通过压缩铸造技术在混凝土复合材料中可持续地利用回收聚丙烯废弃物：整合生命周期评估、成本分析和工程设计方法以优化塑料废弃物管理

《Environmental Research》：Sustainable valorization of recycled polypropylene waste in concrete composites via compression casting: Integrating lifecycle, cost, and engineering assessments for plastic waste management

本研究提出压缩铸造技术，将回收聚丙烯转化为高性能混凝土，结合生命周期评估、成本工程与多准则分析，验证其机械性能、耐久性及环境经济效率。实验表明，压缩铸造使抗压强度提升103%，耐久性参数显著优化，碳排放降低11.7%，成本效益比达47%，为塑料固废处理和循环建筑材料提供 scalable 解决方案。

　　

Syed Minhaj Saleem Kazmi | Muhammad Junaid Munir | Yu-Fei Wu

济南大学力学与建筑工程学院，广州，510632，中国

摘要

塑料废物积累的增加和天然砂资源的枯竭凸显了可持续固体废物处理和再利用的必要性。本研究提出了一种可扩展的机械处理方法——压缩铸造（CC），将回收的聚丙烯（RP）骨料转化为高性能复合材料。该方法结合了生命周期评估-成本工程-多标准分析（LCA-Cost-Engineering-MCA）框架，以评估材料的机械性能、耐久性、环境影响和经济效率。在常规和压缩铸造条件下制备了六种RP复合材料混合物（砂替代比例0-40%），以验证该框架的有效性。压缩铸造显著改善了RP材料的性能：抗压强度提高了103%，抗拉强度提高了63%，体积密度增加了7%。耐久性方面，碳化深度减少了88-93%，氯离子迁移降低了59-71%，孔隙率降低了24-40%。LCA结果显示，使用RP替代传统材料可使每立方米的全球变暖潜力和非可再生能源消耗减少多达11.7%。对于含有40%回收聚丙烯的压缩铸造混凝土，与常规浇筑混凝土相比，在二氧化碳排放、能源使用、人类健康和生态系统质量方面的影响均降低了10-14%。经济评估表明，用RP替代天然砂可使每立方米的混凝土成本降低9%，每块混凝土的成本降低19%；而将RP与压缩铸造结合使用则可使单位强度的成本进一步降低47%。LCA-Cost-Engineering-MCA框架将压缩铸造参考混合物的排名最高（0.949），含40%回收聚丙烯的压缩铸造混凝土排名第二（0.709），这反映了机械性能、耐久性、环境效益和经济效益之间的协同作用。这些结果表明，通过工艺驱动的致密化处理，而不仅仅是成分修改，可以将大量RP复合材料转化为高性能、低碳且成本效益高的材料。这为塑料固体废物管理和循环建筑材料提供了可行的解决方案。所提出的LCA-Cost-Engineering-MCA框架为将材料循环利用与可持续制造相结合提供了定量决策支持工具，有助于将实验室研究成果应用于工业生产。

引言

从线性的“使用-丢弃”模式向循环经济（CE）的转变是建筑行业实现可持续发展的核心（Aziminezhad等人，2026；Kazmi和Munir，2024）。混凝土是仅次于水的最常用材料，由于年产量超过300亿吨（York和Europe，2021），在这一转变中起着关键作用。这种大规模的生产方式通过消耗自然资源和水泥及骨料生产过程中产生的大量二氧化碳（Ahmad等人，2021；Bhujel等人，2025；Thunga和Venkat Das，2020）给环境带来了严重负担。河流砂的开采尤其严重，导致河岸侵蚀、地下水枯竭和栖息地丧失（Kazmi等人，2025a），因此全球范围内实施了相关法规限制和禁令，凸显了寻找可持续替代品的必要性（Attri等人，2022；Munir等人，2025a）。

与此同时，塑料废物的积累对材料可持续性构成了挑战（Grigoriadis等人，2023）。2019年塑料产量达到4.6亿吨，几乎是2000年的两倍，其中大部分成为未回收的废物，持续存在于陆地和海洋环境中，威胁着生态系统（Asif和Javed，2024；Bahij等人，2020；Castro-Amoedo等人，2024；Panda等人，2024；Pham等人，2023；Swinnerton等人，2024）。传统的填埋和焚烧处理方式会产生有毒排放物和二次污染（Biakhmetov等人，2024；Panda等人，2024）。图1基于先前报告的数据，展示了全球塑料废物产生的主要国家。

本研究基于我们之前的基础研究（Munir等人，2025b），该研究考察了含有相同回收聚丙烯（RP）配方的高压压实混凝土的机械性能、应力-应变行为、基本耐久性（吸水率和汞侵入孔隙率）以及初步的可持续性。为了直接对比，保留了选定的数据，并更新了术语（常规处理的为C/CR20/CR40；压缩铸造试样的为FC/FC20/FC40）。

将塑料废物回收利用到混凝土中为保护天然骨料并实现废物资源化提供了途径（Bahij等人，2020；Gu和Ozbakkaloglu，2016；Hamada等人，2024）。用塑料废物骨料替代天然砂可以同时解决资源短缺和废物管理问题。多种聚合物，包括低密度聚乙烯（LDPE）、聚氯乙烯（PVC）、RP和高密度聚乙烯（HDPE），已被探索作为部分骨料替代品（Abbas和Qureshi，2025；Al-Tarbi等人，2022；Irlan等人，2025；Olofinnade等人，2021；Saraswat和Singh，2024；Ullah等人，2021）。然而，这些塑料材料的不良机械性能和耐久性往往抵消了其环境效益（Saha等人，2023）。塑料颗粒的疏水性、低刚度和光滑表面削弱了界面过渡区（ITZ），增加了孔隙率和水吸收率，并显著降低了抗压和抗拉强度（Albano等人，2009；Almeshal等人，2020；Kou等人，2009）。由于耐久性问题，包括氯离子侵蚀和碳化加速，这些塑料材料的应用主要限于非结构用途（Al-Osta等人，2022；Al-Tarbi等人，2022；Almeshal等人，2020；Guo等人，2023；Tudu等人，2024）。尽管聚丙烯资源丰富，但其缺点同样明显：当砂替代比例为30%时，抗压强度可降低48%（Irlan等人，2025），自密实混凝土也有类似现象（Yang等人，2015）。

最近在新鲜混凝土压缩铸造（CCFC）方面的进展提供了一种有前景的致密化策略（Fatima等人，2025；Kazmi等人，2025a）。通过在浇筑后施加控制压力，CCFC能够增强颗粒堆积，减少连通孔隙，形成致密且不透水的基体（Kazmi等人，2025a；Yuan等人，2024）。与传统浇筑混凝土相比，其抗压强度提高了26-83%，弹性模量提高了26-69%（Nematzadeh和Naghipour，2012b；Tang等人，2024a；Yuan等人，2023），同时提高了对水分侵入、碳化和氯离子迁移的抵抗力（Hu等人，2024；Wu等人，2024b）。作为一种纯粹的机械过程，CCFC在不增加水泥需求的情况下提高了耐久性，符合循环经济的原则（Tang等人，2024a；Wu等人，2020）。

尽管在含有回收骨料的混凝土中已经证明了CCFC的益处，但其在基于塑料废物的混凝土中的应用仍大多未被探索。鉴于塑料材料的弱界面过渡区和疏水性，评估CCFC能否弥补这些缺陷对于制备出结构上可行、耐久且可持续的复合材料至关重要。

为了说明这一需求，表1总结了关于塑料废物作为部分骨料的实验结果。该表汇总了最近针对不同类型塑料（如来自废弃电气和电子设备的塑料、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、低密度聚乙烯（LDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）及混合塑料）的研究，详细列出了塑料含量、可加工性、密度、机械性能、弹性模量以及与对照混合物相比的最大强度变化。总体而言，增加塑料含量通常会导致抗弯强度（最高降低58%）、抗压强度（最高降低62%）和抗拉强度（最高降低60%），但在某些特定情况下也有例外。可加工性和密度也会相应下降，这突显了加工策略（如CCFC）在实现结构级应用中的重要性。

研究意义

本研究通过结合机械性能、先进的耐久性评估以及环境和经济评估，填补了RP废物再利用领域的关键空白，采用了统一的生命周期评估-成本工程-多标准分析（LCA-Cost-Engineering-MCA）框架。它直接扩展了我们之前的机械和微观结构基础研究（Munir等人，2025b），该研究量化了压实处理可减少的强度损失，并表征了弹性模量和应力-应变关系。

材料

所有混合物均使用普通波特兰水泥（OPC，PO42.5）作为粘合剂，混合和养护过程中使用当地自来水。天然粗骨料（NCA）为粒径不超过20毫米的碎花岗岩，符合ASTM C33（2016）标准。NCA的体积密度为1609 kg/m3，吸水率为0.83%，烘干后的比重为2.56，表干比重为2.58，视干比重为2.61。天然河砂（RS）作为细骨料使用。

混凝土的机械性能

图3显示了含有RP骨料的混凝土的机械性能。随着RP含量的增加，标准浇筑混凝土的抗压强度显著下降。参考混凝土的抗压强度为45.7 MPa，而CR20和CR40的抗压强度分别降至33.3 MPa和23.6 MPa，降低了27%和48%。类似程度的强度损失（23-49%）在塑料骨料混凝土中也有报道，这主要归因于塑料颗粒的光滑表面

成本效益评估

评估了在混凝土中部分替代天然砂为RP废物的成本效益，包括常规浇筑和压缩铸造两种方式，考虑了每立方米、每块混凝土以及每单位抗压强度的成本。由于各混合物的抗压强度不同，因此采用了强度标准化成本（USD/MPa）作为主要的功能比较指标，以确保结构上的等效性。

生命周期评估

使用IMPACT 2002+生命周期评估方法评估了基于RP的混凝土的环境性能，涵盖了四个关键的中点类别——致癌物、臭氧层损耗、全球变暖潜力（GWP）和非可再生能源消耗，以及四个终点类别：人类健康、生态系统质量、气候变化和资源消耗（图7）。所有15个中间点的完整结果见附录表A1。

为了全面了解...

多维度评估

使用多标准SAW框架对所有混合物的整体性能进行了综合评估，该框架结合了三个主要指标：机械完整性指数、耐久性韧性指数和LCA-成本协同指数，各指标权重相同。标准化得分及其对应的排名在表7和图8中进行了图形化对比，展示了不同性能领域之间的权衡关系。

在所有混合物中，FC混合物的整体性能最高

结论

本研究证明，压缩铸造技术能够将大量回收的聚丙烯废物融入混凝土中，同时保持或提升其机械性能、耐久性、生命周期效益和经济效率。含有40%回收聚丙烯的标准浇筑混凝土的抗压强度降低了48%，抗拉强度降低了37%，碳化深度增加了87%。而含有40%回收聚丙烯的压缩铸造混凝土的抗压强度提高了103%

作者贡献声明

Syed Minhaj Saleem Kazmi：撰写初稿、可视化处理、数据验证、软件选择、方法论设计、研究实施、资金筹措、数据分析、概念构思。Muhammad Junaid Munir：撰写初稿、可视化处理、数据验证、软件选择、方法论设计、研究实施、资金筹措、数据分析、概念构思。Yu-Fei Wu：审稿与编辑、资源协调、资金筹措、概念构思。

AI辅助声明

作者使用了ChatGPT（OpenAI）来改进语言表达、清晰度和可读性。所有使用ChatGPT生成的内容都经过了作者的审查、编辑和验证。作者对最终稿件的准确性和完整性负全责。

利益冲突声明

作者声明以下可能的财务利益或个人关系：Syed Minhaj Saleem Kazmi、Muhammad Junaid Munir和Yu-Fei Wu获得了济南大学和深圳大学的财政支持。其他作者未声明任何已知的财务利益或利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（国际青年科学家研究基金，项目编号W2533122和W2533123）以及深圳市科技创新委员会（项目编号KQTD20200820113004005）的资助。