Valorisation of wind turbine blades into concrete : a contribution towards a more sustainable approach

Abstract

Abstract : The development of wind energy in the last decades led to the massive construction of wind turbines throughout the world. With 20 years of project service life, today older turbines are at the end of their service lifecycle. While the large part of wind turbine is recyclable, no valorisation of solution exists now for its blades. With a predicted growth of wind energy around the world, the necessity of finding proper valorisation of solutions becomes critical. On the other hand, concrete is one of the most popular building materials with a major negative environmental impact. The valorisation of wind turbine blades in concrete could be the solution that bears a high potential not only to decrease the environmental impact of landfilling old wind turbine blades, but also to reduce the environmental impact of concrete production by partial replacement of virgin raw materials. Therefore, this thesis is aimed at investigating possible avenues for valorisation of decommissioned wind-turbine blades (DWTB) glass fiber-reinforced polymer (GFRP) materials - termed throughout this thesis as DWTB-GFRP. To this end, three distinct experimental phases have been carefully designed. The first phase includes an extensive material characterization and investigation of the influence of DWTB-GFRP on mortar performance. In the second phase, concrete mixtures were designed and tested to investigate the effects of DWTB-GFRP addition as powder, fibers and aggregates. In the third phase, selected concrete mixtures were used for plain concrete specimens and Concrete Filled Fiber Reinforced Polymer Tubes (CFFTs)-confined specimens. All specimens were tested at 28 days and 90 days after being cured in a fog room, and after being exposed to 200 freeze-thaw cycles with core specimen temperature variation between −18oC and 4oC. An analytical modeling was performed for the CFFT specimens introducing the model suitable for concretes incorporating DWTB-GFRP aggregates. The material characterization included the analysis of such important parameters of DWTB-GFRP as the chemical content, composition, mineralogy, physical characteristics, and chemical reactivity, followed by the formulation of different concrete mixtures for further testing. For the second stage, cement replacement rates of 10-30% were attempted for concrete mixtures. Coarse aggregate replacement levels of 33-100% were considered, while fiber addition rates of 1-1.75 vol. % were investigated. The resulting concretes were characterized for their compressive strength and flexural capacity. Results show that the form of DWTB-GFRP (as a powder, aggregate, or fiber) significantly impacts the properties of resulting concretes. Thus, while DWTB-GFRP powder leads to a substantial increase in the setting time (owing to the wooden content and its associated soluble sugars) as well as to a significant drop in compressive and flexural strengths, it should be noted that mixtures with 10% cement replacement by DWTB-GFRP powder (after removal of wooden content) demonstrated comparable compressive strength as that of the reference mixture (without DWTB-GFRP) at 90 days. When DWTB-GFRP is incorporated in concrete as a fiber reinforcement, an enhancement in flexural capacity of up to 15% was achieved without noticeable drop in compressive strength. For the third stage, mixtures with cement replacement rates of 10% and 20% were attempted. Coarse aggregate replacement levels of 50 and 100% were considered, while fiber addition rates of 1-1.75 vol. % were investigated. Two types of DWTB-GFRP were used: containing wood and after wood removal. Mixtures with cement and aggregate replacement were used in CFFT structures and tested after being cured in standard conditions for 28 and 90 days and exposed to 200 freeze-thaw cycles. For the mixtures with fibers addition, compressive and flexural strength, and flexural toughness of concrete cured in standard conditions for 28 and 90 days and exposed to 200 freeze-thaw cycles were investigated. The addition of DWTB-GFRP as aggregates resulted in a significant decrease in compressive strength and density of concrete with values close to the lightweight concrete compressive strength and density. The strength decrease is attributed to the low compressive strength of DWTB-GFRP aggregate and lack of bonding in the interfacial transition zone. The addition of DWTB-GFRP as powder resulted in a significant strength decrease at 28 days (due to the retardant properties of wood and the pozzolanic reaction occurring at the later ages), followed by the increase in compressive strength after 90 days (reaching between 87% and 96% of reference mix strength). The use of CFFT technology resulted in a 90-100% increase in compressive strength for all mixtures. The specimens with DWTB-GFRP aggregate addition in CFFT structure exhibited a 14-28% increase in the elastic peak strength. The CFFT filled with concrete incorporating the DWTB-GFRP powder reached compressive strengths superiors to 80 MPa after 90-day curing. The freeze-thaw exposure resulted in a decrease in the compressive strength of all specimens. Strength decrease for mixtures including wood was larger than for those with wood removed, due to the high-water absorption of wooden content increasing the freeze-thaw damage to the concrete. The strength decrease in specimens with DWTB-GFRP powder addition after freeze-thaw exposure is partly due to the wooden content with high water absorption, and partly due to the fineness influencing the pore structure. For the mixtures with fibers addition, a slight decrease in compressive strength was observed with the increase of fiber content up to 8% for 1.75% fiber with wood added. Flexural strength increased with the increase of fiber content up to 22% for 1.75% fiber without wood. A noticeable increase in flexural toughness with the increase in fiber content is observed up to 5 times for mixture with 1.75% fibers addition. The decrease of flexural strength due to the freeze-thaw exposure was more pronounced for the mixtures containing wood and was similar for normal concrete and mixtures without wood. Analytical investigation was done using the ACI 440.2R-17 model for predicting the compressive response of confined concrete incorporating DWTB-GFRP lightweight aggregates, demonstrating the inaccuracy of the existing model for the DWTB-GFRP aggregates. A modified model more sensitive to GFRP aggregates and with higher predictive ability was proposed using the correcting coefficients as a function of the aggregate replacement level. These coefficients were incorporated into the ACI 440.2R-17 equations demonstrating the ability to predict more accurately the behavior of CFFT specimens with DWTB-GFRP aggregates while being accurate for the Reference concrete (with 0% addition level). In general, the research project supports decommissioned wind turbine blade material valorisation of in concrete as a prospective solution. The DWTB-GFRP can be used as a lightweight aggregate, pozzolan, and an effective fiber reinforcement in concrete. The use of concrete-filled fiber reinforced polymer tube application allows the creation of concrete structures with high compressive strength and density of lightweight concrete (for DWTB-GFRP aggregates) and greener concrete of superior compressive strength (for DWTB-GFRP powder).

Le développement de l’énergie éolienne au cours des dernières décennies a stimulé la construction massive d’éoliennes à travers le monde. Avec 20 ans de durée de vie, les anciennes éoliennes sont présentement en fin de vie. Si la grande partie de l’éolienne est recyclable, aucune solution de recyclage n’est commercialisée pour les pales. Avec la croissance prévue de l’énergie éolienne dans le monde, la nécessité de trouver la bonne solution de recyclage devient critique. D’autre part, le béton structurel est l’un des matériaux de construction les plus utilisés avec un impact négatif majeur sur l’environnement. Le recyclage des pales d’éoliennes en béton pourrait être la solution permettant de diminuer l’impact environnemental de la mise en décharge des anciennes pales d’éoliennes et de réduire l’impact environnemental de la production de béton en remplaçant partiellement les matières premières vierges par des matières recyclées. Ainsi, la présente étude examine les solutions de recyclage possibles pour les déchets de matériaux polymères renforcés de fibres de verre (GFRP pour glass fiber-reinforced polymer, en anglais) provenant de pales d’éoliennes (DWTB pour decommissioned wind-turbine blades, en anglais) — dénommés tout au long de ce manuscrit par DWTB-GFRP. L’étude est divisée en trois étapes. La première phase comprend une caractérisation approfondie des matériaux et une étude de l’influence de DWTB-GFRP sur les performances du mortier. Dans la deuxième phase, des mélanges de béton ont été conçus et testés pour étudier les effets de l’ajout de DWTB-GFRP sous forme de poudre, de fibres et d’agrégats. Dans la troisième phase, des mélanges de béton sélectionnés ont été utilisés pour les échantillons de béton ordinaire et les échantillons confinés dans des tubes en polymère renforcé de fibres remplis de béton (CFFT pour Concrete Filled Fiber Reinforced Polymer Tubes, en anglais). Tous les spécimens ont été testés à 28 jours et 90 jours après avoir été gardés dans une salle humide, et après avoir été exposés à 200 cycles de gel-dégel avec une variation de température du spécimen entre -18oC et 4oC. Une modélisation analytique a été réalisée pour les éprouvettes CFFT en introduisant le modèle adapté aux bétons incorporant des granulats DWTB-GFRP. La caractérisation des matériaux comprenait l’analyse de paramètres importants de DWTB-GFRP tels que le contenu chimique, la composition, la minéralogie, les caractéristiques physiques et la réactivité chimique, suivie de la formulation de différents mélanges de béton pour des tests supplémentaires. Pour la deuxième étape, des taux de remplacement du ciment de 10 à 30 % ont été testés pour les mélanges de béton. Des niveaux de remplacement d’agrégats grossiers de 33 à 100 % ont été sélectionnés, tandis que des taux d’ajout de fibres de 1 à 1,75 vol. % ont été investigués. Les bétons obtenus ont été caractérisés pour leurs résistances à la compression et leur capacité en flexion. Les résultats montrent que la forme de DWTB-GFRP (sous forme de poudre, d’agrégat ou de fibre) a un impact significatif sur les propriétés des bétons résultants. Ainsi, alors que la poudre DWTB-GFRP cause une augmentation substantielle du temps de prise (à cause de la teneur en bois et de ses sucres solubles associés) ainsi qu’à une baisse significative des résistances à la compression et à la flexion, il est à noter que les mélanges à 10 % de remplacement du ciment par la poudre DWTB-GFRP (après élimination du contenu en bois) a démontré une résistance à la compression comparable à celle du mélange de référence (sans DWTB-GFRP) à 90 jours. Lorsque DWTB-GFRP est incorporé dans le béton en tant que renfort de fibres, une amélioration de la capacité de flexion allant jusqu’à 15 % a été obtenue sans baisse notable de la résistance à la compression. Pour la troisième étape, des mélanges avec des taux de remplacement du ciment de 10 % et de 20 % ont été choisis. Des niveaux de remplacement d’agrégats grossiers de 50 et 100 % ont été testés, tandis que des taux d’ajout de fibres de 1 à 1,75 vol. % ont été investigués. Deux types de DWTB-GFRP ont été utilisés : avec du bois et après le retrait du bois. Des mélanges avec de la poudre et des granulats ont été utilisés dans les structures CFFT et testés après avoir été durcis dans des conditions standards pendant 28 et 90 jours et exposés à 200 cycles de gel-dégel. Pour les mélanges avec addition de fibres, la résistance à la compression et à la flexion et la ténacité à la flexion du béton durci dans des conditions standards pendant 28 et 90 jours et exposé à 200 cycles de gel-dégel ont été étudiées. L’ajout de DWTB-GFRP en tant qu’agrégats a entraîné une diminution significative de la résistance à la compression et de la densité du béton avec des valeurs proches de la résistance à la compression et de la densité du béton léger. La diminution de la résistance est attribuée à la faible résistance à la compression de l’agrégat DWTB-GFRP et au manque de liaison dans la zone de transition interfaciale. L’ajout de DWTB-GFRP sous forme de poudre a entraîné une diminution significative de la résistance à 28 jours (en raison des propriétés retardatrices du bois et de la réaction pouzzolanique se produisant aux âges plus avancés), suivie d’une augmentation de la résistance à la compression après 90 jours (atteignant entre 87 % et 96 % de la force du mélange de référence). L’utilisation de la technologie CFFT a entraîné une augmentation de 90 à 100 % de la résistance à la compression pour tous les mélanges. Les échantillons avec l’ajout d’agrégats DWTB-GFRP dans la structure CFFT ont présenté une augmentation de 14 à 28 % de la résistance maximale élastique. Le CFFT rempli de béton incorporant la poudre DWTB-GFRP a atteint des résistances à la compression supérieures à 80 MPa après 90 jours de durcissement. L’exposition au gel-dégel a entraîné une diminution de la résistance à la compression de tous les échantillons. La diminution de la résistance des mélanges contenant du bois était plus importante que pour ceux sans bois, en raison de l’absorption élevée d’eau du contenu en bois augmentant les effets de gel-dégel sur le béton. La diminution de la résistance des échantillons avec l’ajout de poudre DWTB-GFRP après une exposition au gel-dégel est due en partie à la teneur en bois à forte absorption d’eau et en partie à la finesse influençant la structure des pores. Pour les mélanges avec ajout de fibres, une légère diminution de la résistance à la compression a été observée avec l’augmentation de la teneur en fibres jusqu’à 8 % pour 1,75 % de fibres avec ajout de bois. La résistance à la flexion a augmenté avec l’augmentation de la teneur en fibres jusqu’à 22 % pour 1,75 % de fibres sans bois. Une augmentation notable de la résistance à la flexion avec l’augmentation de la teneur en fibres est observée jusqu’à 5 fois pour le mélange avec 1,75 % d’ajout de fibres. La diminution de la résistance à la flexion due à l’exposition au gel-dégel était plus prononcée pour les mélanges contenant du bois et était similaire pour le béton normal et les mélanges sans bois. L’investigation analytique a été effectuée en utilisant le modèle ACI 440.2R-17 pour modéliser la réponse structurale en compression du béton confiné incorporant des agrégats légers DWTB-GFRP, démontrant l’inexactitude du modèle existant pour les agrégats DWTB-GFRP. Un modèle modifié plus sensible aux agrégats GFRP et avec une capacité de prédiction plus élevée a été proposé en utilisant les coefficients de correction en fonction du taux de remplacement des agrégats. Ces coefficients ont été incorporés dans les équations ACI 440.2R-17 démontrant une augmentation de la précision de la prédiction du comportement structural des échantillons de CFFT avec des agrégats DWTB-GFRP tout en étant précis pour le béton de référence (avec un niveau d’addition de 0 %). En général, le projet de recherche soutient la valorisation des pales d’éoliennes decommissionnées dans le béton comme solution prospective. Le DWTB-GFRP peut être utilisé comme agrégat léger, pouzzolane et renforcement efficace des fibres dans le béton. L’utilisation d’une application de tube polymère renforcé de fibres remplies de béton permet la création de structures en béton avec une densité de béton léger et la résistance à la compression de béton ordinaire (pour les agrégats DWTB-GFRP) et de béton plus vert à résistance à la compression élevée (pour la poudre DWTB-GFRP).