有机硅添加剂对GRC性能的影响研究

（中国建材检验认证集团北京天誉有限公司，北京 101113）

0 前言

玻璃纤维增强水泥（GRC）作为一种纤维混凝土复合材料，具有较高的抗拉和抗折强度，以及良好的韧性，可做出各种具有装饰效果的异型构件[1]。GRC的主要组成为水泥、天然砂、水和耐碱玻纤，其中天然砂主要为天然石英砂，在GRC中用量大，优质的石英砂成本高，开采还会破坏环境。采用建筑固废制备的再生骨料替代石英砂制备GRC可降低生产成本，节约天然资源，同时消耗建筑固废，减少固废污染[2-3]。但是再生骨料强度低、吸水率高[4-5]，而GRC本身的吸水率已较高（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，势必进一步增大GRC的吸水率，对GRC的耐久性非常不利。

有机硅添加剂可以对建筑物和构筑物起到防护作用，主要原理在于有机硅中的大多数硅氧烷和硅烷都是非常小的分子，可以渗透很深，并均匀分布在材料结构中，它们与胶材的水化产物发生反应，且自身也发生反应，形成耐久的结合。固化时，在基材表层形成保护层，允许水蒸汽传输，同时防止含有溶解的氯离子或酸的液态水进入基层，从而起到渗透、成膜、疏水、防水的作用[6-7]。

查阅相关文献发现，关于利用有机硅作为添加剂改善再生GRC材料的性能，没有已发布的相关资料。本文主要通过研究有机硅添加剂对于再生GRC材料力学性能、吸水率以及抗冻性能的影响，初步探究其作用机理，为其进一步推广使用提供理论基础。

1 试验

1.1 原材料

1.1.1 水泥

试验所用水泥为42.5级高贝利特硫铝酸盐水泥，主要矿物组成为硫铝酸钙、硅酸二钙、硫酸钙和铁相，水泥的主要性能如表1所示。

表1 高贝利特硫铝酸盐水泥物理力学性能

1.1.2 细骨料

所用细骨料包括天然石英砂和废混凝土再生骨料。天然石英砂20～40目，细度模数2.7，堆积密度1410kg/m3。废混凝土再生骨料为旧建筑物形成的建筑垃圾中的废混凝土块经过破碎、清洗、筛分后加工得到的颗粒（粒径范围0.075～3mm），本文所用废混凝土再生骨料粒径小于2mm，压碎指标27.5%，细度模数2.7。

1.1.3 玻璃纤维

所用纤维为耐碱玻璃纤维，其ZrO2含量16.63%，单丝直径13.2μm，线密度2406tex，密度2.73g/cm3，可燃物含量1.79%。

1.1.4 有机硅添加剂

所用有机硅为SHP60 Plus有机硅憎水粉末，自由流动性白色粉末，组分为硅烷/树脂基。

1.2 试验过程

1.2.1 试验样品制备

按表2所列配合比制备GRC料浆，将料浆与纤维采用喷射工艺成型试验板，试验板总体尺寸1.0m×1.0m×10.0mm，固定水灰比0.35，固定胶砂比1:1，通过调节减水剂掺量控制料浆流动度在320±10mm，喷射纤维掺量固定在5.0%左右，料浆硬化后从试验板上切割指定尺寸的小试样进行标准养护到指定龄期进行测试。未加入有机硅添加剂的试件标号为R0～R5，加入有机硅添加剂的试验编号为R0S～R5S，有机硅掺量为干料成分的0.5%（重量比）。

表2 再生GRC试验配比

1.2.2 抗弯强度测试

抗弯强度测试试件尺寸250mm×50mm×10mm，采用四点弯曲试验，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，加载速度采用位移控制在4mm/min，直至损坏。

1.2.3 吸水率测试

吸水率测试的试件尺寸100mm×100mm×10mm，试验方法参考GB/T 15231-2008《玻璃纤维增强水泥性能试验方法》中吸水率的试验步骤进行。

1.2.4 抗冻性能测试

抗冻性测试的试件尺寸250mm×50mm×10mm，采用天津市港源试验仪器厂生产的全自动低温冻融试验机，冻融循环机制以在-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为一次冻融循环。分别测试25次和50次冻融循环后的质量损失率，同时观察试件表面是否出现起层、剥落等破坏现象，如果试件表面无起层、剥落等破坏现象，则通过质量损失率ΔW评定抗冻性能，质量损失率越小，表示质量下降越慢，抗冻性能越优异。ΔW的计算公式如下：

式中，W0i-冻融循环前试件的质量（g）；Wni-经N次冻融循环后的试件的质量（g）；ΔWni-经N次冻融循环后的试件的质量损失率（%），精确至0.01。

2 结果与讨论

2.1 有机硅添加剂对再生GRC抗弯强度的影响

再生GRC的抗弯强度取28天龄期的抗弯破坏强度值（MOR）进行对比，图1列出了未加入有机硅添加剂和加入有机硅添加剂的MOR。从图中可以看出：再生GRC的抗弯强度随废混凝土再生骨料替代掺量的增大而逐渐降低，强度降低可达30%；加入有机硅添加剂后对于再生GRC的抗弯强度影响不大，强度差值在6%以内，这是因为有机硅添加剂的主要成分硅烷/树脂基在水泥基材料中起到渗透/疏水的作用，只在基层形成疏水保护层，对于基体的力学性能影响不大。

图1 有机硅添加剂对再生GRC抗弯强度的影响

2.2 有机硅添加剂对再生GRC吸水率的影响

未加入有机硅添加剂的再生GRC吸水率和加入有机硅添加剂的再生GRC吸水率如图2所示。从图2可见，加入有机硅添加剂可以明显降低再生GRC的吸水率，下降幅度60%～74%，还可以看到随着废混凝土再生骨料的替代掺量增加，再生GRC的吸水率也逐渐增大，这是因为再生骨料本身强度低、多孔多裂缝、吸水率高，导致制备的再生GRC吸水率进一步增大。同时，加入有机硅添加剂在再生GRC基体的表面和内部表层形成憎水层，可以阻挡外界和内部的水分循环，从而降低再生GRC的吸水率。

图2 有机硅添加剂对再生GRC吸水率的影响

2.3 有机硅添加剂对再生GRC抗冻性能的影响

再生GRC的抗冻性能通过质量损失率ΔW评定，未加入有机硅添加剂和加入有机硅添加剂的再生GRC经过25次和50次冻融的质量损失率如表3所示。从表中可以看出，废混凝土再生骨料对再生GRC的抗冻性能造成不利影响，基本在40次左右表层就出现裂缝、起层、剥落等现象。同时，有机硅添加剂的加入又可以大大改善再生GRC抵抗冻融循环破坏的能力，这是因为有机硅添加剂中的硅烷分子通过自身或与水化产物反应在基体表层形成疏水保护层，阻隔了内部与外界的水分交换，阻断了基体中毛细孔中水分的流通，从而起到了增强抗冻能力的作用。

表3 有机硅添加剂对再生GRC抗冻性能的影响

3 结论

本文研究了有机硅添加剂对于不同再生骨料掺量的再生GRC制品的抗弯强度、吸水率、抗冻性能等的影响，所得结论如下：

1）随着废混凝土再生骨料替代量的增加，再生GRC的抗弯强度和抗冻性能随之逐渐降低，而吸水率则随之逐渐增大。

2）有机硅添加剂可以改善再生GRC的表层亲疏水情况，降低再生GRC的吸水率，从而增强抗冻融循环能力。

3）有机硅添加剂对于再生GRC的抗弯强度影响较小，主要是改善再生GRC的界面性能，阻断基体内部与外界的水分交换。