《Materials Today Communications》：High Strength Pervious Concrete incorporating Sand Infused Plastic Aggregate and Silica Fume: Performance Evaluation and Life Cycle Assessment
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全球性挑战，包括粗骨料资源枯竭和塑料废物处置问题，正日益加剧。为解决这些问题，本研究展示了一种将挤压法作为回收塑料废物制备粗骨料用于透水混凝土刚性路面的创新应用途径。为此，研究人员（we改为此）考察了掺入基于挤压法开发的轻质砂灌注塑料骨料（Sand Infus
全球性挑战，包括粗骨料资源枯竭和塑料废物处置问题，正日益加剧。为解决这些问题，本研究展示了一种将挤压法作为回收塑料废物制备粗骨料用于透水混凝土刚性路面的创新应用途径。为此，研究人员（we改为此）考察了掺入基于挤压法开发的轻质砂灌注塑料骨料（Sand Infused Plastic Aggregates, SIPA）和硅灰（Silica Fume, SF）的高强度透水混凝土（High Strength Pervious Concrete, HSPC）的物理、力学、表面及微观结构特性。研究中的HSPC以不同体积比例的SIPA替代常规粗骨料（Conventional Coarse Aggregate, CCA），并以不同重量比例的SF替代普通硅酸盐水泥（Ordinary Portland Cement, OPC）。与对照HSPC混合料相比，10% SIPA混合料的渗透性提高了9.9%，密度降低了4.44%，韧性模量增加了12.5%。此外，在微观结构检查中，掺入SIPA使得平均界面过渡区（Interfacial Transition Zone, ITZ）宽度相较于CCA有所减小。最后，研究将应力-应变曲线与既有本构模型进行了对比分析，并进行了生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA），结果显示与对照相比，气候变化和臭氧消耗影响均有降低。含10% SIPA与10% SF的混合料形成了兼具高强度、可持续性和高渗透性的最优透水混凝土配合比。该研究展示了一种回收塑料废物的技术方法，为路面工程建立可行的循环经济路径奠定了基础。
**论文解读：基于砂灌注塑料骨料与硅灰的高强度透水混凝土性能与生命周期评估**
**一、 研究背景与意义**
当前，全球面临着粗骨料资源日益枯竭和塑料废物处置压力巨大的双重挑战。建筑业每年消耗大量天然碎石、砂石，导致生态系统退化和原材料耗竭。与此同时，大量塑料废物被填埋、丢弃或进入海洋，对环境造成严重污染。传统透水混凝土因其强度较低，应用受限。制备高强度透水混凝土（HSPC）需要平衡强度与渗透性之间的矛盾。已有研究尝试在透水混凝土中使用纯塑料废物作为粗骨料替代物，但存在塑料骨料与水泥浆体间粘结力弱、强度显著下降的问题。为克服这一瓶颈，本研究创新性地开发了砂灌注塑料骨料（SIPA），并引入硅灰（SF）作为辅助胶凝材料，旨在通过复合技术手段，在保持优异渗透性能的同时，提升掺塑料骨料透水混凝土的力学强度，以实现其在重载路面中的应用潜力。
**二、 研究目标与结论**
本研究旨在开发一种集高强度、高渗透性和环境友好性于一体的HSPC配合比。研究人员通过试验研究了不同掺量的SIPA（按体积替代CCA的5%和10%）和SF（按重量替代OPC的5%和10%）对HSPC各项性能的影响，并通过生命周期评估（LCA）量化其环境效益。研究结论表明，虽然SIPA的掺入会降低力学强度，但其能显著提升渗透性、降低密度并增加韧性模量；而SF的掺入则能有效补偿因SIPA引起的强度损失，同时降低孔隙率和渗透性。综合权衡后，含10% SIPA与10% SF的混合料（P-S10-A10）被确定为性能最优的配合比。该研究成功验证了利用塑料废物制备高性能透水混凝土的技术可行性，为路面工程提供了循环经济路径。
**三、 主要试验方法**
本研究采用系统的试验与分析方法：首先，通过挤压成型技术将聚丙烯（PP）废塑料与砂按1：1重量比混合，经熔融、挤出、冷却、破碎等工序制备出最大粒径为12.5mm的轻质SIPA。其次，制备了九组不同配合比的HSPC试件（来源为实验室配制），并依据ASTM标准对试件进行了物理性能（硬化密度、孔隙率）、力学性能（抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度、韧性模量）、渗透性能和表面抗滑性能测试。同时，利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）对水化产物、界面过渡区（ITZ）及元素组成进行了微观结构分析。最后，应用OpenLCA软件和Ecoinvent数据库进行生命周期评估。
**四、 研究结果与分析**
**1. 硬化密度与抗压强度**
试验结果表明，SIPA因其较低的比重，使HSPC的硬化密度最高降低4.44%，这有助于减轻路面结构自重。相反，SF的掺入因其填充效应使密度最高增加3.03%。在抗压强度方面，SIPA的掺入导致强度下降（10%掺量时下降19.3%），但下降幅度远小于使用纯塑料骨料的损失。而SF的掺入显著提升了强度（10%掺量时提高12.4%），并有效补偿了SIPA带来的强度损失，使得10%SIPA+10%SF混合料的抗压强度相较于对照仅降低4.46%。双因素方差分析（ANOVA）证实，SIPA和SF对密度和抗压强度均有显著影响。
**2. 孔隙率与渗透性**
SIPA的掺入增加了HSPC的孔隙率（10%掺量时增加19.23%）和渗透系数（10%掺量时增加9.9%），这有利于路面排水，缓解城市内涝。相反，SF的填充作用降低了孔隙率（10%掺量时降低20.31%）和渗透性（10%掺量时降低7.92%）。所有配合比的孔隙率（15-35%）和渗透系数（2-6 mm/s）均满足美国混凝土协会（ACI）相关规范要求。方差分析显示SIPA和SF对二者影响均显著。
**3. 应力-应变曲线与韧性模量**
应力-应变曲线分析显示，SIPA的掺入增加了试件的峰值应变，表现出更好的延性，韧性模量随之提高（10%掺量时增加12.5%），意味着材料吸收能量的能力增强。而SF的掺入使材料表现出更脆性的行为，降低了峰值应变。当SIPA与SF复掺时，由于SIPA带来的高应变，使得整体韧性模量相较于对照仍有所提升。
**4. 抗折与劈裂抗拉强度**
SIPA的掺入降低了HSPC的抗折和劈裂抗拉强度，但损失有限（10%掺量时分别降低7.91%和15.38%）。SF的掺入则能有效增强这两项强度指标，10%SF可使劈裂抗拉强度提高25.75%，并显著抑制SIPA带来的强度降低。抗折强度的方差分析结果显示SIPA和SF影响不显著，而劈裂抗拉强度的影响显著。
**5. 抗滑性能**
英国摆锤试验（British Pendulum Test）结果显示，SIPA和SF的掺入均会降低HSPC的抗滑值（BPN）。对照组的BPN为88，而最高掺量组合（10%SIPA+10%SF）降至70。尽管有所下降，所有配合比的BPN值均高于路面安全所需的最低要求（65 BPN），满足行车安全标准。
**6. 微观结构分析**
XRD分析显示，HSPC的主要水化产物为方解石（Cc）、钙矾石（AFt）和氢氧化钙（C-H），SF的掺入使峰值强度增强，表明生成了更多的水化硅酸钙（C-S-H）凝胶，基体更为致密。SEM图像分析表明，SIPA表面的纤维状粗糙结构改善了其与水泥浆体的机械互锁，使得SIPA与浆体间的ITZ宽度比CCA与浆体间的ITZ更薄、更不明显，有助于增强粘结。EDS分析证实了SIPA和SF在基体中的元素贡献，SF的掺入提高了Si:Ca比，表明生成了更多C-S-H凝胶，优化了微观结构。
**7. 本构模型对比**
将试验获得的应力-应变曲线与既有本构模型（如Popovics、Carreira & Chu、Hsu and Hsu等）进行对比发现，这些模型能较好地预测HSPC的应力-应变行为。其中，Carreira & Chu模型在高强度试件的上升段拟合最佳，而Hsu and Hsu模型在高应变试件的整体拟合上表现最优，但计算值略高于试验值，误差在可接受范围内。
**8. 生命周期评估（LCA）**
基于“从摇篮到大门”的LCA分析表明，与对照HSPC（P-S0-A0）相比，掺入SIPA和SF的HSPC（P-S10-A10）在全部九个评估影响类别中均表现出更优的环境性能，平均影响降低7.82%。其中，气候变化影响降低了9.77%，臭氧消耗降低了4.97%。过程贡献分析指出，OPC和CCA是传统透水混凝土的主要环境影响来源，而SIPA和SF的利用显著减少了这些负面影响。敏感性分析证实，考虑避免填埋或露天焚烧的负担效益时，其环境效益更为显著。
**五、 讨论与结论**
综上，本研究通过将SIPA与SF协同应用于HSPC，成功平衡了强度与渗透性之间的矛盾。SIPA赋予了混凝土轻质、高韧性和优异渗透性，而SF通过火山灰效应和填充效应强化了基体微观结构，补偿了力学强度的损失。生命周期评估结果有力证明了该技术路径的环境优越性。研究最终得出结论：使用10% SIPA（体积替代CCA）与10% SF（重量替代OPC）的组合是制备高强度、可持续、高渗透性透水混凝土的最优配合比，为废弃塑料在路面工程中的高附加值利用提供了科学依据和技术支持。
