聚丙烯、聚乙烯醇和耐碱玻璃纤维混凝土的性能与生命周期评估：力学增强、环境可持续性与经济可行性分析

《Cleaner Materials》：Performance and life cycle assessment of fiber-reinforced concrete mixtures with polypropylene, polyvinyl alcohol, and alkali-resistant glass fibers

本研究针对纤维增强混凝土(FRC)在长期性能与环境影响平衡方面的关键问题，系统评估了聚丙烯(PP)、聚乙烯醇(PVA)和耐碱玻璃(ARG)纤维在不同掺量下对混凝土力学性能、环境影响和经济成本的综合效应。通过实验测试结合全生命周期评估(LCA)，研究发现ARG1875-1等混合纤维配比可实现抗折强度提升28%、50年服役期内最小维护需求，且经济力学性能指数(EMP)超过35 USD/MPa。该研究为纤维混凝土在可持续基础设施建设中的精准应用提供了多维度决策依据。

　　

混凝土作为全球用量最大的建筑材料，其脆性大、易开裂的固有缺陷始终制约着结构耐久性。传统混凝土结构在长期荷载与环境侵蚀作用下，往往因裂缝扩展导致性能退化，进而引发频繁维护与高昂修复成本。这一痛点催生了纤维增强混凝土(FRC)技术的发展，通过掺入聚丙烯(PP)、聚乙烯醇(PVA)或耐碱玻璃(ARG)等纤维，可有效桥接裂缝并提升韧性。然而，纤维的引入在改善力学性能的同时，也带来了新的挑战：合成纤维生产过程中的高碳排放（如PP纤维生产排放2.8 kg-CO₂eq/kg）与成本激增（PVA纤维单价达41 USD/kg）如何权衡？能否通过精准的纤维类型与掺量设计，实现强度、可持续性、经济性的"三重共赢"？这正是爱荷华州立大学研究团队在《Cleaner Materials》发表论文的核心议题。

为系统解析这一复杂问题，研究团队构建了涵盖力学测试、微观结构观测、全生命周期评估(LCA)和经济分析的多元研究框架。关键技术方法包括：采用ASTM标准进行抗压/抗折强度测试以量化力学性能；运用扫描电镜(SEM)观察纤维-基体界面相互作用；基于One Click LCA平台和ecoinvent数据库开展从生产到废弃的全生命周期环境冲击核算（包含全球变暖潜能GWP、酸化、富营养化等指标）；结合裂缝宽度演化模型预测50年服役期内维护需求，并创新提出经济力学性能指数(EMP)等四项综合评价指标。

力学性能特征

通过对抗压强度、抗折强度及残余承载力的测试发现：ARG纤维在低掺量（0.125%）时即可提升抗压强度5%，而PP和PVA纤维需达到0.25%以上才显现增强效果；混合纤维设计（如ARG1875-1）表现出最优抗折性能，较基准混凝土提升28%。SEM分析揭示ARG纤维通过分层断裂机制实现高效裂缝桥接，而PP纤维因表面光滑易被拔出，这从微观层面解释了宏观性能差异。

初始环境与成本评估

生产阶段（Phase A）的LCA显示：PVA纤维因生产过程复杂且需大量减水剂，其GWP（379.2 kg-CO₂eq）较基准混凝土高出12.3%；ARG纤维则因制造能耗较低，环境冲击最小（GWP仅增0.9%）。经济分析表明PP纤维混合物成本最具竞争力（97.32-126.01 USD/m³），而PVA纤维混合物成本高达基准混凝土的3倍。

B阶段与C阶段生命周期评估

基于裂缝宽度演化的服役期预测表明：ARG1875-1等混合物可将裂缝宽度控制在0.165 mm以下，50年内仅需1次维护；而PP250-2因纤维分布不均，服役期骤降至19年且需6次维护。在Scenario IV（无维护至更换）下，高性能混合物的全生命周期成本可降低30%以上，印证了"前期投入换长期收益"的可行性。

多目标决策指数

新提出的EMP指数整合了力学性能与全周期成本，其中PP250-0（36.18 USD/MPa）和ARG1875-1（35.31 USD/MPa）表现最优。环境可持续指数(ESI)进一步证实ARG纤维的低碳优势（ARG125-0的ESI为-8.92×10^-3kg-CO₂eq/kg），而抗折可持续指数(FSI)突显PP500-0在强度-环境平衡中的潜力（FSI=14.66 kg-CO₂eq/MPa）。

该研究通过多维度耦合分析，明确了纤维混凝土技术路径的优化方向：ARG与PP的混合使用可协同提升耐久性与经济性；PVA纤维虽力学性能优异，但需通过工艺革新降低环境足迹。这一框架为基础设施的绿色转型提供了量化工具，其指标体系可直接指导工程选材。未来研究可延伸至纤维在3D打印混凝土中的定向排列效应，或结合区域供应链数据深化LCA精度，推动混凝土从"耗材"向"增值资产"的蜕变。