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再生塑料在混凝土中的应用研究

2025-08-31 46 上传者：管理员

摘要：随着全球塑料废弃量的逐年攀升，其所引发的环境污染问题日益严峻。在此背景下，废塑料的资源化利用已成为当前社会亟待解决的重大课题。近年来，将再生塑料掺入混凝土中的技术路径引起了学术界的广泛关注，并已开展了大量相关研究。文章梳理了废塑料在混凝土中的再生应用现状，综述了再生聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、再生聚乙烯（PE）和再生聚丙烯（PP）在混凝土中的相关应用研究进展，以期为再生塑料在混凝土领域的进一步研究与应用提供一定的参考，助力环保建材发展。

关键词：
再生塑料
可塑性强
混凝土
耐腐蚀性
资源化
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塑料自上世纪诞生以来,凭借其质量轻､可塑性强､耐腐蚀性等优异性能,被广泛应用到国民经济各个领域,已经成为现代生活中不可或缺的重要材料,为人类社会进步作出了重要贡献｡据统计,2015年至2023年,全球塑料产量从3.2亿吨增至4.3亿吨,并且预计到2050年将增加2倍｡然而,随着塑料生产和消费量的快速增长,塑料的废弃量也呈指数级上升,加之塑料的不当使用及难降解,导致其对生态环境,尤其是海洋环境,造成了日益严重的“白色污染”[1]｡

为应对日益严峻的“白色污染”问题,国家相继出台了一系列政策文件,包括《“十四五”塑料污染治理行动方案》《“十四五”循环经济发展规划》《关于进一步加强塑料污染治理的意见》《废塑料污染控制技术规范》以及2024年12月1日起正式实施的《塑料废弃物的回收和再利用指南》等,这些政策聚焦于通过强化法律法规的刚性约束､大力推广可降解等绿色替代品､全面提升塑料回收处置能力以及积极鼓励相关科技创新等多元手段,力求从源头减少塑料垃圾的产生量,并大力推动废旧塑料的资源化高效利用[2]｡此举不仅是践行低碳经济发展理念的关键举措,更是顺应时代进步潮流､实现可持续发展目标的必然要求与战略选择｡

1、废塑料在混凝土中的再生应用

废塑料资源化利用既能有效处置塑料废弃物,又能将其转换为新品或能源,实现废弃物的价值提升,减少了对原生资源依赖,并减轻环境负担[3]｡目前,该领域研究涵盖塑料再生､能源再获及化学转型等多个方向,涉及材料学､化工及环境科学等多学科｡在土木工程领域,随着再生混凝土技术的持续升级,以及可再生能源利用的相关政策不断出台,废塑料掺入混凝土的研究热度渐升,成为推动行业绿色发展的新方向｡

废弃塑料再生方法[4]主要分为物理回收和化学回收｡物理回收是通过破碎､清洗､熔融等简单加工将废塑料转化为次级产品,不改变其化学组成｡化学回收则是在剧烈或温和条件下,通过热解､催化等手段对废塑料进行化学处理｡在再生混凝土的研究中,塑料通常被制成颗粒来替换原有的骨料,或制成纤维掺入混凝土中作为增强基体材料,以此改善混凝土的性能,拓展废弃塑料的应用领域｡

1.1充当骨料

在混凝土制备中,砂石骨料作为重要原材料之一其体积占混凝土总体积七成以上｡然而,随着砂石资源的过度开采,砂石材料不断告急,价格也呈现出大幅上涨态势｡研究表明,若采用再生塑料颗粒替代等体积的砂石掺入混凝土中,每年不仅可以节约8.2亿吨砂石资源,还能有效减轻混凝土自重并提升其综合性能｡

塑料作为混凝土骨料的应力传递原理与常规骨料类似,都是通过与水泥基体的力学作用来分担混凝土的压力｡具体来说,塑料表面被水泥砂浆包裹,两者通过化学分子键或分子间作用力紧密结合｡在混凝土受力过程中,得益于塑料的柔韧性,其在受压时会发生弹性变形,从而有效缓解混凝土内部的应力集中,进而优化混凝土的整体力学性能｡

王贺龙[5]､刘江荣[6]等人将废弃塑料回收加工为再生塑料颗粒,替代混凝土中天然砂子制备再生塑料轻质混凝土,并以替代率为变量进行试验研究,探究其基本性能及改性机理｡Alqahtani等[7]通过试验研究了含塑料预制骨料的环保混凝土流动性､力学性能及耐久性等基本性能,研究结果显示塑料骨料对再生混凝土的性能有较好的提升｡

1.2充当纤维

塑料纤维具有轻质､高强､耐腐蚀等优异特性,将其掺入混凝土后可在基体中形成均匀的纤维分散体系,不仅改善混凝土力学性能,使其具有更好的韧性､可塑性和抗裂性,还能减轻混凝土自重,提升其施工便利性｡此外,塑料纤维混凝土能够更好地适应各种复杂环境条件,为建筑工程的安全提供了更可靠的保障｡

成钢[8]设计了8组不同矿料级配,制备了掺入3%废旧塑料纤维的透水混凝土试件,通过试验研究其力学性能､空隙率､最优水灰比､灰集比及级配参数｡Biskri等[9]将不同掺量(1%､2%)及不同长度(1cm､2cm)的塑料纤维掺入混凝土中,主要研究高温环境下纤维材料对混凝土力学性能的增强效果｡Hama等[10]在混凝土中添加废环塑料纤维(WRPF),并设置6种不同纤维掺量,通过压缩､拉伸､弯曲和冲击试验,来研究废环塑料纤维对混凝土的改善性能,研究结果表明效果良好｡

2、再生PET在混凝土中的研究

根据中国物资再生协会测算数据,再生PET､再生PE､再生PP是废塑料回收的主要组成部分,国内外学者分别将这3类材料添加到混凝土中,进行大量研究｡PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)是日常生活中广泛使用的塑料,常见于饮料瓶､食品包装袋及相纸胶片等,其分子结构对称且紧实,具有较高的刚性和强度,抗拉伸强度高,耐热性､机械性能和耐疲劳性能较好,且力学性能受温度影响较小｡此外,PET在同类塑料中成本最低,具有显著的经济优势｡

乔运昌等[11]为了助力海绵城市建设,将废PET回收制成再生骨料并掺入混凝土中,制备再生透水混凝土｡试验采用PET废丝摩擦造粒和切片两种骨料模型,每组以掺量为变量制备5个样品,研究其性能｡实验结果表明,掺入不同比例PET再生骨料的再生透水混凝土力学性能均满足要求,透水性能均有提高并指明了抗折强度和抗压强度最高以及透水性最优的样品｡

为了提高再生混凝土的力学性能,彭全敏等[12]将废PET塑料制成纤维并掺入混凝土中,以纤维长度和掺量为变量,设计了10组不同配合比试件,其中一组为不掺废PET纤维的对照组,每组制作6个试件进行试验,探究其对混凝土基本性能和工作性能的影响｡统计结果分析表明,掺入PET纤维的再生混凝土流动性降低,抗压强度有所提高,劈裂抗拉强度大幅度提高;其中,纤维掺量对抗压强度影响显著,纤维长度和掺量交互作用对劈裂抗拉强度有所影响｡

加气混凝土因其优异的节能和环保性能,在我国墙体材料中广泛应用,但在使用过程中易产生裂缝与破损问题｡为改善其延性和抗裂性,黄斐[13]以纺织固体废弃物PET废纤维为增强体,以废料花岗岩石粉作为硅质材料,制备了PET废纤维增强加气混凝土,并通过试验研究了不同废PET纤维形态及掺量对花岗岩石粉加气混凝土宏观性能和微观结构的影响｡结果表明,掺入0.1%(wt.)､长度1mm､直径18μm的PET废纤维对再生加气混凝土的性能提升最优｡

3、再生聚乙烯(PE)在混凝土中的研究

再生聚乙烯(PE)具有密度低､强度高､刚度和韧性优异的特点,同时其化学稳定性好,耐酸碱盐溶液侵蚀;其电性能优良,高频绝缘性突出,且不受湿度影响;另外其耐低温,热变形温度适中,且加工性能优异｡超高性能混凝土(UHPC)以其卓越的力学性能和耐久性能成为极具应用前景的新型建筑材料,但其脆性问题较普通混凝土更为突出｡PE纤维作为强质比最高的纤维材料,具有优异的化学稳定性和物理性能｡因此,雍晨茜[14]将PE纤维掺入UHPC中,通过试验研究了不同掺量和长度的PE纤维对UHPC的流动性能和力学性能的影响,并且研究了投料顺序､振捣方式和养护方式对PE纤维增强UHPC性能的影响程度｡试验结果表明,PE纤维能够降低UHPC的流动性,其最佳掺量和长度分别是1.0%和12mm;掺入PE纤维后,UHPC的脆性破坏和劈裂抗拉性能显著改善;采用先投PE纤维及分层振捣的方式能提升其抗裂性能,蒸汽养护能提升其抗压性能｡

徐庆东[15]将聚乙烯(PE)纤维引入超高性能粗骨料混凝土中,以水胶比和PE纤维体积掺量为变量,制备了不同试件｡通过一系列实验,探究了不同水胶比和PE纤维体积掺量对超高性能粗骨料混凝土工作性能､力学性能及抗油性的影响｡结果表明,PE纤维会降低超高性能粗骨料混凝土的流动性,但能增强其抗压强度､劈裂抗拉强度及抗折强度,而对抗油性影响较小｡在水胶比不变且PE纤维体积掺量为0.3%时,或者纤维掺量不变且水胶比为0.21时,超高性能粗骨料混凝土抗压强度达到最大值;当PE纤维掺量为1.0%､水胶比0.22时,其劈裂抗拉强度提升最大;当纤维掺量为1.2%､水胶比为0.2时,其抗折强度达到峰值｡

为了改善脱硫胶粉改性沥青混凝土路面的高温性能及高温抗车辙变形能力,胡腾[16]尝试将聚乙烯(PE)掺入其中,并通过高温稳定性､低温抗裂性及水稳定性试验,研究了不同PE用量对脱硫胶粉改性沥青混凝土路用性能的影响规律｡试验结果表明,添加PE后,脱硫胶粉改性沥青混凝土的高温抗车辙性能､低温抗开裂性能及抗水损害能力均得到显著提升,且随着PE用量的增加而逐渐增大,但车辙变形率和劲度模量指标却与之相反,即随PE用量的增加而减小｡

4、再生聚丙烯(PP)在混凝土中的研究

再生聚丙烯(PP)具有良好的可再生性､可加工性､耐冲击性､耐寒性､高流动性､高光泽度以及良好的韧性｡王建超等[17]利用废弃PP打包带制备了不同长径比的纤维,并将其掺入再生混凝土中,形成废弃PP纤维再生混凝土,随后进行力学性能试验｡试验以纤维体积掺量､纤维长径比和再生骨料取代率为变量,制作了11组(每组3块)标准试块｡试验结果表明,废弃PP纤维的掺入能够提高再生混凝土的立方体抗压强度和抗拉强度｡

程新睿等[18]为了降低3D打印混凝土挤出成型后的开裂风险,将PP纤维掺入其中并进行试验分析｡试验结果显示,PP纤维的掺入显著提高了3D打印混凝土的可建造性,并确定了其性能最优的参数组合:PP纤维长度为9mm,掺量为0.6%;选用圆形打印喷头直径为20mm,打印层高为8mm,水平线性打印速度为40mm/s｡

采用生态混凝土护坡护岸是保护河湖生态的重要技术手段之一,但生态混凝土在力学性能和耐久性方面较差｡为此,赵仁银等[19]以聚丙烯(PP)纤维作为增强纤维,开展不同纤维掺量及长度下生态混凝土的力学性能试验,共设计了8种参数,每种参数下分别制备了3个抗压､劈拉和抗弯试件｡试验结果表明,掺入短切纤维可降低生态混凝土的孔隙率,改善其脆性破坏和受压破坏｡随着纤维掺量的增加,生态混凝土的弯曲韧性也相应提高,但其劈拉和抗弯强度呈现先增大后减小的趋势,在0.2%掺量时性能较优;当纤维掺量大于0.3%时,抗压强度随掺量增大逐渐下降｡

为推动塑料垃圾的回收再利用,并促进聚丙烯塑料骨料混凝土的工程应用,梁炯丰等[20]采用聚丙烯塑料骨料替代混凝土中的天然细骨料,进行力学性能试验研究｡试验以两种强度等级(C20､C30)和聚丙烯颗粒替代率为变量,共制备了10种混凝土试件｡研究表明,随着聚丙烯颗粒替代率的增加,聚丙烯塑料颗粒混凝土的抗压强度和弹性模量逐渐降低,而劈裂抗拉强度和抗弯强度呈现先增加后减小的趋势｡研究团队构建了聚丙烯再生骨料混凝土的多项力学性能关联模型,包括:立方体与棱柱体抗压强度换算方程;立方体抗压强度-弹性模量预测公式;立方体抗压强度-劈裂抗拉强度相关关系式;立方体抗压强度-抗弯强度转换模型,各理论模型均与试验结果呈现出良好的拟合性｡

5、结语

废塑料资源化利用是解决环保问题的有效途径｡通过上述研究可以发现,再生塑料的掺入不仅能够改善混凝土的性能,还能降低其生产成本,在混凝土市场中展现出巨大的应用潜力｡未来,提高塑料废物的回收率及利用率,实现经济､社会和环境的可持续发展,将是我们深入研究的重点方向｡

参考文献:

[1]李景虹.加快推动废塑料化学循环,有效应对塑料污染[J].科技导报,2024,42(16):1-2.

[2]王雅楠.废旧塑料低碳经济发展与优化路径[J].塑料助剂,2024(04):72-75.

[3]胡延庆,胡凡,周剑池,等.废弃塑料回收与转化的研究进展[J].中国塑料,2024,38(04):79-87.

[4]杨理,梁鹏超,马晶晶,等.塑料废弃物的资源化利用研究进展[J].河南科技学院学报(自然科学版),2024,52(02):41-47.

[5]王贺龙.再生塑料轻质混凝土应用性能试验及结果分析[J].粘接,2024,51(07):80-83.

[6]刘江荣,颜育仁.再生塑料轻质混凝土在建筑工程中的应用研究[J].合成材料老化与应用,2022,51(04):94-96,111.

[8]成钢.基于废旧塑料纤维的透水混凝土配合比设计研究[J].科学技术创新,2024(12):116-119.

[11]乔运昌,郑荣荣,程汝超,等.PET回收料改性再生透水混凝土性能的研究[J].化工新型材料,2024,52(S1):384-387,393.

[12]彭全敏,陈炳蔚,张彦,等.废PET塑料纤维对再生混凝土基本性能的影响[J].硅酸盐通报,2023,42(02):666-673.