退役风力涡轮机叶片制成的GFRP复合材料的残余力学性能及其在结构再利用中的应用

《COMPOSITE STRUCTURES》：Residual mechanical properties of GFRP composites from decommissioned wind turbine blades for structural reuse

退役风电机组叶片（DWTBs）GFRP复合材料剩余机械性能研究：通过拉伸、压缩、弯曲及短梁剪切试验评估11年服役后GE37叶片纵向（强度保留76-96%）、横向力学性能差异，采用t分布法建立80%-90%置信水平特征值，证实材料可安全用于土木基础设施二次结构，为循环经济提供数据支撑。

　　随着全球对可再生能源需求的不断增长，风力涡轮机的安装数量在过去二十年中显著增加。风能已经成为发展最快的一种可再生能源，有助于减少碳排放。然而，这一快速增长也带来了新的挑战，即如何处理和回收退役的风力涡轮机叶片（DWTBs）。风力涡轮机叶片主要由玻璃纤维增强聚合物（GFRP）复合材料制成，因为这种材料具有优异的强度重量比、抗腐蚀性和在复杂气动载荷下的抗疲劳性能。这些叶片通常使用寿命为15到25年，因此越来越多的叶片正在达到使用寿命终点，预计到2050年，美国将产生约400万吨的复合材料废弃物。

传统的处理方法，如填埋和焚烧，由于环境风险、法规限制和高碳排放，已被认为是不可持续的。此外，GFRP叶片属于热固性复合材料，不易熔化或重新加工，这使得传统的回收途径在技术和经济上都不太现实。填埋不仅占用宝贵的空间，还可能引发长期的环境污染问题，而焚烧则会导致有毒气体的释放和高碳足迹。因此，一些替代方案如在水泥窑中共处理、机械粉碎作为填充材料或热回收纤维等被提出，但这些方法仍然受限于成本、可扩展性或材料性能的下降。

为了应对这些挑战，研究的重点逐渐转向将完整叶片段用于民用基础设施的结构组件。这种方法符合循环经济的原则，为废弃材料的再利用提供了新的思路。将退役的风力涡轮机叶片用于如人行桥、悬臂标志结构、挡土墙或轻质地板面板等结构应用，为材料再利用提供了一条可行的路径。GFRP复合材料具有良好的机械性能，包括高强度和高抗弯强度、抗腐蚀性和低密度，使其适合这些应用。然而，长期暴露于环境条件，如紫外线辐射、水分渗透、冻融循环以及疲劳载荷，可能导致基体微裂纹、纤维与基体脱粘，从而降低其承载能力。

因此，本研究的主要目标是：（1）实验测量退役风力涡轮机叶片复合材料在服役11年后，从1.5 MW GE37叶片的主梁部分提取的GFRP材料的残余拉伸、压缩、弯曲和剪切性能；（2）使用t分布方法估算这些性能的特征值，以提供保守设计所需的统计学可靠下限值。这些研究结果对于确保退役叶片材料在民用基础设施中的安全再利用具有重要意义。通过标准化测试，评估了在纤维方向上拉伸、压缩、弯曲和短梁剪切强度，其中主梁部分被选为测试对象，因为它是叶片中主要承载力的区域，预计在此区域应力和疲劳引起的降解最为显著。这些性能对于评估结构适用性，尤其是在特定方向的承载应用中至关重要。

在实验过程中，所有机械测试均使用伺服液压MTS万能试验系统进行，该系统配备了69 MPa液压夹具和精密对齐装置。为了防止夹具区域的滑动并减少应力集中，试件采用锯齿形楔形夹具固定，从而避免了使用外部标签材料的需要，符合ASTM对短长度试件的要求。对于应变测量，使用箔式应变计（型号：FLAB-5-11-5LJCT-F，120 Ω，Texas Measurements）进行。通过这些实验方法，研究人员能够准确地评估GFRP材料在长期服役后的性能变化，并为材料再利用提供科学依据。

本研究还通过t分布方法估算特征值，为结构设计提供统计学可靠的设计输入。这一方法的应用对于确保在实际工程中使用这些材料的安全性至关重要。通过提供保守的设计参数，研究人员能够帮助工程师在二次基础设施应用中做出更加合理的决策。此外，本研究的成果为预测模型的开发提供了支持，这些模型可以用于估计再利用复合材料的剩余使用寿命（RUL）。通过全面的数据集，研究不仅为结构再利用提供了技术基础，也为制定复合材料再利用指南贡献了力量。

研究结果表明，GFRP材料在长期服役后仍然保持了较高的机械性能，这为它们在民用基础设施中的再利用提供了可能。在纵向方向上，试件表现出较高的拉伸强度（621 MPa）、压缩强度（372 MPa）和模量（37.5 GPa），分别达到原始GFRP材料性能的76%至96%。这说明在长期服役过程中，GFRP材料在主要承载方向上的性能损失相对较小，仍具有较高的承载能力。然而，在横向方向上，试件的机械性能相对较低，这是由于复合材料的各向异性特性。各向异性行为在材料性能测试中得到了明显体现，进一步强调了纤维取向在承载应用中的重要性。

通过实验数据，研究人员能够更准确地评估GFRP材料在服役后的性能变化，并为材料再利用提供科学依据。这些数据对于指导工程实践、提高材料再利用的安全性和可行性具有重要意义。此外，研究还揭示了GFRP材料在长期运营载荷下的降解韧性，这对于理解材料的性能变化和制定合理的再利用策略具有关键作用。通过这些研究结果，工程师可以更好地评估退役材料的结构性能，并在实际应用中做出更加合理的决策。

本研究的成果不仅为结构再利用提供了技术基础，还为制定复合材料再利用指南贡献了力量。通过提供可靠的特征值和统计学下限，研究人员能够帮助工程师在设计过程中更加谨慎地考虑材料性能的变化。这不仅有助于提高材料再利用的安全性，也为推动循环经济和可持续发展提供了支持。随着全球对可再生能源需求的不断增长，退役风力涡轮机叶片的再利用问题变得日益紧迫。通过科学评估这些材料的性能变化，研究人员能够为未来的材料再利用提供更加可靠的数据支持。

此外，本研究还强调了在实际工程中对材料性能进行系统评估的重要性。通过对不同纤维方向的机械性能进行测试，研究人员能够更全面地了解材料在不同条件下的表现，从而为设计提供更加合理的参数。这些参数对于确保材料在实际应用中的安全性和可靠性至关重要。通过实验数据，研究人员能够更好地理解材料的性能变化，并为未来的材料再利用提供科学依据。随着研究的深入，越来越多的工程师和研究人员开始关注如何将退役材料用于新的应用，以实现资源的循环利用和可持续发展。

在未来的应用中，研究人员可以进一步探索GFRP材料在不同环境条件下的性能变化，并开发更加高效的回收和再利用技术。此外，还可以研究如何通过改进制造工艺或材料设计，提高GFRP材料的耐久性和抗降解能力，从而延长其使用寿命。这些研究不仅有助于解决当前的环境和资源问题，也为未来的可持续发展提供了新的思路。通过科学评估和系统研究，研究人员能够为材料再利用提供更加可靠的数据支持，并推动相关技术的发展，以实现更高效的资源循环利用。

总的来说，本研究为退役风力涡轮机叶片材料的再利用提供了重要的科学依据。通过实验测试和统计分析，研究人员能够更准确地评估这些材料的性能变化，并为实际应用提供可靠的设计参数。这些数据对于推动循环经济和可持续发展具有重要意义。随着全球对可再生能源需求的不断增长，退役风力涡轮机叶片的再利用问题变得日益紧迫。通过科学评估和系统研究，研究人员能够为材料再利用提供更加可靠的数据支持，并推动相关技术的发展，以实现更高效的资源循环利用。