废GFRP粉和粉煤灰基混凝土的制备及性能研究

Preparation and Properties Study of Concrete Based on Waste GFRP Powder and Fly Ash

摘要

为提高废玻璃纤维增强塑料（GFRP）的资源化利用效率，将废GFRP经热解得到的玻璃纤维球磨成粉，然后搭配粉煤灰替代水泥，制备混凝土。研究水泥被替代量对混凝土工作性能、力学性能、抗渗性能、微观形貌的影响。结果表明：随着水泥被替代量的增加，混凝土的工作性能整体出现小幅下降的趋势；用废GFRP粉和粉煤灰替代水泥制备混凝土可以改善混凝土力学性能和抗渗性能；在不降低混凝土力学性能和抗渗性能的前提下，水泥的最大被替代量为50 kg/m³；废GFRP粉和粉煤灰主要通过火山灰效应和填充作用来影响混凝土内部结构，进而影响混凝土的力学性能和抗渗性能；适当延长养护龄期有助于提升废GFRP粉和粉煤灰混凝土的抗压强度。

Abstract

In order to improve the resource utilization efficiency of waste glass fiber reinforced plastics (GFRP), the glass fibers obtained by pyrolyzing waste GFRP are ball-milled into powder and then combined with fly ash to replace cement for preparing concrete. The influence of the amount of cement replacement on the workability, mechanical properties, impermeability and microscopic morphology of concrete was studied. The results show that as the amount of cement replacement increases, the workability of concrete generally shows a slight downward trend on the whole. Using waste GFRP powder and fly ash to replace cement for preparing concrete can improve the mechanical properties and impermeability of concrete. On the premise of not reducing the mechanical properties and impermeability of concrete, the maximum amount of cement replacement is 50 kg/m³. Waste GFRP powder and fly ash mainly affect the internal structure of concrete through the volcanic ash effect and filling effect, and then influence the mechanical properties and impermeability of concrete. Appropriately extending the curing age is helpful to improve the compressive strength of concrete containing waste GFRP powder and fly ash.

Graphical abstract

关键词

废玻璃纤维增强塑料粉 / 粉煤灰 / 力学性能 / 抗渗性能

Key words

Waste GFRP powder / Fly ash / Mechanical properties / Impermeability

玻璃纤维增强塑料(GFRP)因其具有轻质、高强、耐酸碱等优异的性能而被广泛应用于风电、国防、建筑、交通、化工、通信、体育器材等领域^[1-5]。然而，GFRP的生产和使用过程中会产生大量的边角料和服役期满的GFRP废弃物^[6-9]。据预测，到2034年，在全球范围内仅废弃风电叶片的产生量将达到约22.5万t/a^[10]。解决废弃GFRP的处置难题、加快其高效回收利用已迫在眉睫。

目前，GFRP废弃物回收方法主要包括物理回收法、化学回收法和热回收法^[11-14]。经回收处理的GFRP废弃物在砂浆与混凝土中的应用已被广泛证实，砂浆混凝土作为应用广泛的建筑材料，在消纳GFRP废弃物方面具有极大潜力，国内外研究人员对此做了大量研究^[15-19]。腾银见等^[20]研究GFRP再生料对活性粉末混凝土力学性能的影响，结果表明：GFRP再生纤维对新拌活性粉末混凝土的流动性影响不大，力学性能略有降低；GFRP再生粉末会导致新拌活性粉末混凝土的流动性随GFRP再生粉末替代量的增加而略有降低，力学性能明显提升。DEHGHAN等^[21]用GFRP再生纤维替代混凝土粗骨料，研究其对混凝土性能的影响，发现其对劈裂抗拉强度提升明显，纤维在混凝土中发生火山灰反应。WU等^[22]用废GFRP经热处理和机械加工后得到的粉末替代水泥制备砂浆，发现含质量分数10%机械加工粉末的砂浆，28 d后的抗压强度可以达到纯水泥砂浆的95%，证明该粉末具有一定的火山灰活性。LIU等^[23]研究热解温度对废GFRP粉末中聚合物去除率的影响，并通过试验证明去除粉末中的聚合物相有助于提升废GFRP回收粉末的火山灰活性。

基于此，本实验先将废GFRP经热解得到的玻璃纤维球磨成粉，然后固定其用量为10 kg/m³，按不同质量比(为保持胶凝材料总量不变，差值用粉煤灰补齐)替代水泥制备混凝土，研究水泥被替代量对混凝土工作性能、力学性能、抗渗性能以及混凝土微观形貌的影响。研究结果对提高玻璃钢废弃物资源化利用效率以及开发低碳胶凝材料具有重要意义。

1 实验部分

1.1 主要原料

水泥，P.O 42.5普通硅酸盐水泥，陕西礼泉海螺水泥有限公司；粉煤灰，Ⅱ级，山东惠丰新材料有限公司；细骨料，机制砂，细度模数2.47，表观密度2 650 kg/m³，堆积密度1 553 kg/m³，含泥量2.7%，含水率1.2%，西安华旭混凝土工程有限公司；粗骨料，5~20 mm碎石，表观密度2 650 kg/m³，堆积密度1 430 kg/m³，含泥量0.3%；减水剂，羧酸高效减水剂，减水率25%，西安龙宾立德新材料科技有限公司；分散剂(提升废GFRP粉和粉煤灰在混凝土中的分散性)，主要成分为烷基苯磺酸盐，西安龙宾立德新材料科技有限公司；废GFRP热解回收纤维，上海治实合金科技有限公司；水，普通自来水，西安自来水厂。表1为废GFRP粉的主要元素组成。

1.2 仪器与设备

混凝土搅拌机，HJW-60，红武建筑器材仪器有限公司；混凝土振动台，HZJ-1，河北骏帆试验仪器有限公司；混凝土标准养护箱，90B，鑫美华仪器有限公司，万能试验机，SHZ-D，上海立辰邦西仪器有限公司；滚珠式轴承耐磨试验机，NS-2，中科北工试验仪器有限公司；混凝土抗渗仪，HP-4.0，河北鑫磊路桥仪器设备有限公司；场发射扫描电子显微镜(SEM)，JSM-6460LV，日本电子株式会社。

1.3 样品制备

1.3.1 废GFRP粉的制备

将废GFRP热解回收纤维和分散剂按质量比20∶1放入小型球磨机中球磨20 min，过200目筛，取筛下部分。

1.3.2 混凝土的制备

先将碎石、砂子、水泥、粉煤灰、再生玻璃纤维粉加入搅拌锅搅拌0.5 min，然后加入水和减水剂继续搅拌2.5 min，将搅拌好的混凝土分装入提前刷好油的模具中，并在振动台上振动15 s左右，刮平表面，贴上标签，放入养护室，24 h后脱膜放入标准养护箱，相应龄期之后，即可进行相关测试。表2为混凝土的配合比。

1.4 性能测试与表征

坍落度与扩展度试验：按照GB/T 50080—2016进行测试，读数精确至1 mm，结果修约至5 mm。

抗压强度试验：按照GB/T 50081—2019进行测试，样品尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。

耐磨性能测试：按照GB/T 16925—1997进行测试，采用滚珠轴承式耐磨试验机，以滚珠轴承为磨头，在额定负荷下回转滚动来摩擦湿试件，在受磨面上磨成环形磨槽。样品尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。通过测量磨槽深度和磨头研磨转数，计算耐磨度。耐磨度计算公式为：

I_{\mathrm{a}}=\frac{\sqrt[]{R}}{P}(1)

式(1)中：I_a为耐磨度，精确至0.01；R为磨头转数，千转；P为磨槽深度，mm。

抗渗性能测试：按照GB/T 50082—2009进行测试，采用上口直径为175 mm、下口内部直径为185 mm、高度为150 mm的圆台体试模进行制样，每组试件6个，养护28 d后进行抗渗性能试验。控制水压(1.2±0.05) MPa保持24 h，劈开测量截面渗水高度，每个试样等距离测量10个点，结果取算术平均值，精确至1 mm。

SEM测试：试件测试完28 d抗压强度后，取混凝土内部薄片10 g左右置于无水乙醇中浸泡24 h以终止其水化，然后放入60 ℃的干燥箱中烘干。烘干后的样品经过喷金处理后，采用扫描电子显微镜观察其微观形貌。

2 结果与讨论

2.1 水泥被替代量对混凝土坍落度与扩展度的影响

图1为混凝土的坍落度与扩展度。从图1可以看出，整体来看，混凝土的坍落度与扩展度均随着水泥被替代量增大而减小。这是由于一方面粉煤灰的比表面积显著大于水泥，吸水能力更强，导致混凝土的流动性能变差；另一方面，短棒状废GFRP粉在浆体中形成物理架桥，进一步阻碍骨料与浆体的相对滑动，双重作用导致流动性持续降低。当水泥被替代量为50 kg/m³时，混凝土的坍落度与扩展度出现反常。这是因为粉煤灰颗粒为球状光滑的微小颗粒，可以减小混凝土中颗粒间的摩擦作用，改善混凝土拌合物的流动性，从而使混凝土的坍落度与扩展度出现小幅提升。随着水泥被替代量进一步增加，混凝土坍落度与扩展度继续下降，其原因是粉煤灰掺量过多导致混凝土的和易性被破坏。

2.2 水泥被替代量对混凝土抗压强度的影响

图2为混凝土的抗压强度。从图2可以看出，混凝土的抗压强度随水泥被替代量增加先增大后降低。28 d时，水泥被替代量在50 kg/m³及以下时混凝土抗压强度均超过基准混凝土，水泥被替代量为10 kg/m³时抗压强度高达36.43 MPa，相比基准混凝土提高9.7%。这是因为废GFRP粉具有一定的火山灰活性^[24]，能够与水泥水化产生的Ca(OH)₂发生“二次水化反应”生成硅酸钙与铝酸钙凝胶，进而填充混凝土内部孔隙，使混凝土密实度提高，使混凝土抗压强度提高^[25]。但随着水泥被替代量的进一步提高，混凝土体系中水泥水化产生的Ca(OH)₂减少，废GFRP粉和粉煤灰的火山灰活性难以充分释放，从而使混凝土的抗压强度降低。此外，水泥被替代量为70 kg/m³时，不同养护龄期混凝土抗压强度均低于对照组，但随着养护龄期增加，两者之间的差值明显缩小。这是因为随着养护龄期增加，水泥水化产生的Ca(OH)₂增多，废GFRP粉和粉煤灰的火山灰活性逐步被释放，从而导致废GFRP粉和粉煤灰混凝土后期抗压强度提升明显。因此，适当延长养护龄期有助于提升废GFRP粉和粉煤灰混凝土的抗压强度。

2.3 水泥被替代量对混凝土耐磨性能的影响

图3为混凝土的耐磨性能。从图3可以看出，混凝土的耐磨性能随着水泥被替代量增加先提升后下降，但均优于基准混凝土。水泥被替代量为30 kg/m³混凝土的耐磨性能最为优异，耐磨度相较基准混凝土提升40.8%。这主要是因为在水泥被替代量较低时，废GFRP粉和粉煤灰在混凝土碱性环境中活性得到充分释放以及填充效果的协同作用，使混凝土耐磨度升高。

图4为废GFRP粉和粉煤灰对混凝土耐磨性能的影响机制。混凝土浇筑后通常会出现自动分层的现象，上层为砂浆层，下层为混凝土层，上层中通常不含碎石或碎石占比很低，而上层砂浆层主要决定混凝土的耐磨性^[26]。本研究中，上层砂浆层主要由机制砂、水泥、废GFRP粉和粉煤灰的水化产物以及未水化的废GFRP粉和粉煤灰组成。这些物质在砂浆层中所占比例不同是造成混凝土耐磨性能出现差异的主要原因。从图4可以看出，在基准混凝土表层中，机制砂的相对含量较高，在磨损过程中容易脱落，导致耐磨性能变差。随着废GFRP粉和粉煤灰替代量增加，混凝土表层中机制砂的含量相对减少，混凝土耐磨性能逐渐改善。当废GFRP粉和粉煤灰替代量进一步增加时，由于水泥用量的降低，混凝土表层中水化产物减少，骨料之间的黏结性能变差，在摩擦磨损过程中骨料容易脱落，从而导致混凝土的耐磨性能降低。

2.4 水泥被替代量对混凝土抗渗性能的影响

混凝土渗水主要有两种原因：一是混凝土中较大的连通孔洞或者裂缝产生的宏观渗水；二是混凝土内部微裂纹产生的微观渗水。影响混凝土抗渗性能出现差异的原因主要是第一种。图5为混凝土的渗水高度。从图5可以看出，渗水高度随着水泥被替代量的增加而先降低后升高，在水泥被替代量为30 kg/m³时，渗水高度低至最小值89.10 mm，相较基准混凝土降低14.7%。这是由于废GFRP粉和粉煤灰分散在混凝土内部孔隙中发生二次水化反应，表面生成水化硅酸钙凝胶填充了水泥水化后的微小孔隙阻碍水的迁移，使水在混凝土内部迁移的通道减少，宏观表现为渗水高度降低^[27-28]。而当水泥被替代量为70 kg/m³时，渗水高度相较基准升高3.2%。这是由于水泥用量过少，废GFRP粉和粉煤灰的活性难以充分释放，从而导致混凝土内部形成的水化硅酸钙凝胶减少，混凝土内部集料之间的连接性变差，水迁移的通道增多，从而使渗水高度升高。

2.5 混凝土微观形貌分析

为从微观角度探究废GFRP粉和粉煤灰替代量对混凝土力学性能以及抗渗性能的影响，对养护龄期28 d的基准混凝土和废GFRP粉和粉煤灰混凝土进行SEM分析。图6为混凝土微观形貌的SEM照片。从图6可以看出，加入废GFRP粉和粉煤灰后，混凝土内部孔洞明显减少，混凝土内部密实度明显提高，废GFRP粉和粉煤灰与混凝土基体之间结合紧密，无明显界面。由废GFRP粉和粉煤灰表面出现坑洼以及附着有水化产物可以推断，废GFRP粉和粉煤灰表面与混凝土基体发生反应，使废GFRP粉和粉煤灰与混凝土基体之间黏结紧密，界面效应减弱。同时，未发生反应的废GFRP粉和粉煤灰分散在混凝土内部孔隙中，使混凝土内部孔洞明显减少。

3 结论

混凝土的坍落度和扩展度随水泥被替代量的增加整体出现下降的趋势，但水泥被替代量为50 kg/m³的混凝土出现反常，这是由于废GFRP粉和粉煤灰掺量增加改善了混凝土的和易性，从而在此处出现峰值。混凝土的抗压强度和耐磨度均随水泥被替代量的增加先增加后降低，水泥被替代量为70 kg/m³时，混凝土的抗压强度以及耐磨度明显开始减小。在不影响混凝土抗压强度以及耐磨度的前提下，水泥的最大被替代量为50 kg/m³。混凝土渗水高度随水泥的被替代量增加而先降低后升高，水泥被替代量为30 kg/m³的混凝土渗水高度最低，抗渗性能最优。

参考文献

[1] 游敏, 肖琴. 玻璃钢废弃物机械回收现状研究[J]. 资源再生, 2020(6): 52-57.

[2] 张东兴, 黄龙男, 王荣国, 等. 玻璃钢管混凝土柱力学性能的试验研究[J]. 哈尔滨建筑大学学报, 2000(1): 73-76.

[3] 张立国, 吕琴. 我国玻璃钢/复合材料行业发展对玻璃纤维的市场需求[J]. 玻璃纤维, 2010(5): 51-56.

[4] 徐竞雯, 谭晶, 安瑛. 汽车用纤维增强塑料的研究进展[J]. 塑料科技, 2019, 47(9): 128-133.

[5] 吴秀华, 黄兴裕, 严文晖. 纤维增强塑料在体育器材中的应用进展[J]. 塑料科技, 2021, 49(11): 106-109.

[6] 王福海, 杨永刚, 杨张杰, 等. 新型高强玻璃钢锚杆研究及应用[J]. 煤炭技术, 2022, 41(11): 78-81.

[7] 党奇志, 李莉. 公路大孔径玻璃钢夹砂管涵应用[J]. 公路, 2022, 67(1): 79-84.

[8] CAO Y, LI Z, GAN L, et al. Mechanical properties study of fiberglass reinforced flexible pipeline in marine applications[J]. Ships and Offshore Structures, 2024, DOI: 10.1080/17445302.2024.2397286 .

[9] BENZERGA A L, AMIEUR M, RABEHI R. Reinforcement of concrete with composite materials based on fiberglass[C]. 1st International Conference on Contemporary Academic Research, 2023, DOI:10.59287/iccar.736 .

[10] LICHTENEGGER G, RENTIZELAS A A, TRIVYZA N, et al. Offshore and onshore wind turbine blade waste material forecast at a regional level in Europe until 2050[J]. Waste Management, 2020, 106: 120-131.

[11] 张朝祯, 金晓冬, 孙诗兵, 等. 废旧风机叶片的回收利用现状分析[J]. 硅酸盐通报, 2023, 42(12): 4341-4350.

[12] 张星楠, 李颖, 郭穆骞, 等. 废弃风机叶片回收技术的研究进展[J]. 化工新型材料, 2024, 52(4): 264-267.

[13] DE FAZIO D, BOCCARUSSO L, FORMISANO A, et al. A review on the recycling technologies of fibre-reinforced plastic (FRP) materials used in industrial fields[J]. Journal of Marine Science and Engineering, 2023, 11(4): 851.

[14] 马文静, 张宇彤, 杨春振, 等. 大宗风电退役风机叶片资源化回收利用技术研究进展[J]. 洁净煤技术, 2023, 29(10): 17-26.

[15] 封孝信, 白龙, 贾援, 等. 玻璃钢废弃物在水泥基材料中的应用研究进展[J]. 新型建筑材料, 2022, 49(4): 66-72.

[16] TAO Y, HADIGHEH S A, WEI Y. Recycling of glass fibre reinforced polymer (GFRP) composite wastes in concrete: A critical review and cost benefit analysis[J]. Structures, 2023, 53: 1540-1556.

[17] MA G W, ZHOU B Y, ZHANG M, et al. Understanding and eliminating of expansion caused by recycled glass fiber reinforced plastic powder in concrete[J]. Construction and Building Materials, 2022, 347: 128542.

[18] CHENG C S, XU Y B, XIAO C Y, et al. Behavior of confined concrete with recycled glass fiber-reinforced polymer needles as coarse aggregates under axial compression[J]. Journal of Building Engineering, 2023, 71: 106453.

[19] 李沛欣, 李航, 臧涌泉, 等. 物理回收玻璃钢在水泥基材料中资源化利用的研究进展[J]. 工业建筑, 2023, 53(): 673-681.

[20] 腾银见, 吕淑珍, 李军, 等. 玻璃钢再生料对RPC工作性及力学性能影响试验研究[J]. 混凝土与水泥制品, 2020(5): 92-95.

[21] DEHGHAN A, PETERSON K, SHVARZMAN A J C, et al. Recycled glass fiber reinforced polymer additions to Portland cement concrete[J]. Construction and Building Materials, 2017, 146: 238-250.

[22] WU C, ZHUANG X, VIGOR J E, et al. Pozzolanic reactivity of recycled powders from waste wind turbine blades[J], 2024, 36(9): 04024267.

[23] LIU S Q, GUO J P, WU C. Improving the pozzolanic reactivity of recycled powders from retired wind turbine blades by removing the polymer phase through thermal treatment[J]. Journal of Building Engineering, 2024, 96: 110387.

[24] ONAIZI A M, LIM N H A S, HUSEIEN G F, et al. Effect of the addition of nano glass powder on the compressive strength of high volume fly ash modified concrete[J]. Materials Today: Proceedings, 2022, 48: 1789-1795.

[25] 赵毅, 李宇, 侯东昌, 等. 橡胶玻璃粉再生混凝土力学及抗冲击性能研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(2): 550-560.

[26] 罗发胜, 李彬, 杜俊朋, 等. 骨料种类与级配对路面混凝土耐磨性能的影响[J]. 硅酸盐通报, 2022, 41(6): 1963-1972.

[27] 邢世海. 超掺粉煤灰混凝土耐久性研究与应用[J]. 混凝土, 2004(7): 48-49.

[28] 马兵, 尹威, 陈瀚, 等. 大掺量粉煤灰对自密实混凝土力学及抗冻融性能的影响(英文)[J]. 施工技术: 中英文, 2024, 53(23): 47-55.

基金资助

再生材料在低碳新基建中的应用关键技术研究与产业示范“科学家+工程师”队伍(2024QCY-KXJ-053)