邻苯二甲酸酯污染可能对土壤生物构成威胁：来自全球元分析和机器学习研究的见解

《Environmental Research》：Phthalate ester pollution poses a potential threat to soil organisms: Insights from a global meta and machine-learning analysis

低强度混凝土（LSC）中同时使用再生粗骨料（CRA）和破碎风力涡轮机叶片（RCWTB）的研究表明，RCWTB通过纤维增强作用显著提升LSC的弯曲强度和抗冲击能量吸收能力，同时改善耐磨性和抗渗透性，且不增加有效孔隙率。多准则决策分析（PROMETHEE II、ELECTRE、TOPSIS）和响应面法（RSM）均推荐50% CRA与10% RCWTB的组合，以平衡机械性能、耐久性、成本和碳足迹。该方案在多数场景中表现最优，尤其在综合性能优化时。

　　
该研究聚焦于利用再生粗骨料（CRA）和破碎风电机叶（RCWTB）制备低强度混凝土（LSC）的优化方案，通过多维度性能评估和决策分析方法，系统论证了两种废弃材料的协同应用对混凝土性能、经济性和环境效益的影响。研究采用50%和100% CRA替代天然粗骨料（CNA），同时以0%和10% RCWTB作为增强材料，结合机械性能、耐久性、成本及碳足迹四大指标，通过MCDM（多准则决策）和RSM（响应面法）进行综合优化，揭示了再生材料在非结构混凝土中的创新应用潜力。

### 一、研究背景与意义
低强度混凝土（LSC）因抗压强度低于25 MPa，广泛用于非承重结构如管道和道路铺面。然而，传统混凝土中粗骨料占比过高（通常达60%-75%），导致再生粗骨料（CRA）的引入会显著增加孔隙率并削弱界面过渡区（ITZ）的粘结性能，从而降低抗弯强度和抗磨损能力。本研究创新性地引入破碎风电机叶（RCWTB）——含66.8% GFRP纤维、6.3%巴沙木颗粒和8.3%聚合物颗粒的混合材料——通过纤维增强和屏障效应补偿CRA带来的负面效应，同时验证其经济性和环保价值。

### 二、材料与方法
1. **原材料特性**：
- **CRA**：来源于废弃混凝土破碎，密度2.44 kg/dm3，水吸收率6.12%，细度模数7.8，因含胶凝粘结层导致ITZ密度降低。
- **RCWTB**：机械破碎风电机叶得到的混合物，GFRP纤维长度13.1 mm、抗拉强度270 MPa，巴沙木（密度0.33 kg/dm3）和聚合物颗粒赋予其多孔结构。
- **基准材料**：CEM II/A-L 42.5 R水泥（含石灰6%-20%）、0-2 mm石灰砂（密度2.66 kg/dm3）、0-4 mm硅质砂（密度2.62 kg/dm3）等。

2. **混合设计**：
- 4种配比：C50/0（50% CRA，0% RCWTB）、C50/10（50% CRA，10% RCWTB）、C100/0（100% CRA，0% RCWTB）、C100/10（100% CRA，10% RCWTB）。
- 水胶比固定为0.47，通过调整细骨料比例维持坍落度9-10 cm，有效水胶比随CRA含量增加而降低（从0.32到0.18）。

3. **实验方法**：
- **力学性能**：28天龄期测试抗压强度（EN 12390-3）、抗弯强度（EN 12390-5）及能量吸收能力。
- **耐久性**：通过完全浸水（UNE 83980）和毛细吸水（UNE 83982）测试评估孔隙率和吸水率；采用EN 14157标准进行耐磨性测试。
- **经济性评估**：基于材料成本数据库（如水泥0.0962欧元/kg）和碳足迹数据（水泥0.7469 kgCO?eq/kg）计算混合料综合成本和碳排量。

4. **决策分析方法**：
- **MCDM**：采用PROMETHEE II、ELECTRE和TOPSIS算法，从15种不同权重组合的决策场景中筛选最优配比。
- **RSM**：通过二阶多项式模型建立各性能指标与CRA/RCWTB含量的响应面方程，进行数值优化和范围评估。

### 三、关键研究发现
1. **力学性能优化**：
- **抗压强度**：CRA含量增加（50%→100%）导致强度提升（26.8 MPa→27.5 MPa），因高强母体混凝土的CRA含胶凝粘结层增强ITZ密度。
- **抗弯性能**：RCWTB的GFRP纤维通过机械增强作用显著提升抗弯强度（C50/10达4.99 MPa，较基准配比C50/0提升98%），且能量吸收能力提高469%（3.93 kN·mm）。
- **界面效应**：CRA中胶凝粘结层导致ITZ脆性增加，RCWTB纤维在微观层面形成连续增强网络，抑制裂纹扩展。

2. **耐久性平衡**：
- **吸水率**：CRA含量增加使完全浸水孔隙率上升34%（3.2%→4.2% vol.），但RCWTB的纤维屏障效应使吸水率仅增加5%（0.41→0.43 g/min?.5）。毛细吸水率受皮肤保护层去除影响更显著，CRA含量增加导致毛细孔隙率上升50%（5.9%→8.1% vol.）。
- **耐磨性**：RCWTB使耐磨面积减少6.5%（从1200 mm2→1124 mm2）和高度降低8.5%（21.25 mm→19.6 mm），主要归因于GFRP纤维的硬质表面和增强作用。

3. **经济与环境效益**：
- **成本优势**：CRA（0.0038欧元/kg）和RCWTB（0.0052欧元/kg）均显著低于天然骨料（如硅质砂0.0085欧元/kg），最高成本降低9%（C100/10配比达30.25欧元/m3）。
- **碳足迹优化**：RCWTB碳排量仅为0.0009 kgCO?eq/kg，其替代天然骨料使LSC碳足迹降低2.9%（142.9 kgCO?eq/m3），主要因减少水泥用量和运输能耗。

### 四、决策分析结果
1. **MCDM算法对比**：
- **PROMETHEE II**：87%场景推荐C100/10（100% CRA+10% RCWTB），因其成本和碳足迹最优，但未量化性能差异。
- **ELECTRE**：机械与耐久性并重时（如场景1、5、11），C50/10与C100/10无显著偏好；侧重经济环保时（场景3、4、10），C100/10更优。
- **TOPSIS**：基于性能差异量化，C50/10在综合评分中更优（平均排名第二），因抗弯强度（4.99 MPa）和耐磨性（19.6 mm）优势突出。

2. **RSM模型验证**：
- **数值优化**：在机械性能与成本/环保并重场景中，最佳配比为C50/10（50% CRA+10% RCWTB），C100/10次之。CRA含量超过75%时，吸水率显著上升（>0.5 g/min?.5）。
- **范围评估**：推荐配比区间为CRA 50%-60%与RCWTB 8%-10%，此时抗压强度>25 MPa，耐磨面积<1200 mm2，毛细孔隙率8%-13%。

### 五、创新点与局限性
1. **创新性贡献**：
- 首次系统论证CRA与RCWTB在LSC中的协同效应：CRA提供成本和碳减排，RCWTB补偿力学性能损失。
- 开发MCDM-RSM混合决策框架，兼顾离散配比测试与连续优化预测，解决传统方法仅能评估现有配比的局限。

2. **研究局限性**：
- **材料来源单一**：CRA取自特定强度（>45 MPa）的废弃混凝土，未考虑不同来源CRA的胶凝含量差异（如建筑废料vs.道路废料）。
- **长期性能缺失**：未进行28天以上加速老化试验，需验证耐久性在长期暴露下的稳定性。
- **工艺限制**：RCWTB破碎粒度（4-22 mm）与天然骨料匹配度不足，可能影响级配优化。

### 六、工程应用建议
1. **优先推荐配比**：
- **机械性能优先**：选择C50/10（50% CRA+10% RCWTB），兼顾抗弯强度（4.99 MPa）和耐磨性（19.6 mm高度）。
- **经济环保优先**：选择C100/10（100% CRA+10% RCWTB），成本降低9%，碳排量减少2.9%。

2. **场景化应用**：
- **高磨损路面**：采用C50/10，利用GFRP纤维提升抗弯和耐磨性。
- **低成本铺装**：采用C100/10，牺牲部分机械性能换取最大环境效益。

3. **工艺改进方向**：
- **CRA预处理**：通过高压水枪去除表面粘结层，可降低孔隙率30%以上。
- **RCWTB分选**：采用振动筛分离GFRP纤维（>85%纯度），可提升纤维增强效率15%-20%。

### 七、行业启示
本研究为废弃物资源化提供了新范式：CRA与RCWTB的协同使用突破了再生材料单独应用的技术瓶颈。建议后续研究关注以下方向：
1. **生命周期评价（LCA）扩展**：纳入生产能耗（如破碎、纤维分离）和回收阶段分析。
2. **混合再生骨料优化**：探索CRA与RCWTB的级配协同效应，例如将RCWTB破碎至2-4 mm用于CRA级配填充。
3. **工业规模化验证**：在风电机组退役处理中同步回收CRA和RCWTB，建立规模化生产成本模型。

该研究证实，再生材料在低强度混凝土中的创新应用不仅实现性能提升，更能通过工艺协同设计（如控制CRA的破碎粒度与RCWTB纤维含量）实现全生命周期成本优化，为"双碳"目标下基础设施的可持续建设提供了技术路径参考。