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风电机组退役叶片中的玻璃纤维增强聚合物（GFRP）废弃物通过机械破碎与水基动态分离工艺制备回收玻璃纤维（RGF），其表面粗糙化和界面增强效应显著改善混凝土的断裂韧性和耐久性，AE-DIC多尺度监测揭示了RGF对损伤演化的调控机制。
张一萌|于腾|聂家亮|曹鹏|卢军|史飞婷
青海大学土木工程与水资源学院，中国青海省西宁市810016
摘要
由于环境和资源方面的考虑，废弃风力涡轮机叶片的回收利用日益受到关注。在本研究中，通过机械破碎和水基动态分离工艺从废弃的玻璃纤维增强聚合物（GFRP）中回收了再生玻璃纤维（RGF），并将其掺入混凝土中。系统地研究了RGF对混凝土力学性能、断裂行为和损伤演变的影响。除了传统的力学测试外，还采用了声发射（AE）和数字图像相关（DIC）技术来监测裂纹的起始和扩展过程。结果表明，RGF增强混凝土性能的提高不能仅仅归因于纤维表面积的增加，而与纤维表面形态、界面相互作用以及裂纹桥接行为密切相关。AE-DIC监测结合微观结构观察表明，RGF促进了从局部脆性断裂向分布式损伤演变的转变。这些发现为再生玻璃纤维的增强和增韧机制提供了见解，并支持其在可持续水泥基材料中的应用。
引言
风力发电领域的一个“绿色悖论”日益明显。作为一种关键的清洁能源创新，风力发电的零碳排放显著减少了温室气体排放和对化石燃料（尤其是煤炭和天然气）的依赖，为《巴黎协定》的气候目标提供了基础支持。为了响应COP28到2030年将全球可再生能源容量增加三倍的指令，风力发电行业正在迅速扩张。这种快速增长引发了废弃涡轮机叶片的严重废物问题。数据显示，中国2018年的废弃叶片体积为5700吨，到2021年增加到10,000至15,000吨之间，预计到2040年累计废物量将超过500万吨[1]、[2]、[3]。风力涡轮机主要由玻璃纤维增强聚合物（GFRP）组成，GFRP的化学惰性和优异的力学性能使其具有较高的耐久性和性能。然而，其抗降解性和巨大的废物量对环境构成了重大挑战，阻碍了行业的可持续发展[4]、[5]。
填埋是一种常见的废物处理方法，不仅消耗了宝贵的土地资源，还长期存在微塑料污染的风险，这种污染会持续数百年[6]。焚烧虽然减少了废物体积，但会导致高浓度的CO/CO2和有毒气体的排放，从而显著加剧空气污染和健康危害[7]、[8]。化学降解虽然能够分解树脂成分，但需要大量的强酸和强碱，所产生的有毒废水会对水生生态系统造成不可逆的损害[9]、[10]、[11]、[12]。这种环境悖论表明，每种处理方法都伴随着巨大的成本，因此迫切需要开发先进的回收技术，以实现GFRP废物的高价值利用。这种方法旨在避免传统废物处理过程中产生的二次污染，通过材料回收实现碳排放减少和资源回收，从而促进循环经济的发展。然而，目前用于将废弃叶片转化为再生玻璃纤维（RGF）的技术面临一系列工程挑战：虽然机械切割可以产生均匀的纤维长度，但其光滑的切割表面会削弱与水泥基体的界面粘结。此外，精确的切割过程耗时、劳动密集且能耗高。相比之下，简单的机械破碎虽然可以轻松产生纤维材料，但也会留下树脂碎片和无机杂质等有害成分，这些杂质会对混凝土的形成产生不利影响，导致基体不均匀[13]。该过程每处理一吨材料需要消耗250到400千瓦时的能量。产生的苯系挥发性有机化合物（VOCs）需要额外的催化燃烧系统进行处理，这大大增加了运营成本[11]、[14]、[15]。此外，高温还可能在纤维表面形成纳米级涂层。化学预处理虽然可以软化树脂基体，从而提高机械分离效率和纤维回收率，但该方法需要消耗大量的试剂（每吨叶片需要1.2到2.5吨试剂），导致高昂的废水处理成本和潜在的二次污染风险[10]、[16]、[17]、[18]。最近的研究越来越多地关注GFRP废物的回收和再利用，特别是废弃风力涡轮机叶片，作为水泥基材料的可持续增强来源。先前的研究表明，机械或物理回收的玻璃纤维可以提高混凝土的抗拉和断裂性能，同时减少复合废物的填埋量[19]、[20]。更近期的研究进一步强调了需要制定兼顾技术可行性和环境效益的回收策略，强调低能耗、水基或机械辅助的分离过程作为化学处理的替代方案[21]、[22]。然而，尽管取得了这些进展，现有研究主要集中在纤维回收效率或宏观力学性能上，对损伤演变机制、耐久性相关行为以及综合回收-再利用路径的技术定位关注不足。本研究在这些基础上，提出了一种水基动态分离方法来生产再生玻璃纤维，并通过多尺度实验方法系统地研究了其在混凝土中的力学、断裂和耐久性能。与传统的干法分离方法不同，这种水基振动分离技术利用了协同作用的高频振动（20–50 kHz）和液压分级。该方法可将杂质含量降至5%以下，保持原始纤维的长宽比，并显著增强界面粘结强度，为RGF的大规模利用提供了可行的途径。此外，这种水基振动分离方法具有环境友好性，因为它可以在处理过程中抑制粉尘排放，并在简单沉淀/过滤后实现工艺用水的再利用，有利于大规模回收大型风力涡轮机叶片GFRP废物。最新进展进一步强调，风力涡轮机叶片衍生再生玻璃纤维的回收路线、化学成分和表面状态对其与水泥基体的兼容性以及整个回收过程的环境影响至关重要[23]、[24]。
基础设施组件中裂纹抗性差被认为是导致耐久性下降的一个因素，这对服务寿命构成了重大威胁[25]。相比之下，GFRP表现出出色的抗拉性能。这一互补特性促进了互惠互利的创新方法：将废弃风力涡轮机叶片机械回收为RGF，然后用于混凝土增强。这种做法不仅通过减少废物带来了环境效益，还通过提高结构完整性和性能提供了工程优势[26]、[27]。值得注意的是，RGF在同等体积剂量下显示出与传统玻璃纤维（GF）相当的有效性，可以提高混凝土的抗裂性能。然而，研究表明，RGF表面的残留环氧层可以减缓纤维水解，从而提高长期机械性能和耐碱性[28]、[29]。这种树脂层作为物理屏障，防止羟基离子的渗透，为RGF在高碱性环境（如水利和海洋工程领域）中的广泛应用提供了理论基础。因此，这种方法不仅促进了废弃材料的增值利用和大规模消费，还通过RGF的增强效果和耐碱性显著提高了混凝土的抗裂性能和服务寿命。
传统的宏观力学测试在直接评估性能方面存在局限性，且未能充分考虑损伤的微观尺度演变。此外，现有文献中尚未充分阐明反应性接枝功能材料（包括残留环氧树脂）的几何异质性和表面化学性质对增强机制效率的影响。数字图像相关（DIC）技术通过全场应变分析实现了表面裂纹起始和扩展的可视化跟踪[30]、[31]，而声发射（AE）技术捕捉来自内部微裂纹的应力波信号，从而实现损伤源的定位和失效模式的识别[32]、[33]。先前的研究已经证实，AE参数可以定性描述混凝土的断裂过程[34]、[35]。具体来说，上升时间/幅度（RA）值与平均频率（AF）值之间的相关性可以区分混凝土中的纤维脱粘和基体断裂失效模式，b值的演变反映了失效阶段的特征[34]、[36]。尽管有这些见解，但对于RGF增强混凝土，目前仍缺乏使用这些技术的定量相关性和跨尺度分析的研究。
因此，本研究旨在探讨从废弃风力涡轮机叶片中回收的再生玻璃纤维的增强和增韧机制，而不是提出新的混合设计方法。通过整合力学测试、断裂分析、AE-DIC监测和微观结构表征，系统地阐明了再生纤维在控制混凝土损伤演变和失效行为中的作用。
原材料
本研究中使用普通波特兰水泥作为主要粘合剂。天然河砂和碎石分别作为细骨料和粗骨料。RGF是通过机械破碎和水基动态分离工艺从废弃风力涡轮机叶片中回收的。为了对比，还使用了商用玻璃纤维（GF）。水泥和骨料的物理性能是根据相关标准测定的。
RGF的特性
再生玻璃纤维的规格总结在表3中。与传统的将废弃GFRP研磨成40–80毫米纤维粉末作为细骨料的方法不同，机械回收方法使纤维表面变得粗糙，显著增加了其表面粗糙度。视觉观察发现，机械破碎在纤维表面形成了类似沟槽的结构。
结论
本研究探讨了从废弃风力涡轮机叶片中回收的再生玻璃纤维在混凝土中的可行性和性能，特别关注了断裂行为和损伤演变机制。根据实验结果，可以得出以下结论：
(1) 水基振动分离方法是一种有效且环境友好的方法，用于从风力涡轮机叶片GFRP中回收玻璃纤维。所获得的再生纤维
作者贡献声明
张一萌：撰写——原始草稿、可视化、验证、监督、软件、资源、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念化。于腾：撰写——审阅与编辑、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。聂家亮：撰写——审阅与编辑、可视化、软件。曹鹏：正式分析、数据管理、概念化。卢军：验证、软件、项目管理。
伦理批准
本研究不涉及人类参与者或活体动物，因此不需要伦理批准。
资助
本工作得到了青海大学研究生研究与实践创新计划（项目编号：2025-GPKY-13）和国家重点研发计划项目（项目编号：2024YFC3211500）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢青海大学土木与水利工程学院的结构工程实验室提供测试设备和实验设施的技术支持。特别感谢团队在论文润色方面提供的帮助以及匿名审稿人的建设性意见。我们还要感谢材料与结构工程系的同事们在准备本手稿过程中进行的宝贵讨论。
