CN110563402A - 纤维增强复合材料废弃物的粗纤维化方法及其增强混凝土 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种纤维增强复合材料废弃物的粗纤维化方法及其增强混凝土。该复合材料废弃物的粗纤维化方法包括以下步骤：测量复合材料废弃物的长、宽、高尺寸，并取其长、宽、高中最大的尺寸为参考尺寸；然后根据参考尺寸，选择相适应的切割方式进行切割，将废弃物处理成长为30毫米～150毫米，宽为1毫米～30毫米，厚为0.3毫米～3毫米的粗纤维。其中，切割方式包括粗切、中切以及细切，细切需沿着中切块体的连续纤维的延伸方向切割。将粗纤维化的复合材料废弃物与水泥、粗骨料、细骨料等组分混合配制成强度高、韧性好的混凝土。本发明为复合材料废弃物的回收和再生利用，提供了一条技术可行、经济便捷的途径，对促进复合材料的进一步推广应用具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于复合材料的回收与再生利用技术领域，尤其涉及一种纤维增强复合材料废弃物的粗纤维化方法及其增强混凝土。
背景技术
纤维增强复合材料(简称：复合材料)由连续纤维和树脂基体组成，具有强度高、质量轻以及耐腐蚀和疲劳等优越性能，为实现装备和工程结构的轻量化等高性能目标提供了一种良好途径，因此，广泛应用于造船、航空航天、风电、建筑、交通运输、电子电气等领域。据统计，2016年全球复合材料的市场需求量为1100万吨，且以年均4％左右的速度增长。
组成复合材料的连续纤维种类有玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶及其他纤维，其中玻璃纤维制品因性价比高而占据复合材料产品的95％以上；树脂基体分为热固型和热塑型两大类，热固型复合材料占所有复合材料的75％左右。
大规模的复合材料消费势必会带来严峻的废弃物处理问题。以风电领域为例，预估在2030年，将产生1700万吨复合材料废弃物，并将在2050年增长至4000万吨。占据主要地位的热固型复合材料和玻纤制品具有回收难度大，回收产品附加值低等特点，因此，世界各国对废弃复合材料目前主要还是采用直接填满的方式进行处理。直接填满一方面会占用大量宝贵的土地资源，另一方面会对环境造成长期的影响，不利于可持续发展目标的实现。目前，德国等西方发达国家对采用直接填埋法处理复合材料制定了严格的法律法规。
现有其他复合材料废弃物处理方法还有：(1)能量回收法，将废弃复合材料进行焚烧，回收能量，用于发电或供热，同时，将产生的灰烬进行填埋或制备水泥。(2)热分解回收法，即在高温条件下将树脂大分子分解为小分子化合物，从而将连续纤维从复合材料中分离出来。(3)溶剂分解法，即通过化学溶剂将树脂大分子分解为小分子化合物，从而得到分离的纤维。(4)物理回收法，即通过机械作用将复合材料废弃物进行剪裁、粉碎成颗粒状或针状物，然后，将其作为粗、细骨料制备混凝土。但是，现有纤维复合材料废弃物处理方法均存在这样或那样的问题，尚无具有大规模推广的处理途径。例如，采用能量回收法处理纤维复合材料废弃物的过程中可能会产生大量危害环境的气体。热分解回收法一方面消耗能量较多，费用较高，另一方面其高温环境会显著弱化玻璃纤维的力学性能，因而该方法不适合占绝大多数的玻纤复合材料。溶剂分解法费用很高，不经济。物理回收法处理复合材料能耗相对较低，但将剪裁、粉碎成颗粒状或针状物作为粗、细骨料制备混凝土会对其力学性能产生较为明显的不利影响。
综上所述，研发一种技术可行、经济便捷、对环境友好的复合材料废弃物的处理方法对于复合材料的进一步推广应用和建设可持续发展社会具有重要的经济和社会意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种技术可行、经济便捷、对环境友好的复合材料废弃物的粗纤维化方法。
本发明的另一目的是提供一种增强、增韧型混凝土。
本发明是这样实现的，一种复合材料废弃物的粗纤维化方法，至少包括以下步骤：
测量所述复合材料废弃物的长、宽、高尺寸，并取其长、宽、高中最大的尺寸为参考尺寸，然后根据所述参考尺寸确定后续的切割步骤；
当所述参考尺寸大于3米时，先采用粗切，将所述复合材料废弃物切成0.5米～3米的粗切块体；然后，采用中切，将所述粗切块体进一步切成50毫米～300毫米的中切块体；最后，采用细切，顺着所述中切块体中的连续纤维的延伸方向，将所述中切块体进一步切成长为30毫米～150毫米，宽为1毫米～30毫米，厚为0.3毫米～3毫米的粗纤维；
当所述参考尺寸在0.3米～3米之间时，采用中切将所述复合材料废弃物切成50毫米～300毫米的中切块体；然后，采用细切，顺着所述中切块体中的连续纤维的延伸方向切割，将所述中切块体进一步切成长为30毫米～150毫米，宽为1毫米～30毫米，厚为0.3毫米～3毫米的粗纤维；
当所述参考尺寸小于0.3米时，直接采用细切，顺着所述复合材料废弃物中的连续纤维的延伸方向切割，将所述复合材料废弃物切成长为30毫米～150毫米，宽为1毫米～30毫米，厚为0.3毫米～3毫米的粗纤维。
进一步的，所述粗切步骤在所述复合材料废弃物的获取地进行。
进一步的，所述中切步骤可采用相应移动切割设备在复合材料废弃地直接进行，亦可将粗切块体采用合适的运载工具，运输至工厂内进行。
进一步的，所述细切步骤中的切割方式为铣削。
本发明为解决上述技术问题，还提供了一种增强混凝土，所述增强混凝土包括若干粗纤维，所述粗纤维包括树脂基体以及嵌置于所述树脂基体内部的连续纤维，所述树脂基体的长为30毫米～150毫米，宽为1毫米～30毫米，厚为0.3毫米～3毫米，其中，所述连续纤维的延伸方向为所述树脂基体的长度方向。
进一步的，所述连续纤维为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶或其他纤维。
进一步的，所述树脂基体为热固型或热塑型树脂。
进一步的，按重量计，所述混凝土具体包括以下原料：所述粗纤维1～20份、水泥0～200份、细骨料0～300份、粗骨料0～400份、水40～100份、减水剂0～40份。
进一步的，所述硅酸盐水泥采用抗压等级为42.5、52.5或62.5的硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
本发明的复合材料废弃物的粗纤维化方式具有技术可行性高、经济效益好、工艺简单等特点，特别适合现有回收和再生方法难以处理的玻纤增强复合材料的回收和再生。本发明为复合材料废弃物的回收和再生，提供了一条技术可行、经济便捷、对环境友好的途径。其中，切割时顺着废弃物的纤维方向，可使加工过程能耗少、粉尘产生少。
此外，将经过粗纤维化处理的复合材料废弃物作为增强相加入至混凝土中，可以提升混凝土的抗拉、抗折的强度和韧性。可见，本发明对复合材料的进一步推广应用和建设可持续发展社会具有重要意义。
附图说明
图1是本发明实施例提供的复合材料废弃物的粗纤维化流程图；
图2是本发明实施例提供的细切步骤示意图；
图3是本发明实施例提供的一实际案例的复合材料废弃物的切割过程示意图；
图4是本发明实施例提供的各组小梁试件的荷载-位移曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参见图1，示出了本实施例提供的一种复合材料废弃物的粗纤维化方法，该复合材料废弃物包括树脂基体以及嵌置于树脂基体内部的连续纤维，对其进行粗纤维化至少包括以下步骤：
S1、测量步骤：
在复合材料废弃物的获取地，测量所述复合材料废弃物的长、宽、高尺寸，并取其长、宽、高中最大的尺寸为参考尺寸，并作好记录，然后根据所述参考尺寸确定后续的切割步骤；
S2、切割步骤，其中，根据测量的复合材料废弃物的参考尺寸数据，切割步骤可分为以下三种情况：
(1)当参考尺寸大于3米时，先采用电锯等粗切工具进行粗切，将复合材料废弃物切成0.5米～3米的粗切块体。通过卡车等运输车辆将粗切块体运送到工厂，然后，采用机械设备进行中切，将粗切块体进一步切成50毫米～300毫米的中切块体10。最后，请参见图2，采用铣削设备20，顺着中切块体10中的连续纤维1的延伸方向进行细切，将中切块体10进一步切成长为30毫米～150毫米，宽为1毫米～30毫米，厚为0.3毫米～3毫米的粗纤维。
(2)当参考尺寸在0.3米～3米之间时，先通过卡车等运输车辆将复合材料废弃物运送到工厂，然后，采用机械设备进行进行中切，将复合材料废弃物切成50毫米～300毫米的中切块体10；然后，采用铣削设备20，顺着中切块体10中的连续纤维1的延伸方向进行细切，将所述中切块体10进一步切成长为30毫米～150毫米，宽为1毫米～30毫米，厚为0.3毫米～3毫米的粗纤维。
(3)当所述参考尺寸小于0.3米时，先通过卡车等运输车辆将复合材料废弃物运送到工厂，然后，采用铣削设备20，顺着复合材料废弃物中的连续纤维1的延伸方向进行细切，将复合材料废弃物切成长为30毫米～150毫米，宽为1毫米～30毫米，厚为0.3毫米～3毫米的粗纤维。
综合而言，即是先在获取地现场进行尺寸测量，确定参考尺寸，然后根据参考尺寸组合出相适应的切割方式(切割组合方式包括：粗切+中切+细切、中切+细切、细切)，以及判断是否需要先将废弃物在获取地现场进行粗切再运输至工厂。如果尺寸不满足粗切要求，则无需粗切，直接运输至工厂后进行中切以及细切。上述中切可采用相应移动切割设备在复合材料废弃地直接进行，亦可将粗切块体采用合适的运载工具，运输至工厂内进行。同样的，如果尺寸不满足中切要求，则无需中切，而是直接进行细切。通过上述步骤可将不同尺寸的复合材料废弃物进行粗纤维化加工，得到粗纤维。
为了对上述粗纤维进行利用，本实施例还提供了一种增强混凝土，其包括若干粗纤维，所述粗纤维包括树脂基体以及嵌置于树脂基体内部的连续纤维，粗纤维的长为30毫米～150毫米，宽为1毫米～30毫米，厚为0.3毫米～3毫米，并且，所述连续纤维的延伸方向为树脂基体的长度方向。
上述连续纤维可以是玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶或其他纤维。树脂基体可以是热固型树脂，也可以是热塑型树脂。本实施例并不对连续纤维的类型以及树脂基体的类型进行限定。
具体的，上述混凝土的组分可以根据不同的需求，进行适当的调配。为了对本发明进行充分说明，本实施例举列以下一种混凝土组分，按重量计，其包括以下原料：粗纤维1～20份、水泥0～200份、细骨料0～300份、粗骨料0～400份、水40～100份、减水剂0～40份。
优选的，水泥采用抗压等级为42.5、52.5或62.5的普通型或早强型硅酸盐水泥，细骨料选用河砂、湖砂、山砂、(淡化)海砂、人工砂等建筑用砂。
另外，本实施例的保护范围还可以包括采用上述增强混凝土制备的各种预制件、填充墙以及砖块；还可以包括采用上述混凝土于施工现场浇筑的各类建筑构件。
本实施例的复合材料废弃物的粗纤维化方式具有技术可行性高、经济效益好、工艺简单等特点，特别适合现有回收和再生方法难以处理的玻纤增强树脂基复合材料的回收和再生。本实施例为复合材料废弃物的回收和再生，提供了一条技术可行、经济便捷、对环境友好的途径。其中，切割时顺着废弃物的连续纤维的延伸方向，可使加工过程能耗少、粉尘产生少。
此外，将经过粗纤维化处理的复合材料废弃物作为增强相加入至混凝土中，可以提升混凝土的抗拉、抗折的强度和韧性。可见，本实施例对复合材料的进一步推广应用和建设可持续发展社会具有重要的经济和社会意义。
为了进一步体现本发明的发明构思以及技术效果，下面结合一实际案例，对本实施例进行详细说明：
天津某风力发电基地获取一支废弃风力机叶片，请参见图3，采用本实施例的方法对其进行粗纤维化：(1)粗切：在当地采用电锯等粗切工具将其分割成长为2米左右的环形段；(2)中切：将环形叶片段通过卡车运至工厂进行中切，对其进行进一步的机械切割，制备成长约为100毫米的中切块体；(3)细切：采用铣削的方法将中切块体切削成100毫米长，3毫米宽，0.5毫米左右厚的粗纤维。
将上述切割制得的粗纤维，按不同含量掺入混凝土中，可不同程度地增强混凝土的抗拉、抗折强度和韧性。为了更好对比研究不同掺量的粗纤维的影响，4种配合比的混凝土除粗纤维掺量不同外，单位体积混凝土的各组分含量均保持不变，具体配合比信息见表一：
表一：混凝土配合比(千克/立方米)
每组混凝土制备了6个300毫米高、150毫米直径的混凝土圆柱体，用于测量其抗压强度、劈裂抗拉强度；并各用多个550毫米长、150毫米宽和150毫米高的小梁试件用于测试其抗折强度。测试结果表明掺入废弃复合材料粗纤维不仅没有使混凝土强度降低，反而使其略有提升，同时混凝土的劈裂抗拉强度得到显著提升；控制组、0.5％粗纤维组、1.0％粗纤维组以及1.5％粗纤维组的平均抗压强度分别为45.7MPa，47.7MPa，47.5MPa和47.4MPa，平均劈裂抗拉强度分别为3.2MPa，3.9MPa，4.1MPa以及4.9MPa。通过小梁试件得到图4所示的各组试件的荷载-位移曲线(其中，图中的a、b、c、d分别表示控制组、0.5％粗纤维组、1.0％粗纤维组以及1.5％粗纤维组；而a1、a2、a3分别表示控制组的3个小梁试件的曲线，b1、b2、b3、b4分别表示0.5％粗纤维组的4个小梁试件的曲线，c1、c2、c3、c4分别表示1.0％粗纤维组的4个小梁试件的曲线，d1、d2、d3、d4分别表示1.5％粗纤维组的4个小梁试件的曲线)，容易理解的是，图4表明了随着粗纤维掺量的增加，混凝土抗弯强度和韧性得到显著的提升，具体而言，抗折强度从控制组的5.53MPa，提升至0.5％粗纤维组的5.93MPa、1.0％粗纤维组的10.1MPa以及1.5％粗纤维组的12.2MPa；韧度从控制组的0.9J/m2提升至0.5％粗纤维组的85.7J/m2、1.0％粗纤维组的153.6J/m2以及1.5％粗纤维组的196.0J/m2。其中，韧度量化定义为：梁试件荷载-挠度曲线的挠度为0至1/150跨度部分下的面积。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种复合材料废弃物的粗纤维化方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
测量所述复合材料废弃物的长、宽、高尺寸，并取其长、宽、高中最大的尺寸为参考尺寸，然后根据所述参考尺寸确定后续的切割步骤；
当所述参考尺寸大于3米时，先采用粗切，将所述复合材料废弃物切成0.5米～3米的粗切块体；然后，采用中切，将所述粗切块体进一步切成50毫米～300毫米的中切块体；最后，采用细切，顺着所述中切块体中的连续纤维的延伸方向，将所述中切块体进一步切成长为30毫米～150毫米，宽为1毫米～30毫米，厚为0.3毫米～3毫米的粗纤维；
当所述参考尺寸在0.3米～3米之间时，采用中切将所述复合材料废弃物切成50毫米～300毫米的中切块体；然后，采用细切，顺着所述中切块体中的连续纤维的延伸方向切割，将所述中切块体进一步切成长为30毫米～150毫米，宽为1毫米～30毫米，厚为0.3毫米～3毫米的粗纤维；
当所述参考尺寸小于0.3米时，直接采用细切，顺着所述复合材料废弃物中的连续纤维的延伸方向切割，将所述复合材料废弃物切成长为30毫米～150毫米，宽为1毫米～30毫米，厚为0.3毫米～3毫米的粗纤维。
2.如权利要求1所述的复合材料废弃物的粗纤维化方法，其特征在于，所述粗切步骤在所述复合材料废弃物的获取地进行。
3.如权利要求1至2中任意一项的复合材料废弃物的粗纤维化方法，其特征在于，所述中切步骤可采用相应移动切割设备在复合材料废弃地直接进行，亦可将粗切块体采用合适的运载工具，运输至工厂内进行。
4.如权利要求3所述的复合材料废弃物的粗纤维化方法，其特征在于，所述细切步骤中的切割方式为铣削。
5.一种增强混凝土，其特征在于，所述增强混凝土包括若干粗纤维，所述粗纤维包括树脂基体以及嵌置于所述树脂基体内部的连续纤维，所述粗纤维的长为30毫米～150毫米，宽为1毫米～30毫米，厚为0.3毫米～3毫米，其中，所述连续纤维的延伸方向为所述粗纤维的长度方向。
6.如权利要求5所述的增强混凝土，其特征在于，所述连续纤维为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或芳纶。
7.如权利要求6所述的增强混凝土，其特征在于，所述粗纤维的树脂基体为热固型或热塑型树脂。
8.如权利要求6至7中任意一项所述的增强混凝土，其特征在于，按重量计，包括以下原料：所述粗纤维1～20份、水泥0～200份、细骨料0～300份、粗骨料0～400份、水40～100份、减水剂0～40份。
9.如权利要求8所述的增强混凝土，其特征在于，所述水泥采用抗压等级为42.5、52.5或62.5的硅酸盐水泥、铝酸盐水泥或硫铝酸盐水泥。
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| CN112694297A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-04-23 | 深圳大学 | 一种回收纤维增强复合材料增韧混凝土及制备方法与应用 |
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