通过部分用ABS塑料废料和气凝胶替代骨料实现可持续轻质聚合物混凝土复合材料

把垃圾变成更坚固、更轻的建筑材料

混凝土无处不在——在我们的住房、桥梁和道路中——但它也伴随着隐性代价：它很重，并消耗大量的砂石，而塑料废料则堆积在垃圾填埋场。本研究探讨是否可以将来自废旧电子产品的一种常见塑料，与一种称为气凝胶的超轻材料，掺入普通混凝土中，使其在不牺牲强度的前提下更轻、更耐用且更环保。

为什么要把塑料和轻质粉末掺入混凝土？

传统混凝土依赖碎石和砂作为骨架。研究者提出了一个简单的问题：如果把部分碎石和砂粒替换为废塑料和羽毛状的气凝胶，会怎样？他们关注的是ABS塑料，这种塑料常见于废弃的电子产品和汽车零件，以及以空气为主的海绵状材料二氧化硅气凝胶。通过这样做，目标是减少天然骨料的使用，将难以回收的塑料变为有用成分，同时减轻混凝土自重并改善其抗水性和抗氯离子侵蚀能力，从而保护结构内部的钢筋。

设计一系列绿色混凝土配合比

为验证这一想法，团队配制了十种不同的日用结构混凝土试样，所有试样的水泥和水用量相同，仅改变骨料。在一些配合比中，最多用15%的粗骨料被ABS塑料颗粒替代；在另一些配合比中，最多用15%的细砂被气凝胶颗粒替代，还有若干配合比在不同配比下同时使用两者。他们通过塌落度试验在90分钟内检查了每种配合的可施工性，然后浇筑立方体、梁和圆柱体以测定硬化后混凝土的抗压、抗弯和劈裂性能。最后，他们测量了混凝土的吸水率以及氯离子透过性，这是评估在除冰盐或沿海环境中长期耐久性的关键指标。

最佳组合：更强、更易施工且更耐久

有一种组合明显脱颖而出：将10%的粗骨料替换为ABS塑料、5%的细砂替换为气凝胶的配比。该配合不仅在90分钟内保持了较高的新拌混凝土可施工性，而且在7至90天的抗压、抗弯和劈裂试验中强度略高于常规混凝土。塑料颗粒的优点在于不吸水并能改善裂缝扩展行为，而气凝胶则像微小的填料，平整内部结构并减少不期望的空隙。因此，该配合吸水率更低，氯离子渗透性更小，接近建筑标准中定义的“低”渗透性等级。同时其自重比传统混凝土降低了约4–5%，减轻了基础和承重构件的恒载。

绿色化也有极限

研究也展示了该方法的局限性。当气凝胶或ABS的用量进一步增大——超过约10%气凝胶或15%塑料时——混凝土显著变得更脆弱且更多孔。气凝胶的超轻特性和塑料较为光滑的表面在内部产生过多微小空隙，导致更多水分进入和更多氯离子通过。这些高替代率配合的强度降至更低范围，并转向“高”渗透性，意味着尽管更轻，但在实际结构中对钢筋的保护性较差，不太适合用于需要防护的构件。

对未来建筑的意义

对非专业读者而言，结论很明确：通过精确调控废塑料和气凝胶的掺量，混凝土可以变得更环保且性能更好。本研究中表现最佳的配合足以用于常规结构用途，重量更轻、吸水性更低，并延缓导致钢筋锈蚀的有害盐类侵入——同时回收了本可能被焚烧或填埋的塑料。作者建议这一配方已具备在实际施工现场试用的条件，且可进一步优化以满足更高强度或专用用途，展现出朝向更轻、更可持续建筑与基础设施的有前景路径。

引用: Devi, K., Singh, G. & Jindal, B.B. Sustainable lightweight polymer concrete composite through partial replacement of aggregates with ABS plastic waste and aerogel. Sci Rep 16, 11212 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40737-7

关键词: 轻质混凝土, 塑料废料再利用, 二氧化硅气凝胶, 可持续建设, 耐用材料