含商业纤维与再生纤维的混杂增强石膏复合材料力学性能与环境评估

《Recycling》：Mechanical Performance and Environmental Assessment of Hybrid Reinforced Gypsum Composites Incorporating Commercial and Recycled Fibers

　　

为提升石膏基材料的性能，已对采用多种纤维的混杂纤维增强策略进行了研究。本研究开发了混杂纤维增强石膏复合材料（hybrid fiber-reinforced gypsum composites, HFRGCs），包含十六种不同的再生矿棉（recycled mineral wool, RMW）纤维与聚丙烯（polypropylene, PP）纤维组合，纤维掺量范围为0.25 wt.%～1.00 wt.%。对试样进行了力学表征，并对测量值进行了统计分析；此外，还进行了生命周期评价（life cycle assessment, LCA），以评估其环境影响。含0.50 wt.% RMW纤维和1.00 wt.% PP纤维的HFRGC表面硬度最高，较参照组提高5.5%；含0.50 wt.% PP纤维的HFRGC获得了最高抗弯强度和抗压强度，分别提高7.5%和9.0%，而RMW纤维对力学性能的影响较小，其最大贡献在于降低环境影响，因为该工业废弃物的回收所需能源需求较低，而PP纤维生产则伴随较高排放。统计分析显示，含0.50 wt.%与1.00 wt.% PP纤维的HFRGC在力学性能上无显著差异，表明将PP纤维掺量提高至0.50 wt.%以上并未带来明显的力学性能改善。因此，综合考虑力学与环境因素，掺入1.00 wt.% RMW纤维和0.50 wt.% PP纤维的HFRGC具有最优的综合性能。

为适应可持续建筑发展需求，石膏基材料通过加入纤维来实现性能提升已成为重要方向。聚丙烯（polypropylene, PP）纤维具有较好的力学增强能力，但其生产过程能耗与排放较高；回收纤维则契合循环经济理念，但已有研究发现，回收纤维对石膏复合材料力学性能的影响并不稳定，有些研究显示强度提高，另一些则显示降低。混杂纤维增强技术有望利用不同纤维的互补特性产生协同效应，然而目前针对再生矿棉（recycled mineral wool, RMW）与聚合物纤维的混杂研究仍很有限。因此，这项发表于《Recycling》期刊的研究制备了十六种含不同比例RMW和PP纤维的混杂纤维增强石膏复合材料（hybrid fiber-reinforced gypsum composites, HFRGCs），纤维总掺量范围覆盖0.25 wt.%至1.00 wt.%，并通过力学测试、统计分析和生命周期评价（life cycle assessment, LCA）评估其力学与环境性能，旨在为轻钢框架建筑体系开发兼具力学性能与可持续性的预制板材。

研究人员采用的主要技术方法为：原材料包括半水硫酸钙（CaSO₄·0.5H₂O，EN 13279-1 A类）、来自Volcalis（Bustos，葡萄牙）的RMW工业碎料纤维、来自Sika（Vila Nova de Gaia，葡萄牙）的PP纤维。水/石膏比固定为0.7，按两种纤维掺量各0.25–1.00 wt.%组合成16组，每组3个样品，并设置无纤维参照组。养护7 d后烘干，依据EN 13279-2:2014和EN 12859:2011测定Shore C表面硬度、抗弯强度、抗压强度及表观密度。统计上采用Shapiro–Wilk正态性检验和Kruskal–Wallis非参数检验。LCA遵循ISO 14040/14044，以1 m²×12.5 mm石膏板为功能单位，采用Environmental Footprint 3.1 v1.01方法进行影响评价。

研究结果可归纳如下。

表观密度：除0.50 wt.% RMW组外，表观密度总体随PP纤维掺量增加而降低，最低为1.00 wt.% PP组，约1.09 g/cm³，较无纤维基体降低3.5%；RMW掺量变化对表观密度影响较小。部分波动与每组仅3个样品及再生纤维固有的不均匀性有关。

力学性能—表面硬度：含0.50 wt.% RMW与1.00 wt.% PP纤维的HFRGC表面硬度最高，达77 Shore C，较参照提高5.5%。多数含0.50%和1.00% PP纤维的配比均高于参照；RMW纤维掺量增加通常有利于表面硬度提升，但纤维掺量过高时改善空间受限。

力学性能—抗弯强度：含0.50 wt.% PP纤维的各组抗弯强度均高于无纤维参照；两种纤维均掺入0.50 wt.%时，抗弯强度提升最大，较参照提高7.5%。PP纤维可起到跨越裂缝的桥接作用，减少基体脆性；所有配比均至少超过标准最低抗弯强度要求1 MPa的2.3倍。

力学性能—抗压强度：含0.50 wt.% PP纤维的HFRGC达到最高抗压强度，其中含0.75%和1.00% RMW的配比均为8.5 MPa，较参照提高9.0%。高于0.50%的PP掺量配合较高RMW掺量时强度呈下降趋势，表明过量纤维可能产生负面作用；所有配比均至少超过标准最低抗压强度要求2 MPa的2倍。

统计分析：Shapiro–Wilk检验显示部分测试数据不符合正态分布，因此采用Kruskal–Wallis检验；结果表明三个力学指标均存在统计显著差异（p<0.01）。成对比较显示，除少数组外，显著差异主要出现在不同PP纤维含量之间，说明RMW纤维对力学性能影响可忽略，PP纤维是主要影响因素；含0.50 wt.%与1.00 wt.% PP纤维的试样力学性能无显著差异，表明PP纤维掺量超过0.50 wt.%后不能带来明显力学增益。

环境性能：LCA结果表明，相对于无纤维石膏板，掺入RMW和PP纤维后臭氧耗竭潜势（ODP）、酸化潜势（AP）、富营养化潜势（EP）和光化学臭氧生成潜势（POCP）略有下降；而全球变暖潜势（GWP）和化石燃料的不可再生资源耗竭潜势（ADP_ff）随PP含量增加而上升。RMW纤维的回收过程能耗低，提高RMW掺量可在一定程度上抵消PP纤维引起的环境负担，但无法完全消除。总体而言，RMW纤维掺量增加对所有环境类别均有利，体现了其可持续增强作用。

综合关键分析：将力学指标与环境影响指标等权归一化后，低PP掺量条件下RMW掺量增加对综合性能的影响更显著；综合比较后，含1.00 wt.% RMW与0.50 wt.% PP纤维的HFRGC在力学性能与低环境影响之间取得了最佳平衡。

讨论与结论方面，PP纤维在低掺量下有效改善了抗弯与抗压性能，RMW纤维则主要贡献于降低环境影响并回收工业废料，有利于循环经济。每个配比仅3个独立样品，统计功效有限，结果应更多从相对趋势理解。该研究结论可概括为：表面硬度最高的是含1.00 wt.% PP和0.50 wt.% RMW纤维的HFRGC，较参照提高5.5%；抗弯与抗压强度最高的是含0.50 wt.% PP纤维的HFRGC，分别提高7.5%和9.0%；RMW纤维对力学性能无明显影响，含0.50 wt.%与1.00 wt.% PP纤维的HFRGC在力学性能上统计等价，因此PP掺量超过0.50 wt.%不能带来显著力学优势；从环境角度看，RMW纤维显著增强了可持续性，并促进了废弃物回收和价值化；综合判断，1.00 wt.% RMW与0.50 wt.% PP纤维组合的HFRGC是最佳配方。未来研究应进一步表征其湿热、声学、耐久性及全生命周期性能，并探索使用多种再生纤维或天然添加剂替代原生PP纤维。