低掺量微米级聚乙烯与热压将废弃混凝土粉末升级再造为无水泥建筑材料

《Resources, Conservation and Recycling》：Upcycling waste concrete powder into cement-free construction materials through low-dosage micron-sized polyethylene and hot-pressing

　　

每年产生大量的废弃混凝土和聚乙烯（polyethylene, PE）废料，但二者仍未得到充分利用。先前研究表明，碳化诱导的碳酸钙（CaCO₃）晶桥可增强压实再生混凝土材料中颗粒间的粘结与强度，但经过一个碳化周期后可碳化相即被耗尽，且吸水率仍然较高。本研究引入微米级PE作为疏水-粘结相，并考察了PE粒径、PE掺量与碳化的影响。结果表明，添加5 wt% PE后，吸水率为6.4%，抗压强度为47 MPa，抗折强度为10.2 MPa，韧性提高991%。在压力下，熔融PE被限制在混凝土骨架内，而非大量流入孔隙。基体粘结由几何锚固、PE诱导的界面粘结和短程PE渗透共同控制。这项工作为低碳建筑材料提供了一条可设计的路径，降低了对废弃混凝土固有性质的依赖，并实现了多循环回收。

塑料与混凝土废弃物的大量产生是当前资源与环境领域面临的严峻挑战。全球塑料需求预计将从2020年的4.64亿吨增至2050年的8.84亿吨，而超过75%的塑料废料被填埋或进入自然生态系统，造成持久性环境危害。聚乙烯（polyethylene, PE）占全球塑料产量的26%，其包装等短寿命应用产生了大量集中废物流。同时，废弃混凝土产量巨大，但其中硬化水泥浆体（hardened cement paste, HCP）与骨料的分离和再资源化效率有限。以往研究尝试将废塑料掺入混凝土作为骨料替代，但疏水性塑料与亲水性水泥浆界面粘结差，导致强度与弹性模量显著下降；将塑料直接作为粘结剂则需要较高掺量（>25 wt%），不仅增加碳足迹，也限制产品强度。对于压实混凝土粉末，碳化诱导的碳酸钙（CaCO₃）晶桥虽可提高强度，但可碳化相在一次碳化后耗尽，吸水率仍高，且多循环回收困难。因此，亟需开发一种低掺量、可多循环回收的废混凝土与PE协同升级利用方法。

针对上述问题，研究人员提出以低剂量微米级PE作为疏水-粘结相，通过热压将粗废混凝土粉末转化为无水泥压实体，系统考察了PE粒径、掺量和碳化处理的影响，揭示了界面粘结机制，并验证了多循环回收可行性。该工作发表于《Resources, Conservation and Recycling》。其意义在于提供了一种不依赖水泥水化或碳化、对母体废混凝土性质依赖程度低的可设计低碳建材路线。

研究人员为开展研究，采用了以下主要技术方法（约220字）：以实验室制备并水养护28 d后存放3年的废混凝土为原料，经干燥、破碎、球磨至<300 μm；PE粉末由高密度聚乙烯（high-density polyethylene, HDPE）丸粒经液氮低温球磨制成，中位粒径分别为120 μm和60 μm。将混凝土粉末与不同掺量（0、3、5 wt%）PE混合后，在200 ℃、80 MPa下热压5 min成型；部分样品在高浓度CO₂（91%）下碳化2 d。测试包括吸水率与密度、抗压与抗折强度及断裂能、酚酞喷淋碳化深度、热重-微分热重（TG-DTG）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、差示扫描量热（DSC）、压汞法（MIP）与氮吸附-脱附（NAD）孔结构分析、扫描电镜-能谱（SEM-EDS）微观形貌与元素分布。多循环试验将压实体人工破碎至<2 mm，液氮低温球磨后直接再热压，并在第三次循环设置补充3% PE组。碳足迹评估采用ISO 14040/14044框架的cradle-to-gate筛查。

研究结果分述如下：

3.1 吸水率与强度：通过吸水率和力学测试发现，纯混凝土压实体吸水率为12.1%，碳化后降至10.2%，仍不满足承重块材要求。掺入5% 60 μm PE后吸水率降至6.4%，抗压强度达47.0 MPa，抗折强度达10.2 MPa，接近C40混凝土性能；PE粒径从120 μm降至60 μm使强度显著提高并降低吸水率。碳化样品的强度随PE掺量先降后升，在3% PE时最低，说明PE诱导粘结与碳化诱导粘结存在相互制约。添加5% 60 μm PE使抗折断裂能从纯压实体的11 J/m²增至120 J/m²，提高991%。

3.2 化学表征：通过TG-DTG、XRD和FT-IR分析发现，纯混凝土样品在425–475 ℃出现Ca(OH)₂脱羟基峰，碳化后消失；PE与Ca(OH)₂分解峰重叠。碳化生成的CaCO₃含量（按单位质量混凝土粉计）随PE掺量增加而减少：0%、3%、5% PE样品分别为8.1%、6.2%、5.8%，表明PE阻碍碳化。XRD与FT-IR显示热压后未形成新晶相或新化学键，PE主要通过物理作用增强基体。

3.3 孔结构演变：MIP测试表明，120 μm PE、60 μm PE和碳化分别使累积孔体积降低6%、16%和25%；仅60 μm PE和碳化能显著降低临界孔径。NAD结果显示两种PE均减少2–30 nm范围内的纳米孔体积，而120 μm PE使大于50 nm的孔体积增加，说明PE的局部封装而非大规模填充主导了孔结构变化；碳化则因C-S-H脱钙形成多孔硅胶而增加纳米孔体积。

3.4 PE结晶：DSC分析显示，120 μm PE熔点略高于60 μm，二者结晶度接近，说明低温球磨未显著改变PE晶体结构。热压后PE熔融峰强度和结晶度显著降低，原因是200 ℃溶解了原有晶核，减少了冷却再结晶的成核位点；60 μm PE因比表面积更大，热压后结晶度高于120 μm PE。

3.5 基体粘结机制：SEM-EDS观察显示，纯混凝土压实体中骨料颗粒构成点接触骨架，存在大量微米级空隙。掺入PE后，高压下熔融PE与混凝土颗粒形成几何锚固界面；冷却时PE收缩产生握裹效应，并与粗糙混凝土表面形成物理粘结；EDS点分析证实PE在界面微孔中发生了数十微米尺度的短程渗透。未观察到熔融PE的大规模压力流动，说明其被限制在刚性混凝土骨架内，以离散粘结相形式发挥作用。

3.6 多循环回收与碳足迹：三次循环试验表明，二次回收后吸水率从6.5%升至8.