回收低密度聚乙烯（LDPE）-砂复合材料作为无水泥建筑材料：加工参数对力学和物理性能的影响

《Sustainability》：Recycled LDPE–Sand Composites as Cement-Free Construction Materials: Effects of Processing Parameters on Mechanical and Physical Properties

　　

本研究以回收低密度聚乙烯（LDPE）–砂复合材料为对象，探讨其作为特定建筑应用的无水泥材料的可行性。采用Taguchi L9实验设计，评估了塑料含量（30–50 wt.%）、加工温度（220–260 ℃）和颗粒尺寸（319–1015 μm）对力学和物理性能的影响。力学性能（包括抗压强度、抗弯强度和抗拉强度）和物理性能（包括密度和吸水率）使用由模塑复合板制备的实验室规模试件进行评估。加工温度是控制强度发展和吸水率降低的主导因素。在所研究范围内，最佳实验条件为30 wt.% LDPE、260 ℃和1015 μm颗粒尺寸，其表观抗压强度为65.5 MPa，抗弯强度为20.7 MPa，抗拉强度为4.4 MPa，密度为1595.2 kg/m³，吸水率为0.7%。交叉验证显示，该模型对密度、抗拉强度、抗弯强度和吸水率具有良好的预测能力，对抗压强度和抗压模量仅具有中等预测能力。因此，回归模型仅作为所研究参数范围内的筛选工具，而非通用设计模型。结果表明，回收LDPE–砂复合材料在特定非结构性和有限半结构性应用中具有潜力，但需进一步进行产品标准测试、耐久性评估、防火性能评价和环境影响分析。

全球建筑与基础设施扩张加剧了材料生产的环境压力，水泥和混凝土的大量使用贡献了显著的温室气体排放与能源消耗，同时加剧资源枯竭。塑料废弃物，尤其是低密度聚乙烯（LDPE），因产量高且难以降解，在垃圾管理薄弱地区造成严重污染。现有方法通常仅将塑料部分替代骨料或水泥，而塑料-砂复合材料可利用塑料作为主要粘结剂，完全消除水泥。然而，以往研究多孤立考察加工变量，缺乏对塑料含量、加工温度和粒径综合影响的系统性评估。本研究采用Taguchi L9正交实验设计，系统考察这三个因素对LDPE-砂复合材料力学和物理性能的影响。

研究人员以废弃饮用水袋回收LDPE为粘结剂，以天然砂为骨料，按L9阵列组合制备模压复合板。通过抗压、抗弯、抗拉强度及密度、吸水率测试评估性能，并建立回归模型进行优化与交叉验证。结果表明，加工温度是主导因素；最佳条件为30 wt.%塑料含量、260 ℃加工温度和1015 μm粒径，对应表观抗压强度65.5 MPa、抗弯强度20.7 MPa、抗拉强度4.4 MPa、密度1595.2 kg/m³和吸水率0.7%。模型验证表明对密度、抗拉强度、抗弯强度和吸水率预测效果好，对抗压强度和抗压模量预测中等，因此模型仅用于筛选。

关键技术方法：将LDPE碎片与预热的砂混合加热，在0.5 MPa压力下压制成200 mm×100 mm×15 mm板材；砂筛分为319、638、1015 μm三档；力学测试采用INSTRON万能试验机，加载速率0.50 mm/min；吸水率通过23 ℃浸水24 h测定；每组三次重复。统计方法包括ANOVA、回归分析和交叉验证。

结果部分：

力学性能：抗压强度6.7–65.5 MPa，三项参数均显著，加工温度影响最大；抗压模量64–213 MPa，较低塑料含量和较细粒径给出更高刚度；抗弯强度5.8–20.7 MPa，仅加工温度显著；抗拉强度1.6–4.4 MPa，加工温度和粒径显著，塑料含量不显著。

物理性能：吸水率0.5%–1.7%，塑料含量和加工温度显著降低吸水率；密度1299.4–1692.4 kg/m³，三项参数均显著。

多响应优化：基于回归模型，最优组合为30 wt.%塑料、260 ℃、1015 μm，与实验M3一致，模型预测抗压