CN108328989A - 一种废弃frp混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种废弃FRP混凝土及其制备方法，废弃FRP混凝土由经回收处理后的废弃FRP、水泥、砂、石、水及外加剂组成，制备方法包括废弃FRP回收处理、混凝土原料准备、搅拌成型三个步骤。本发明具有以下优点：本发明将废弃FRP经回收处理后掺入混凝土，能有效地解决新能源汽车领域(如废旧汽车车身)、航空航天领域(如废旧机身)、风电叶片等达到使用寿命的FRP废弃物的回收利用问题，缓解危废处理困难的现状，同时可改善普通混凝土强度低、延性差等缺点，提高普通混凝土的抗压强度、抗弯强度。本发明的废弃FRP混凝土是可实现的大规模、连续化、低成本、低能耗的回收和再利用技术，对废弃FRP的再利用和混凝土技术的发展有较大意义。

Description

一种废弃FRP混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种废弃FRP混凝土及其制备方法。

背景技术

纤维增强塑料(FRP)因其具有比强度高、比模量高、耐热性和耐腐蚀性等优于传统材料的优点，在汽车高铁、航空航天、风电叶片、体育休闲、土木建筑、新能源和清洁能源(电池部件、压缩天然气和氢气瓶、太阳能柜架)等领域中得到越来越多的应用，其需求量也与日俱增。以CFRP为例，根据2017最新碳纤维材料市场数据分析，2016年全球碳纤维需求量为7.65万吨，年复合增速11.6％，预计到2020年需求量将达到11.20万吨。我国碳纤维需求量由2011年0.93万吨增长至2016年1.96万吨，年复合增速16％，预计到2020年将达到3.08万吨。

纤维增强塑料在生产制造阶段产生的边角料以及相关产品的寿命终结，会产生大量纤维复合材料废弃物。据粗略估计，到2025年全球将会有超过8500架左右的民用飞机退役，由此产生的废弃物数量非常之大。此外，随着新能源汽车产业和风电产业的快速发展，未来20年内这两个产业也将产生大量的CFRP废弃物，预测到2034年，全球CFRP叶片废弃物的数量将达225kt。在我国，复合材料废弃物的数量己经超过2000kt，且每年新增复合材料废弃物在100kt以上。

以热固性树脂为基体的纤维增强复合材料由于在自然条件下不可降解，导致对其废弃物的处理和利用存在很大难度。早期的处理方式主要是对其进行焚烧和直接填埋。一方面，焚烧过程中会释放大量有毒气体对空气造成污染，对焚烧后的灰分残渣进行掩埋又会对土壤造成二次污染。另一方面，纤维复合材料废弃物直接填埋会占用大量的工业和农业用地，对自然环境也构成威胁。这两种处理方式资源化利用率极低，也无法满足日益增加的复合材料废弃物处理需求。近几年对于纤维复合材料的处理方法可分为物理回收法和化学回收法。物理回收法的具体做法是将复合材料通过机械设备破碎、切碎成颗粒、粉末或细小片材后再加以利用，这种方法不会产生污染，利用一些破碎机械设备就可以实现，生产成本低。化学回收法则是利用化学改性或分解等方法(如热解法、胺解法、水解法等)将热固性树脂与纤维分离，从而回收得到纯净的再生纤维。根据已有研究，利用化学回收法得到的碳纤维强度可达原生碳纤维的80％以上。物理回收方法是目前被广泛使用的纤维增强复合材料废弃物回收方法，但目前由此法处理得到的材料通常只用于建筑填料、铺路材料或者高炉炼铁的还原剂等等，仍然未能实现纤维复合材料废弃物的资源化利用。如何开发大规模的连续化、低成本和低能耗的回收生产线，以避免这些废材在将来堆积如山、污染环境，是复合材料行业的一个亟待解决的问题。

混凝土作为当今主要的建筑材料，具有抗压强度高、使用方便、价格低廉等优点，其缺点是抗拉伸强度和抗弯强度低、自重大、材料脆性较大及变形能力较差等，尤其是水泥材料的低韧性使得普通混凝土在地震作用下的承载力迅速下降，使构件的应用受到限制，不能满足某些特殊场合对材料性能的要求。为克服这一缺点，最有效的措施之一就是在混凝土中加入各种短而分散的纤维，如钢、碳、玻璃、聚合物和自然植物等，它能有效阻止混凝土内部微裂纹的扩展，并延缓宏观裂缝的发生和扩展，从而弥补其韧性的不足。将纤维加入到水泥基体中即可制成纤维增强水泥基复合材料(FRC)，在水泥基体中加入不同体积含量的纤维，不仅可以明显改善复合材料的力学性能和抗裂防渗、耐强碱等，而且赋予FRC复合材料某些功能材料的性能。FRC复合材料以其强度高、模量大、密度重小、耐碱、对人畜无害、尺寸稳定性好、良好的静电屏蔽性、成型性好、良好的导电性等优异性能，在复合材料领域中占有越来也重要的地位，特别是在高层建筑、大桥、码头、河坝、耐火、防震、静电屏蔽、导电以及吸波等方面，受到材料研究工作者的普遍关注。

现有搅拌机对多材料适应性差，尤其是掺加纤维及微量添加剂的混合料。这主要是因为传统搅拌机的搅拌运动方式分为周向运动、轴向运动、径向运动，而以上三种混合方式都不能让水泥、各种添加剂以及纤维等粘结料团粒充分弥散。长期以来，国内外学者都没能很好地解决搅拌过程的数学模型与定量化问题，目前的搅拌概念存在局限性，有关搅拌设备参数优化的研究不多，且优化目标和优化方法不合理。在这种背景下，如何使搅拌过程模型化显得尤为关键。振动搅拌理论将搅拌机的物理模型与搅拌过程的数学模型结合起来的综合模拟方法，对复杂的搅拌过程进行模拟，并根据数学模型，得到搅拌曲线。有学者就此提出了新的搅拌概念，即比较完善的搅拌过程，物料位移必须由良好配合的对流运动和扩散运动来完成，这也为采用振动搅拌技术来强化扩散运动的振动搅拌方案提供了理论依据。相比于传统搅拌设备，振动搅拌设备有以下优点：1)使混合料满足国际均匀性，离差系数小；2)界面粘结强度增强，混凝土强度同比提高8％以上；3)节约水泥5％以上，同时减少用水量；4)混凝土的总孔隙率和孔结构分布都有较好的改善；5)更易于施工，密实性好，不泌水；6)除普通混凝土外，还适应于RCC、SFRC、CA砂浆，再生骨料混凝土、沥青混合料、稳定土等多种材料。

发明内容

为了改善传统混凝土存在的固有缺陷，同时对废弃FRP材料进行充分再利用，本发明提供了一种废弃FRP混凝土及其制备方法，本发明所采用的技术方案如下：

一种废弃FRP混凝土及其制备方法，该废弃FRP混凝土的组分为经回收处理后的废弃FRP、水泥、砂、石和水，可根据实际需求加入其它外加剂，将上述各组分充分搅拌均匀后制备成废弃FRP混凝土。

一种废弃FRP混凝土其制备方法，废弃FRP混凝土中水泥、砂、石、水的质量比为水泥：砂：石：水＝(1.2～3):(1.2～5):(1.2～10):1，以水泥、砂、石和水混合均匀后的总体积为基数，废弃FRP的体积掺量为0～5％。

一种废弃FRP混凝土其制备方法，所述废弃FRP是将达到使用寿命的废旧FRP制品或FRP新产品制造过程中产生的边角废料通过机械破碎或其他处理方式回收后得到条带状、颗粒状或者片状的废弃FRP，条带状废弃FRP的长度为3～30mm，颗粒状废弃FRP的粒径为30μm-30mm，片状FRP的长度和宽度均为3～30mm。

一种废弃FRP混凝土的制备方法，可采用以下拌合方式，依次包括以下步骤：

(1)废弃FRP制品回收处理：首先是将达到使用寿命的废旧FRP制品或FRP新产品制造过程中产生的边角废料通过机械破碎或其他处理方式回收后得到条带状、颗粒状或者片状的废弃FRP；

(2)水、水泥和废弃FRP的拌匀：将一定量的水、水泥、废弃FRP及外加剂投入振动搅拌装置中，搅拌6-8min，使水泥充分水化，废弃FRP混合均匀；

(3)混合粗、细骨料：向步骤(2)混合物中加入最大粒径、级配满足相关规范要求的粗骨料和颗粒级配等基本要求满足相关规范要求的细骨料，搅拌0.5-2min；

(4)水、减水剂的拌和：向步骤(3)的混合物中加入剩余的水和减水剂，搅拌6-8min；即得废弃FRP混凝土。

与传统技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明可以有效地解决以热固性树脂为基体的FRP材料的废料回收问题，因为这些材料不可降解且不能被再加工。将达到使用寿命的废旧FRP制品经回收处理后掺入混凝土为实现FRP全生命周期的提供了一种创新解决方案；

(2)本发明中的废弃FRP混凝土可通过机械破碎的方式回收处理废弃的CFRP、GFRP等危险固体废物。与热处理法、亚超临界流体法等费用高昂的处置方法相比，机械破碎FRP并应用于混凝土是可实现的大规模、连续化、低成本、低能耗的回收和再利用技术，有利于建筑产业的可持续、绿色、低碳发展；

(3)本发明中的废弃FRP混凝土采用FRP废料替代部分混凝土中天然细骨料，抗压强度可达到59MPa以上，弯曲强度可达到8MPa以上，是一种强度高、延性好、耐久性好的生态建筑材料，不仅在非结构性应用如混凝土或路面板有较好的前景，也可以用作具有结构级力学性能的混凝土；

(4)本发明中的废弃FRP混凝土由于废弃FRP的掺入，改善了混凝土的机械性能、耐久性能和抗冲击性能，这种改进取决于混凝土的组成，废弃FRP的机械性能和含量，因此基于废弃FRP的混凝土仍有巨大的改进可能性用以进一步提高结构的各项性能，从而进一步提高建筑的承载力和抗震性能。

具体实施方式

实施例1

一种废弃CFRP混凝土，由下述重量份的原料组成：水347份，骨料457份，粉煤灰457份，普通硅酸盐水泥457份，减水剂2.47份，条带状废弃CFRP15.5份。

各种材料的参数指标如下：

减水剂为聚羧酸液态高效减水剂，有效含量为25％，减水率为25％。

条带状废弃CFRP的密度1550kg/m3，纤维长度不大于10mm，拉伸强度为3.55×103MPa，弹性模量是235GPa。

粉煤灰为优质Ⅱ级粉煤灰，细度17.5％，需水量99％，烧失量6.8％，含水量0.5％。

骨料粒径小于等于4.76mm，级配良好。

制备过程如下：

(1)选取来源于实验室废弃的CFRP，将其经剪切式破碎设备进行破碎后得到30mm～50mm的块状和片状物料，再加入二级破碎设备，经过高效粉碎并分离除尘后最终得到长度不大于10mm的条带状废弃CFRP；

(2)将一定量的水、水泥、废弃CFRP及外加剂投入振动搅拌装置中，搅拌6-8min，使水泥充分水化，废弃CFRP混合均匀。

(3)向步骤(2)得到的混合物中加入设计配合比所需的粗骨料和细骨料，混合搅拌0.5-2min。

(4)向步骤(3)的混合物中加入剩余的水和减水剂，搅拌6-8min；即得废弃CFRP混凝土。

(5)测定新拌混凝土的和易性，满足要求即可注模成型，不满足要求则调整配合比重复步骤(2)(3)(4)。

以下是发明人提供的关于本实施例的废弃CFRP混凝土的力学性能测试及其结果。

(1)采用100mm×100mm×100mm的标准试模制作立方体抗压试块，按照标准养护方法养护28天，进行立方体抗压强度试验。试验结构表明：废弃CFRP混凝土试块抗压强度的平均值为60MPa。

(2)采用420mm×80mm×60mm的标准试模制作棱柱体抗弯试件，按照标准养护方法养护28天，进行三点弯曲试验。试验结果表明：废弃CFRP混凝土试件的极限强度为8MPa,达到峰值何在后承载力下降缓慢。按照ASTM C1080法计算所得的弯曲热性系数其弯曲韧性I₅、I₁₀、I₂₀分别为9.00、12.25、16.75，相对于普通混凝土来说韧性有所提高。

(3)采用150mm×65mm的标准试模制作圆柱盘抗冲击试件，按照标准养护方法养护28天，进行重复落锤试验。结果表明：废弃CFRP混凝土圆柱盘抗冲击试件的极限冲击能是500kN.mm。相对于普通混凝土来说具有良好的耐冲击性能。

该实施例的再生CFRP混凝土的上述力学特性表明，相对于普通混凝土来说用作混凝土的强度、变形能力和韧性都有所提高，用它作为结构体构件具有明显的优势。

实施例2：

本实例中的废弃FRP混凝土与实施例一不同之处在于本实例中采用的是同一批回收的废弃GFRP作为掺和料，其他与实施例一相同。

实施例3：

本实例中的废弃FRP混凝土与实施例一不同之处在于本实例中采用的是同一批回收的废弃BFRP作为掺和料，其他与实施例一相同。

Claims (4)

1.一种废弃FRP混凝土及其制备方法，其特征在于，该废弃FRP混凝土的组分为经回收处理后的废弃FRP、水泥、砂、石和水，可根据实际需求加入其它外加剂，将上述各组分充分搅拌均匀后制备成废弃FRP混凝土。

2.权利要求1中所述的一种废弃FRP混凝土其制备方法，其特征在于，废弃FRP混凝土中水泥、砂、石、水的质量比为水泥：砂：石：水＝(1.2～3):(1.2～5):(1.2～10):1，以水泥、砂、石和水混合均匀后的总体积为基数，废弃FRP的体积掺量为0～5％。

3.权利要求1中所述的一种废弃FRP混凝土及其制备方法，其特征在于，所述废弃FRP是将达到使用寿命的废旧FRP制品或FRP新产品制造过程中产生的边角废料通过机械破碎或其他处理方式回收后得到条带状、颗粒状或者片状的废弃FRP，条带状废弃FRP的长度为3～30mm，颗粒状废弃FRP的粒径为30μm-20mm，片状FRP的长度和宽度均为3～30mm。

4.权利要求1中所述的一种废弃FRP混凝土及其制备方法，其特征在于，其制备方法可采用下面的拌合方式，依次包括以下步骤：

(1)废弃FRP制品回收处理：首先是将达到使用寿命的废旧FRP制品或FRP新产品制造过程中产生的边角废料通过机械破碎或其他处理方式回收后得到条带状、颗粒状或者片状的废弃FRP；

(2)水、水泥和废弃FRP的拌匀：将一定量的水、水泥、废弃FRP及外加剂投入振动搅拌装置中，搅拌6-8min，使水泥充分水化，废弃FRP混合均匀；

(3)混合粗、细骨料：向步骤(2)混合物中加入最大粒径、级配满足相关规范要求的粗骨料和颗粒级配等基本要求满足相关规范要求的细骨料，搅拌0.5-2min；

(4)水、减水剂的拌和：向步骤(3)的混合物中加入剩余的水和减水剂，搅拌6-8min；即得废弃FRP混凝土。