再生风机叶片纤维对混凝土力学和抗冻性能的影响

王富平，张 默，周博宇

(1.国能联合动力技术(保定)有限公司，保定 071051；2.河北工业大学土木与交通学院，天津 300401；3.天津市装配式建筑与智能建造重点实验室，天津 300401；4.智慧基础设施研究院，天津 300401)

0 引 言

近年来，我国玻璃钢产业发展迅猛，在国防军工、基础设施、风力发电、航空航天、体育用品等领域广泛应用[1]。在风电领域，玻璃钢主要应用在风力发电机的叶片上，随着国家对风能能源开发的迫切要求，风力发电机呈持续快速增长趋势。然而，由此产生了大量的边角料和退役产品，据不完全统计，2018年大约有5 700 t叶片退役，2021年有1.0～1.5万吨叶片退役，到2040年，叶片下线量预计超过500万吨[2]。由于热固性树脂难以分离和降解，填埋和焚烧是目前解决大体量废弃风机叶片堆积的主要方式，造成土地占用和环境污染严重[3]。目前，玻璃钢废弃物的回收再利用方法还处于研究阶段，以物理回收、化学回收、能量回收和生物降解为主。其中，物理回收方法是用机械破碎废弃玻璃钢研磨成再生材料，具有成本低、效率高、污染小的特点，是最有可能实现产业化应用的方法[4-7]。

目前，物理回收玻璃钢在混凝土中的应用研究已经取得了一些进展。冯艳超[8]用废弃玻璃钢纤维和废弃玻璃钢粉制备了粘结砂浆。腾银见[1]研究了玻璃钢再生料的掺入对活性粉末混凝土工作性能、力学性能和耐久性能的影响，研究表明将回收玻璃钢作为细骨料的替代物应用于水泥基复合材料时，回收玻璃钢中的纤维可以起到抑制裂纹扩展，提高混凝土力学强度、韧性和耐久性能的作用[9-10]。Yazdanbakhsh等[11]和Nie等[12]研究了回收玻璃钢替代粗骨料对混凝土性能的影响，结果发现混凝土的劈裂抗拉强度可以得到提高，但抗压强度稍有降低。现有研究的回收玻璃钢主要来自生产玻璃钢过程中的边角料，对于废弃风机叶片在混凝土中应用的研究较少。Yazdanbakhsh等[13]将废弃风机叶片加工成统一尺寸的条状骨料来代替混凝土中质量分数为5%和10%的粗骨料，结果表明其对混凝土的抗压、抗拉和抗弯强度没有显著影响，但混凝土韧性显著提高。然而，统一尺寸的条状骨料对切割设备的要求很高，并且回收效率不高，因此本文采用更经济易行的破碎设备得到一种纤维状再生风机叶片，并研究其对混凝土性能的影响。

本文用再生风机叶片(recycled waste wind turbine blade,rWTB)纤维替代混凝土中细骨料，替代质量分数分别为0%、10%、20%和30%。对4组混凝土试件进行密度、吸水率、抗压强度、抗弯强度和劈裂抗拉强度试验，研究再生风机叶片纤维对混凝土力学性能的影响。以质量损失率、相对动弹性模量和表观形貌为指标，探究了再生风机叶片纤维对混凝土抗冻性能的影响，评价废弃风机叶片在混凝土中应用的经济和环境价值，为再生风机叶片纤维在混凝土中应用提供参考。

1 实 验

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5普通硅酸盐水泥，来自天津市冀东水泥有限公司。硅灰：来自河南铂润新材料有限公司，表观密度为2.2 g/cm3，比表面积为18 000 m2/kg，90%的硅灰粒径小于20 μm。水泥和硅灰的XRF化学组分测定结果如表1所示。细集料采用细度模数为2.1的河砂，粗骨料为花岗岩碎石，最大粒径为25 mm，含泥量为0.3%，表观密度为2 720 kg/m3。减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，含固量为40%，减水率为37%。试验用水是天津地区自来水。再生风机叶片纤维由河北安恕朗晴环保设备有限公司回收(回收过程见图1)，参照《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》(JGJ 52—2006)测其密度和吸水率，分别为2.03 g/cm3和0.64%。粗细骨料和再生风机叶片纤维颗粒分布曲线如图2(a)所示。

表1 胶凝材料的主要化学成分Table 1 Main chemical composition of cementitious materials

图1 再生风机叶片纤维物理回收过程Fig.1 Mechanical recycling process of rWTB fiber

图2 原材料和混凝土骨料的级配曲线(Cu为不均匀系数,Cc为曲率系数)Fig.2 Gradation curves of raw materials and mixture (Cu is coefficient of nonuniformity，and Cc is coefficient of graduation)

1.2 试验配合比

为研究再生风机叶片纤维对混凝土力学性能和抗冻性能的影响，设计了如表2所示的混凝土配合比方案。用再生风机叶片纤维替换混凝土中质量分数为0%、10%、20%和30%的河砂，制备混凝土试件，按质量比将水泥、硅灰、河砂和再生风机叶片纤维混合均匀，再加入减水剂和水的混合溶液搅拌5 min，最后将拌和好的混凝土倒入模具中，浇筑完成后将试件放置在(20±2) ℃的环境下养护24 h，待试件成型后拆模，放入标准养护室(温度(20±2) ℃，相对湿度95%以上)养护28 d后进行相应试验。

表2 再生风机叶片纤维混凝土配合比Table 2 Mix proportion of rWTB fiber concrete

为了评价再生风机叶片纤维对混凝土骨料级配的影响，采用不均匀系数Cu和曲率系数Cc来评价混凝土级配，两个指标的计算过程见式(1)和(2)。不均匀系数Cu是反映组成混凝土颗粒均匀程度的一个指标，Cu越大，表示粒径分布越广，小颗粒可以填充大颗粒间的孔隙，级配良好。曲率系数Cc是描述累计曲线整体形状的指标，Cc过大，表示d20与d40范围内有台阶，在这一范围内缺少某种粒径，不同掺量再生风机叶片纤维混凝土的Cu和Cc计算结果如图2(b)所示。

(1)

(2)

式中：d20、d40和d60分别表示在混凝土的粒径累计曲线上过筛质量占20%、40%和60%的粒径。

1.3 试验方法

参考《轻骨料混凝土应用技术标准》(JGJ/T 12—2019)，将标准养护28 d立方体试件(尺寸为100 mm×100 mm×100 mm)取出置于105～110 ℃的烘箱中烘至恒重，称重，并测定试件的体积，按照质量与体积之比的计算方法得到表观密度。再将上述试件压入水箱中浸泡24 h后取出，擦干表面水分，称重，计算浸水24 h吸水率，每组取三个平行试样。按照规范《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)对混凝土进行抗压、抗弯、劈裂试验，抗压和劈裂试验均采用100 mm×100 mm×100 mm的试件，抗弯试验采用100 mm×100 mm×400 mm的试件，仪器为300 kN微机控制试验机，混凝土抗压试验压缩速率为0.5 MPa/s，混凝土抗弯和劈裂试验加载速率均为0.05 MPa/s，测试结果均取三组试样的平均值。参考《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)，混凝土试件测定条件为水冻水融，以经受的快速冻融循环次数来表示混凝土抗冻性能。

2 结果与讨论

2.1 表观密度和吸水率

图3为再生风机叶片纤维掺量对混凝土表观密度和吸水率的影响。由图3可知，再生风机叶片纤维替代河砂降低了混凝土的表观密度，再生风机叶片纤维掺量从0%提高到30%时，混凝土的28 d表观密度从2 311 kg/m3降低到2 080 kg/m3。这一方面是因为再生风机叶片纤维的密度远低于河砂，另一方面是由于再生风机叶片纤维具有形态不一、颗粒级配分布不均和亲水性差等特点，在混凝土拌和过程中可能引入大量的气泡，导致混凝土密度降低[9]。再生风机叶片纤维替代河砂后增大了混凝土的吸水率，但再生风机叶片纤维替代率为20%的混凝土的吸水率低于替代率为10%和30%的混凝土。这与再生风机叶片纤维混凝土的级配有关(图2)，再生风机叶片纤维掺量为0%、10%、20%和30%时，混凝土干料的不均匀系数分别为73.33、76.67、82.00和53.33，曲率系数分别为0.17、0.24、0.35和1.28，当再生风机叶片纤维替代率为30%时，混凝土干料的不均匀系数降低，曲率系数增大数倍，混凝土出现颗粒粒径缺失，级配不良，导致混凝土孔隙增多，进而吸水率显著增大。

图3 再生风机叶片纤维掺量对混凝土表观密度和吸水率的影响Fig.3 Effect of rWTB fiber content on bulk density and water absorption of concrete

2.2 力学性能

图4为不同再生风机叶片纤维取代率的混凝土试件在养护28 d时的抗压、抗弯和劈裂抗拉强度。混凝土的无侧限抗压强度随再生风机叶片纤维取代率的升高而降低，素混凝土28 d抗压强度为38.3 MPa，掺入10%、20%和30%再生风机叶片纤维时，混凝土抗压强度分别降低了15.1%、15.7%和22.2%。这种变化趋势与国内外学者关于其他类型再生玻璃钢材料的研究结果基本一致[14]。这主要是因为通过物理破碎回收的再生玻璃钢是一种非均质材料，里面混杂了不同尺寸的粉末、树脂颗粒和纤维，与河砂相比，其级配均匀性差，不能提供良好的骨架支撑作用，并且与水泥浆粘结性较弱，导致混凝土抗压强度降低。但是，由于纤维的存在，再生风机叶片纤维混凝土具有更加优异的抗弯和劈裂抗拉强度。当再生风机叶片纤维掺量为10%、20%和30%时，混凝土抗弯强度分别提高了2.8%、2.8%和11.1%，劈裂抗拉强度分别提高了56.3%、68.8%和40.6%。这说明在混凝土受拉破坏过程中再生风机叶片纤维能够起到较好的限制微裂缝开展的作用，进而能够增强混凝土抗弯和劈裂抗拉强度。图5为混凝土试件的劈裂抗拉破坏图。由图5可知，素混凝土发生了典型的脆性破坏，试件从中间被劈成两半，而掺入再生风机叶片纤维的混凝土虽然也产生贯穿裂缝，但试件并未完全断裂，并且随着再生风机叶片纤维掺量增加，裂缝扩展更加蜿蜒曲折，说明再生风机叶片纤维提供了良好的桥接裂缝能力，提高了混凝土破坏后的整体性。

图4 再生风机叶片纤维掺量对混凝土抗压、抗弯和劈裂抗拉强度的影响Fig.4 Effect of rWTB fiber content on compressive strength,flexural strength and splitting tensile strength of concrete

图5 不同再生风机叶片纤维掺量下混凝土劈裂试验破坏形态Fig.5 Failure modes in splitting tests of concrete with different rWTB fiber content

2.3 抗冻性能

再生风机叶片纤维混凝土经冻融循环后质量损失率和相对动弹性模量如图6所示，随着冻融循环次数的增加，各混凝土试样的质量损失率和相对动弹性模量均逐渐增大。经过75次冻融循环后，各混凝土试件的相对动弹性模量均未下降到50%，因此以质量损失率作为评价混凝土抗冻性能的指标。由图6(a)可知，再生风机叶片纤维显著提高了混凝土的抗冻性能，当冻融循环25次时，掺10%、20%和30%再生风机叶片纤维的混凝土的质量损失率分别为3.6%、1.2%和1.7%，而素混凝土的质量损失率已超过5.0%，达到了冻融寿命。掺20%再生风机叶片纤维的混凝土表现出最优异的抗冻性能，当冻融循环50次时，只有掺20%再生风机叶片纤维的混凝土未达到冻融寿命，质量损失率为3.9%，当冻融循环75次时，质量损失率为5.1%。根据渗透压假说理论[15]，混凝土内部结构中小孔的冰点要低于大孔的冰点，在受冻过程中，大孔的孔溶液浓度要高于小孔的孔溶液浓度，这就导致小孔中的水向大孔中流动，从而形成渗透压，导致内部结构的破坏。与掺20%再生风机叶片纤维的混凝土相比，掺10%和30%再生风机叶片纤维的混凝土由于级配不良(图2)，孔隙数量较多，渗透压作用越明显。混凝土试件冻融循环75次后的表观形貌如图7所示，掺20%再生风机叶片纤维的混凝土在冻融循环75次后表观形貌最完整，素混凝土和掺30%再生风机叶片纤维的混凝土材料脱落最明显。

图6 再生风机叶片纤维掺量对混凝土抗冻性能的影响Fig.6 Effect of rWTB fiber content on frost resistance of concrete

图7 混凝土试件冻融循环75次后的表观形貌Fig.7 Apparent morphology of concrete specimens after 75 times freeze-thaw cycles

2.4 微观形貌

再生风机叶片纤维掺量对混凝土微观形貌的影响如图8所示，可以发现：(1)再生风机叶片中的玻璃纤维多被树脂包裹，呈束状，因此即使在高掺量下也不会显著影响混凝土的流动性，并且能有效防止单根纤维损伤导致纤维的增强增韧作用降低；(2)替代率为10%和20%时，纤维与水泥浆体粘结紧密，未出现明显气孔，纤维可以阻断微裂缝的扩展；(3)替代率达到30%时，纤维出现团聚现象，并且纤维与基体的粘结面附近存在大量孔隙，这说明大掺量纤维引起混凝土孔隙增多可能是其力学性能降低、吸水率增大的一个重要原因。

图8 再生风机叶片纤维掺量对混凝土微观形貌的影响Fig.8 Effect of rWTB fiber content on microstructure of concrete

2.5 经济和环境效益

根据前文试验结果，掺入10%～30%再生风机叶片纤维的混凝土抗压强度均达到C30要求，并且再生风机叶片纤维的掺入有助于提高混凝土的韧性和耐久性，按照本研究配合比制备的混凝土地砖和排水沟在自然环境下放置1年，表观无任何破损情况，如图9所示。

图9 再生风机叶片纤维混凝土应用研究Fig.9 Application research of rWTB fiber concrete

通过比较采用天然河砂和再生风机叶片纤维制备1 m3C30混凝土的成本，来评价掺入再生风机叶片纤维带来的经济效益。再生风机叶片纤维为回收料，回收废弃风机叶片可得到处理费，一般去除成本后可以带来400元/t的收益。再生风机叶片纤维的经济效益分析如表3所示。从表3可以看出，利用再生风机叶片纤维替代10%、20%、30%河砂制作混凝土，每立方米分别可以节约成本34.6元、69.2元、103.8元。废弃风机叶片中碳元素的质量分数一般为30%左右，若采用传统的焚烧处理，处理每吨废弃风机叶片将产生0.3 t CO2。通过机械破碎得到再生风机叶片纤维并应用于混凝土，碳排放主要来自所消耗的电能，根据破碎废弃风机叶片所需电量(每吨26.67 kW·h)，按电网基准线碳排放因子为0.58 kg CO2/(kW·h)计算，资源化再利用每吨废弃风机叶片只产生0.015 t CO2。以再生风机叶片纤维替代率为20%计算，每立方米混凝土中纤维掺量为150.4 kg，与传统焚烧处理相比，可减少CO2排放0.04 t。因此，回收废弃风机叶片，将其应用在混凝土中可以带来显著的经济和环境效益。

表3 再生风机叶片纤维的经济效益分析Table 3 Economic benefit analysis of rWTB fiber

3 结 论

(1)混凝土密度随再生风机叶片纤维掺量增加而降低，纤维掺量为30%时，密度最低,为2 080 kg/m3。但纤维掺量过高会使混凝土级配不良，孔隙增多，导致混凝土吸水率增大。

(2)加入再生风机叶片纤维的混凝土抗弯强度和劈裂抗拉强度均得到提高，当再生风机叶片掺量为10%、20%和30%时，混凝土抗弯强度分别提高了2.8%、2.8%和11.1%。微观分析发现，再生风机叶片纤维能够很好地限制混凝土裂缝开展，提高混凝土破坏后的整体性。

(3)素混凝土的冻融寿命只有25次，而掺20%再生风机叶片纤维混凝土冻融寿命可达75次，再生风机叶片纤维混凝土抗冻性能显著提高。应用实例表明，含再生风机叶片纤维混凝土在自然环境下放置1年，无任何破损、变形情况发生。