一种基于废弃风电叶片的混凝土及其制备方法与应用

本发明属于混凝土，涉及一种基于废弃风电叶片的混凝土及其制备方法与应用。

背景技术：

1、风电叶片主要由玻璃纤维增强复合材料构成，废弃后难以自然降解、难以高效回收，大量退役叶片堆积占用土地资源，已成为风电行业亟需解决的环保难题。将废弃风电叶片破碎后作为纤维组分掺入混凝土，是实现其资源化利用的重要方向。

2、将废弃风电叶片纤维直接掺入混凝土，虽能在一定程度上提升抗折强度，但纤维表面残留的环氧树脂及脱模剂使其表面光滑、化学惰性强，与水泥水化产物的界面结合极弱，纤维受力后易从水泥基体中被拔出而非拉断，抑制裂缝扩展的作用无法充分发挥。同时，纤维的掺入向混凝土中引入了大量界面缺陷和额外孔隙，使水分和侵蚀性介质更易沿界面渗透，混凝土抗渗性能随纤维掺量增加而降低。这使得现有方法在改善抗折强度的同时牺牲了抗渗性能，难以满足海洋环境、污水处理设施等潮湿工况对混凝土结构高耐久性的使用需求。若能通过界面改性手段，在保留废弃风电叶片纤维抗折增强优势的同时，消除其对抗渗性能的负面影响，则有望突破上述技术瓶颈。

3、因此，开发一种在不牺牲抗折强度的前提下，能够有效提高混凝土结构抗渗性能的废弃风电叶片基混凝土材料，则具有重要的现实意义。

技术实现思路

1、本发明提出了一种基于废弃风电叶片的混凝土及其制备方法与应用，旨在解决现有技术中存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一方面，本发明提供一种基于废弃风电叶片的混凝土，按照质量份计，所述混凝土包括420-530份水泥、1.5-4份减水剂、650-750份河砂、1000-1150份碎石、10-20份复合改性纤维和170-200份水；

4、所述复合改性纤维具有核-中间层-外层结构；

5、所述复合改性纤维以经环氧开环接枝活化的废弃风电叶片纤维为核，以沉积于核表面的氧化石墨烯/纳米碳酸钙复合层为中间层，以锚定于中间层表面的1h,1h,2h,2h-全氟癸基三乙氧基硅烷自组装单分子层为外层；

6、所述废弃风电叶片纤维的环氧开环接枝活化方法包括以下步骤：将废弃风电叶片纤维分散于n,n-二甲基甲酰胺中，加入端氨基超支化聚酰胺，在氮气保护下于60-80℃搅拌反应4-12h；反应结束后，依次用体积百分比浓度为50%-90%的乙酸水溶液、去离子水、无水乙醇洗涤，真空干燥。

7、进一步地，所述复合改性纤维中，核、中间层和外层的质量比为1:0.05-0.15:0.01-0.05。

8、进一步地，所述废弃风电叶片纤维的环氧开环接枝活化方法中，废弃风电叶片纤维与n,n-二甲基甲酰胺的质量体积比为1g:15-30ml。

9、进一步地，所述废弃风电叶片纤维的环氧开环接枝活化方法中，端氨基超支化聚酰胺与废弃风电叶片纤维的质量比为1:10-20。

10、进一步地，所述废弃风电叶片纤维的制备方法包括以下步骤：将废弃风电叶片经切割、破碎、研磨、筛分，收集长度为5-50mm的纤维组分，经洗涤、烘干，即得。

11、进一步地，所述氧化石墨烯/纳米碳酸钙复合层中，氧化石墨烯与纳米碳酸钙的质量比为1:1-5。

12、进一步地，所述水泥为p·o 42.5普通硅酸盐水泥。

13、进一步地，所述减水剂为聚羧酸减水剂。

14、进一步地，所述复合改性纤维的制备方法包括以下步骤：

15、将废弃风电叶片纤维分散于n,n-二甲基甲酰胺中，加入端氨基超支化聚酰胺，在氮气保护下于60-80℃搅拌反应4-12h；反应结束后，依次用体积百分比浓度为50%-90%的乙酸水溶液、去离子水、无水乙醇洗涤，真空干燥，得到经环氧开环接枝活化的废弃风电叶片纤维（活化纤维）；

16、将氧化石墨烯超声分散于去离子水中，得到氧化石墨烯分散液；将纳米碳酸钙超声分散于去离子水中，得到纳米碳酸钙悬浮液；在机械搅拌下将纳米碳酸钙悬浮液缓慢滴加入氧化石墨烯分散液中；滴加完成后继续超声处理，得到氧化石墨烯/纳米碳酸钙复合分散液；将活化纤维加入氧化石墨烯/纳米碳酸钙复合分散液中，在室温下搅拌反应，反应结束后，取出活化纤维，经洗涤、真空干燥，得到表面沉积氧化石墨烯/纳米碳酸钙复合层中间层的活化纤维；

17、将表面沉积氧化石墨烯/纳米碳酸钙复合层中间层的活化纤维分散于含1h,1h,2h,2h-全氟癸基三乙氧基硅烷的无水乙醇/水混合溶液中；在室温下静置自组装反应；反应结束后，经洗涤、真空干燥，得到具有核-中间层-外层结构的复合改性纤维。

18、核层经环氧开环接枝活化后，废弃风电叶片纤维表面引入了大量活性氨基，端氨基超支化聚酰胺分子结构中富含伯氨基和仲氨基，这些氨基赋予废弃风电叶片纤维表面化学反应活性。氧化石墨烯分子结构中含有大量羧基、羟基和环氧基团，当活化纤维与氧化石墨烯/纳米碳酸钙复合分散液混合时，氧化石墨烯表面的羧基与核层表面的氨基发生酰胺化反应，形成酰胺键，同时氧化石墨烯表面的环氧基团可被氨基亲核进攻，发生开环加成反应，生成c-n共价键，上述化学反应使氧化石墨烯以共价键形式牢固接枝于活化纤维表面。纳米碳酸钙在复合分散液中以纳米颗粒形式分散并负载于氧化石墨烯片层表面或嵌入氧化石墨烯片层之间，随氧化石墨烯一同沉积至活化纤维表面，形成由氧化石墨烯和纳米碳酸钙共同构成的复合层结构；此外，活化纤维表面的氨基在水中质子化后带正电荷，而氧化石墨烯表面的羧基和羟基使其在水中带负电荷，两者之间存在静电吸引作用，促进氧化石墨烯向活化纤维表面的富集与沉积。

19、1h,1h,2h,2h-全氟癸基三乙氧基硅烷在无水乙醇/水混合溶液中，其三个乙氧基在水分存在下发生水解反应，生成硅羟基。水解生成的硅羟基具有高反应活性，可与中间层氧化石墨烯表面的含氧官能团发生缩合反应，具体而言，硅羟基与氧化石墨烯表面的羟基发生脱水缩合，形成si-o-c共价键，硅羟基亦可与氧化石墨烯表面的羧基发生缩合反应，同样生成si-o-c共价键并脱去一分子水。重点在于，通过上述缩合反应，1h,1h,2h,2h-全氟癸基三乙氧基硅烷以共价键形式化学锚定于中间层表面，同时相邻硅烷分子之间水解生成的硅羟基也可相互缩合形成si-o-si交联网络，使自组装单分子层在中间层表面形成连续、致密的覆盖结构；锚定完成后，硅烷分子的全氟碳链朝外排列，赋予复合改性纤维表面低表面能特性，使水分子难以在复合改性纤维表面铺展和渗透。

20、两层界面（核→中间层，中间层→外层）均以共价键/化学键为主导，确保复合改性纤维在混凝土内部水化热产生的温升及高湿度环境中保持界面结构的完整性和稳定性，使水分沿复合改性纤维-水泥基体界面的渗透路径被有效延长，最终表现为混凝土抗渗等级的提升和渗水深度的降低。

21、另一方面，提供本发明所述的混凝土的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

22、s1.将复合改性纤维加入占水总质量60%-80%的水中，以200-400r/min搅拌2-5min，得到纤维分散液；

23、s2.将水泥、河砂、碎石加入搅拌机中，以公转转速30-45r/min干拌30-60s，使各组分混合均匀；然后向搅拌机中加入步骤s1中得到的纤维分散液，再加入减水剂及剩余水，先以公转转速30-45r/min搅拌60-90s，再以公转转速60-90r/min搅拌90-150s，得到混凝土拌合物；

24、s3.将步骤s2中得到的混凝土拌合物浇筑入模，振捣密实，在温度20±2℃、相对湿度≥95%的条件下养护不少于28d。

25、还提供本发明所述的混凝土在提高混凝土结构抗渗性能中的应用。

26、相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

27、（1）抗渗性能方面，本发明核层经环氧开环接枝活化后，端氨基超支化聚酰胺在废弃风电叶片纤维表面引入大量活性氨基，使废弃风电叶片纤维由疏水惰性表面转变为化学活性表面，这一转变为中间层的稳定沉积提供了化学锚点，同时活性氨基可参与水泥水化产物的成核与生长过程，在复合改性纤维-水泥基体界面形成化学键合，从根源上避免界面脱粘产生的微裂缝成为水的渗透通道。在核层提供的化学锚定基础上，中间层的氧化石墨烯通过其含氧官能团与核层表面的氨基形成稳固结合，氧化石墨烯能够调控水泥水化产物的微观形貌、减小界面过渡区的孔隙率并优化孔径分布，纳米碳酸钙则填充于复合改性纤维表面的微米级孔隙中，进一步压缩界面区域的毛细孔通道，当微裂纹在界面过渡区萌生时，氧化石墨烯与纳米碳酸钙在不同尺度上发挥填充与桥接作用，抑制微裂纹扩展，维持界面结构的完整性。中间层既填补了核层活化后暴露的微观缺陷，又为外层疏水单分子层的锚定提供了富含活性位点的基底。外层中，1h,1h,2h,2h-全氟癸基三乙氧基硅烷通过水解生成的硅羟基与中间层氧化石墨烯表面的含氧官能团形成化学键合，全氟碳链赋予复合改性纤维表面极低的表面能，使水分子难以在复合改性纤维表面铺展和渗透，提高了水分侵入界面区域的阈值压力，且该疏水层通过化学键固定在中间层表面。复合改性纤维三层结构中，核层解决了复合改性纤维表面活性位点缺失的问题，为界面结合提供化学基础；中间层在核层与水泥基体之间充当过渡纽带，既填充核层表面残留的微观孔隙、抑制界面裂纹萌生，又为外层的稳定结合提供化学桥梁；外层则在核层和中间层已消除的界面缺陷基础之上，构建一道额外的疏水屏障，使水分即使在穿透中间层的密实结构后仍无法进一步沿界面渗入。三层从界面化学活性、界面孔隙率和界面润湿性三个维度逐级发挥作用，每完成一层功能即为下一层创造更有利的作用条件，使水分沿复合改性纤维-水泥基体界面的渗透路径在多重阻隔下被有效延长，最终表现为混凝土抗渗等级的提升和渗水深度的降低。

28、（2）抗折性能方面，现有技术中废弃风电叶片纤维与水泥基体之间的界面结合强度不足是制约增强效果的核心问题，废弃风电叶片纤维表面光滑、化学惰性强，与水泥水化产物之间缺乏有效的化学键合和物理锚固，废弃风电叶片纤维受力后易从水泥基体中被拔出而非拉断，桥接和阻裂作用无法充分发挥。本发明中，复合改性纤维的核层经活化引入的活性氨基使复合改性纤维表面由惰性转变为化学活性，氨基可参与水泥水化产物的成核与生长过程，在复合改性纤维-水泥基体界面形成化学键合，改变了原有物理吸附为主的弱界面结合模式；中间层通过填充密实和微裂纹桥接进一步提升了界面区域的力学完整性；外层通过阻隔水分侵入间接保障了界面区域水泥水化的充分性和均匀性。三层共同作用使复合改性纤维与水泥基体之间具备了抵抗界面脱粘的锚定力，复合改性纤维能够在混凝土受弯时有效传递应力、抑制裂缝扩展，从而在不牺牲抗折强度的前提下实现抗渗性能的提高。

29、（3）本发明的混凝土制备方法采用复合改性纤维预分散-分段搅拌工艺，避免了复合改性纤维团聚，保证了复合改性纤维在混凝土基体中的均匀分散，确保了抗渗性能和抗折性能的稳定实现。