聚合物乳液对再生GRC材料的影响研究

刘 佳 张利俊 秦宪明 王灵秀 项斌峰 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 100008）

0 前言

玻璃纤维增强水泥（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，其材料组成主要包括水泥、石英砂、纤维、聚合物、外加剂及其他材料。GRC由于质轻、抗渗、耐久性、高韧性、装饰性、异性构件等特点，广泛应用于建筑工程、市政工程、农业工程、水利工程和园林工程等许多领域。但GRC的制备中会消耗大量的天然资源——石英砂。石英砂的开采对环境破坏严重，鉴于此，京津冀地区已经限制开山炸石的行为。石英砂原材料的获取成为制约GRC企业发展的一个重要因素。而目前市场天然砂石市价约400～500元/吨，再生骨料约50元/吨。随着国民经济的发展，各行业对天然砂资源不断的消耗，这必将是GRC 制品生产和应用行业必须面对的问题。

另一方面，我国建筑垃圾的比例已占到城市垃圾总量的80%～90%。据统计，我国建筑垃圾2014年度产生量超过15亿t，并随着城镇化步伐加快而逐年递增。因此，未来十几年将是我国建筑垃圾大量产生的时期。预计2020年左右，我国建筑垃圾产生量将达到峰值。我国建筑垃圾大多以填埋或堆放处置为主，资源化利用率不足10%，远低于美国、日本等国家的水平。

鉴于此，本文从建筑垃圾资源化入手，研究废混凝土取代率和乳液固含量对再生GRC试件的力学性能和耐久性能的影响，并与普通GRC试件的相关性能进行对比，以此利用废混凝土替代GRC中天然石英砂制备出高品质的再生GRC板材。不仅拓宽了GRC产品原材料的来源，降低了GRC产品的整体成本，而且为建筑垃圾资源化提供了一种新的应用途径，引领建筑固废资源化向高品质建材领域的发展。

1 试验原材料

1.1 废混凝土骨料

废混凝土骨料为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，本实验采用粒径范围为0.075～3mm的废混凝土颗粒作为再生细骨料替代石英砂制备GRC外墙板，废混凝土再生骨料含泥量为1.1%，堆积密度1.79g/cm3，细度模数3.0，压碎值为 18.9。

1.2 天然石英砂

试验用砂为天然石英砂，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。

1.3 水泥

试验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，比表面积为488m2/kg。快硬硫铝酸盐水泥化学成分分析如表1所示。

表1 快硬硫铝酸盐水泥化学成分分析（%）

1.4 玻璃纤维

试验用玻璃纤维为湖北汇尔杰新材料科技股份有限公司生产的耐碱玻璃纤维无捻粗纱ARC15-2400L，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。

1.5 减水剂

试验用减水剂为北京中研益公司生产的聚羧酸高性能减水剂，减水率31.9%，含固量18.3%，密度1.05g/cm3，PH 值 6.3。

1.6 聚合物乳液

试验所用聚合物乳液为北京东联北方化工有限公司提供的BA-209丙烯酸酯共聚乳液，乳白色液体，固含量47.0%，粘度 20mPa·s，PH 值 9.1。

1.7 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，活性组分约为65%，密度为0.34g/cm3，PH 值为 7.0。

1.8 水

试验所用拌合水为自来水。

2 试验方法

2.1 试件制作

1）将水泥、废混凝土骨料、天然石英砂、减水剂、聚合物乳液、消泡剂和水按配比进行搅拌，其中废混凝土骨料取代天然石英砂的比例分别为0、30%、60%，胶砂比为1∶1，水胶比为0.35， 保持料浆的流动度达到300mm～330mm之间。

2）采用机械喷射工艺，将拌好的水泥砂浆和切断的玻璃纤维束分别用压缩空气通过喷咀同时喷出，二者在空气中会合后喷到模板上，此时纤维呈平面随机配向状态，这样可以充分发挥纤维增强效果。成型尺寸为900mm×900mm×10mm的实验板，室温养护1d后拆模，将拆模后的实验板放到标准养护箱（温度20±2 ℃，相对湿度95%）中养护至7d，并切割成满足测试要求尺寸的试件，进行抗压强度、抗弯强度、抗冲击强度等力学性能测试及耐久性能的测试。

2.2 强度试验

1）抗压强度试验

抗压强度测试依据GB/T 15231-2008《玻璃纤维增强水泥性能试验方法》的要求，试件尺寸为30mm×30mm×30mm，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。

2）抗弯强度试验

抗弯强度测试依据GB/T 15231-2008《玻璃纤维增强水泥性能试验方法》的要求，试件尺寸为250mm×50mm×10mm，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试。

3）抗冲击强度试验

抗冲击强度测试依据GB/T 15231-2008《玻璃纤维增强水泥性能试验方法》的要求，试件尺寸为120mm×50mm×10mm，采用河北承德建德检测仪器有限公司生产的XJS-50冲击试验机进行测试。

2.3 耐久性试验

抗冻性试验依据GB/T7019-2014《纤维水泥制品试验方法》的要求，试件尺寸为300mm×200mm×10mm。冻融循环试验的方法为：①将试件放入水中（温度：（20±5）℃；时间：24h），②取出的试件再放入低温试验箱中（温度：-20℃；冷冻时间：1h30min），③再取出后放入水中融化（温度：（20±5）℃；时间：1h），如此为一个循环，共做25个循环。

3 试验数据与分析

3.1 试验配合比设计

在前期的试验基础上，本试验具体的配合比如表3所示。从表中可以看出，FT1、FT2、FT3六组试验中废混凝土取代天然石英砂的比例分别为0、30%、60%，乳液的固含量为3.76%和5.64%两种掺量，胶砂比为1:1，水胶比为0.35，六组试验的浆体流动度均在318mm-330mm之 间。（FT1A、FT1B为 普 通GRC试 件，FT2A、FT2B、FT3A、FT3B均为再生GRC试件。）

3.2 乳液掺量对再生玻璃纤维增强水泥抗压强度的影响

试验配合比见表2所示。两种乳液固含量的条件下，废混凝土替代天然石英砂的比例对普通与再生GRC试件抗压强度的影响如图1所示。

从图中可以看出，随着乳液固含量的增加，普通GRC试件与再生GRC试件的7d抗压强度均逐渐增大。随着废混凝土取代率的增加，再生GRC试件的7d抗压强度逐渐降低。当废混凝土取代比例达到30%时，再生GRC试件的7d抗压强度达到最优，为53.8MPa（乳液固含量为5.64%），达到了同条件下普通GRC试件抗压强度的98.7%。这是因为废混凝土骨料与天然石英砂相比，表面粗糙、多孔、多裂纹、压碎指标较大等特征，尤其是其压碎指标较天然石英砂大，表示其强度较天然砂小，因而当取代率增加到60%时，强度出现下降趋势。此外乳液固含量的增加，总体起到了增稠增韧的效果。

表2 试验配合比

图1 乳液对普通与再生GRC试件抗压强度的影响

3.3 乳液掺量对再生玻璃纤维增强水泥抗弯强度的影响

试验配合比见表3所示。两种乳液固含量的条件下，废混凝土替代天然石英砂的比例对普通与再生GRC试件抗弯强度的影响如图2所示。

图2 乳液对普通与再生GRC试件抗弯强度的影响

从图中可以看出，随着乳液固含量的增加，普通GRC试件与再生GRC试件的7d抗弯强度均逐渐增大。随着废混凝土取代率的增加，再生GRC试件的7d抗弯强度逐渐降低。当废混凝土取代比例达到30%时，再生GRC试件的7d抗弯强度达到最优，为19.2MPa（乳液固含量为5.64%），达到了同条件下普通GRC试件抗弯强度的97.5%，与抗压强度呈现的趋势基本一致。由此可见聚合物乳液的增稠增韧效果比较显著。

3.4 乳液掺量对再生玻璃纤维增强水泥抗冲击强度的影响

试验配合比见表3所示。两种乳液固含量的条件下，废混凝土替代天然石英砂的比例对普通与再生GRC试件抗冲击强度的影响如图3所示。

从图中可以看出，随着乳液固含量的增加，普通GRC试件与再生GRC试件的7d抗冲击强度均逐渐增大。随着废混凝土取代率的增加，再生GRC试件的7d抗冲击强度逐渐降低。当废混凝土取代比例达到30%时，再生GRC试件的7d抗冲击强度达到最优，为30.3KJ/m2（乳液固含量为5.64%），达到了同条件下普通GRC试件抗冲击强度的99%，这与抗压强度和抗弯强度呈现的趋势基本一致。由此可见再生GRC试件的抗冲击强度远远超过了标准中对应的力学指标。

图3 乳液对普通与再生GRC试件抗冲击强度的影响

3.5 乳液掺量对再生玻璃纤维增强水泥抗冻性的影响

试验配合比见表2所示。两种乳液固含量的条件下，废混凝土替代天然石英砂的比例对普通与再生GRC试件抗冻性的影响(图4)。经过25次冻融循环后的再生GRC试件与未冻融试件的对比图(图5)。

图4 乳液对普通与再生GRC试件抗冻性的影响

图5 经25次冻融循环前后的再生GRC试件对比图

从图4可以看出，随着乳液固含量的增加，普通GRC试件与再生GRC试件的7d强度损失率均逐渐降低。再生GRC试件的强度损失率均明显高于普通GRC。随着废混凝土取代比例的增大，再生GRC试件的强度损失率逐渐增大；当废混凝土取代比例达到30%时，再生GRC试件的强度损失率最小。总体来看，再生GRC试件的强度损失率均在低于0.3%。从图5可以看出，经过25次冻融循环后的再生GRC试件与同龄期未冻融循环的试件相比，冻融循环后的所有再生GRC试件均未发现掉角、起层、剥落或龟裂现象。

由于废混凝土较天然石英砂具有多孔、多裂纹的特点，在冻融循环中起到了劣化的作用，但从强度损失率和试件外观上来看，再生GRC试块的抗冻性均复合板材的耐久性要求，用废混凝土取代天然石英砂制备再生GRC板材在抗冻性方面完全可行。

4 结论

1）当聚合物乳液固含量为5.64%，废混凝土颗粒替代天然石英砂比例为30%时，再生GRC试件的7d抗压强度达到53.8MPa，7d抗弯强度达到19.2MPa，7d的抗冲击强度达到30.3KJ/m2，制备的再生GRC试件的力学性能均优于JC/T940-2004《玻璃纤维增强水泥（GRC）装饰制品》中一等品的要求。

2）再生GRC试件经过25次冻融循环后，均未发现掉角、起层、剥落或龟裂现象，再生GRC试件强度损失率均低于0.3%，制备的再生GRC试件的耐久性较为优异。

3）废混凝土取代天然石英砂用于配制再生GRC板材从力学性能和耐久性能角度看是可行的，但取代率不宜过大，当废混凝土取代率超过30%时，再生GRC的力学性能和耐久性能均呈现下降趋势。

4）利用废混凝土替代天然石英砂制备高品质再生GRC板材，不仅化废为宝，促进建筑垃圾资源化技术发展，而且节约天然资源，减少碳排放。