消泡剂在制备再生GRC中的应用研究

王灵秀 张利俊 秦宪明 刘 佳 项斌峰 邱洪华 蔡素燕 赵紫溪

（中国建材检验认证集团北京天誉有限公司，北京 100113）

1 前 言

玻璃纤维增强水泥（Glass fiber Reinforced Cement， GRC）是一种高性能水泥基复合材料，它由高弹性模量的玻璃纤维嵌入水泥基体中形成[1]。其充分利用玻璃纤维高强度、高弹模、低拉伸、耐高温等诸多特性，改善了水泥基材料拉伸强度低、变形小、耐冲击性能差等缺点，同时大大减小了水泥基体的脆性[2]。目前全世界有40多个国家与地区以不同的规模生产和使用GRC制品，全球GRC制品的年产量约为40万吨左右[3]。而我国的GRC行业也在日益扩大，年产量已达到40000吨[4]。

另一方面，随着我国经济的不断发展和城镇化的推进，新型建筑将快速增加，同时建筑垃圾排放量也会越来越大。2015年全国产生的建筑垃圾约35.5亿吨，已占到城市垃圾总量的1/3以上。预计到2020年左右，我国建筑垃圾产生量将达到峰值[5]。将建筑垃圾中的废混凝土制备成再生骨料[6][7]应用于GRC材料中，不仅提高了资源的循环利用率，减少污染，还减少对天然骨料如天然石英砂等资源的开采，降低成本，实现行业的可持续发展[8]。

混凝土制备过程中，由于外加剂的引入，如水泥中的助磨剂、聚羧酸减水剂等使混凝土产品中产生气泡现象，过多的气泡直接影响产品的抗压、抗折等力学性能，进一步影响产品的使用。在搅拌过程中加入适量的消泡剂，可以实现抑制气泡的产生、破环已产生的气泡，达到降低含气量，提高产品性能的作用。

2 实 验

2.1 原材料

水泥：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，水泥比表面积为488m2/kg，初凝时间30分钟，终凝时间为55分钟，其1d抗折强度为 7.4MPa，抗压强度为 54.1MPa；3d 抗折强度为8.1MPa，抗压强度为 60.2MPa。

天然石英砂：颗粒粒径不大于2mm，含泥量为0.2%，堆积密度 1.52g/cm3，细度模数 2.2，压碎值为7.6。

废混凝土骨料：北京元泰达环保建材科技有限责任公司提供的废混凝土再生骨料，主要为拆除的旧建筑物形成的建筑垃圾经过分拣、破碎、筛分、清洗后加工所得。为满足建筑外墙板GRC试样厚度为10mm的要求，本实验采用废混凝土颗粒粒径范围为0.075～3mm， 含泥量小于1%，堆积密度1.79g/cm3，细度模数3.0，压碎值为18.9。

聚羧酸减水剂：北京中研益工程技术开发中心有限公司生产，减水率31.9%，含固量18.3%，密度1.05g/cm3，PH 值 6.3。

聚合物乳液：北京东联北方化工有限公司生产，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。

消泡剂：试验所用消泡剂为德国AGITAN P803粉末消泡剂，呈白色粉体状，有效成分含量66.78%，PH值7.19。

玻璃纤维：湖北汇尔杰新材料科技股份有限公司生产，ARC15-2400L型耐碱玻璃纤维无捻粗纱，其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，含水率0.07%，密度为2.48g/cm3，弹性模量为63～70GPa。水：试验所用拌合水为自来水。

2.2 试验方案

本文主要研究消泡剂在再生GRC中的应用性能，主要包括消泡剂掺量对制备再生GRC的水泥砂浆流动度、含气量的影响；对比有无消泡剂掺加的情况下，不同替代掺量（废混凝土再生骨料替代天然石英砂）制备的GRC抗压、抗弯、抗折强度变化规律；依据实验数据分析消泡剂的作用机理。

2.2.1 消泡剂掺量对制备再生GRC的水泥砂浆流动度、含气量的影响

实验利用废混凝土再生骨料部分替代天然石英砂制备GRC材料，替代掺量为30%。采用1∶1的胶砂比和0.35的水灰比，玻璃纤维的掺量为5.0%左右。研究消泡剂掺量分别为0%、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%时，用于制备GRC的水泥砂浆的流动度和含气量的变化情况，并测试相应试块的7d抗压强度，确定消泡剂的最佳掺量。具体试验配比如表1所示，表中编号P803-0.1中的P803表示选用的消泡剂类型，数字0.1表示消泡剂掺加比例为0.1%。

表1 不同消泡剂掺量下再生GRC试验配比

2.2.2 掺加消泡剂对再生GRC材料力学性能的影响

实验主要研究废混凝土再生骨料部分替代天然石英砂制备GRC材料，比较是否掺加消泡剂的两种情况，每种替代掺量的GRC的抗压、抗弯、抗冲击强度的变化情况。实验中替代掺量分别为0%、15%、30%和60%。依据2.2.1的实验结果，确定消泡剂的掺量为0.2%。具体实验配比如表2所示，编号列中空白代表未掺加废混凝土再生骨料，废混-10中废混代表掺加了废混凝土再生骨料，10代表废混凝土再生骨料部分替代天然石英砂的替代掺量为10%。

2.2.2.1 抗压强度试验

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》中要求，根据实验方案的配比制备30mm×30mm×30mm立方体试件，测试GRC材料的7d抗压强度。测试设备为无锡建仪仪器机械有限公司生产的TYE-300B型压力试验机。

表2 消泡剂对再生GRC强度的影响的试验配比表

2.2.2.2 抗弯强度试验

抗弯强度试验参照GB/T 15231-2008 《玻璃纤维增强水泥性能试验方法》中要求，从预制喷射试验板上切割出250mm×50mm×10mm尺寸的试件，测试加载速度控制为4mm/min。测试设备为WD4100型电子式万能试验机（中国科学院长春科新试验仪器研究所研制），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）。

2.2.2.3 抗冲击强度试验

抗冲击强度试验参照GB/T 15231-2008《玻璃纤维增强水泥性能试验方法》中要求，从预制喷射试验板上切割出120mm×50mm×10mm尺寸的试件，测试用摆锤能量级别为0-25J，试件破坏以后，用游标卡尺测量断裂处的截面尺寸。测试设备为河北承德建德检测仪器有限公司生产的XJS-50冲击试验机。

3 结果与讨论

3.1 消泡剂掺量对制备再生GRC的水泥砂浆流动度、含气量的影响

表3 制备再生GRC的水泥砂浆消泡试验结果

由表3可知，制备再生GRC过程中，消泡剂掺量对水泥砂浆的流动度影响不大，但对其含气量影响很大，不掺加消泡剂的空白砂浆含气量为9.2%，而加入消泡剂后含气量明显降低，其中消泡剂掺量为0.2%时，含气量降到最低为5.0%。此外对不同掺量消泡剂的砂浆试样做抗压强度测试，测试结果显示，加入消泡剂后，试样7天抗压强度明显提升，在消泡剂掺量为0.2%时，含气量为5.0%，试块抗压强度达到最大，为47.8MPa。主要原因为加入消泡剂后，砂浆含气量下降，砂浆内部孔洞数量减少，孔径得到优化，使试样力学性能得到提高。

图1 消泡剂掺量对水泥砂浆含气量及GRC试件抗压强度的影响

3.2 消泡剂对再生GRC材料力学性能的影响

图2、图3、图4分别表示消泡剂对再生GRC材料7天抗压强度、抗弯强度和抗冲击强度的影响变化柱图，图中横坐标代表废混凝土再生骨料替代天然石英砂的替代掺量，纵坐标分别代表再生GRC材料抗压强度、抗弯强度和抗冲击强度值。

图2 消泡剂对GRC试件抗压强度的影响

从图中可以看出：与空白试样（废混凝土的替代掺量为0%）相比，废混凝土替代掺量低于30%，再生GRC的7天抗压强度、抗弯强度和抗冲击强度值接近空白样强度值。废混凝土替代掺量超过30%，三个强度值明显下降。这是因为废混凝土颗粒的表面粗糙多孔，其粗糙表面更容易与水泥砂浆黏结，所以结合界面强度较大，少量替代掺加废混凝土对GRC强度影响不大。但当废混凝土替代掺加过多，废混凝土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。另一方面，比较每一组掺加消泡剂和未掺加消泡剂的GRC强度值，可以看出掺加消泡剂的GRC强度值均明显比未掺加消泡剂的试件强度值高，表5所示掺加消泡剂后GRC抗压强度最高可比未掺加增加9.93%，抗弯强度最高增加15.19%，抗弯强度最高增加12.20%。图2中当废混凝土替代天然石英砂的比例达到30%时，掺加消泡剂的试件含气量为4.3%，抗压强度达到最高为54.1MPa。图3和图4中也分别为当废混凝土替代天然石英砂的比例达到30%时，掺加消泡剂的试件抗弯强度和抗冲击强度值达到最大，分别为21.7 MPa和31.3KJ/m2。

图3 消泡剂对GRC试件抗弯强度的影响

图4 消泡剂对GRC试件抗冲击强度的影响

表4 掺加消泡剂对再生GRC材料力学性能的影响结果

消泡剂是一种表面活性剂，可降低液相的表面张力，润湿角减小到一定的程度时，气泡即脱离固体表面的吸附而逸出或破没[9]。气泡在从内部往表面上升时，当两个气泡相互接近时，消泡剂分子末端相结合，使多数的小气泡聚结成少数的较大气泡，稳定的小气泡变成了不稳定的大气泡，气泡体积变大，其上升速度加快，则脱泡速度加快，消泡效果也越好。消泡剂加入到水泥砂浆中，通过脱泡和消泡过程使其含气量降低，内部有害孔隙减少，材料抗压强度、抗弯强度和抗冲击强度等力学性能明显增加[9]。

4 结 论

本文研究了废混凝土再生骨料部分替代天然石英砂制备GRC材料过程中，利用消泡剂控制水泥砂浆的含气量、流动度。对比了废混凝土再生骨料部分替代天然石英砂，不同替代掺量下，是否掺加消泡剂，再生GRC材料抗压强度、抗弯强度和抗冲击强度的变化情况。研究结论如下：

1）不同掺量的消泡剂掺加到制备再生GRC的水泥砂浆中，对砂浆流动度的影响不大，但对含气量影响较为明显，其中消泡剂掺量为0.2%时，含气量降到最低为5.0%，较空白样砂浆含气量9.2%下降了4.2%。相应的砂浆试样抗压强度达到最高为47.8MPa。

2）废混凝土再生骨料部分替代天然石英砂制备GRC，对比不同替代掺量下在消泡剂对GRC抗压强度、抗弯强度和抗冲击强度的影响程度。掺加消泡剂的GRC试件抗压、抗弯和抗冲击强度值均明显高于未掺加消泡剂的试件，其中替代掺量为30%时，GRC试件的抗压、抗弯和抗冲击强度值达到最大，分别为54.1MPa、21.7 MPa 和 31.3KJ/m2。