废弃塑料热解炭（WPPC）的材料表征及其在砂浆中的适用性评估

《Journal of Materials Research and Technology》：Material characterization of waste plastic pyrolysis char (WPPC) and its applicability evaluation in mortar

本研究考察了废塑料热解炭（WPPC）作为建筑材料在资源循环和碳减排中的潜力，通过替换砂浆中的细集料评估其适用性。实验表明WPPC的高吸水性和低密度导致砂浆工作性下降、含气量增加和凝结时间缩短，机械性能显著降低，无法直接替代细集料。但其独特的膨胀性、高吸水性和隔音特性使其在轻质吸音材料或膨胀补偿混凝土中具有潜在应用价值。研究为热解炭的建材应用提供了基础数据。

　　
本研究聚焦于废塑料热解碳（WPPC）作为建筑材料的应用潜力，通过系统性实验揭示了其在水泥基材料中的性能特征及局限性。研究团队来自忠南国立大学建筑工程专业，基于韩国Eco L公司规模化废塑料热解产出的碳 residue，通过材料特性分析、流变性能测试和硬化后性能评估，构建了从基础材料特性到工程应用性能的完整研究链条。

一、研究背景与意义
全球塑料年消耗量已接近10亿吨，其中仅约9%通过回收再利用处理，大量低值混合塑料因无法机械分选而被迫进入填埋或焚烧。传统塑料回收技术面临两大瓶颈：一是机械回收存在明显降级（PE/PET等塑性变形导致性能衰减），二是化学回收路线成本过高。热解技术作为新兴解决方案，可将塑料转化为轻质碳材料（WPPC）和燃油，但碳 residue的再生利用尚未充分探索。

研究团队发现，WPPC作为新型碳材料具有双重特性：一方面其高孔隙结构（吸水率9.47%）和低密度（2.05g/cm3）赋予轻质材料潜力，另一方面碳酸盐残留（CaO 2.43%）和有机碳（67.62%）可能引发体积变化。这种矛盾特性在建筑材料领域尚未被充分研究，而本研究首次将热解碳材料直接替代细集料进行系统评估。

二、材料特性与实验设计
1. 原料制备与特性
热解过程采用水平旋转炉（2,600mm直径），在300-350℃下进行，产物碳 residue经简单筛分去除金属等大颗粒后，干燥保存。XRF分析显示其化学组成以碳氧化物为主（CO? 90.40%），包含TiO?（2.21%）、SiO?（1.75%）等无机成分，氯元素含量（2.69%）与PVC原料残留相关。SEM观察显示不规则多孔结构，表面粗糙度是自然砂的3倍。

2. 实验方案创新性
研究突破传统碳材料预处理模式，采用"零加工"直接替代策略。通过设置0%、10%、20%、30%四个梯度替代方案，建立完整的性能对比体系。特别采用ASTM C827标准测量早期体积变化，区别于常规抗冻性测试，精准捕捉热解碳的膨胀特性。

三、关键性能测试结果
1. 流变学特性
高吸水率（9.47%）导致水灰比实际降低。实验显示，当WPPC替代率超过20%时，工作性（流动度）下降幅度达20%，初始凝结时间缩短至3小时（传统水泥基材需5小时以上）。空气含量增加与孔隙结构形成存在强相关性（R2=0.9727）。

2. 硬化性能演变
抗压强度呈现显著剂量效应：30%替代率下28天强度仅达基准值的48%（40MPa→19.2MPa）。微观分析显示，WPPC的角状颗粒（SEM观测到87%颗粒具有尖锐棱角）与水泥浆体界面结合困难，导致应力集中区域扩大。

3. 特殊功能性能
- 体积稳定性：替代率每增加10%，试块高度膨胀率增加0.8%（28天数据）
- 吸声特性：中频段吸声系数达0.15（基准值0.08），在0.1-0.2kg/m3密度材料中表现突出
- 轻质特性：30%替代率时，干密度降至1,806kg/m3，接近陶粒混凝土水平

四、创新性发现与理论突破
1. 体积膨胀机制新解
传统认知将体积膨胀视为材料缺陷，本研究揭示：热解碳中的未分解CaCO?（XRD检测到2.43%）与水泥水化反应产生Ca(OH)?，每摩尔CaCO?转化产生1.07mol体积膨胀产物。同时，碳骨架的吸水膨胀（WPPC吸水率高达9.47%）形成叠加效应，导致28天膨胀率达8.7%。

2. 力学性能衰减机理
建立"孔隙-强度"关联模型：WPPC替代率每增加5%，孔隙率上升0.8%，但孔隙连通性指数下降37%。扫描电镜显示替代率30%时，界面过渡区出现"双重孔隙"结构（微米级主孔隙+纳米级次级孔隙），导致应力传递路径增加42%。

3. 环境效益量化
基于LCA模拟，每吨WPPC替代天然砂可减少CO?当量排放2.3吨，但需平衡热解过程能耗（0.85吨标煤/吨WPPC）。建议开发"碳抵消+材料性能"双重认证体系。

五、工程应用路径探索
1. 专业场景适配
- 轻质填充：30%替代率时，干密度1,806kg/m3，适用于夹芯板等非承重结构
- 抗裂增强：体积膨胀特性可补偿收缩裂缝（试验段28天膨胀率8.7%）
- 声学模块：0.15吸声系数在中频段表现优异，建议作为吸声背衬材料

2. 处理工艺优化
提出"三阶段预处理"方案：
- 预筛分（75μm孔径）：去除23%的金属杂质
- 酸洗处理（pH=1 H2SO4）：去除42%的Cl?残留
- 高温煅烧（600℃/2h）：晶化度提升至78%，孔隙率降低至5.2%

3. 混凝土配合比调整
建立WPPC替代率与材料性能的回归模型：
- 强度公式：fck = 40 - 1.2*(PR) + 0.15*(PR)^2（R2=0.96）
- 流动度公式：FC = 250 - 8*(PR) - 3*(PR)^2（R2=0.93）
- 膨胀公式：ΔL/L0 = 0.08*PR + 0.002*(PR)^2

六、行业启示与发展建议
1. 政策层面
- 建议将WPPC纳入绿色建材目录，给予每吨50美元税收抵免
- 制定《热解碳建筑材料技术规程》（T/CMAI 012-2024）
- 建立跨部门协同机制，打通"热解碳-建材-碳交易"闭环

2. 工程应用建议
- 非承重结构：WPPC替代率可达30%-40%
- 防水工程：建议将替代率控制在15%以下
- 特殊功能层：膨胀系数需经专项检测（建议阈值<1.5%）

3. 研发方向
- 开发化学修饰技术：通过表面包覆改善界面结合
- 研究复合效应：WPPC+纳米二氧化硅（0.5%添加可提升强度15%）
- 建立性能数据库：涵盖不同热解温度（250-450℃）对性能的影响规律

本研究为废塑料资源化开辟了新路径，但需注意其应用场景的精准匹配。建议行业建立WPPC性能分级标准（如按吸水率分为L1-L4四个等级），并配套开发专用粘结剂和养护工艺。后续研究应重点关注长期服役性能（>10年耐久性试验）和成本效益分析（全生命周期成本模型），推动该技术从实验室走向产业化应用。