增强建筑业循环性：混凝土复合材料中回收纤维的生命周期评估

《Waste Management》：Enhancing Circularity in the Construction Industry: Life Cycle Assessment of Recycled Fibers in Concrete Composites

　　

研究人员对含原生和回收纤维的混凝土复合材料进行了对比生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）。根据所评估纤维的类型考虑了不同的回收工艺。机械回收（Mechanical Recycling）的生物基纤维显示出较低的环境影响。纤维类型和回收途径强烈影响环境性能。

建筑业是全球经济的关键支柱，但同时也是温室气体排放和资源消耗的主要来源。2022年，该行业排放约10 Gt CO₂当量，占全球总排放的37%，并产生大量建筑和拆除废物（C&DW）。纤维增强混凝土复合材料（FRCCs）通过添加短纤维改善混凝土的拉伸强度、延性和抗裂性，但纤维生产本身（如碳纤维、玻璃纤维）具有高环境影响。使用回收纤维作为替代可减少环境影响，但不同回收方法（机械、热、化学）的环境影响差异显著。目前缺乏对多种纤维类型及回收工艺的全面比较，因此本研究旨在评估16种混凝土复合材料（CCs）配方的环境影响，包括6种纤维（碳纤维CF、玻璃纤维GF、玄武岩纤维BF、聚丙烯纤维PF、大麻纤维HF、竹纤维OF）的原生和回收版本，以及三种回收途径（机械、热、化学），以传统混凝土（CTM）含钢纤维为基准。研究人员采用生命周期评估（LCA）方法，遵循ISO 14040:2006和ISO 14044:2006标准，使用SimaPro v9.6软件和Ecoinvent v3.10数据库，环境影响评估方法为Environmental Footprint 3.1（EF 3.1）。功能单位为1 m3混凝土复合材料，系统边界为从摇篮到大门。数据来源包括文献和Ecoinvent代理数据集。结论表明，机械回收纤维的CCs在气候变化等影响类别上低于钢纤维基准，而热和化学回收的玻璃纤维CCs则增加。机械回收的生物基纤维（大麻和竹纤维）在多个影响类别中表现出最一致的环境优势。本研究为建筑业循环经济提供了科学依据，论文发表在《Waste Management》。

主要技术方法（不超过250字）：采用生命周期评估（LCA）方法，遵循ISO 14040:2006和ISO 14044:2006标准。使用SimaPro v9.6软件和Ecoinvent v3.10数据库，环境影响评估方法为Environmental Footprint 3.1（EF 3.1）。功能单位为1 m3混凝土复合材料，系统边界为从摇篮到大门。数据来源包括文献和Ecoinvent代理数据集，文献数据来自Akbar and Liew (2021)、Howarth et al. (2014)、Patre et al. (2025)、Fo?t et al. (2021)、Shuaib and Mativenga (2016)、Sobek et al. (2024)、Caballero et al. (2025)、Arena et al. (2003)、Akbarian-Saravi et al. (2025)、González-García et al. (2010)、Gan et al. (2022)、Gu et al. (2018)等。运输路线根据文献设定。忽略试剂和具体操作步骤。

研究结果：

3.1 不同类型混凝土复合材料制造相关的环境影响：通过LCA对比16种配方的环境影响，得出以下结论。对于气候变化，热和化学回收的玻璃纤维配方（rtGFCC和rcGFCC）分别比CTM高66%和9%，其他所有配方均低于CTM，降低1%-61%。机械回收纤维的CCs碳足迹普遍较低，归因于缺乏高温或溶剂处理。对于淡水生态毒性，仅化学回收碳纤维配方（rcCFCC）高于CTM19%，因溶剂使用；其他配方降低47%-96%，rmCFCC和rmHFCC因避免原生生产产生负值。对于颗粒物，所有配方均低于CTM，降低5%-94%，rmCFCC为净环境信用。对于臭氧消耗，7种配方高于CTM，增加20%-366%，其中rcGFCC和rtGFCC最高；其他配方降低4%-66%。对于化石资源消耗，vCFCC、rcGFCC和rtGFCC高于CTM约49%-67%；其他降低5%-64%。对于矿物质和金属资源，仅vGFCC高于CTM656%，因原生玻璃纤维生产；其他降低66%-78%，rmGFCC、rtGFCC和rcGFCC为负值。贡献分析显示，胶凝材料是气候变化、颗粒物、臭氧消耗和化石资源使用的主要贡献者（分别占82%-92%、64%-75%、42%-58%、55%-70%），而外加剂是矿物质和金属资源的主要贡献者（97%-98%）。

3.2 政策含义：使用回收纤维可带来环境效益，但化学和热回收的CF和GF有时影响更大，因此机械回收可能是最可持续的途径。需要研究和技术投资优化回收技术，提高纤维质量一致性，并制定标准鼓励使用回收纤维，特别是机械回收纤维。机械回收在经济上也更可行。

3.3 局限性和未来发展：局限性包括数据来源为文献而非原发数据，缺乏一致的机械性能数据（1%体积分数不保证机械等效性），未来需要实验确定每种纤维的最佳用量，并扩展至全生命周期（包括使用、维护、耐久性、拆除、回收和处置），同时考虑经济和社会维度（生命周期成本LCC和社会生命周期评估SLCA），并关注生物质纤维的原料来源和栽培实践影响。

讨论部分总结：研究强调了机械回收的环境优势，但化学和热回收的纤维因高能耗而影响较大。政策建议支持机械回收技术，并指出需通过标准化和激励措施推动市场应用。局限性要求未来研究进行实验验证和全生命周期评估。

研究结论翻译：本研究评估了16种混凝土复合材料配方的环境影响，结果表明环境影响强烈依赖于纤维类型和回收方法。所有机械回收纤维配方使气候变化影响比钢纤维基准降低28%-61%。相反，化学和热回收的玻璃纤维配方使气候变化影响分别增加9%和66%。机械回收，特别是大麻和竹纤维，在多个影响类别中提供最一致的环境优势。这些发现强调了机械回收途径相对于高能耗回收技术的环境优势。总体而言，集成回收纤维，特别是通过机械回收获得的纤维，有助于提高混凝土复合材料的可持续性，支持建筑业的循环经济战略。本研究为文献提供了新视角。未来研究应将摇篮到大门评估扩展到摇篮到坟墓视角，包括服务寿命、维护、耐久性、拆除、回收和最终处置。