《Case Studies in Chemical and Environmental Engineering》：Integrated Mechanical, Environmental, and Cost Assessment of Recycled Polypropylene–Silica Fume Concrete under Moderate Thermal Exposure
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研究人员为解决混凝土产业高CO2排放及天然骨料消耗问题，并应对塑料废物（特别是聚丙烯PP）积累的挑战，开展了将再生PP颗粒部分替代细骨料（0–50%）并掺入硅粉（SF）的混凝土性能研究。研究表明，在适度热暴露（25–200 °C）下，含10–25% PP和10% SF的混合物在力学性能保持、环境影响和成本之间取得了最佳平衡，为开发可持续建筑材料提供了依据。
混凝土是全球使用最广泛的建筑材料，但其生产是二氧化碳（CO2）排放和自然资源消耗的主要来源之一。同时，非生物降解性塑料废弃物，特别是聚丙烯（PP），堆积如山，构成了严峻的环境挑战。面对这种双重压力，土木工程领域的研究者们开始寻找一种“变废为宝”的解决方案：能否将废弃塑料“融入”混凝土中，既减少对天然沙石的依赖，又解决塑料污染问题？但这条路充满了挑战。塑料颗粒的亲水性差、表面光滑，会削弱混凝土的力学性能，尤其是在高温下可能软化甚至融化，导致结构失效。那么，如何既能利用废弃塑料，又能确保混凝土的“强壮”与“耐热”呢？
为此，来自印度尼西亚特里萨克蒂大学的研究团队Ade Okvianti Irlan, Riska Amalia Anggraini, Stefanny Arentika Panjaitan, Triastuti, Fahmy Hermawan, Amry Dasar, Dahlia Patah在《Case Studies in Chemical and Environmental Engineering》上发表了一项研究。他们创造性地将再生PP颗粒作为细骨料的部分替代品（0%、10%、25%、50%），并掺入10%的硅粉（SF，一种火山灰质矿物掺合料），以期利用硅粉来提升基体的致密性和界面性能，补偿PP带来的负面效应。研究系统地评估了这些混凝土在常温及中等温度（100 °C和200 °C）暴露下的新拌性能、力学性能、微观结构，并进行了筛选级生命周期评估和成本分析，旨在为构建更可持续的未来建筑材料提供科学依据。
为了回答上述问题，研究人员采用了多种关键技术方法。他们首先按照标准流程制备了包含不同PP和SF配比的混凝土混合物，并测试了其坍落度和密度。力学性能通过压缩和劈裂拉伸强度测试进行评估。微观结构分析则使用了扫描电子显微镜（SEM）来观察界面过渡区（ITZ）的演变。为了量化组分和温度对性能的影响，研究进行了双因素方差分析。最后，利用从文献中收集的环境影响系数，对每种混合料进行了从摇篮到大门（cradle-to-gate）的生命周期评估（LCA），并结合基于印尼当地市场价格的成本估算，进行了多准则绩效评估。
研究结果表明，PP的掺入显著改变了混凝土的性能。在室温（25 °C）下，随着PP替代率增加，混凝土的坍落度和密度均呈下降趋势。当PP含量达到50%时，坍落度从97毫米降至87.33毫米，密度则下降了约9.8%。力学性能方面，抗压强度和劈裂拉伸强度均随着PP含量的增加而降低。
然而，当混凝土经历热暴露后，含PP和SF的混合物展现出独特的优势。在200 °C高温下，普通基准混凝土（B-SFPP0）的抗压强度仅保留了室温强度的63.87%。相比之下，含25% PP和10% SF的混合物（B-SFPP25）保留了82.94%，表现出更好的高温强度保持能力。劈裂拉伸强度也表现出类似的趋势。
双因素方差分析（ANOVA）进一步揭示了关键影响因素。对于抗压强度，温度和PP含量作为单独因素都具有显著影响，但它们之间的交互作用不显著，表明在25–200 °C的范围内，高温导致的基体退化是主导因素。而对于劈裂拉伸强度，温度和PP含量的交互作用却非常显著，这反映了拉伸行为对高温引起的微裂纹和界面劣化更为敏感。
微观结构分析提供了直观的证据。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，在25 °C时，控制组混凝土的基质致密，界面过渡区（ITZ）连续。但在PP含量高的混合物中，特别是在200 °C加热后，可观察到PP颗粒周围出现明显的界面裂纹和空洞，这直接解释了宏观强度的下降。失效模式也发生了变化：在常温下，破坏多为锥形或对角剪切裂缝；而在200 °C时，破坏则表现为典型的纵向劈裂，伴随着由PP软化形成的可见空洞。
在可持续性方面，研究人员通过生命周期评估发现，随着PP替代率的增加，混凝土的全球变暖潜能（GWP）等环境影响指标略有上升。成本分析则显示，由于硅粉的价格较高，所有含PP和SF的混合物成本均显著高于基准混凝土。为了综合权衡力学性能、环境影响和成本，研究进行了多准则评分。在设定的硅粉固定含量为10%的体系中，10%至25%的PP掺量区间提供了相对最佳的平衡。具体而言，当侧重于力学性能时，B-SFPP25（含25% PP）表现更优；而当环境和/或成本因素权重较高时，B-SFPP10（含10% PP）则更具优势。相比之下，掺量为50%的B-SFPP50在所有评估情景中均排名最低。
综上所述，本研究得出重要结论：将再生聚丙烯（PP）颗粒作为细骨料的部分替代品，并辅以硅粉（SF）进行改性，可以制备出在中等热暴露环境下具有一定结构适用性的混凝土。尽管PP的加入会降低混凝土的强度和密度，但10% SF的掺入有效改善了基体微观结构和界面过渡区（ITZ），从而在高达200 °C的温度下，使含25% PP的混合物获得了比普通混凝土更高的强度保留率。这意味着SF能在一定程度上弥补PP带来的力学损失，并提升复合材料的热稳定性。从可持续性角度来看，虽然PP的加入和SF的使用会增加一定的环境影响和成本，但在10%至25%的PP掺量范围内，这种增加是相对温和的，而换来的则是废弃塑料的资源化利用和天然骨料的节约。因此，该研究为在特定应用场景（如非承重结构或对绝对强度要求不苛刻的环境）下，设计兼具环保效益和一定热稳定性的复合材料提供了科学指导和数据支持，推动了建筑行业向更可持续的循环经济模式转型。
