退役风电叶片玻璃纤维增强聚合物废料升级再造制备超高性能地质聚合物混凝土(UHSGC)的研究

本研究针对退役风电叶片(EoL-WTB)产生的玻璃纤维增强聚合物(GFRP)废弃物难以降解的问题，创新性地将其转化为再生GFRP(rGFRP)粉末作为地质聚合物前驱体，成功开发出抗压强度超过110 MPa的超高性能地质聚合物混凝土(UHSGC)。通过多尺度表征发现，20% rGFRP替代率可使材料获得最佳抗折强度(14.68 MPa)，并促使反应产物从层状C-(A)-S-H凝胶转变为高聚合度N-A-S-H凝胶。该研究为EoL-WTB的高值化利用和绿色建材开发提供了关键技术支撑。

　　

随着全球风电装机容量突破1021 GW，退役风电叶片(EoL-WTB)的处理已成为严峻挑战。这些主要由玻璃纤维增强聚合物(GFRP)构成的复合材料难以降解，预计到205年全球累积量将达4300万吨。传统填埋处理会引发微塑料污染，而化学回收又面临成本过高的问题。与此同时，超高性能混凝土(UHSC)虽具有卓越力学性能，但其高水泥用量导致巨大碳足迹。地质聚合物作为低碳替代材料，却面临粉煤灰(FA)和矿渣(GGBS)等传统前驱体日益短缺的困境。

香港城市大学联合山东鲁能集团的研究团队在《Resources, Conservation and Recycling》发表创新成果，首次将EoL-WTB衍生的再生GFRP(rGFRP)粉末作为地质聚合物前驱体，成功制备出抗压强度超过110 MPa的超高性能地质聚合物混凝土(UHSGC)。研究采用机械性能测试结合BSE-EDS、XRD、FTIR、BET等表征技术，系统评估了不同rGFRP掺量(0-40%)对材料性能的影响。

主要技术方法
研究采用山东鲁能集团提供的EoL-WTB破碎粉末(≤75 μm)，与GGBS、FA、硅灰(SF)等前驱体按比例混合，通过碱激发(水玻璃+NaOH)制备UHSGC。通过万能试验机测试力学性能，结合BSE-EDS观察微观形貌，XRD/FTIR分析反应产物，BET测定孔隙特征，并基于生命周期评价(LCA)分析环境效益。

研究结果
Compressive strength
所有试样抗压强度均>110 MPa，但随rGFRP含量增加呈下降趋势。10%掺量时强度骤降17.92%，归因于有机残留物形成应力集中点；而20%掺量时抗折强度达峰值14.68 MPa，显示韧性改善。

BSE observations
微观分析揭示：rGFRP00组以层状C-(A)-S-H凝胶为主；rGFRP20组出现高聚合度N-A-S-H凝胶；rGFRP40组有机相形成连续网络结构。未反应的rGFRP粉末呈现独特纤维形态，其表面包裹的反应产物证实了化学活性。

Embodied carbon, embodied energy, and material costs
20% rGFRP掺量的UHSGC展现最佳可持续性：较传统UHSC降低碳足迹42.7%，能耗减少38.3%，材料成本节约21.4%。每吨EoL-WTB废料利用可产生136美元附加值。

结论与意义
该研究实现了三大突破：(1)首次将rGFRP粉末成功应用于UHSGC制备，开辟了EoL-WTB高值化利用新途径；(2)阐明rGFRP在碱激发体系中的双重作用：有机相降低强度但改善韧性，无机相参与形成N-A-S-H凝胶；(3)开发的20% rGFRP掺量配方兼具优异力学性能(抗压118.4 MPa，抗折14.68 MPa)和显著环境效益。研究成果为风电行业废弃物管理和建材行业低碳转型提供了关键技术方案，据估算若全球10%的EoL-WTB采用该技术处理，每年可减少CO₂排放约86万吨。