将回收的风力涡轮机叶片纤维作为砂浆的增强材料：全面的性能评估

《Journal of Cleaner Production》：Recycled wind turbine blade fibers as reinforcement in mortar: A comprehensive performance evaluation

风电叶片回收利用与再生纤维增强砂浆性能研究。采用机械回收法将退役风电叶片转化为再生纤维，系统研究2%-3%掺量对砂浆工作性、物理力学性能及热学性能的影响，发现2%掺量时砂浆水吸收降低6.9%，抗折强度提升20.23%，导热系数降低40.48%，同时具备显著经济环保效益。

　　风力发电技术作为应对气候变化和缓解能源供应紧张的重要手段，正逐步成为全球共识。随着风力发电行业的快速发展，风力涡轮机叶片的退役数量也在迅速增长。这种增长不仅带来了资源处理的挑战，也对环境和可持续发展提出了更高的要求。风力涡轮机叶片主要由玻璃纤维增强复合材料和热固性树脂组成，其中玻璃纤维占比高达40%-70%。随着技术进步，叶片设计趋向于更大、更轻，因此碳纤维增强复合材料的使用比例也在逐年上升。然而，目前退役的叶片中，玻璃纤维增强材料仍占主导地位，而碳纤维的使用比例相对较低。热固性树脂的固化过程具有不可逆性，这使得大规模处理退役叶片变得困难，限制了风力发电的可持续发展。

退役叶片的处理方式主要包括填埋、热解、化学回收和机械回收。填埋虽然操作简便、成本较低，但会占用大量土地资源，并导致严重的资源浪费和环境污染。随着全球固体废弃物填埋政策的日益严格，其处理成本也在持续上升。热解虽然在体积减少和资源利用方面具有一定优势，但其高温处理过程会损害纤维的机械性能，消耗大量能源，并产生有毒有害的副产物，造成二次污染。化学回收由于其高昂的操作成本和复杂的产物，应用范围受到限制。相比之下，机械回收通过物理过程如切割、粉碎、锤击、研磨和筛分，将退役叶片转化为回收纤维材料，具有成本低、效率高、污染少等优点，因此被认为是大规模工业应用中最具前景的方法。

在建筑行业中，砂浆作为重要的结合材料，对建筑物的结构舒适性、稳定性和耐久性起着关键作用。然而，砂浆本身是一种脆性材料，其抗拉强度较低，延展性有限。在实际应用中，砂浆容易因荷载、温度变化和收缩而产生裂缝。这些裂缝在持续的应力和环境作用下会进一步扩展，为有害离子进入砂浆内部提供通道，从而显著降低建筑物的承载能力和使用寿命。因此，如何通过有效的方法提高砂浆的性能，成为当前研究的重要方向。

已有研究表明，将退役叶片机械处理成纤维材料，可以增强混凝土的延展性和抗裂性，为改善砂浆性能提供了有价值的参考。例如，Ortega-López等人（2024）研究了由废风力涡轮机叶片提取的玻璃纤维对混凝土力学性能的影响。结果显示，随着养护时间的增加，纤维与水泥基体之间的界面粘结强度有所提高，而断裂时的挠度和能量吸收则有所下降。Wang等人（2024）则研究了将风力涡轮机叶片回收纤维作为混凝土增强材料的可行性。研究发现，尽管随着纤维含量的增加，混凝土的抗压强度有所下降，但其仍比普通混凝土（不含纤维）高出6.04%-18.12%。Trento等人（2024）发现，添加0%-6%的回收纤维会降低混凝土的流动性，但使用6%的纤维可以显著抑制塑性收缩，同时保持抗压强度并提高抗弯强度。Baturkin等人（2021）评估了从风力涡轮机叶片中提取玻璃纤维增强复合材料的可行性，并分析了添加1%-1.75%的废玻璃纤维对混凝土性能的影响。结果显示，添加纤维并未显著降低混凝土的抗压强度，但提高了抗弯承载能力约15%。Yu等人（2025）发现，40毫米和60毫米长度的玻璃纤维可提高混凝土的抗压强度约37.1%，并显著改善断裂能，使破坏模式从脆性转变为延性。然而，80毫米的纤维却导致抗压强度下降13.98%，表明过长的纤维可能会影响混凝土的性能。Fu等人（2021）则将风力涡轮机叶片加工成宏观纤维（90毫米×3毫米×0.79毫米），并研究了不同纤维体积比（0%-1.5%）对混凝土性能的影响。结果显示，纤维体积比的增加会显著影响混凝土的流动性，随着纤维体积比从0%增加到1.5%，坍落度从176毫米显著下降至83毫米。值得注意的是，在1.5%纤维体积比下，抗弯强度和韧性分别比对照组提高了1.3倍和230倍。然而，由于粗纤维的生产效率低、成本高，研究团队随后采用粉碎机对叶片进行处理，得到混合长度低于100毫米的粗纤维。当纤维体积比为2.5%时，与普通混凝土相比，混凝土的坍落度损失减少了54%，抗弯强度和韧性分别提高了37.85%和36.8倍。

尽管上述研究证实了回收风力涡轮机叶片纤维（RWTBF）在改善水泥基材料力学性能方面的潜力，但当前研究仍存在明显的不足。一方面，缺乏系统研究RWTBF对砂浆关键热性能参数（如导热性、热扩散性和比热容）的影响及其微观机制；另一方面，对RWTBF增强砂浆性能技术的环境和经济可持续性验证也存在明显不足。为解决这些问题，本研究创新性地采用了一种可扩展的机械回收方法，将由玻璃纤维增强复合材料组成的退役叶片加工成RWTBF。该方法旨在有效提升RWTBF的质量，同时降低其生产成本。此外，本研究系统地分析了不同RWTBF体积比（0%、1%、2%、3%）对砂浆工作性、物理性能、力学性能、热性能和微观结构的影响，并首次探讨了RWTBF如何通过微观机制增强砂浆的热导性抵抗能力。同时，通过分析RWTBF增强砂浆性能的经济和环境影响，本研究验证了该技术的工业化可行性。研究结果将促进退役风力涡轮机叶片在土木工程中的高效回收和利用，为环境兼容的风力发电基础设施建设铺平道路，并推动风力发电与建筑行业的协同可持续发展。

在实验材料方面，本研究通过现场切割退役风力涡轮机叶片，获取薄壳和夹层结构，随后运输至工厂进行粉碎，提取原始纤维。由于原始纤维的组成和尺寸具有异质性，采用1.6毫米方孔的直线振动筛，去除木丝和树脂颗粒。同时，复合纤维在形态上以“絮状”聚集，因此在筛分过程中需要特别注意其分离和提纯。为了确保纤维的质量和性能，还对纤维进行了筛选、清洗和干燥处理，以去除杂质和水分，提高纤维的纯度和均匀性。通过这些步骤，成功制备了可用于砂浆增强的回收纤维材料。

在工作性和物理性能分析方面，本研究采用了一系列实验方法，包括坍落度测试、流动度测试、密度测试和吸水率测试。实验结果表明，随着RWTBF体积比的增加，砂浆的工作性显著下降。例如，1%、2%、3%体积比的RWTBF分别使砂浆的坍落度下降了25.86%、32.76%和62.07%，同时流动度也分别下降了11.95%、27.70%和36.15%。这种现象主要归因于纤维表面粗糙度的增加，导致砂浆颗粒之间的摩擦力增强，从而影响其流动性。然而，尽管工作性有所下降，RWTBF的加入显著改善了砂浆的物理性能。例如，2%体积比的RWTBF使砂浆的吸水率降低了6.90%，而抗弯强度则提高了20.23%。这表明，在适当的纤维体积比下，RWTBF能够有效提高砂浆的性能，同时保持较好的工作性。

在经济效应分析方面，本研究探讨了RWTBF增强砂浆技术在经济和环境方面的可持续性。随着《固体废物污染环境防治法》（SCNPC, 2020）的实施，中国已禁止将风力涡轮机叶片等复合材料直接填埋处理。为避免填埋带来的环境问题，政府提供了财政支持，以促进退役叶片的回收和再利用。然而，这些措施的可持续性仍然存在问题，回收过程的盈利能力仍是亟待解决的挑战。通过本研究，评估了RWTBF增强砂浆技术的经济可行性，发现其在成本控制和资源利用方面具有显著优势。例如，与传统砂浆相比，RWTBF增强砂浆的生产成本较低，且能够有效减少对新原材料的需求，从而降低整体成本。此外，通过回收退役叶片，不仅能够减少环境污染，还能提高资源利用率，为可持续发展提供支持。

在结论部分，本研究通过对不同RWTBF体积比（0%、1%、2%、3%）对砂浆性能的影响进行了系统分析，得出了以下结论。首先，2%体积比的RWTBF在性能提升方面表现出最佳效果，包括显密度的提高、吸水率的降低和抗弯强度的显著增强。其次，RWTBF的加入对砂浆的热性能具有积极影响，如热扩散性的降低，表明其在热稳定性方面具有优势。此外，RWTBF的微观结构分析表明，其能够有效改善砂浆的内部结构，提高其整体性能。最后，本研究验证了RWTBF增强砂浆技术的工业化可行性，认为其在经济和环境方面均具有显著优势，能够为风力发电与建筑行业的协同发展提供支持。

通过本研究的探索，不仅为退役风力涡轮机叶片的处理提供了新的思路，也为砂浆性能的提升提供了科学依据。未来，随着技术的不断进步和政策的进一步完善，RWTBF增强砂浆技术有望在更广泛的领域得到应用，推动绿色建筑和可持续能源的发展。同时，这一研究也为相关行业提供了参考，帮助其在资源利用和环境保护方面实现双赢。