再生風(fēng)機(jī)葉片纖維對(duì)混凝土力學(xué)和抗凍性能的影響

王富平，張 默，周博宇

(1.國(guó)能聯(lián)合動(dòng)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(lái)，我國(guó)玻璃鋼產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，在國(guó)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(jī)的葉片上，隨著國(guó)家對(duì)風(fēng)能能源開(kāi)發(fā)的迫切要求，風(fēng)力發(fā)電機(jī)呈持續(xù)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。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(jì)，2018年大約有5 700 t葉片退役，2021年有1.0～1.5萬(wàn)噸葉片退役，到2040年，葉片下線(xiàn)量預(yù)計(jì)超過(guò)500萬(wàn)噸[2]。由于熱固性樹(shù)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(jī)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(jī)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(diǎn)，是最有可能實(shí)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(jìn)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(jiàn)[1]研究了玻璃鋼再生料的摻入對(duì)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(shí)，回收玻璃鋼中的纖維可以起到抑制裂紋擴(kuò)展，提高混凝土力學(xué)強(qiáng)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(duì)混凝土性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度可以得到提高，但抗壓強(qiáng)度稍有降低?，F(xiàn)有研究的回收玻璃鋼主要來(lái)自生產(chǎn)玻璃鋼過(guò)程中的邊角料，對(duì)于廢棄風(fēng)機(jī)葉片在混凝土中應(yīng)用的研究較少。Yazdanbakhsh等[13]將廢棄風(fēng)機(jī)葉片加工成統(tǒng)一尺寸的條狀骨料來(lái)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(duì)混凝土的抗壓、抗拉和抗彎強(qiáng)度沒(méi)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(duì)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(jì)易行的破碎設(shè)備得到一種纖維狀再生風(fēng)機(jī)葉片，并研究其對(duì)混凝土性能的影響。

本文用再生風(fēng)機(jī)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(duì)4組混凝土試件進(jìn)行密度、吸水率、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，研究再生風(fēng)機(jī)葉片纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。以質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈性模量和表觀形貌為指標(biāo)，探究了再生風(fēng)機(jī)葉片纖維對(duì)混凝土抗凍性能的影響，評(píng)價(jià)廢棄風(fēng)機(jī)葉片在混凝土中應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境價(jià)值，為再生風(fēng)機(jī)葉片纖維在混凝土中應(yīng)用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，來(lái)自天津市冀東水泥有限公司。硅灰：來(lái)自河南鉑潤(rùn)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(cè)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(yàn)用水是天津地區(qū)自來(lái)水。再生風(fēng)機(jī)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(guò)程見(jiàn)圖1)，參照《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 52—2006)測(cè)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(jī)葉片纖維顆粒分布曲線(xiàn)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(jī)葉片纖維物理回收過(guò)程Fig.1 Mechanical recycling process of rWTB fiber

圖2 原材料和混凝土骨料的級(jí)配曲線(xiàn)(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(yàn)配合比

為研究再生風(fēng)機(jī)葉片纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能和抗凍性能的影響，設(shè)計(jì)了如表2所示的混凝土配合比方案。用再生風(fēng)機(jī)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(jī)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(hù)24 h，待試件成型后拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度(20±2) ℃，相對(duì)濕度95%以上)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)。

表2 再生風(fēng)機(jī)葉片纖維混凝土配合比Table 2 Mix proportion of rWTB fiber concrete

為了評(píng)價(jià)再生風(fēng)機(jī)葉片纖維對(duì)混凝土骨料級(jí)配的影響，采用不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc來(lái)評(píng)價(jià)混凝土級(jí)配，兩個(gè)指標(biāo)的計(jì)算過(guò)程見(jiàn)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(gè)指標(biāo)，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(jí)配良好。曲率系數(shù)Cc是描述累計(jì)曲線(xiàn)整體形狀的指標(biāo)，Cc過(guò)大，表示d20與d40范圍內(nèi)有臺(tái)階，在這一范圍內(nèi)缺少某種粒徑，不同摻量再生風(fēng)機(jī)葉片纖維混凝土的Cu和Cc計(jì)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(jì)曲線(xiàn)上過(guò)篩質(zhì)量占20%、40%和60%的粒徑。

1.3 試驗(yàn)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(hù)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(chēng)重，并測(cè)定試件的體積，按照質(zhì)量與體積之比的計(jì)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(chēng)重，計(jì)算浸水24 h吸水率，每組取三個(gè)平行試樣。按照規(guī)范《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)對(duì)混凝土進(jìn)行抗壓、抗彎、劈裂試驗(yàn)，抗壓和劈裂試驗(yàn)均采用100 mm×100 mm×100 mm的試件，抗彎試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×400 mm的試件，儀器為300 kN微機(jī)控制試驗(yàn)機(jī)，混凝土抗壓試驗(yàn)壓縮速率為0.5 MPa/s，混凝土抗彎和劈裂試驗(yàn)加載速率均為0.05 MPa/s，測(cè)試結(jié)果均取三組試樣的平均值。參考《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)，混凝土試件測(cè)定條件為水凍水融，以經(jīng)受的快速凍融循環(huán)次數(shù)來(lái)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(jī)葉片纖維摻量對(duì)混凝土表觀密度和吸水率的影響。由圖3可知，再生風(fēng)機(jī)葉片纖維替代河砂降低了混凝土的表觀密度，再生風(fēng)機(jī)葉片纖維摻量從0%提高到30%時(shí)，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?yàn)樵偕L(fēng)機(jī)葉片纖維的密度遠(yuǎn)低于河砂，另一方面是由于再生風(fēng)機(jī)葉片纖維具有形態(tài)不一、顆粒級(jí)配分布不均和親水性差等特點(diǎn)，在混凝土拌和過(guò)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(jī)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(jī)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(jī)葉片纖維混凝土的級(jí)配有關(guān)(圖2)，再生風(fēng)機(jī)葉片纖維摻量為0%、10%、20%和30%時(shí)，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(jī)葉片纖維替代率為30%時(shí)，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(jí)配不良，導(dǎo)致混凝土孔隙增多，進(jìn)而吸水率顯著增大。

圖3 再生風(fēng)機(jī)葉片纖維摻量對(duì)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(jī)葉片纖維取代率的混凝土試件在養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)的抗壓、抗彎和劈裂抗拉強(qiáng)度?；炷恋臒o(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨再生風(fēng)機(jī)葉片纖維取代率的升高而降低，素混凝土28 d抗壓強(qiáng)度為38.3 MPa，摻入10%、20%和30%再生風(fēng)機(jī)葉片纖維時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度分別降低了15.1%、15.7%和22.2%。這種變化趨勢(shì)與國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于其他類(lèi)型再生玻璃鋼材料的研究結(jié)果基本一致[14]。這主要是因?yàn)橥ㄟ^(guò)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(shù)脂顆粒和纖維，與河砂相比，其級(jí)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(qiáng)度降低。但是，由于纖維的存在，再生風(fēng)機(jī)葉片纖維混凝土具有更加優(yōu)異的抗彎和劈裂抗拉強(qiáng)度。當(dāng)再生風(fēng)機(jī)葉片纖維摻量為10%、20%和30%時(shí)，混凝土抗彎強(qiáng)度分別提高了2.8%、2.8%和11.1%，劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高了56.3%、68.8%和40.6%。這說(shuō)明在混凝土受拉破壞過(guò)程中再生風(fēng)機(jī)葉片纖維能夠起到較好的限制微裂縫開(kāi)展的作用，進(jìn)而能夠增強(qiáng)混凝土抗彎和劈裂抗拉強(qiáng)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(jī)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(jī)葉片纖維摻量增加，裂縫擴(kuò)展更加蜿蜒曲折，說(shuō)明再生風(fēng)機(jī)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(jī)葉片纖維摻量對(duì)混凝土抗壓、抗彎和劈裂抗拉強(qiáng)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(jī)葉片纖維摻量下混凝土劈裂試驗(yàn)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(jī)葉片纖維混凝土經(jīng)凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)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(duì)動(dòng)彈性模量均逐漸增大。經(jīng)過(guò)75次凍融循環(huán)后，各混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量均未下降到50%，因此以質(zhì)量損失率作為評(píng)價(jià)混凝土抗凍性能的指標(biāo)。由圖6(a)可知，再生風(fēng)機(jī)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(shí)，摻10%、20%和30%再生風(fēng)機(jī)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(guò)5.0%，達(dá)到了凍融壽命。摻20%再生風(fēng)機(jī)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(shí)，只有摻20%再生風(fēng)機(jī)葉片纖維的混凝土未達(dá)到凍融壽命，質(zhì)量損失率為3.9%，當(dāng)凍融循環(huán)75次時(shí)，質(zhì)量損失率為5.1%。根據(jù)滲透壓假說(shuō)理論[15]，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中小孔的冰點(diǎn)要低于大孔的冰點(diǎn)，在受凍過(guò)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(dòng)，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(jī)葉片纖維的混凝土相比，摻10%和30%再生風(fēng)機(jī)葉片纖維的混凝土由于級(jí)配不良(圖2)，孔隙數(shù)量較多，滲透壓作用越明顯。混凝土試件凍融循環(huán)75次后的表觀形貌如圖7所示，摻20%再生風(fēng)機(jī)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(jī)葉片纖維的混凝土材料脫落最明顯。

圖6 再生風(fēng)機(jī)葉片纖維摻量對(duì)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(jī)葉片纖維摻量對(duì)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(jī)葉片中的玻璃纖維多被樹(shù)脂包裹，呈束狀，因此即使在高摻量下也不會(huì)顯著影響混凝土的流動(dòng)性，并且能有效防止單根纖維損傷導(dǎo)致纖維的增強(qiáng)增韌作用降低；(2)替代率為10%和20%時(shí)，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(kuò)展；(3)替代率達(dá)到30%時(shí)，纖維出現(xiàn)團(tuán)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(shuō)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(gè)重要原因。

圖8 再生風(fēng)機(jī)葉片纖維摻量對(duì)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(jì)和環(huán)境效益

根據(jù)前文試驗(yàn)結(jié)果，摻入10%～30%再生風(fēng)機(jī)葉片纖維的混凝土抗壓強(qiáng)度均達(dá)到C30要求，并且再生風(fēng)機(jī)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(wú)任何破損情況，如圖9所示。

圖9 再生風(fēng)機(jī)葉片纖維混凝土應(yīng)用研究Fig.9 Application research of rWTB fiber concrete

通過(guò)比較采用天然河砂和再生風(fēng)機(jī)葉片纖維制備1 m3C30混凝土的成本，來(lái)評(píng)價(jià)摻入再生風(fēng)機(jī)葉片纖維帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。再生風(fēng)機(jī)葉片纖維為回收料，回收廢棄風(fēng)機(jī)葉片可得到處理費(fèi)，一般去除成本后可以帶來(lái)400元/t的收益。再生風(fēng)機(jī)葉片纖維的經(jīng)濟(jì)效益分析如表3所示。從表3可以看出，利用再生風(fēng)機(jī)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(jī)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(jī)葉片將產(chǎn)生0.3 t CO2。通過(guò)機(jī)械破碎得到再生風(fēng)機(jī)葉片纖維并應(yīng)用于混凝土，碳排放主要來(lái)自所消耗的電能，根據(jù)破碎廢棄風(fēng)機(jī)葉片所需電量(每噸26.67 kW·h)，按電網(wǎng)基準(zhǔn)線(xiàn)碳排放因子為0.58 kg CO2/(kW·h)計(jì)算，資源化再利用每噸廢棄風(fēng)機(jī)葉片只產(chǎn)生0.015 t CO2。以再生風(fēng)機(jī)葉片纖維替代率為20%計(jì)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(jī)葉片，將其應(yīng)用在混凝土中可以帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

表3 再生風(fēng)機(jī)葉片纖維的經(jīng)濟(jì)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(jī)葉片纖維摻量增加而降低，纖維摻量為30%時(shí)，密度最低,為2 080 kg/m3。但纖維摻量過(guò)高會(huì)使混凝土級(jí)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(jī)葉片纖維的混凝土抗彎強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均得到提高，當(dāng)再生風(fēng)機(jī)葉片摻量為10%、20%和30%時(shí)，混凝土抗彎強(qiáng)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(jī)葉片纖維能夠很好地限制混凝土裂縫開(kāi)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(jī)葉片纖維混凝土凍融壽命可達(dá)75次，再生風(fēng)機(jī)葉片纖維混凝土抗凍性能顯著提高。應(yīng)用實(shí)例表明，含再生風(fēng)機(jī)葉片纖維混凝土在自然環(huán)境下放置1年，無(wú)任何破損、變形情況發(fā)生。