英砂低，所以出现强度下降的现象。

3 结 论

本文研究了建筑固废取代部分天然石英砂用于GRC的制备和建筑固废取代率对再生GRC物理和力学性能的影响。所得结果如下：

1）采用喷射成型工艺，当建筑固废取代率达到21%，废混凝土和废尾矿含量相同时，再生GRC的力学性能达到最优，而后随着掺量的增加力学性能逐渐降低。

2）建筑固废取代天然石英砂对GRC的物理性能影响不大。

3）25次冻融循环后掺加建筑固废的再生GRC没有发现冻融破坏现象，且再生GRC板材的抗冻质量损失均在0.2%以下。