再生風機葉片纖維對混凝土力學和抗凍性能的影響

王富平，張 默，周博宇

(1.國能聯合動力技術(保定)有限公司，保定 071051；2.河北工業大學土木與交通學院，天津 300401；3.天津市裝配式建筑與智能建造重點實驗室，天津 300401；4.智慧基礎設施研究院，天津 300401)

0 引 言

近年來，我國玻璃鋼產業發展迅猛，在國防軍工、基礎設施、風力發電、航空航天、體育用品等領域廣泛應用[1]。在風電領域，玻璃鋼主要應用在風力發電機的葉片上，隨著國家對風能能源開發的迫切要求，風力發電機呈持續快速增長趨勢。然而，由此產生了大量的邊角料和退役產品，據不完全統計，2018年大約有5 700 t葉片退役，2021年有1.0～1.5萬噸葉片退役，到2040年，葉片下線量預計超過500萬噸[2]。由于熱固性樹脂難以分離和降解，填埋和焚燒是目前解決大體量廢棄風機葉片堆積的主要方式，造成土地占用和環境污染嚴重[3]。目前，玻璃鋼廢棄物的回收再利用方法還處于研究階段，以物理回收、化學回收、能量回收和生物降解為主。其中，物理回收方法是用機械破碎廢棄玻璃鋼研磨成再生材料，具有成本低、效率高、污染小的特點，是最有可能實現產業化應用的方法[4-7]。

目前，物理回收玻璃鋼在混凝土中的應用研究已經取得了一些進展。馮艷超[8]用廢棄玻璃鋼纖維和廢棄玻璃鋼粉制備了粘結砂漿。騰銀見[1]研究了玻璃鋼再生料的摻入對活性粉末混凝土工作性能、力學性能和耐久性能的影響，研究表明將回收玻璃鋼作為細骨料的替代物應用于水泥基復合材料時，回收玻璃鋼中的纖維可以起到抑制裂紋擴展，提高混凝土力學強度、韌性和耐久性能的作用[9-10]。Yazdanbakhsh等[11]和Nie等[12]研究了回收玻璃鋼替代粗骨料對混凝土性能的影響，結果發現混凝土的劈裂抗拉強度可以得到提高，但抗壓強度稍有降低。現有研究的回收玻璃鋼主要來自生產玻璃鋼過程中的邊角料，對于廢棄風機葉片在混凝土中應用的研究較少。Yazdanbakhsh等[13]將廢棄風機葉片加工成統一尺寸的條狀骨料來代替混凝土中質量分數為5%和10%的粗骨料，結果表明其對混凝土的抗壓、抗拉和抗彎強度沒有顯著影響，但混凝土韌性顯著提高。然而，統一尺寸的條狀骨料對切割設備的要求很高，并且回收效率不高，因此本文采用更經濟易行的破碎設備得到一種纖維狀再生風機葉片，并研究其對混凝土性能的影響。

本文用再生風機葉片(recycled waste wind turbine blade,rWTB)纖維替代混凝土中細骨料，替代質量分數分別為0%、10%、20%和30%。對4組混凝土試件進行密度、吸水率、抗壓強度、抗彎強度和劈裂抗拉強度試驗，研究再生風機葉片纖維對混凝土力學性能的影響。以質量損失率、相對動彈性模量和表觀形貌為指標，探究了再生風機葉片纖維對混凝土抗凍性能的影響，評價廢棄風機葉片在混凝土中應用的經濟和環境價值，為再生風機葉片纖維在混凝土中應用提供參考。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，來自天津市冀東水泥有限公司。硅灰：來自河南鉑潤新材料有限公司，表觀密度為2.2 g/cm3，比表面積為18 000 m2/kg，90%的硅灰粒徑小于20 μm。水泥和硅灰的XRF化學組分測定結果如表1所示。細集料采用細度模數為2.1的河砂，粗骨料為花崗巖碎石，最大粒徑為25 mm，含泥量為0.3%，表觀密度為2 720 kg/m3。減水劑為聚羧酸系高性能減水劑，含固量為40%，減水率為37%。試驗用水是天津地區自來水。再生風機葉片纖維由河北安恕朗晴環保設備有限公司回收(回收過程見圖1)，參照《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》(JGJ 52—2006)測其密度和吸水率，分別為2.03 g/cm3和0.64%。粗細骨料和再生風機葉片纖維顆粒分布曲線如圖2(a)所示。

表1 膠凝材料的主要化學成分Table 1 Main chemical composition of cementitious materials

圖1 再生風機葉片纖維物理回收過程Fig.1 Mechanical recycling process of rWTB fiber

圖2 原材料和混凝土骨料的級配曲線(Cu為不均勻系數,Cc為曲率系數)Fig.2 Gradation curves of raw materials and mixture (Cu is coefficient of nonuniformity，and Cc is coefficient of graduation)

1.2 試驗配合比

為研究再生風機葉片纖維對混凝土力學性能和抗凍性能的影響，設計了如表2所示的混凝土配合比方案。用再生風機葉片纖維替換混凝土中質量分數為0%、10%、20%和30%的河砂，制備混凝土試件，按質量比將水泥、硅灰、河砂和再生風機葉片纖維混合均勻，再加入減水劑和水的混合溶液攪拌5 min，最后將拌和好的混凝土倒入模具中，澆筑完成后將試件放置在(20±2) ℃的環境下養護24 h，待試件成型后拆模，放入標準養護室(溫度(20±2) ℃，相對濕度95%以上)養護28 d后進行相應試驗。

表2 再生風機葉片纖維混凝土配合比Table 2 Mix proportion of rWTB fiber concrete

為了評價再生風機葉片纖維對混凝土骨料級配的影響，采用不均勻系數Cu和曲率系數Cc來評價混凝土級配，兩個指標的計算過程見式(1)和(2)。不均勻系數Cu是反映組成混凝土顆粒均勻程度的一個指標，Cu越大，表示粒徑分布越廣，小顆粒可以填充大顆粒間的孔隙，級配良好。曲率系數Cc是描述累計曲線整體形狀的指標，Cc過大，表示d20與d40范圍內有臺階，在這一范圍內缺少某種粒徑，不同摻量再生風機葉片纖維混凝土的Cu和Cc計算結果如圖2(b)所示。

(1)

(2)

式中：d20、d40和d60分別表示在混凝土的粒徑累計曲線上過篩質量占20%、40%和60%的粒徑。

1.3 試驗方法

參考《輕骨料混凝土應用技術標準》(JGJ/T 12—2019)，將標準養護28 d立方體試件(尺寸為100 mm×100 mm×100 mm)取出置于105～110 ℃的烘箱中烘至恒重，稱重，并測定試件的體積，按照質量與體積之比的計算方法得到表觀密度。再將上述試件壓入水箱中浸泡24 h后取出，擦干表面水分，稱重，計算浸水24 h吸水率，每組取三個平行試樣。按照規范《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)對混凝土進行抗壓、抗彎、劈裂試驗，抗壓和劈裂試驗均采用100 mm×100 mm×100 mm的試件，抗彎試驗采用100 mm×100 mm×400 mm的試件，儀器為300 kN微機控制試驗機，混凝土抗壓試驗壓縮速率為0.5 MPa/s，混凝土抗彎和劈裂試驗加載速率均為0.05 MPa/s，測試結果均取三組試樣的平均值。參考《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)，混凝土試件測定條件為水凍水融，以經受的快速凍融循環次數來表示混凝土抗凍性能。

2 結果與討論

2.1 表觀密度和吸水率

圖3為再生風機葉片纖維摻量對混凝土表觀密度和吸水率的影響。由圖3可知，再生風機葉片纖維替代河砂降低了混凝土的表觀密度，再生風機葉片纖維摻量從0%提高到30%時，混凝土的28 d表觀密度從2 311 kg/m3降低到2 080 kg/m3。這一方面是因為再生風機葉片纖維的密度遠低于河砂，另一方面是由于再生風機葉片纖維具有形態不一、顆粒級配分布不均和親水性差等特點，在混凝土拌和過程中可能引入大量的氣泡，導致混凝土密度降低[9]。再生風機葉片纖維替代河砂后增大了混凝土的吸水率，但再生風機葉片纖維替代率為20%的混凝土的吸水率低于替代率為10%和30%的混凝土。這與再生風機葉片纖維混凝土的級配有關(圖2)，再生風機葉片纖維摻量為0%、10%、20%和30%時，混凝土干料的不均勻系數分別為73.33、76.67、82.00和53.33，曲率系數分別為0.17、0.24、0.35和1.28，當再生風機葉片纖維替代率為30%時，混凝土干料的不均勻系數降低，曲率系數增大數倍，混凝土出現顆粒粒徑缺失，級配不良，導致混凝土孔隙增多，進而吸水率顯著增大。

圖3 再生風機葉片纖維摻量對混凝土表觀密度和吸水率的影響Fig.3 Effect of rWTB fiber content on bulk density and water absorption of concrete

2.2 力學性能

圖4為不同再生風機葉片纖維取代率的混凝土試件在養護28 d時的抗壓、抗彎和劈裂抗拉強度。混凝土的無側限抗壓強度隨再生風機葉片纖維取代率的升高而降低，素混凝土28 d抗壓強度為38.3 MPa，摻入10%、20%和30%再生風機葉片纖維時，混凝土抗壓強度分別降低了15.1%、15.7%和22.2%。這種變化趨勢與國內外學者關于其他類型再生玻璃鋼材料的研究結果基本一致[14]。這主要是因為通過物理破碎回收的再生玻璃鋼是一種非均質材料，里面混雜了不同尺寸的粉末、樹脂顆粒和纖維，與河砂相比，其級配均勻性差，不能提供良好的骨架支撐作用，并且與水泥漿粘結性較弱，導致混凝土抗壓強度降低。但是，由于纖維的存在，再生風機葉片纖維混凝土具有更加優異的抗彎和劈裂抗拉強度。當再生風機葉片纖維摻量為10%、20%和30%時，混凝土抗彎強度分別提高了2.8%、2.8%和11.1%，劈裂抗拉強度分別提高了56.3%、68.8%和40.6%。這說明在混凝土受拉破壞過程中再生風機葉片纖維能夠起到較好的限制微裂縫開展的作用，進而能夠增強混凝土抗彎和劈裂抗拉強度。圖5為混凝土試件的劈裂抗拉破壞圖。由圖5可知，素混凝土發生了典型的脆性破壞，試件從中間被劈成兩半，而摻入再生風機葉片纖維的混凝土雖然也產生貫穿裂縫，但試件并未完全斷裂，并且隨著再生風機葉片纖維摻量增加，裂縫擴展更加蜿蜒曲折，說明再生風機葉片纖維提供了良好的橋接裂縫能力，提高了混凝土破壞后的整體性。

圖4 再生風機葉片纖維摻量對混凝土抗壓、抗彎和劈裂抗拉強度的影響Fig.4 Effect of rWTB fiber content on compressive strength,flexural strength and splitting tensile strength of concrete

圖5 不同再生風機葉片纖維摻量下混凝土劈裂試驗破壞形態Fig.5 Failure modes in splitting tests of concrete with different rWTB fiber content

2.3 抗凍性能

再生風機葉片纖維混凝土經凍融循環后質量損失率和相對動彈性模量如圖6所示，隨著凍融循環次數的增加，各混凝土試樣的質量損失率和相對動彈性模量均逐漸增大。經過75次凍融循環后，各混凝土試件的相對動彈性模量均未下降到50%，因此以質量損失率作為評價混凝土抗凍性能的指標。由圖6(a)可知，再生風機葉片纖維顯著提高了混凝土的抗凍性能，當凍融循環25次時，摻10%、20%和30%再生風機葉片纖維的混凝土的質量損失率分別為3.6%、1.2%和1.7%，而素混凝土的質量損失率已超過5.0%，達到了凍融壽命。摻20%再生風機葉片纖維的混凝土表現出最優異的抗凍性能，當凍融循環50次時，只有摻20%再生風機葉片纖維的混凝土未達到凍融壽命，質量損失率為3.9%，當凍融循環75次時，質量損失率為5.1%。根據滲透壓假說理論[15]，混凝土內部結構中小孔的冰點要低于大孔的冰點，在受凍過程中，大孔的孔溶液濃度要高于小孔的孔溶液濃度，這就導致小孔中的水向大孔中流動，從而形成滲透壓，導致內部結構的破壞。與摻20%再生風機葉片纖維的混凝土相比，摻10%和30%再生風機葉片纖維的混凝土由于級配不良(圖2)，孔隙數量較多，滲透壓作用越明顯。混凝土試件凍融循環75次后的表觀形貌如圖7所示，摻20%再生風機葉片纖維的混凝土在凍融循環75次后表觀形貌最完整，素混凝土和摻30%再生風機葉片纖維的混凝土材料脫落最明顯。

圖6 再生風機葉片纖維摻量對混凝土抗凍性能的影響Fig.6 Effect of rWTB fiber content on frost resistance of concrete

圖7 混凝土試件凍融循環75次后的表觀形貌Fig.7 Apparent morphology of concrete specimens after 75 times freeze-thaw cycles

2.4 微觀形貌

再生風機葉片纖維摻量對混凝土微觀形貌的影響如圖8所示，可以發現：(1)再生風機葉片中的玻璃纖維多被樹脂包裹，呈束狀，因此即使在高摻量下也不會顯著影響混凝土的流動性，并且能有效防止單根纖維損傷導致纖維的增強增韌作用降低；(2)替代率為10%和20%時，纖維與水泥漿體粘結緊密，未出現明顯氣孔，纖維可以阻斷微裂縫的擴展；(3)替代率達到30%時，纖維出現團聚現象，并且纖維與基體的粘結面附近存在大量孔隙，這說明大摻量纖維引起混凝土孔隙增多可能是其力學性能降低、吸水率增大的一個重要原因。

圖8 再生風機葉片纖維摻量對混凝土微觀形貌的影響Fig.8 Effect of rWTB fiber content on microstructure of concrete

2.5 經濟和環境效益

根據前文試驗結果，摻入10%～30%再生風機葉片纖維的混凝土抗壓強度均達到C30要求，并且再生風機葉片纖維的摻入有助于提高混凝土的韌性和耐久性，按照本研究配合比制備的混凝土地磚和排水溝在自然環境下放置1年，表觀無任何破損情況，如圖9所示。

圖9 再生風機葉片纖維混凝土應用研究Fig.9 Application research of rWTB fiber concrete

通過比較采用天然河砂和再生風機葉片纖維制備1 m3C30混凝土的成本，來評價摻入再生風機葉片纖維帶來的經濟效益。再生風機葉片纖維為回收料，回收廢棄風機葉片可得到處理費，一般去除成本后可以帶來400元/t的收益。再生風機葉片纖維的經濟效益分析如表3所示。從表3可以看出，利用再生風機葉片纖維替代10%、20%、30%河砂制作混凝土，每立方米分別可以節約成本34.6元、69.2元、103.8元。廢棄風機葉片中碳元素的質量分數一般為30%左右，若采用傳統的焚燒處理，處理每噸廢棄風機葉片將產生0.3 t CO2。通過機械破碎得到再生風機葉片纖維并應用于混凝土，碳排放主要來自所消耗的電能，根據破碎廢棄風機葉片所需電量(每噸26.67 kW·h)，按電網基準線碳排放因子為0.58 kg CO2/(kW·h)計算，資源化再利用每噸廢棄風機葉片只產生0.015 t CO2。以再生風機葉片纖維替代率為20%計算，每立方米混凝土中纖維摻量為150.4 kg，與傳統焚燒處理相比，可減少CO2排放0.04 t。因此，回收廢棄風機葉片，將其應用在混凝土中可以帶來顯著的經濟和環境效益。

表3 再生風機葉片纖維的經濟效益分析Table 3 Economic benefit analysis of rWTB fiber

3 結 論

(1)混凝土密度隨再生風機葉片纖維摻量增加而降低，纖維摻量為30%時，密度最低,為2 080 kg/m3。但纖維摻量過高會使混凝土級配不良，孔隙增多，導致混凝土吸水率增大。

(2)加入再生風機葉片纖維的混凝土抗彎強度和劈裂抗拉強度均得到提高，當再生風機葉片摻量為10%、20%和30%時，混凝土抗彎強度分別提高了2.8%、2.8%和11.1%。微觀分析發現，再生風機葉片纖維能夠很好地限制混凝土裂縫開展，提高混凝土破壞后的整體性。

(3)素混凝土的凍融壽命只有25次，而摻20%再生風機葉片纖維混凝土凍融壽命可達75次，再生風機葉片纖維混凝土抗凍性能顯著提高。應用實例表明，含再生風機葉片纖維混凝土在自然環境下放置1年，無任何破損、變形情況發生。