項(xiàng)斌峰 張利俊 秦憲明 王靈秀 劉佳 趙蔚慈 邱洪華 蔡素燕

（中國(guó)建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)北京天譽(yù)有限公司，北京 100113）

0 前 言

隨著我國(guó)城市建設(shè)步伐的加快，大量舊有建筑物被拆除產(chǎn)生了大量的建筑垃圾。目前，我國(guó)建筑垃圾的數(shù)量已占到城市垃圾總量的 80%～90%[1]。我國(guó)建筑垃圾2014年度產(chǎn)生量超過(guò)15億噸，而這個(gè)數(shù)字還在隨著城鎮(zhèn)化步伐加快而逐年遞增，預(yù)計(jì)到2020年左右，我國(guó)建筑垃圾產(chǎn)生量將達(dá)到峰值[2]。同時(shí)我國(guó)的建筑資源化率不足10%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家。

玻璃纖維增強(qiáng)水泥（Glass fiber Reinforced Cement， 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[3]。GRC產(chǎn)品也以其輕質(zhì)高強(qiáng)、抗沖擊韌性好、抗裂性能好、耐久性好、耐火、可加工和可模塑性好等優(yōu)點(diǎn)[4][5][6]而成為裝配式建筑墻體材料的重點(diǎn)選擇品種之一，在裝配式建筑、盒子房、新農(nóng)村房屋建設(shè)、城市景觀建筑[7]中起了其它產(chǎn)品無(wú)法替代的作用。但是，GRC的制備普遍采用特種水泥和優(yōu)質(zhì)的天然石英砂，成本較高，而石英砂的開(kāi)采對(duì)環(huán)境破壞比較嚴(yán)重，所以，原材料的獲取成為主要的制約因素。

如果將建筑固廢制備成再生骨料[8][9]應(yīng)用于GRC中，不僅可以解決建筑垃圾污染和占用的問(wèn)題，還可以節(jié)約天然骨料資源，降低成本，復(fù)合可持續(xù)發(fā)展的理念。目前將建筑固廢應(yīng)用于GRC材料的研究較少，同時(shí)并未對(duì)GRC制品的重要力學(xué)性能如抗彎強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度等性能進(jìn)行研究[10][11][12]。本文通過(guò)將建筑固廢取代部分天然石英砂，制備出了滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的GRC材料，不僅可以應(yīng)用于裝配式住宅外墻板的生產(chǎn)，還可以提高建筑固廢使用率，同時(shí)本文還探討了建筑固廢對(duì)GRC性能的影響規(guī)律，為GRC材料的進(jìn)一步推廣使用提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1 水泥

試驗(yàn)所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，水泥的化學(xué)組成成分見(jiàn)表1，物理力學(xué)性能見(jiàn)表2。

1.1.2 天然石英砂與建筑固廢

表1 快硬硫鋁酸鹽水泥化學(xué)成分分析

表2 快硬硫鋁酸鹽水泥物理力學(xué)性能

試驗(yàn)所用砂為天然石英砂，顆粒粒徑不大于2mm，堆積密度 1.52g/cm3，細(xì)度模數(shù) 2.2，壓碎值為 7.6%。建筑固廢采用廢混凝土、鐵尾礦、廢磚三種混合用來(lái)模擬實(shí)際中的建筑垃圾，其中廢混凝土和廢磚為拆除的舊建筑物形成的建筑垃圾經(jīng)過(guò)分揀、破碎、篩分、清洗后加工得到粒徑范圍為0.075～3mm的顆粒，尾礦為鐵礦石經(jīng)過(guò)選礦后留下的廢棄物，經(jīng)加工也制備成粒徑小于3mm的顆粒。廢混凝土顆粒堆積密度1.55g/cm3，細(xì)度模數(shù)2.8，壓碎值為31.8%；廢尾礦顆粒的堆積密度1.78g/cm3，細(xì)度模數(shù)2.6，壓碎值為26.4%；廢磚顆粒對(duì)的堆積密度1.29g/cm3，細(xì)度模數(shù) 2.8，壓碎值為 30.1%。

1.1.3 外加劑

1）SP：減水組分，減水率31.9%，含固量18.3%，密度 1.05g/cm3，PH 值 6.3。

2）RT：緩凝組分，酒石酸，C4H6O6，白色結(jié)晶粉末，密度 1.697g/cm3，水溶解度 20.6%。

1.1.4 玻璃纖維

試驗(yàn)所用玻璃纖維為耐堿玻璃纖維無(wú)捻粗紗，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，彈性模量為 63～70GPa。

1.1.5 水

試驗(yàn)所用拌合水為自來(lái)水

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試樣制作

試驗(yàn)采用直接噴射工藝成型一塊900mm×900mm×10mm的實(shí)驗(yàn)板，養(yǎng)護(hù)完成后從實(shí)驗(yàn)板上切割試件進(jìn)行體積密度，含水率，吸水率等物理性能測(cè)試以及抗壓、抗沖擊、抗彎等力學(xué)性能和抗凍性能的測(cè)試。噴射工藝原理如下：利用噴射槍將混合均勻的料漿霧化噴出，同時(shí)將連續(xù)的的玻璃纖維無(wú)捻粗紗經(jīng)玻纖切割機(jī)切割成一定長(zhǎng)度的短纖維與霧化的料漿一同噴射到模板上成型，反復(fù)噴射直至纖維水泥混合料達(dá)到所需厚度，將試件表面輥壓密實(shí)后覆膜標(biāo)養(yǎng)至指定齡期測(cè)試。

1.2.2 試驗(yàn)方案

利用建筑固廢混合物替代GRC中的部分的天然石英砂，取代摻量分別為0%、21%、41%、51%。其中21%組又根據(jù)廢混凝土和廢尾礦的比例分為21%-1（1:3）、21%-2（1:1）和 21%-3（3:1）三組，其余摻量廢混凝土和廢尾礦的比例均為1:1，廢磚摻量均為1%，采用1:1的膠砂比和0.35的水灰比，加入PED增稠組分以優(yōu)化GRC性能，通過(guò)前期摸索確定玻璃纖維的摻量控制在5%左右，新拌制的GRC料漿流動(dòng)度控制在330mm左右以滿足噴射GRC工藝的漿體流動(dòng)度要求。具體試驗(yàn)配比如表3所示，F(xiàn)H代表建筑固廢混合物，BS代表空白對(duì)比樣品。

1.2.3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

參照GB/T 15231-2008《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法》中抗壓強(qiáng)度測(cè)試試件尺寸的要求，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案的配比制備30mm×30mm×30mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件用于GRC材料的7d抗壓強(qiáng)度測(cè)試，抗壓強(qiáng)度采用無(wú)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(cè)試。

1.2.4 抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)

采用中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春科新試驗(yàn)儀器研究所研制的WD4100型電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定GRC材料的抗彎破壞強(qiáng)度值（MOR）和抗彎比例極限強(qiáng)度值（LOP）。試件為從試驗(yàn)板上切割出250mm×50mm×10mm尺寸的噴射成型試件，試驗(yàn)方法參考GB/T 15231-2008《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法》中抗彎性能試驗(yàn)步驟進(jìn)行。

1.2.5 抗沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)

抗沖擊性能測(cè)試按照GB/T 15231-2008《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法》中抗沖擊強(qiáng)度的測(cè)定方法進(jìn)行。試件測(cè)試尺寸為120mm×50mm×10mm，沖擊試驗(yàn)采用河北承德建德檢測(cè)儀器有限公司生產(chǎn)的XJS-50沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，試件破壞以后，用游標(biāo)卡尺測(cè)量斷裂處的截面尺寸。

1.2.6 物理性能試驗(yàn)

將噴射成型的試驗(yàn)板切割出100mm×100mm×10mm的正方形板用于GRC材料體積密度，含水率，吸水率測(cè)試，物理性能測(cè)試方法參照GB/T 15231-2008《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法》中體積密度、含水率和吸水率的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行。

1.2.7 抗凍性試驗(yàn)

抗凍性試驗(yàn)參照GB/T7019-2014《纖維水泥制品試驗(yàn)方法》中的抗凍性試驗(yàn)進(jìn)行。先將試件至于室溫清水中24h，放置于低溫試驗(yàn)箱中，在-20℃冷凍1h30min，冷凍時(shí)間以放入試件后溫度重新降至-20℃時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，取出后放入（20±5）℃的清水中融化1h，以此為一次凍融循環(huán)。本試驗(yàn)采用凍融循環(huán)25次后觀察GRC材料抗凍性，并測(cè)試凍融前后的質(zhì)量損失以此表征抗凍性優(yōu)劣。

2 結(jié)果與討論

表3 再生GRC試驗(yàn)配比

2.1 體積密度、含水率和吸水率

再生GRC的物理性能如表4所示，從表中可以發(fā)現(xiàn)再生GRC的體積密度基本為2.1 g/cm3，含水率在1.8%～2.4%之間，吸水率在2.6%～3.5%之間，滿足JC/T1057-2007《玻璃纖維增強(qiáng)水泥矮墻板》和JC/T940-2004《玻璃纖維增強(qiáng)水泥（GRC）裝飾制品》中關(guān)于物理性能的要求，即體積密度≥1.8 g/cm3，吸水率≤14%。

表4 再生GRC的體積密度、含水率和吸水率

2.2 抗壓強(qiáng)度

圖1所示的為再生GRC材料的抗壓強(qiáng)度隨建筑固廢替代摻量增加的變化柱圖。從圖中可以看出：再生GRC的7天抗壓強(qiáng)度隨FH取代摻量的增加呈降低趨勢(shì)，當(dāng)FH的總?cè)〈浚?1%）不變時(shí)，廢混凝土和廢尾礦的含量一致時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，而后強(qiáng)度值隨著FH摻量的增加而降低。

圖1 建筑固廢對(duì)GRC抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 抗彎強(qiáng)度

再生GRC的抗彎強(qiáng)度包括兩個(gè)性能指標(biāo)，分別為抗彎比例極限強(qiáng)度值（LOP）和抗彎破壞強(qiáng)度值（MOR）已經(jīng)相應(yīng)的單塊最小值。圖2和圖3分別代表MOR、LOP對(duì)應(yīng)建筑固廢（FH）替代摻量增加的變化柱圖。再生GRC的7天MOR/LOP隨FH取代摻量的增加呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。其中21%FH-2取代摻量制備的再生GRC的彎極限強(qiáng)度/抗彎比例極限強(qiáng)度達(dá)到最高，而后隨著摻量的增加而逐漸降低。

2.4 抗沖擊強(qiáng)度

圖4所示的為再生GRC材料的抗沖擊強(qiáng)度隨FH替代摻量增加的變化柱圖。再生GRC的7天抗沖擊強(qiáng)度與彎極限強(qiáng)度/抗彎比例極限強(qiáng)度的變化趨勢(shì)一致，呈現(xiàn)逐漸降低的變化，當(dāng)FH的取代摻量為21%，廢混凝土和廢尾礦含量相同是達(dá)到峰值，再生GRC的抗沖擊強(qiáng)度可達(dá)30KJ/m2左右，遠(yuǎn)超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)。

圖2 建筑固廢對(duì)GRC抗彎極限強(qiáng)度的影響

圖3 建筑固廢對(duì)GRC抗彎比例極限強(qiáng)度的影響

圖4 建筑固廢對(duì)再生GRC抗沖擊強(qiáng)度的影響

2.5 抗凍性能

再生GRC試件經(jīng)過(guò)25次凍融循環(huán)后，所有GRC試件均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)掉角、起層、剝落或龜裂現(xiàn)象。通過(guò)測(cè)量25次凍融循環(huán)之前與之后的質(zhì)量變化，可以得到再生GRC板材不同建筑固廢摻量的質(zhì)量損失如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)再生GRC板材的抗凍質(zhì)量損失均在0.2%以下，且再生GRC的質(zhì)量損失隨FH摻量的增加而增加。此試驗(yàn)說(shuō)明FH的摻入對(duì)再生GRC的抗凍性起到了劣化作用，但是所有的試樣均為發(fā)現(xiàn)凍融破壞現(xiàn)象，說(shuō)明摻入建筑固廢取代骨料在抗凍方面可行。

圖5 凍融循環(huán)后再生GRC的質(zhì)量損失率

2.6 結(jié)果討論

從以上物理性能和力學(xué)性能試驗(yàn)可以看出，建筑固廢可以作為替代天然石英砂的骨料用于制備GRC材料。同時(shí)再生GRC的抗壓、抗彎、抗沖擊強(qiáng)度隨FH中廢混凝土的含量增加而都呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，這是因?yàn)閺U混凝土再生骨料的表面形貌與顆粒強(qiáng)度共同作用，前者由于表面粗糙多孔，可以吸附體系水分與水泥料漿從而起到一定的促?gòu)?qiáng)作用，當(dāng)FH取代率增高，廢混凝土和廢尾礦、廢磚顆粒本身的強(qiáng)度較天然石英砂低，所以出現(xiàn)強(qiáng)度下降的現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

本文研究了建筑固廢取代部分天然石英砂用于GRC的制備和建筑固廢取代率對(duì)再生GRC物理和力學(xué)性能的影響。所得結(jié)果如下：

1）采用噴射成型工藝，當(dāng)建筑固廢取代率達(dá)到21%，廢混凝土和廢尾礦含量相同時(shí)，再生GRC的力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)，而后隨著摻量的增加力學(xué)性能逐漸降低。

2）建筑固廢取代天然石英砂對(duì)GRC的物理性能影響不大。

3）25次凍融循環(huán)后摻加建筑固廢的再生GRC沒(méi)有發(fā)現(xiàn)凍融破壞現(xiàn)象，且再生GRC板材的抗凍質(zhì)量損失均在0.2%以下。