用再生电子废弃物PVC纤维增强混凝土的力学、微观结构与自由振动特性

把旧电缆变成更坚固、更安静的混凝土

每年都有大量废弃电缆堆积，成为不断增长的废弃物问题。本研究探索了一种意想不到的途径，将部分废料赋予第二次生命：将带塑料绝缘的铜线切碎并掺入混凝土中。研究者想弄清这些再生纤维是否不仅能使混凝土更强，同时还能帮助建筑和基础设施在交通、风力或机械作用下减少振动。

从电子废堆到建筑材料

研究小组以即将报废的电缆为原料。去掉外护套，将带绝缘层的铜导体切成30或50毫米长的短段。在混凝土中，这些短段像细小的增强纤维，塑料（PVC）涂层与水泥接触，而铜芯则被埋在内部。研究者配制了标准的高性能混凝土，并制备了含不同纤维用量的若干配比，同时留有不掺纤维的“对照”混合物以供比较。他们浇铸了用于抗压试验的立方体、用于弯曲试验的梁，以及用于研究材料自由振动行为的较长梁体。

强度的平衡：压与弯

在立方体抗压试验中，按重量计约0.8%的适中纤维含量获得了最高的抗压强度，比普通混凝土高出约8%。继续增加纤维含量后，材料在纯压应力下略有减弱，可能因为多余的纤维开始聚集，产生微小薄弱点或额外孔隙。而在弯曲试验中，情况则相反：随着纤维含量增加到1.2%，梁的抗裂能力持续提升，弯曲强度比对照组提高了超过22%。较长的纤维（50毫米）在抗弯性能上比短纤维更有优势，因为更长的“埋入长度”有助于桥接更宽的裂缝并在拔出前吸收更多能量。

在日常结构中抑制振动

许多混凝土结构—如工业地面、重型机械下的基础、以及高架道路—经常受到移动荷载的震动。材料吸收运动的能力由其阻尼比来量化：数值越高，振动衰减越快。研究者将每根梁的一端夹固成跳板状，用已知力拉下自由端然后释放。借助与廉价微控制器连接的小型运动传感器，他们记录了振动梁如何逐渐静止。通过将记录的运动拟合到简单的“衰减波”模型，可以提取能量损失的速率。纤维含量最高（1.2%）的梁显示出比普通混凝土高出约7.5%的阻尼比，尤其在较大振幅下更明显。纤维长度也有小幅作用——较长纤维使阻尼增加几个百分点——但纤维用量的影响更为显著。

混凝土内部发生了什么

为观察微观机理，团队使用扫描电子显微镜检查了试样破碎后的碎片。他们发现围绕纤维的水泥浆致密且形成良好，具有混凝土硬化过程中典型的晶体结构。在纤维与水泥接触的边界处，能看到硬化的浆体粘附在纤维表面，并出现受控的分离与拔出迹象。在部分裂纹中，塑料涂层在破裂过程中被部分剥离开铜芯。这些特征表明存在一种具有摩擦性的坚韧界面：当裂缝试图开启时，纤维会拉伸、滑动并逐步拔出，将机械能转化为无害的热量和微观损伤，而不是导致突然的脆性断裂或长期振动。

为何这对更绿色、更智慧的建筑很重要

简而言之，这项研究表明，将电子废弃物中精细切碎的绝缘导线掺入混凝土，能够同时实现两项有价值的改进：提高抗弯裂能力并在一定程度上抑制振动，同时利用了一个棘手的废物流。纤维掺量存在一个“甜点”区间：若要保持抗压强度，约为0.8%；若以振动控制和抗裂为首要目标，则可提高到约1.2%。尽管仍需更详尽的试验来完全区分材料本身的行为与试验装置的影响，结果表明，将旧电缆转化为微观增强材料，可能是通向更加坚固、更加安静且更可持续混凝土结构的切实可行的一步。

引用: Admasu, M.B., Gissila, B., Aklilu, A. et al. Mechanical, microstructural, and free-vibration characteristics of concrete reinforced with recycled E-waste PVC fibers. Sci Rep 16, 14325 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44699-8

关键词: 再生混凝土, 电子废弃物纤维, PVC纤维加固, 振动阻尼, 可持续建筑