《PLOS One》：Recycled polymer shot as sustainable additive for concrete: Mechanical, thermal, and environmental assessment
编辑推荐：
本研究探讨了将回收聚合物颗粒（聚合物颗粒）作为水泥质量5%和10%的添加剂掺入混凝土中对其性能的影响。结果表明，该添加不仅显著提升了混凝土的力学性能（如抗折强度提高45%、抗拉强度提高62%），还改善了其热学性能（导热系数降低约44%）和抗滑性，为塑料废物的资源化利用和可持续建筑材料的开发提供了有力支持。
1. 引言
全球塑料产量在近几十年来显著增长，其在包装、建筑、汽车、电子和医药等众多领域已成为不可或缺的材料。然而，塑料的广泛使用也导致了每年超过3亿吨的塑料废物产生，带来了重大的经济、环境和健康挑战。目前主要的处置方法包括焚烧、填埋和回收，但这些方法各自存在弊端。相比之下，回收虽然更环保，但在技术上更为复杂。一个创新且日益受到关注的塑料废物应用方向是将其用于混凝土技术。混凝土作为全球消费最广泛的建筑材料之一，为大规模利用聚合物废物提供了机会。将回收聚合物掺入混凝土不仅可以改善其环境足迹，还能提升其某些力学或耐久性相关的性能。在众多聚合物废物形式中，聚合物颗粒代表了一类由工业后塑料残留物生产的回收热塑性颗粒。本研究旨在探讨以水泥质量5%和10%的比例添加回收聚合物颗粒对混凝土物理、力学和环境性能的影响，这是推动通过聚合物废物的循环利用实现可持续材料设计的更广泛努力的一部分。
2. 材料
研究所用材料包括符合PN-EN 197-1:2012标准的波特兰水泥（CEM I 42.5R型）、自来水以及一种基于聚羧酸盐的第三代高效减水剂（按水泥质量的3%添加）。通过X射线荧光（XRF）分析确定了水泥的化学成分，并使用激光粒度分析、XRF和扫描电子显微镜（SEM）成像对聚合物颗粒进行了表征。该聚合物颗粒来源于聚丙烯（PP）废物，经过包括近红外（NIR）分选、清洗、干燥和分级在内的多阶段工业处理。其颗粒尺寸范围为0.1至2毫米，具有不规则的几何形状和相对一致的粒径。聚合物颗粒的物理性质（如莫氏硬度、比重和堆积密度）证实了其质轻且硬度适中的特性，适合用作混凝土填料或轻质骨料。化学分析证实了其有机性质（高碳和氧含量），SEM图像显示了其具有利于水泥粘附的角状表面纹理。
3. 方法学
研究进行了全面的测试以评估混凝土的性能。首先，通过坍落度测试评估了新拌混凝土混合料的工作性。物理性能测试包括使用ISOMET 2114分析仪测定导热系数，并根据EN 12390–7:2019-08标准测定固化样品的密度。力学性能测试是重点，使用Zwick试验机（力程0–5000 kN）评估了抗折强度（三点弯曲法）、抗压强度（圆柱体试样）和劈裂抗拉强度（立方体试样）。弹性模量则根据EN 12390–13:2014-02标准，通过安装在圆柱体试样上的电阻应变片测定轴向和横向变形来计算。此外，还使用英国摆式仪（British Pendulum Tester）根据EN 14231和CEN/TS 16165附录C标准，在干湿条件下测量了抗滑值（SRV）。为了深入了解微观结构变化，对代表性断口表面的光学显微照片进行了图像分析。使用Keyence VHX-7100数码显微镜在50倍放大倍数下获取图像，然后通过Python库（scikit-image, numpy）进行定量分析。图像首先转换为8位灰度图，并应用Otsu全局阈值法进行二值化，以分离孔隙空间和固体基体。随后计算了表面孔隙率（孔隙的二维面积分数）和等效孔隙直径分布。此外，还通过盒计数法、平均梯度计算和图像熵计算，定量评估了断口表面的复杂性（分形维数D）和纹理粗糙度。
4. 结果与讨论
4.1. 新拌性能（坍落度测试）
所有测试的混合物均属于S1坍落度等级。随着聚合物颗粒含量的增加，坍落高度有所下降。与参比样品（34.0 ± 1.4 mm）相比，含5%聚合物颗粒的混合物坍落度降低了约9.5%（30.8 ± 2.2 mm），而含10%聚合物颗粒的混合物降低了约22%（26.6 ± 1.6 mm）。这种下降归因于聚合物颗粒的疏水性和不规则表面纹理，但与聚合物纤维相比，其影响更为温和，仍保持了实用的工作性。
4.2. 物理性能
添加聚合物颗粒使样品的密度轻微增加（最多3%），这可能归因于颗粒堆积改善和夹带空气减少。然而，导热系数显著降低，与参比样品相比，5%和10%的添加量分别使导热系数降低了约40%和44%。这表明改性混凝土在需要低热传递的元件中具有应用潜力。
4.3. 力学性能
随着聚合物颗粒含量的增加，所有测试类别的力学强度均得到改善。与参比样品相比，抗折强度分别增加了34%（5%添加）和45%（10%添加），抗压强度增加了6%和15%，抗拉强度增加了40%和62%，弹性模量也适度增加了2.5%和4%。这些改善归因于聚合物颗粒的微裂纹桥接效应、能量耗散以及与水泥浆体改善的机械互锁和粘结。
4.4. 抗滑性
抗滑测试显示，随着聚合物颗粒含量的增加，混凝土的抗滑值（SRV）显著提高。与参比样品（60.09 ± 0.85）相比，含5%和10%聚合物颗粒的混凝土SRV分别提高至76.67 ± 1.00和85.47 ± 0.75，相当于分别提升了27.2%和42.2%。这种改善源于聚合物颗粒引入的表面微观纹理变化，使其非常适用于人行道、坡道和工业地板等高行人或车辆流量区域，以增强安全性。
4.5. 微观结构分析
对断口表面的图像分析揭示了孔隙结构的变化。参比样品的表面孔隙率为33.7%。掺入5%聚合物颗粒后，表面孔隙率显著降低至22.6%，表明基体致密化。然而，当聚合物颗粒含量增至10%时，观测到的孔隙率升至37.5%，这可能是由于界面过渡区面积增加以及夹带空气和微孔形成所致。孔隙尺寸统计表明，5%含量的混合物具有最低的中值孔径和更精细的孔隙结构，而10%含量的混合物总孔隙数更多，并可能出现局部大孔隙。对表面复杂性和纹理粗糙度的定量评估（分形维数D、平均梯度G、图像熵H）显示，5%的添加促进了微观结构的均匀性，而10%的添加则增加了断口表面的复杂性和粗糙度，这与更高的孔隙率观测结果一致。
4.6. 统计分析
对所有测试参数进行单因素方差分析（ANOVA）和事后Tukey HSD检验，证实了参比混合物与两种改性配方（M5和M10）之间存在统计学上的显著差异，并且所有配对比较均显示出渐进式改善，表明性能提升与聚合物颗粒含量呈剂量依赖关系。
4.7. 可持续性与实际意义
在混凝土中使用回收聚合物颗粒，通过用来自消费后和工业塑料废物的回收材料替代部分天然细骨料，直接贡献于循环经济和可持续建筑原则。每立方米含有10%聚合物颗粒（按水泥质量计）的混凝土利用了约40公斤的回收聚丙烯废物。简化的环境评估表明，这可以带来可衡量的二氧化碳减排（每立方米约0.4公斤）和体现能耗节约（每立方米1.2 MJ）。除了环境效益，改善的物理和力学性能也增强了其长期耐久性和功能性。降低的导热系数显示了其在节能建筑围护结构中的应用潜力，而增加的抗滑性则表明其适用于潮湿或抛光表面的人行道、坡道和路面砖。尽管聚合物颗粒的单价可能高于天然砂，但其在废物资化和性能优势方面的价值，可能使其在某些特定应用中是合理的。
4.8. 局限性与未来工作
本研究存在一些局限性。首先，虽然聚合物颗粒经过工业处理并进行了表征，但额外的聚合物鉴定和质量控制方法（如差示扫描量热法DSC、傅里叶变换红外光谱FTIR或熔体流动指数MFI）可以进一步加强批次间一致性评估和标准化。其次，本研究侧重于短期力学、热学和微观结构性能。未来的研究应纳入与长期耐久性相关的性能测试，如收缩、抗冻融性、碳化/氯离子侵入、抗硫酸盐侵蚀以及聚合物-水泥界面在环境暴露下的老化行为，以支持更广泛的结构和环境应用。
5. 结论
本研究证实，将源自消费后聚丙烯废物的回收聚合物颗粒掺入混凝土，是一种有前景的可持续建筑材料生产方法。主要结论包括：聚合物颗粒的添加会适度降低混合料的工作性，但保持在可浇筑和密实的范围内；尽管聚合物本身密度较低，但混凝土的堆积密度略有增加，这可能是由于颗粒堆积改善所致；导热系数显著降低，证实了其在需要隔热和节能的应用中的潜力；力学性能得到显著提升，特别是抗折和抗拉强度；抗滑性大幅提高，增强了安全性；简化的环境评估显示了在二氧化碳减排和节能方面的积极贡献。总体而言，回收聚合物颗粒作为一种功能性添加剂，在改善混凝土多种性能的同时，支持了可持续建筑实践和塑料废物的资源化利用，具有直接的工程应用价值。
