综述：废弃风力涡轮机叶片在水泥基材料中的循环再增值：加工工艺、作用机理、性能表现、耐久性及可持续性分析——一篇综述性研究

《Journal of Building Engineering》：Circular Revalorization of End-of-Life Wind Turbine Blades in Cementitious Materials: Processing, Mechanisms, Performance, Durability, and Sustainability- A Critical Review

　　巴斯姆·A·塔耶（Bassam A. Tayeh）
加沙伊斯兰大学工程学院土木工程系，邮政信箱108，加沙地带，巴勒斯坦

**摘要**
报废的风力涡轮机叶片主要由玻璃纤维增强聚合物复合材料制成，作为一种潜在的废物来源，引起了越来越多的关注。这些叶片可通过回收利用在水泥材料中替代部分水泥，从而减少填埋负担和二氧化碳排放。本文综合介绍了风力涡轮机叶片粉末的来源、加工技术、物理化学特性，以及其对新鲜水泥、机械性能和耐久性的影响。风力涡轮机叶片粉末是一种异质复合材料衍生粉末，其性能取决于原料的多样性、颗粒细度以及玻璃基无机相与树脂/木质有机相之间的平衡。在水泥材料中，叶片粉末会带来稀释作用、填充效应和化学相互作用：玻璃的溶解可以提供活性硅酸盐和铝酸盐物质，促进C–(A)–S–H键的形成并改善孔结构；而聚合物和木质成分则会消耗碱度、延缓水化过程并削弱微观结构的发展。因此，叶片粉末的性能受到替代比例和加工工艺的显著影响。在低替代比例（约5-10%）下，尤其是经过适当处理后，通常能够保持强度。然而，较高的替代比例和粉碎后的叶片粉末会增加孔隙率，从而显著降低机械性能。在恶劣环境下的耐久性表现以及基于生命周期的加工策略仍是实现叶片粉末在水泥材料中可持续大规模应用的关键挑战。

**引言**
尽管混凝土是全球使用最广泛的建筑材料，但普通硅酸盐水泥（OPC）的生产和混凝土施工仍对环境造成较大影响。由于水泥生产能耗高且排放大量二氧化碳，减少熟料使用对于可持续发展至关重要。辅助性胶凝材料（SCMs）常被用来替代OPC，但这可能会影响新鲜和硬化水泥混合物的工作性能、强度和耐久性。例如，富含碳酸钙的废弃物（如蛋壳粉）已被用作填充剂以提高抗压强度。工业废料和副产品也被越来越多地用于水泥材料中，以降低混凝土生产的碳足迹同时保持或增强抗压强度。

在这种情况下，人们越来越关注从报废风力涡轮机叶片中回收玻璃纤维增强聚合物（GFRP）废弃物，并将其应用于水泥系统。最近的综述指出，来自报废复合材料结构（尤其是风力涡轮机叶片）的纤维增强聚合物废物量正在迅速增加。目前，这些废物的主要处理方式仍然是填埋和焚烧。为应对这一挑战，已经探索了多种回收途径，包括机械处理、热处理和化学处理方法，使GFRP废弃物能够重新用于各种建筑应用，如水泥材料、骨料、纤维和地质聚合物系统。有研究提出将细磨的GFRP粉末用于水泥制品，这是因为其中嵌入的玻璃纤维含有高量的二氧化硅并具有潜在的火山灰活性。相比之下，传统的火山灰材料（如metakaolin）在水泥系统中作为活性铝硅酸盐发挥作用，这突显了GFRP衍生粉末的独特性质。

为了从报废风力涡轮机叶片中获得适用于水泥的GFRP粉末，本文概述了相关的加工流程和尺寸减小步骤。从可持续发展的角度来看，用GFRP粉末替代部分水泥不仅可以减少水泥生产过程中的二氧化碳排放，还能实现复合材料的资源高效回收。不过，随着风能产业的发展，处理过时的风力涡轮机叶片已成为一个严重问题。绝大多数叶片由纤维增强聚合物复合材料制成，这些材料的机械性能良好，但由于纤维与树脂之间的强结合，其老化后的维护较为困难。预计到2050年，报废的风力涡轮机叶片产生的废弃物量将达到约4340万吨，这凸显了开发可持续回收途径的紧迫性。这类废弃物必须被回收并转化为有用的工程应用，以满足环境和工业需求。

**风力涡轮机叶片粉末的回收利用**
早期关于风力涡轮机叶片粉末（WTBP）的回收利用研究主要集中在将其添加到水泥制造过程中。初步研究表明，从叶片中提取的废弃玻璃纤维和碎屑可以作为 Portland 水泥和铝质水泥的潜在添加物。同时，WTBP 也被用于水泥窑的共处理，作为原始原材料的替代品。在这项共处理过程中，复合材料中的聚合物部分可以替代化石燃料，而玻璃成分则可以替代石灰石和含铁材料等矿物成分。尽管这种共处理方法效果显著，但它与直接将 WTBP 并入水泥系统的方式有所不同。这一区别激发了人们对 WTBP 作为部分水泥替代材料的进一步研究。除了共处理外，WTBP 还以多种形态应用于水泥系统，包括作为水泥替代品的粉末、作为骨料替代品的立方体碎片（约20毫米）以及作为增强剂的纤维。此外，WTBP 废料还被研究用于替代水泥、细骨料和粗骨料、填充剂或混凝土中的增强纤维等用途。

**研究方法**
本研究遵循系统评价和元分析（PRISMA）指南，筛选和综合了探讨风力涡轮机叶片粉末在水泥浆、砂浆和混凝土中作为部分水泥替代物的相关研究。数据来源于2010-2025年的同行评审期刊文章及相关会议论文，通过 Scopus、Web of Science（核心系列）、ScienceDirect 和 Google Scholar 进行检索。

**材料特性**
大多数风力涡轮机叶片为纤维增强聚合物复合材料，由热固性聚合物基体和玻璃纤维增强材料构成。这种复合材料设计使得 WTBP 含有以玻璃纤维碎屑为主的无机相和以树脂为主的有机相。

**在水泥系统中的表现**
WTBP 通过其复合特性影响水泥系统：它结合了玻璃基无机相和聚合物有机相。因此，其水化和微观结构不同于传统的矿物胶凝材料。水化和微观结构受物理效应（稀释和填充效应）及化学效应（玻璃溶解和聚合物相互作用）的影响。

**性能评估**
在低替代比例下，WTBP 表现出良好的长期耐久性。然而，高替代比例和粉碎处理会降低机械性能。研究还发现，粉体的颗粒细度和化学成分对性能有显著影响。

**结论**
总体而言，尽管现有证据尚不充分，但基于机制的综合分析有助于指导 WTBP 在水泥系统中的实际应用。未来需要进一步研究以明确不同处理条件下的性能表现，并制定实用的回收策略。随着能源转型和工业结构调整，对替代性胶凝材料的需求不断增加，特别是对于性能和可持续性要求较高的应用。由于WTBP是一种复合粉末，其中既包含富含玻璃的无机相，也包含聚合物/有机相，因此其新鲜状态下的性能无法直接与传统的矿物胶凝材料（SCMs）进行比较。已有的研究结果表明，WTBP作为水泥基复合材料中部分水泥替代品的实用性在很大程度上取决于其机械性能。 published outcomes range from reasonable strength retention at low replacement levels to substantial strength loss at higher dosages, especially when untreated powders contain significant organic matter or are insufficiently processed 14, 19, 34, 46。正如第4节所讨论的，其机械响应反映了多种相互作用机制，包括水泥的水化过程。

包含WTBP的水泥基材料的耐久性主要受以下因素影响：(i) 物质传输性能，(ii) 水化产物的稳定性，以及 (iii) 硬化微观结构的完整性/连续性。在有利条件下，玻璃的溶解可以提供促进C–(A)–S–H键形成和孔隙细化的硅酸盐和铝酸盐物质，从而改善微观结构的致密性 [34]。相反，树脂相关的碱度消耗以及其他抑制性有机相互作用可能会降低材料的耐久性。

已经提出了一种系统层面的回收方案，该方案利用风力涡轮机运行过程中产生的电力来执行叶片拆卸、切割、破碎、筛分和研磨等工序。在这种框架下，回收的纤维部分替代了原始玻璃纤维，细小的树脂-纤维粉末部分替代了水泥，而废弃的混凝土基础和塔架则被加工成再生骨料和再生砂，从而整体减少了能源消耗、碳排放和原材料需求。

WTBP是一种有前景但本质复杂的材料，只有在其适当的加工和成分条件下才能表现出类似传统SCMs的性能。与传统SCMs不同，WTBP是一种双相材料，其中富含玻璃的无机部分与来自树脂和木材的有机组分相互作用。这种双重性导致了多种相互竞争的机制，这些机制同时影响水化过程、微观结构演变和整体性能。因此，在应用WTBP时需要考虑这些复杂因素。

作者声明：他们没有已知的可能会影响本文研究工作的竞争财务利益或个人关系。

本研究得到了阿尔伯塔大学（埃德蒙顿，加拿大）的“流离失所的巴勒斯坦学者虚拟研究项目”的支持。