引言：
水泥、混凝土是应用最广泛的建筑材料，同时也是固体废弃物回收利用、消纳固废资源的主要途径之一。因此，将废旧风电叶片回收纤维掺入混凝土、砂浆等建筑材料中，既可缓解废旧风电叶片对环境的破坏，又可制备绿色低碳混凝土、砂浆，具有良好的社会效益。
本文作者将废旧风电叶片经机械破碎、筛分成3种不同尺寸的纤维分别掺入砂浆中，研究其掺量对砂浆流动度、抗弯强度、耐老化性能的影响，以期为废旧风电叶片回收纤维的再利用提供参考。
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试验概况
1.1 原材料及配合比
42.5级快硬硫铝酸盐水泥，主要性能见表1；
最大粒径为2.36mm的河砂；
聚羧酸减水剂，粉剂，减水率为28%；
纯丙乳液，含固量为48%，pH值为8.0，黏度为180mPa*s，最低成膜温度为11℃；
风电叶片回收纤维（A纤维、B纤维、c纤维），尺寸见表2，实物图见图1。
由于纤维是由风电叶片经机械破碎、筛分而成，其长径比即代表破碎程度，长径比越大，破碎程度越大，纤维表面越粗糙。
表1. 水泥的主要性能
表2. 风电叶片回收纤维的尺寸
图1. 风电叶片回收纤维
选取灰砂比为1，水灰比为0.248，聚灰比（纯丙乳液与水泥的质量比）为6%，减水剂掺量为水泥质量的0.16%，纤维掺量为水泥质量的0、2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%，制备砂浆。
1.2 试验方法
成型：
参考JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》和DL/T 5126--2021《聚合物改性水泥砂浆试验规程》，将称量好的纯丙乳液和水倒入搅拌锅中，并用搅拌棒搅拌均匀（1min）；
再将称量好的粉料预混均匀，倒入搅拌锅中，缓慢搅拌至均匀（2min左右）；
搅拌好后将拌合物倒入模具，在标准养护室养护24h后拆模，继续标准养护或自然养护至规定龄期，进行相关性能测试。
流动度：
参考JC/T 986--2018《水泥基灌浆材料》进行砂浆流动度试验。
抗弯强度：
参考GB/T 15231--2023《玻璃纤维增强水泥性能试验方法》成型尺寸为250mmx50 mmx10mm的砂浆试件，进行砂浆试件7d抗弯强度测试。
采用游标卡尺测量每组（6个）试件的厚度和宽度，输入相应软件程序，按照顺序进行抗弯强度测试；
测出试件的荷载-挠度曲线，荷载-挠度曲线上峰值对应的荷载为破坏荷载（Pm），对应的挠度为破坏挠度；
采用式(1)计算各试件的抗弯强度，取平均值（误差不超过10%）。
式中：σ为抗弯强度，MPa；L为跨距，mm；b为试件的宽度，mm；h为试件的厚度，mm。
耐老化性能：
成型尺寸为250mmx50mmx10mm的砂浆试件，标准养护1d后脱模，自然养护28d后，完全浸泡于50℃热水中加速老化至不同龄期（67、93、243 d），测试试件的抗弯强度，并计算不同老化龄期的抗弯强度与28d抗弯强度的比值（即抗弯强度损失率）来表征试件的耐老化性能。
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结果与分析
2.1 流动度及抗弯性能
不同掺量风电叶片回收纤维对砂浆流动度、抗弯强度、抗弯挠度的影响见图2~图5。此外，因为A纤维掺量为10%时砂浆几乎不流动，故未继续进行A纤维掺量为12%、14%的流动度、抗弯强度试验。
图2. 纤维掺量对流动度的影响
由图2可知，随着纤维掺量的增加，砂浆的流动度逐渐降低，其中，掺A纤维砂浆的流动度下降最快，掺c纤维砂浆的流动度下降最慢。当A、B、C纤维掺量分别为10%、14%、14%，砂浆的流动度均为100mm，此时可观察到纤维出现严重的团聚现象，这是因为掺入纤维会在砂浆中形成网状结构，纤维掺量越大，网状结构会进一步阻碍砂浆的流动；随着纤维的长径比增加，纤维表面越粗糙，纤维的比表面积越大，与砂浆的摩阻力也越大，砂浆的流动度降低，工作性变差。
图3. 纤维掺量对抗弯强度的影响
由图3可知，当纤维掺量相同时（≤10%），试件的抗弯强度大小排序为掺A纤维试件>掺B纤维试件>掺c纤维试件，即纤维长径比越大，砂浆的抗弯强度越大。分析原因：依据复合材料经典混合理论，复合材料的性能等于各组分性能的加和。假设试件弯曲变形前后截面均为平面，弯曲断面是受拉破坏，各纤维均垂直于弯曲断面方向，且均匀分布，即可得到式(2)。
式中：σt为纤维增强水泥砂浆的抗拉强度；σm为不掺纤维的砂浆基体抗拉强度；σf为纤维的拉伸强度；σd为纤维与基体的黏结强度。
当水灰比相同时，即砂浆基体强度相同，纤维增强水泥砂浆的抗弯强度取决于纤维的拉伸强度和纤维与基体的黏结强度。
图4. 试件的抗弯强度断裂界面
由图4可知，纤维大多被拔出，故纤维与基体的黏结强度<纤维的拉伸强度。因此，式(2)可简化为式(3)。
本文纤维由废旧风电叶片经机械破碎、筛分得到，纤维外本包裹着一层树脂，但在机械破碎过程中，树脂逐渐剥离，而纤维单丝并不会分散，仍呈纤维束的状态。根据破碎程度由小到大依次产生C、B、A纤维束，而单束C、B、A纤维直径依次变小。
假设3种纤维束的密度相同且单束纤维与基体的黏结强度相同，当纤维掺量相同时，单束纤维的直径越小，纤维根数n越多，故纤维与基体的黏结强度大小排序为A纤维>B纤维>c纤维。因此，在纤维掺量相同时，试件的抗弯强度大小排序为掺A纤维试件>掺B纤维试件>掺c纤维试件，这与相关研究的结论吻合。
由图3还可知：随着A纤维掺量的增加，试件的抗弯强度增加，当掺量超过4%时，抗弯强度基本不再变化；当B纤维掺量从0增加到8%时，试件的抗弯强度略微增加，当掺量超过8%时，试件的抗弯强度大幅提高；当c纤维掺量从0增加到8%时，试件的抗弯强度略微降低，当掺量超过8%时，试件的抗弯强度大幅提高。
从临界纤维体积率分析原因：纤维增强水泥基材料中，纤维的体积率必须大于临界值，即临界纤维体积率（纤维掺量最小值），纤维增强水泥基材料的强度才得以提高，而临界纤维体积率与纤维的物理力学性能参数（长度、直径、纤维取向、杨氏模量、滑移摩擦应力等）有关；但纤维增强水泥基材料制备时存在一个最大允许纤维体积率（与制备工艺有关），当制备工艺择定时，纤维的体积率超过最大允许纤维体积率时，纤维会发生团聚，水泥浆体难以包裹住所有纤维，导致纤维增强水泥基材料的强度不再增加。
因此，掺A、B、C纤维的试件抗弯强度开始提高的掺量分别为2%、2%、8%，故对应的临界纤维体积率分别为2%、2%、8%。
图5. 纤维掺量对抗弯挠度的影响
由图5可知，随着纤维掺量的增加，试件的挠度均逐渐增加，其中，A、B纤维在掺量为0~10%时试件的挠度较为接近。相同纤维掺量时，试件挠度的大小排序为：掺A纤维试件>掺B纤维试件>掺C纤维试件。可见，3种纤维具有阻止、延缓弯曲破坏裂缝产生的作用，且A纤维的作用效果最佳。
2.2 耐老化性能
选取纤维掺量为4%组试件进行加速老化试验，计算得到的抗弯强度损失率结果见图6。
图6. 试件的抗弯强度损失率
由图6可知，随着老化龄期的延长，掺不同纤维的试件在相同老化龄期时的抗弯强度损失率基本一致。67d和93d时，试件的抗弯强度损失率在6%~8%，243d时，试件的抗弯强度损失率均在17%左右。可见，掺不同纤维试件的耐老化性能基本一致。其中，67d和93d抗弯强度损失率结果与[崔艳玲.GRC的耐久性及其机理研究[D].北京:中国建筑材料科学研究总院,2007.]的结果相近。
结语
随着纤维掺量的增加，砂浆的流动度逐渐降低，其中，掺A纤维砂浆的流动度下降最快，掺C纤维砂浆的流动度下降最慢。
当纤维掺量相同时（≤10%），试件的抗弯强度大小排序为掺A纤维试件>掺B纤维试件>掺C纤维试件，即纤维的长径比越大，试件的抗弯强度越高。随着纤维掺量的增加，试件的抗弯强度基本呈增加趋势，试件的挠度增加。当纤维掺量相同时，试件的挠度大小排序为：掺A纤维试件>掺B纤维试件>掺c纤维试件。
随着老化龄期的延长，试件的抗弯强度降低，掺不同纤维的试件在相同老化龄期时的抗弯强度损失率基本一致，故试件的耐老化性能基本一致。风电叶片回收纤维可以在一定程度上替代常规玻璃纤维作为水泥基材料的增强材料使用。
来源：《混凝土与水泥制品》
作者：赵娇娇；李清海；高建伟；吴玉姣；张鑫；周胜男
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