发泡聚苯乙烯废弃物在建筑材料中的价值再生：轻质砂浆的热力学与力学性能调控研究

为应对建筑行业高碳排放及聚苯乙烯（EPS）废弃物的环境污染问题，本研究探索将回收EPS作为轻骨料部分替代砂浆中的砂，系统评估其对材料力学性能（抗压/抗折强度）与热工性能（导热系数）的影响。结果表明：EPS的掺入显著降低砂浆密度与导热系数（80% EPS时导热系数低至0.148 W/m·K），但力学强度随EPS含量增加而下降。该研究为开发兼具保温性与可持续性的非承重建筑材料提供了实验依据，助力绿色建筑与废弃物资源化协同发展。

　　

随着全球气候变化问题日益严峻，建筑行业作为碳排放的“大户”备受关注。据统计，建筑业贡献了全球38%的人为二氧化碳排放和9%的温室气体总量。其中，水泥生产是碳排放大户，每生产一吨水泥几乎会释放一吨二氧化碳。与此同时，人类社会产生的巨量废弃物，尤其是难以降解的塑料废弃物，也对环境构成巨大压力。发泡聚苯乙烯（Expanded Polystyrene， EPS）作为一种广泛用于包装的塑料材料，因其不可生物降解且分解缓慢，成为环境的一大隐患。然而，危机中也蕴藏着转机。研究发现，EPS具有轻质、低导热系数和良好的隔音性能，这些特性恰恰是开发节能建筑材料的宝贵资产。能否将令人头疼的EPS废弃物“变废为宝”，转化为建筑领域有用的资源，既减轻环境负担，又能为建筑节能降碳做出贡献？这成为研究人员关注的焦点。

在此背景下，摩洛哥穆莱·伊斯梅尔大学梅克内斯分校Errachidia科学技术学院的Azzeddine ELGHOMARI和Amine TILIOUA研究人员在《Results in Materials》上发表了一项研究，题为“Investigation and valorization of expanded polystyrene waste in building materials: thermal and mechanical characterization”。该研究旨在深入探究回收EPS废弃物作为矿物骨料部分替代品，在配制轻质砂浆中的应用潜力，并系统评估其对材料机械性能和保温隔热性能的影响。

为了回答上述问题，研究人员开展了一项系统的实验研究。研究主要围绕轻质砂浆的制备及其性能表征展开。关键技术方法包括：首先，按照特定配比（水灰比为0.5）精确称量波特兰水泥、标准细砂、不同体积替代率（0%， 20%， 40%， 60%， 80%）的回收EPS颗粒（粒径2.1-4.5毫米，密度17-20 kg/m3）和饮用水，进行砂浆的拌合。其次，将拌合好的砂浆浇筑成型为不同尺寸的试件，用于后续测试。接着，对试件进行标准养护（遵循ASTM C192规范），并在7天、15天和28天这三个龄期进行性能测试。性能表征的核心技术包括：1） 力学性能测试：使用万能试验机，依据BS EN 12390-3标准进行抗压强度测试，依据ASTM C78标准进行抗折强度（三点弯曲法）测试。2） 热工性能测试：采用瞬态平面热源法（Transient Plane Source， TPS），使用Hot Disk TPS 2500S热常数分析仪，在样品-传感器-样品对称配置下，精确测量试件的导热系数、热扩散率、体积热容和热 effusivity 等热物性参数。

3.1. 压缩测试

研究人员通过压缩试验评估了EPS掺量对砂浆抗压强度的影响。结果表明，砂浆的抗压强度与EPS掺量呈明显的负相关关系。在28天养护龄期时，基准砂浆（0% EPS）的抗压强度最高，达到20.89 MPa。随着EPS替代砂的比例从20%增加到80%，抗压强度逐渐下降，分别为17.72 MPa， 17.19 MPa， 16.51 MPa 和15.79 MPa。这种强度下降的趋势在7天和15天的测试结果中也一致存在。强度降低的主要原因是EPS颗粒本身强度低、具有柔韧性，且其与水泥基体的界面粘结较弱，在承受荷载时易成为应力集中点，无法有效传递应力。

3.2. 抗折强度

抗折强度测试用于评估材料抵抗弯曲应力的能力。研究结果显示，与抗压强度类似，砂浆的抗折强度也随着EPS含量的增加而显著降低。28天龄期时，基准砂浆的抗折强度为4.23 MPa。当EPS掺量达到20%， 40%， 60% 和80%时，抗折强度分别降至3.67 MPa， 2.73 MPa， 2.11 MPa 和1.97 MPa。这种下降同样归因于EPS颗粒的引入降低了材料的整体刚度和基体的连续性，同时弱化了骨料与水泥浆体之间的界面过渡区。

3.3. 导热系数

热工性能测试是本研究的一大亮点。结果清晰地表明，掺入EPS能极大地改善砂浆的保温隔热性能。基准砂浆的导热系数为1.110 W/m·K。随着EPS掺量的增加，导热系数显著下降：20% EPS时为0.878 W/m·K， 40% EPS时为0.623 W/m·K， 60% EPS时为0.326 W/m·K，当EPS掺量达到80%时，导热系数降至极低的0.148 W/m·K，表现出优异的隔热能力。这主要得益于EPS颗粒内部封闭的蜂窝状结构中含有超过95%的空气，空气是极好的隔热体，有效阻碍了热量的传导。同时，研究还测量了其他热物性参数，如热扩散率、体积热容和热 effusivity，这些参数的变化也共同印证了材料热绝缘性能的增强。此外，砂浆的密度也随EPS掺量增加而大幅降低，从基准的2039.27 kg/m3降至80% EPS时的462.58 kg/m3，实现了材料的轻量化。

综上所述，本研究通过详细的实验分析揭示了回收发泡聚苯乙烯（EPS）废弃物在轻质砂浆中的应用价值与权衡关系。核心结论是：EPS的掺入能显著降低砂浆的密度和导热系数，赋予材料优异的轻质化和保温隔热性能，这对于开发节能建筑材料具有重要意义。然而，这种性能的提升是以牺牲材料的力学性能（抗压强度和抗折强度）为代价的。因此，EPS轻质砂浆并不适用于承重结构，但其在非承重应用领域前景广阔，例如用于制作隔墙板、填充砌块、保温面板等建筑构件，能够在保证建筑功能的同时，有效降低建筑物自重、提高能源效率，并实现EPS废弃物的资源化利用。这项研究为推动建筑行业的可持续发展、促进循环经济提供了有价值的数据支持和实践路径。它清晰地指出了未来材料设计的方向：需要根据具体应用场景，在隔热性能与力学强度之间寻求最佳平衡点，或通过复合其他材料（如纤维）来弥补力学强度的损失，从而开发出性能更全面的绿色建筑材料。