风电叶片废料在纤维水泥板中的应用研究_程志斌.pdf

江西建材试验与研究512023年1 月风电叶片废料在纤维水泥板中的应用研究程志斌武汉建筑材料工业设计研究院有限公司，湖北 武汉 430200摘 要：采用退役风力发电机组风电叶片废料作为木浆纤维的替代品使用，板材密度会随着风电叶片废料掺量增加而增大；废料掺量为3.0%时，制备的纤维水泥板抗折强度最大，为16.0MPa，掺量增大至4.0%时强度下降；板材抗冲击强度会随着风电废料增加而降低；板材的抗冻融性能受风电叶片废料掺量影响较小。关键词：风电叶片废料；抗折强度；抗冲击强度；冻融中图分类号：TM315 文献标志码：A文章编号：1006-2890（2023）01-0051-03Application of Wind Turbine Blade Waste to Fiber Cement BoardCheng ZhibinWuhan Building Material Industry Design Research Institute Co.Ltd.,Wuhan,Hubei 430200Abstract:When wind turbine blade waste is used as a substitute for wood pulp fiber,the board density increases with the increase of wind turbine blade waste content.When the content of waste material is 3.0%,the flexural strength of fiber cement board is the highest（16.0MPa）,and the strength decreases when the content is increased to 4.0%.The impact strength of the board decreases with the increase of the waste content.The freeze-thawing resistance is less affected by wind turbine blade waste content.Key words:Wind turbine blade waste;Flexural strength;Impact strength;Freeze-thaw resistance0 引言在2006 年 可再生能源法 正式施行后，我国在大力发展风能发电，早期的风力发电机组的功率主要为300kW、600kW，随着科学技术的发展，目前以1500kW功率的风力发电机组为主。我国风力发电机组的设计寿命一般为20 年左右，但由于早期设计、制造、材料的限制以及技术发展迭代的因素，已经或将要有一批风力发电机组退役。预计到2025年时,退役风机约1827台，2030年将达到约3.4万台，2040年预计达到15万台1。风力发电机组中金属部分能直接回收再利用，但是其中的风电叶片因其材料的特殊性不可自然降解，是回收利用的难点。风电叶片主要由玻璃纤维和热固性树脂基复合材料制成，由于热固性聚合物复合材料的交联反应而不能再熔化或重塑，因此，此类复合材料难以再循环利用。目前常见的回收方式为四种：第一种是将叶片进行拆解，切割，直接用于市政建设等领域，作为市政景观的一部分，这种方法简单快捷，成本低，但是处理量太低；第二种是机械回收，将叶片打碎，粉磨后回收添加进建筑材料，增强材料性能，作为填料使用，没有合理发挥其经济价值；第三种则是进行化学回收，将材料分解后再重新利用，化学回收效果较好，能够将风机叶片中的玻璃纤维提取使用，但是成本较高2-3；第四种是焚烧热能法4-5，将风电叶片废料采用焚烧炉焚化作为热源。将风电叶片废料用于常见建筑材料的生产能够有效减少资源消耗。目前，市面上已经有一些企业通过对风电叶片进行切割、破碎、粉磨、成型等工艺，制备出了性能良好的人造板材。目前对风电叶片废料再利用的相关基础研究还非常少，风电叶片中大量的纤维经过处理后作为再生纤维材料使用，风电叶片中的玻璃纤维属于高强高模量的纤维，增韧效果良好。纤维水泥板是以水泥为胶凝材料，有机合成纤维、无机矿物纤维为增韧材料，常用的纤维有木浆纤维、玻璃纤维、PVA纤维等，纤维的掺量一般在4%8%之间，主要以木浆纤维为主，掺入少量的玻璃纤维就能够有效提高板材的韧性6。目前每吨玻璃纤维市场价格在几千到几万元，木浆纤维价格大约每吨在50008000 元，而风电叶片废料中含有大量的玻璃纤维，采用风电叶片废料替代部分木浆纤维具有一定的可行性。本文研究了风电叶片废料在纤维水泥板中的再利用。1 材料与方法1.1 试验材料水泥：P O42.5 级普通硅酸盐水泥,由湖北华新水泥股份有限公司提供。石英砂：宜昌某公司生产的石英砂，含泥量3.0%，SiO2含量93.0%，过200 目筛后余10%。木浆纤维：本色针叶木浆，纤维长度约为0.91.3mm。风电叶片废料：风电叶片主要组成材料是95%玻璃钢和5%钢、铜金属，金属可直接回收。玻璃钢主要成分为65%树脂、30%玻璃长丝、3%促进剂和2%固化剂。风电叶片废料需要经过切割和粉磨，制备成粉状使用。粉状废料的100 目筛后余量小于 10%，能够在粉末中明显观察到细小的玻璃纤维。1.2 试验方法采用流浆法制备纤维水泥板。首先将原材料加水混合，搅拌均匀，配置成浓度为10%13%的料浆，真空抽滤后移动坯体至模具中，用压机压制成型，然后将成型好的料坯送入预养护箱中养护，养护温度为40，时间为4h，最后送入蒸压釜中养护9h，饱和蒸汽压力为1.0MPa。作者简介：程志斌（1983-），男，河北平泉人，硕士，工程师，主要研究方向为新型建材材料。江西建材试验与研究522023年1 月将蒸压养护之后的板材放置在烘箱中，105 条件下烘干24h，然后按照GB/T 7019-2014 纤维水泥制品试验方法 对板材的密度、抗折强度、抗冲击强度和抗冻融性能进行检测。1.3 配合比设计将处理后的风电叶片废料等质量替代木浆纤维使用，配合比见表1。当风电叶片废料替代量高于4.0%时，由于木浆纤维掺量过少，板材成型后易断裂，因此，风电叶片废料的替代量不超过4.0%。表1 配合比设计%编号石英砂水泥木浆纤维风电叶片废料155387.00255386.50.5355386.01.0455385.02.0555384.03.0655383.04.02 试验结果与讨论2.1 板材密度如图1 所示，当成型压力不变时，随着风电叶片废料掺入量的增加，板材密度随之上升。不掺入风电叶片废料的板材密度约为1.37g/cm3，当掺入4%的风电叶片废料后，板材的密度为1.47g/cm3，增大了7.2%。相比木浆纤维，风电叶片废料的密度更大，当等质量替代时，风电叶片废料占有的体积变小，在同等压力作用下，更加容易被压缩，从而密度增大。图1 风电叶片掺量与密度的关系2.2 抗折强度风电叶片废料中含有大量的玻璃纤维，经过粉磨后，玻璃纤维从树脂中剥离出来，并断裂成较为细小的玻璃纤维，能增强基体的强度。由图2 可知，当风电叶片废料替代量较小，仅为0.5%时，板材的抗折强度下降，当风电叶片废料的替代量增至3.0%时，板材的干燥抗折强度最大，为16.0MPa，相比空白组板材，其抗折强度提高了9%。风电叶片废料掺量过低时，其中的玻璃纤维含量较低，无法抵消木浆纤维掺量降低对板材抗折强度性能的不利影响；当替代量增加，风电叶片废料中玻璃纤维含量增加，玻璃纤维发挥优秀的增韧作用，能够替代木浆纤维的作用。但是，当风电叶片废料的掺量持续增加至4.0%时，板材的抗折强度降低，这是由于风电叶片废料中玻璃纤维含量过高时，过多的玻璃纤维在加水搅拌过程中容易团聚，在板材中形成缺陷区域，从而降低了板材的力学性能。板材的饱水抗折强度变化和板材的干燥抗折强度相似，在风电叶片废料掺量为3.0%时达到最高，然后掺量增加，强度会下降，总体上掺入风电叶片废料对板材的饱水抗折强度影响不大。图2 风电叶片掺量与抗折强度关系2.3 抗冲击强度风电叶片废料掺量较少时，对板材的抗冲击性能无影响，当掺量增加时，木浆纤维掺量随之下降，板材承受冲击时能够吸收的能量减少，导致板材抗冲击强度下降。如图3所示，当风电叶片废料的掺量达到4.0%时，板材的抗冲击性能明显下降，相比对照组的抗冲击性能下降约31%。图3 风电叶片掺量与抗冲击强度关系将同质量的风电废料和木浆纤维对比，木浆纤维的数量较多，且木浆纤维有分丝帚化，能像渔网一样包裹基体，互相搭接将基体材料连成一片，这样板材能够有效分布受到的冲击力，经受更大的冲击能量。风电叶片废料中玻璃纤维表面上可能会附着有树脂，会影响纤维之间的搭接，这也会造成基体的抗冲击强度降低。总体上，风电叶片废料的掺入对板材的抗冲击性能影响不是很大，控制其掺量在3.0%以内，板材的抗冲击性能优良。2.4 抗冻融性能板材的抗冻融性能能够反映板材耐受严寒气候的能力。掺入风电叶片废料的板材都能够经受100 次冻融循环，达到 A类板材的要求，能用于室外工程使用。但是经过冻融后的板材的饱水抗折强度都有一定程度的降低。从表2 可以看出，经过冻融后，板材的抗折强度均有一定江西建材试验与研究532023年1 月程度的下降。随着风电叶片废料的掺入量增加，板材的抗折强度比率下降，这表明掺入风电叶片废料的板材在经过冻融循环后抗折强度损失得更多。这是因为风电叶片废料中含有约2/3的树脂，树脂具有明显的吸水性，板材浸泡后在冻结过程中，树脂中的水会结冰体积变大，对周围的基体造成破坏，而融化的过程中冰又化作水，接着又进入到下一个冻融，导致树脂周围的水泥基体结构受到不利影响，从而导致纤维水泥板在冻融后抗折强度降低，抗折强度比率降低。但是由于风电叶片废料在板材中的掺量不高，因此影响不大，所有板材均能够经受100次的抗冻融循环作用，并且抗折强度比率均大于90%，属于合格板材，能用于户外使用。表2 风电叶片废料掺量对板材抗冻融性能的影响编号风电叶片废料掺量/%冻融循环次数冻融后强度/MPa抗折强度比率/%10.010011.69920.510010.99831.010010.69842.010010.39653.010011.29564.01009.8923 结论（1）将风电叶片废料经过粉磨后替代木浆纤维使用，由于等质量风电叶片废料占有的体积更小，因此，在同等压力下制备的板材密度会随着风电叶片废料的增加而升高。（2）当风电叶片废料替代量较低时，板材的抗折强度下降，当掺量继续增加至3.0%时，制备的板材干燥抗折强度和饱水抗折强度最大，当掺量再增加时，板材抗折强度会降低。（3）采用风电叶片废料替代木浆纤维使用时，由于板材风电叶片废料中玻璃纤维搭接效果的抗冲击性能会随着掺量增加而略有降低。（4）掺入风电叶片废料对板材抗冻融性能影响不大，均能够耐受100 次冻融循环，且抗折强度比率均能大于90%。（5）采用粉磨后的风电叶片废料替代木浆纤维制备的板材总体性能良好，满足产品使用需求。（6）风电叶片废料粉磨后使用成本低于木浆纤维，在成本控制上具有一定优势。参考文献 1 冯磊，邓杰.风电退役与再开发：挑战与建议 J.能源，2022（2）：46-51.2 许淳瑶，葛立超，冯红翠，等.风力发电现状及叶片组成与回收利用综述J.热力发电，2022，51（9）：29-41.3 王玉琪.选择性断键降解回收纤维增强热固性树脂复合材料研究D.北京：中国科学院大学，2016.4 张建川，张前峰，蔡红军.风力发电复合材料叶片废弃物的几种处理方法分析J.材料科学与工程学报，2012，30（3）：473-482.5 任伟伟.风电机组拆除回收及扩容整改J.橡塑技术与装备，2015，41（16）：104-105.6 卢娟，张亚芳，程从密，等.纤维掺量对玻璃纤维增强水泥板弯曲性能的影响J.深圳大学学报（理工版），2021，38（4）：380-386.由图3 可知，普通硅酸盐水泥及钢渣矿渣水泥制备的干混砂浆都满足 GB/T 25181-2019预拌砂浆 中对各强度等级干混砌筑砂浆抗压强度的要求，且利用钢渣矿渣水泥制备的各等级砌筑砂浆的抗压强度要比普通硅酸盐水泥制备的砂浆高0.81.4MPa。为得到更好的施工性能，干混砂浆中添加一定量的引气剂，致使砂浆内部产生不少的孔隙9。钢渣矿渣水泥与普通硅酸盐水泥相比，其在砂浆中发生多重反应生成大量的AFt，AFt在生成过程中会结合大量的水分子，造成一定体积膨胀，对砂浆内部孔隙起到更好的填充及加固效果，故而利用钢渣矿渣水泥制备的干混砌筑砂浆抗压强度更高。3 结论（1）利用钢渣矿渣水泥制备的干混砌筑砂浆凝结时间、2h稠度损失率、保水率、抗压强度均能满足 GB/T 25181-2019 预拌砂浆 的相关要求。（2）与传统普通硅酸盐水泥制备的干混砂浆相比，利用钢渣矿渣水泥制备的干混砌筑砂浆，凝结时间延长1.82.2h，2h稠度损失率降低1%3%，保水率降低0.3%0.8%，抗压强度提高0.81.4MPa。（3）钢渣矿渣水泥在砂浆中发生水化反应主要生成 C-S-H及造成体积有一定膨胀的 AFt，对砂浆内部孔隙起到更好的填充及加固效果，故而利用钢渣矿渣水泥制备的干混砌筑砂浆抗压强度更高。参考文献 1 郝伟.钢渣粉煤灰复合胶凝材料制备技术及其应用 D.青岛：中国海洋大学，2015.2 张金才，程芳琴.采用工业固废复配无机胶凝材料的试验研究J.新型建筑材料，2017，44（10）：8-11.3 胡明玉，胡彪，蔡国俊，等.铜尾矿免烧墙体材料的研制J.新型建筑材料，2021，48（8）：80-83.4 刘轩，崔孝炜，倪文，等.钢渣粉对全固废混凝土强度的影响 J.金属矿山，2016（10）：189-192.5 许成文.掺碱渣全固废海工混凝土的制备及抗氯离子侵蚀性能研究D.北京：北京科技大学，2022.6 王培铭，张国防.干混砂浆的发展和聚合物干粉的作用J.中国水泥，2004（1）：46-49.7 仇夏杰，倪文，王思静.无熟料钢渣矿渣水泥在热养护条件下的强度发展J.金属矿山，2014（11）：171-174.8 李琳琳，苏兴文，李晓阳，等.鞍钢钢渣矿渣制备人工鱼礁混凝土复合胶凝材料J.硅酸盐通报，2012，31（1）：117-122.9 王华杨.Q-1 型混凝土砂浆引气剂研制和应用J.工业建筑，1998（4）：17-19.（上接第50 页）