再生風(fēng)機葉片纖維對混凝土力學(xué)和抗凍性能的影響

王富平，張 默，周博宇

(1.國能聯(lián)合動力技術(shù)(保定)有限公司，保定 071051；2.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)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(chǔ)設(shè)施研究院，天津 300401)

0 引 言

近年來，我國玻璃鋼產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，在國防軍工、基礎(chǔ)設(shè)施、風(fēng)力發(fā)電、航空航天、體育用品等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1]。在風(fēng)電領(lǐng)域，玻璃鋼主要應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電機的葉片上，隨著國家對風(fēng)能能源開發(fā)的迫切要求，風(fēng)力發(fā)電機呈持續(xù)快速增長趨勢。然而，由此產(chǎn)生了大量的邊角料和退役產(chǎn)品，據(jù)不完全統(tǒng)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(yù)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(fēng)機葉片堆積的主要方式，造成土地占用和環(huán)境污染嚴(yán)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(xué)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(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的方法[4-7]。

目前，物理回收玻璃鋼在混凝土中的應(yīng)用研究已經(jīng)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(jié)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(xué)性能和耐久性能的影響，研究表明將回收玻璃鋼作為細(xì)骨料的替代物應(yīng)用于水泥基復(fù)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(xué)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(jié)果發(fā)現(xiàn)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?，F(xiàn)有研究的回收玻璃鋼主要來自生產(chǎn)玻璃鋼過程中的邊角料，對于廢棄風(fēng)機葉片在混凝土中應(yīng)用的研究較少。Yazdanbakhsh等[13]將廢棄風(fēng)機葉片加工成統(tǒng)一尺寸的條狀骨料來代替混凝土中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%和10%的粗骨料，結(jié)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(tǒng)一尺寸的條狀骨料對切割設(shè)備的要求很高，并且回收效率不高，因此本文采用更經(jīng)濟易行的破碎設(shè)備得到一種纖維狀再生風(fēng)機葉片，并研究其對混凝土性能的影響。

本文用再生風(fēng)機葉片(recycled waste wind turbine blade,rWTB)纖維替代混凝土中細(xì)骨料，替代質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(fēng)機葉片纖維對混凝土力學(xué)性能的影響。以質(zhì)量損失率、相對動彈性模量和表觀形貌為指標(biāo)，探究了再生風(fēng)機葉片纖維對混凝土抗凍性能的影響，評價廢棄風(fēng)機葉片在混凝土中應(yīng)用的經(jīng)濟和環(huán)境價值，為再生風(fēng)機葉片纖維在混凝土中應(yīng)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(xué)組分測定結(jié)果如表1所示。細(xì)集料采用細(xì)度模數(shù)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(qū)自來水。再生風(fēng)機葉片纖維由河北安恕朗晴環(huán)保設(shè)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(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 52—2006)測其密度和吸水率，分別為2.03 g/cm3和0.64%。粗細(xì)骨料和再生風(fēng)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(xué)成分Table 1 Main chemical composition of cementitious materials

圖1 再生風(fēng)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(shù),Cc為曲率系數(shù))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(fēng)機葉片纖維對混凝土力學(xué)性能和抗凍性能的影響，設(shè)計了如表2所示的混凝土配合比方案。用再生風(fēng)機葉片纖維替換混凝土中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、10%、20%和30%的河砂，制備混凝土試件，按質(zhì)量比將水泥、硅灰、河砂和再生風(fēng)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(huán)境下養(yǎng)護24 h，待試件成型后拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室(溫度(20±2) ℃，相對濕度95%以上)養(yǎng)護28 d后進行相應(yīng)試驗。

表2 再生風(fēng)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(fēng)機葉片纖維對混凝土骨料級配的影響，采用不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc來評價混凝土級配，兩個指標(biāo)的計算過程見式(1)和(2)。不均勻系數(shù)Cu是反映組成混凝土顆粒均勻程度的一個指標(biāo)，Cu越大，表示粒徑分布越廣，小顆?？梢蕴畛浯箢w粒間的孔隙，級配良好。曲率系數(shù)Cc是描述累計曲線整體形狀的指標(biāo)，Cc過大，表示d20與d40范圍內(nèi)有臺階，在這一范圍內(nèi)缺少某種粒徑，不同摻量再生風(fēng)機葉片纖維混凝土的Cu和Cc計算結(jié)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(zhì)量占20%、40%和60%的粒徑。

1.3 試驗方法

參考《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 12—2019)，將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)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(zhì)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(guī)范《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(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(jié)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(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)，混凝土試件測定條件為水凍水融，以經(jīng)受的快速凍融循環(huán)次數(shù)來表示混凝土抗凍性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 表觀密度和吸水率

圖3為再生風(fēng)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(fēng)機葉片纖維替代河砂降低了混凝土的表觀密度，再生風(fēng)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(fēng)機葉片纖維的密度遠低于河砂，另一方面是由于再生風(fēng)機葉片纖維具有形態(tài)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(dǎo)致混凝土密度降低[9]。再生風(fēng)機葉片纖維替代河砂后增大了混凝土的吸水率，但再生風(fēng)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(fēng)機葉片纖維混凝土的級配有關(guān)(圖2)，再生風(fēng)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(shù)分別為73.33、76.67、82.00和53.33，曲率系數(shù)分別為0.17、0.24、0.35和1.28，當(dāng)再生風(fēng)機葉片纖維替代率為30%時，混凝土干料的不均勻系數(shù)降低，曲率系數(shù)增大數(shù)倍，混凝土出現(xiàn)顆粒粒徑缺失，級配不良，導(dǎo)致混凝土孔隙增多，進而吸水率顯著增大。

圖3 再生風(fēng)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(xué)性能

圖4為不同再生風(fēng)機葉片纖維取代率的混凝土試件在養(yǎng)護28 d時的抗壓、抗彎和劈裂抗拉強度。混凝土的無側(cè)限抗壓強度隨再生風(fēng)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(fēng)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(nèi)外學(xué)者關(guān)于其他類型再生玻璃鋼材料的研究結(jié)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(zhì)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(jié)性較弱，導(dǎo)致混凝土抗壓強度降低。但是，由于纖維的存在，再生風(fēng)機葉片纖維混凝土具有更加優(yōu)異的抗彎和劈裂抗拉強度。當(dāng)再生風(fēng)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(fēng)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(fā)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(fēng)機葉片纖維的混凝土雖然也產(chǎn)生貫穿裂縫，但試件并未完全斷裂，并且隨著再生風(fēng)機葉片纖維摻量增加，裂縫擴展更加蜿蜒曲折，說明再生風(fēng)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(fēng)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(fēng)機葉片纖維摻量下混凝土劈裂試驗破壞形態(tài)Fig.5 Failure modes in splitting tests of concrete with different rWTB fiber content

2.3 抗凍性能

再生風(fēng)機葉片纖維混凝土經(jīng)凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率和相對動彈性模量如圖6所示，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各混凝土試樣的質(zhì)量損失率和相對動彈性模量均逐漸增大。經(jīng)過75次凍融循環(huán)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(zhì)量損失率作為評價混凝土抗凍性能的指標(biāo)。由圖6(a)可知，再生風(fēng)機葉片纖維顯著提高了混凝土的抗凍性能，當(dāng)凍融循環(huán)25次時，摻10%、20%和30%再生風(fēng)機葉片纖維的混凝土的質(zhì)量損失率分別為3.6%、1.2%和1.7%，而素混凝土的質(zhì)量損失率已超過5.0%，達到了凍融壽命。摻20%再生風(fēng)機葉片纖維的混凝土表現(xiàn)出最優(yōu)異的抗凍性能，當(dāng)凍融循環(huán)50次時，只有摻20%再生風(fēng)機葉片纖維的混凝土未達到凍融壽命，質(zhì)量損失率為3.9%，當(dāng)凍融循環(huán)75次時，質(zhì)量損失率為5.1%。根據(jù)滲透壓假說理論[15]，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(dǎo)致小孔中的水向大孔中流動，從而形成滲透壓，導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞。與摻20%再生風(fēng)機葉片纖維的混凝土相比，摻10%和30%再生風(fēng)機葉片纖維的混凝土由于級配不良(圖2)，孔隙數(shù)量較多，滲透壓作用越明顯?；炷猎嚰鋈谘h(huán)75次后的表觀形貌如圖7所示，摻20%再生風(fēng)機葉片纖維的混凝土在凍融循環(huán)75次后表觀形貌最完整，素混凝土和摻30%再生風(fēng)機葉片纖維的混凝土材料脫落最明顯。

圖6 再生風(fēng)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(huán)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(fēng)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(fā)現(xiàn)：(1)再生風(fēng)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(dǎo)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(jié)緊密，未出現(xiàn)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(xiàn)團聚現(xiàn)象，并且纖維與基體的粘結(jié)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(xué)性能降低、吸水率增大的一個重要原因。

圖8 再生風(fēng)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(jīng)濟和環(huán)境效益

根據(jù)前文試驗結(jié)果，摻入10%～30%再生風(fēng)機葉片纖維的混凝土抗壓強度均達到C30要求，并且再生風(fēng)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(huán)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(fēng)機葉片纖維混凝土應(yīng)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(fēng)機葉片纖維制備1 m3C30混凝土的成本，來評價摻入再生風(fēng)機葉片纖維帶來的經(jīng)濟效益。再生風(fēng)機葉片纖維為回收料，回收廢棄風(fēng)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(fēng)機葉片纖維的經(jīng)濟效益分析如表3所示。從表3可以看出，利用再生風(fēng)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(jié)約成本34.6元、69.2元、103.8元。廢棄風(fēng)機葉片中碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為30%左右，若采用傳統(tǒng)的焚燒處理，處理每噸廢棄風(fēng)機葉片將產(chǎn)生0.3 t CO2。通過機械破碎得到再生風(fēng)機葉片纖維并應(yīng)用于混凝土，碳排放主要來自所消耗的電能，根據(jù)破碎廢棄風(fēng)機葉片所需電量(每噸26.67 kW·h)，按電網(wǎng)基準(zhǔn)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(fēng)機葉片只產(chǎn)生0.015 t CO2。以再生風(fēng)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(tǒng)焚燒處理相比，可減少CO2排放0.04 t。因此，回收廢棄風(fēng)機葉片，將其應(yīng)用在混凝土中可以帶來顯著的經(jīng)濟和環(huán)境效益。

表3 再生風(fēng)機葉片纖維的經(jīng)濟效益分析Table 3 Economic benefit analysis of rWTB fiber

3 結(jié) 論

(1)混凝土密度隨再生風(fēng)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(dǎo)致混凝土吸水率增大。

(2)加入再生風(fēng)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(dāng)再生風(fēng)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(fā)現(xiàn)，再生風(fēng)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(fēng)機葉片纖維混凝土凍融壽命可達75次，再生風(fēng)機葉片纖維混凝土抗凍性能顯著提高。應(yīng)用實例表明，含再生風(fēng)機葉片纖維混凝土在自然環(huán)境下放置1年，無任何破損、變形情況發(fā)生。