法拉·蒂布尼（Farah Tibni）| 穆罕默德·海达里-拉拉尼（Mohammad Heidari-Rarani）| 穆罕默德·阿斯多拉-塔巴尔（Mohammad Asdollah-Tabar）| 拉里·莱萨德（Larry Lessard）
伊斯法罕大学工程学院机械工程系，伊朗伊斯法罕，81746-73441
**摘要**
随着废物产生量和与水泥相关的温室气体排放量的增加，人们对减少废物产生的建筑材料和低碳粘合剂途径的兴趣日益浓厚。本结构化综述研究了将再生废物作为粘合剂和/或骨料用于聚合物混凝土（PC）的配方，以减少对原始原料的依赖，同时保持性能。此外，还单独讨论了作为相邻低碳对比物的地质聚合物系统。通过对现有文献的筛选，总结了再生粘合剂途径、再生骨料和填料以及基于地质聚合物的系统的应用。据报道，聚合物混凝土的抗压强度范围为70至120 MPa，而普通波特兰水泥混凝土的抗压强度为27.4至32.6 MPa。生产阶段数据显示，聚合物混凝土本身并不一定具有更低的碳足迹。普通混凝土每立方米产生的二氧化碳量为423公斤（抗压强度为45.2 MPa），而聚合物混凝土为1659公斤（抗压强度为111 MPa），即每吨每兆帕产生的二氧化碳量分别为3.9公斤和6.2公斤。地质聚合物对比系统的碳足迹更低，为每立方米242.87公斤二氧化碳，比传统混凝土减少了56.02%。生命周期评估（LCA）显示，地质聚合物混凝土的全球变暖潜能值（GWP）为8.95公斤二氧化碳/单位，而传统混凝土为1.38公斤二氧化碳/单位， DALY（ Disability Adjusted Life Years）减少了84.24%。总体而言，利用废物制成的聚合物混凝土符合循环经济的目标，但其可重复性和耐久性取决于树脂的选择和含量、回收材料的变异性、污染控制、分散性以及加工稳定性。未来的研究应标准化新型聚合物混凝土材料和配方，并改进制造工艺，以适应更广泛的应用场景，体现可持续性。
**缩写列表**
**缩写** | **全称**
3D | 三维（指3D打印）
GFRP | 玻璃纤维增强聚合物
GHG | 温室气体
LCA | 生命周期评估
LWP | 轻质聚合物混凝土
PC | 普通波特兰水泥混凝土
PC | 聚合物混凝土
**1. 引言**
聚合物混凝土（PC）是一种准脆性聚合物基复合材料，与传统水泥混凝土的不同之处在于它用聚合物粘合剂替代了波特兰水泥和水[[1], [2], [3]]。将树脂与骨料混合，必要时加入微填料或纤维，然后聚合形成聚合物混凝土。图1展示了聚合物混凝土成分的标记示意图（图1.a）以及实际聚合物混凝土样品（图1.b）。
在本综述中，“PC”指的是矿物骨料和填料通过连续有机聚合物基质结合而成的混凝土复合材料，该有机聚合物基质取代了水化水泥浆作为主要的承重粘合剂相。这一定义包括聚合物砂浆和聚合物混凝土。它不包括聚合物改性的（聚合物-水泥）混凝土，因为在这些混凝土中聚合物仅作为外加剂，水泥水化过程仍然占主导地位；也不包括地质聚合物混凝土，因为在地质聚合物混凝土中，通过碱激活粉煤灰、矿渣或类似前驱体形成无机铝硅酸盐凝胶，没有连续的有机树脂相。因此，聚合物改性的混凝土和地质聚合物主要作为耐久性和可持续性比较的参考系统，而重点在于聚合物树脂作为主要粘合剂的聚合物混凝土[4,5]。
聚合物混凝土是通过将聚合物树脂与细骨料和粗骨料混合制成的，通常还会加入微填料以减少孔隙并改善密实度[6]。常用的树脂包括聚酯、MMA、PMMA、环氧树脂、呋喃树脂和乙烯酯树脂，其中不饱和聚酯树脂因成本较低、易获得且机械性能良好而受到青睐[7]。表1列出了聚合物混凝土中最常用的聚合物粘合剂的机械性能。为了保护自然资源和促进回收利用，可以根据具体应用将骨料和填料部分替换为废物和副产品，如硅灰、再生玻璃、聚苯乙烯颗粒、粉煤灰和PET颗粒[8,9]。
**表1. 常用于聚合物混凝土的聚合物粘合剂的机械性能**
| 材料 | 抗压强度（MPa） | 抗拉强度（MPa） | 弯曲强度（MPa） | 弹性模量（GPa） | 参考文献 |
|------|------------|------------|------------|-------------|---------|
| MMA, PMMA | 70至210 | 9至11 | 30至35 | 35至40 | [10] |
| UPR | 50至150 | 8至25 | 15至45 | 20至40 | [10] |
| 环氧树脂 | 50至150 | 8至25 | 15至50 | 20至40 | [10] |
| 呋喃或呋喃醇 | 48至64 | 7至8 | -- | [10] |
| 固化乙烯酯树脂 | 187.75 | 75 | 110 | 3.5 | [11] |
聚合物混凝土通常具有优于传统水泥混凝土的抗压、抗弯、抗拉和抗冲击性能，同时具有更高的化学耐受性、更低的收缩率、更快的凝固和固化速度以及更好的耐候性[12]。这些优点使其适用于桥梁铺装、建筑物和公路修复、结构面板、污水管道、隧道、装饰性结构、户外家具、游泳池和储罐等领域[8]。聚合物混凝土还被用于饮用水过滤系统[13]。图2展示了聚合物混凝土在不同行业的一些应用示例。
**2. 废物利用**
废物利用与先进制造技术相结合。通过结合注塑和3D打印的概念，开发出了可3D打印的混合聚合物混凝土复合材料，实现了功能性和设计灵活性，同时重新利用了废物材料[26]。使用再生粉煤灰材料的地质聚合物混凝土3D打印也显示出可行性，但仍受挤出策略、纤维增强、时间间隔效应和层间粘附性的影响[27]。随着地质聚合物打印技术的发展，原材料变异性、活化剂设计和层间粘附性等因素变得至关重要[28,29]。据报道，优化后的四元地质聚合物混合物的抗压强度可达91 MPa，这表明混合物设计和工艺控制对可扩展性和耐久性具有重要影响[29]。最新研究还指出，如果层间粘附性和沉积时间控制不当，打印过程本身可能会加剧各向异性和耐久性风险[30]。从耐久性的角度来看，Adamtsevich等人认为性能取决于混合物设计、工艺参数和结构策略，而不仅仅是材料本身[31]。最新研究明确将数字制造与减少材料浪费和提高建筑效率联系起来，同时表明低碳粘合剂和活化剂化学成分可以缓解这些问题，但无法完全消除它们。这强调了将3D打印不仅仅作为一种独立的聚合物混凝土应用方法来讨论，而应将其视为一种完整的设 计流程，以确定哪些地质聚合物和富含聚合物的聚合物混凝土系统在实际应用中具有可扩展性。
尽管基于数字技术的制造方法（如3D打印）可以在组件层面减少材料浪费，但总体废物产生趋势仍然是将废物转化为聚合物混凝土等建筑材料的主要驱动力。图3显示了到2030年全球废物产生的预计增长情况，图4总结了常见的废物处理方式，但这些方式并不总是优先考虑环境因素。填埋会释放有害化学物质，污染地下水；海洋倾倒则通过食物链摄入和中毒威胁海洋生物[32]。焚烧也是广泛使用的废物处理方式，占全球废物处理的11.1%和医疗废物处理的约60%，但其危险性在于会释放有害气体并消耗大量能源，尤其是在燃烧塑料时[33]。
**3. 循环经济**
塑料使用的增加引发了人们对健康问题的担忧，因为塑料释放的化学物质可能与癌症和其他疾病有关[36]。因此，越来越多的人强调激励回收行为，以提高环保意识。回收在减轻污染方面发挥着关键作用，并通过降低再利用材料的成本促进经济增长[37]。这促进了循环经济实践的发展，强调升级回收和生态效率。图5展示了循环经济的原则和步骤。因此，将合适的再生填料和骨料纳入聚合物混凝土符合循环经济的理念，是实现更可持续建筑的实际途径[38]。
**4. 结论**
本结构化叙述性综述探讨了废物在聚合物混凝土中的应用，区分了粘合剂替代和骨料/填料替代方案，因为这些途径涉及不同的加工限制和性能机制。综述讨论了作为粘合剂的再生废物（包括热固性和热塑性聚合物、农业废弃物灰烬以及生物基聚合物粘合剂）和作为骨料的再生废物（包括矿物废物、再生聚合物和其他创新填料类型），并将地质聚合物作为相邻的对比系统。比较了它们的机械性能，并将其与耐久性、恶劣环境下的性能、温室气体排放、政策和激励措施以及研究方向联系起来。为确保透明度，综述方法参考了PRISMA 2020的报告原则进行制定。然而，本研究属于结构化叙述性综述，而非完全系统的综述，因此没有进行前瞻性注册或独立的评审协议。在Scopus、Web of Science和出版商平台（ScienceDirect、SpringerLink、Wiley Online Library和Taylor and Francis Online）上进行了文献搜索，随后由两名研究人员进行了筛选和独立评审，并进行了主题分类和差距识别。纳入标准包括涉及再生粘合剂系统、废物衍生或天然骨料以及报告机械性能、耐久性或可持续性表现的同行评审聚合物混凝土研究；排除了关于聚合物改性水泥的研究、非同行评审的来源以及缺乏实质性数据的研究。图6展示了结构化叙述性综述的工作流程和分类框架的概念概述。
然而，目前文献中关于将再生粘合剂途径与再生骨料途径分开的综合分析仍然有限，同时比较机械性能、耐久性和生命周期评估的研究较少。因此，本综述旨在：(a) 在结构化叙述性综述框架内全面梳理聚合物混凝土中再生废物衍生粘合剂和骨料的利用情况；(b) 综合它们对机械性能、耐久性和可持续性性能的影响；(c) 识别与回收材料变异性、恶劣环境下的耐久性以及工业应用可扩展性相关的关键研究空白。环氧树脂和其他热固性材料
环氧树脂和聚酯热固性材料是PC（聚合物混凝土）和LWPC（轻质聚合物混凝土）中最常用的粘合剂。多项研究表明，这些材料可以提高混凝土的抗压和抗弯强度，改善其可加工性及减震性能，并实现轻量化或化学抗性，但它们对温度、辐射、冻融循环和加载速率仍然较为敏感。在基于环氧树脂或环氧纤维系统的结构PC中，用3%至5%（重量百分比）的环氧树脂替代传统粘合剂后，抗压和抗弯强度得到提升，同时可加工性也有所改善；当加入玻璃纤维（GFs）时，抗压强度进一步提升[39]。当环氧树脂和聚氨酯丙烯酸树脂与矿物骨料结合使用时，所得PC表现出较高的抗压和抗弯强度以及适当的杨氏模量，同时还具备良好的热物理性能，如较低的体积密度、优异的化学耐性和抗冻融性以及低吸水性[40,41]。这些结果表明，环氧树脂和环氧聚氨酯丙烯酸树脂基PC可以作为高性能、轻质材料，既增强机械性能，又延长传统建筑材料的耐久性。
使用环氧树脂和聚酯粘合剂配制的LWPC突显了聚合物含量和温度对性能控制的作用。在聚合物含量为10%至16%（重量百分比）的LWPC中，增加聚合物含量可以提高抗压强度、抗裂拉强度和抗冲击强度以及能量吸收能力；而将测试温度从+25°C降至-15°C后，抗压强度、抗裂拉强度和抗弯强度进一步增加，但能量吸收能力、抗冲击能量和延展性会相应降低[42]。用聚酯树脂、轻质膨胀粘土骨料和河沙制成的LWPC在超过250°C的温度范围内测试时，其机械性能会逐渐下降。在约200°C时，聚合物粘合剂的影响尤为显著，强度和刚度明显减弱；超过250°C后，骨料表面还会出现变色[43]。因此，富含热固性材料的LWPC可以提供低密度与优异机械性能的可靠组合，但其性能高度依赖于温度，在低温下可能变得脆化，或在高温下因聚合物软化分解而严重降解。
基于聚酯的PC还经过调整，以提高变形能力、化学抗性和防火性能。在含有30%（重量百分比）聚酯树脂的大理石填充PC中，通过伽马辐照、添加少量（最多0.5%重量百分比）聚酯纤维以及在80°C下进行后固化处理，变形能力提高了近一倍，尽管抗压强度略有下降，弹性模量也有所降低[44]。含有间苯二甲酸聚酯聚合物（IPP）的配方实现了超过60 MPa的抗压强度，并表现出优异的耐久性、快速硬化和良好的耐酸性，使其适用于检查盖板和框架等基础设施部件[45]。以磷酸铵和氢氧化铝作为阻燃添加剂的防火型混合物表明，约13%（重量百分比）的聚合物含量可最大化机械性能。氢氧化铝在高温下能增强强度，而磷酸铵则会使强度随温度升高而降低[46]。在聚硫化物PC中，通过两阶段粘合剂和混合试验得到了符合标准条件要求的最佳配方，但在反复冻融循环下强度显著下降，尽管相对动态弹性模量基本保持不变[47]。在水泥基超密实系统中，纤维类型对高温行为也有影响，例如研究了聚丙烯纤维增强反应粉末混凝土在高温下的性能[48]。这些研究展示了热固性化学成分、纤维添加、后固化及阻燃类型如何共同控制强度、变形能力、耐久性和防火/抗冻性能之间的平衡。
针对环氧树脂和聚酯PC的动态和振动行为也进行了专门研究。对于嵌入管道结构的环氧PC，通过引入空腔和冲击阻尼器来增强减震效果。测量了频率依赖的动态刚度和损耗因子，并将其纳入分析模型以预测带有冲击阻尼器的管道嵌入式PC的振动响应[49]。对于纯聚酯PC，不同应变率下的测试表明，其抗拉和抗压强度随应变率增加而提高，而弹性模量基本保持不变，这两种材料都对应变率变化非常敏感[50]。这些发现表明，基于热固性材料的PC可以用于振动控制和抗冲击应用，但在设计时必须充分考虑其速率依赖性行为。
总体而言，关于环氧树脂和其他热固性材料在PC中的应用研究表明，选择合适的树脂类型、树脂含量和填料系统可以实现高强度、良好的可加工性、轻质特性以及定制的减震或防火性能。同时，这些研究一致指出，这些材料对低温和高温、辐射、冻融循环及应变率具有敏感性，而这些因素在静态测试中往往无法完全体现。这表明，未来对基于热固性材料的PC的研究不仅应关注优化混合设计以提高强度，还应结合系统的耐久性和动态测试，并在比较不同热固性树脂时考虑成本和环境因素。
2.1.2 回收热塑性塑料
本节探讨了将回收PET及其他热塑性塑料作为PC粘合剂的应用。PET是聚酯家族中最受欢迎的热塑性聚合物树脂，主要应用于服装纤维、液体和食品容器，以及与玻璃纤维结合制成的工程树脂[51]。2016年，PET的年产量约为5600万吨[52]。其中最大的应用领域是纤维（超过60%），瓶子生产占全球需求的约30%。在纺织领域，PET通常被称为“聚酯”，而在包装应用中则使用其缩写“PET”[53]。总体而言，聚酯占全球聚合物产量的约18%，是仅次于聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚氯乙烯（PVC）的第四大生产聚合物，这使得PET废物的回收利用成为循环经济战略的重要目标。
PET废物主要来源于塑料瓶、薄膜和轮胎帘线[51]。由于PET在垃圾填埋场中分解速度缓慢且会造成环境污染，因此回收利用至关重要。研究人员探索了多种再利用方法，包括将其掺入混凝土混合物中或用作道路建设中的沥青粘合剂改性剂。此外，PET还可以作为混凝土增强材料，提高工程性能并延长使用寿命，同时带来经济效益并减少环境影响[54]。将PET废物作为PC粘合剂使用，可以生产出具有较高抗拉强度的复合材料，尽管其断裂行为较为脆性。成功生产这种PC需要严格控制制造条件，特别是在加工过程中的高温[55]。废弃PET瓶可以通过醇解化学回收为UPR（聚酯聚氨酯树脂），并用作PC的粘合剂[56]。
使用PET衍生粘合剂制成的PC的工程性能已与传统混凝土进行了对比评估。使用从废弃PET瓶合成的UPR作为替代OPC（普通波特兰水泥）制成的PC，从断裂模量、弹性模量、应力-应变行为、荷载-位移响应、抗弯和抗剪强度以及与钢筋的粘结性能等方面进行了评估[57]。关于PET基聚合物混凝土的研究探讨了配方参数对性能的影响，并将其结果与普通水泥混凝土和钢筋混凝土进行了比较。总体而言，优化后的PET基PC能够实现更高的机械性能，显示出与OPC系统竞争甚至超越的可能性[57]。此外，通过表征从废弃PET瓶片挤出的PET纤维的机械性能和特性，确定了回收PET纤维增强混凝土（RPETFRC）的导热系数、抗压强度、首次开裂强度和延展性[58]。与普通混凝土相比，回收PET增强了机械强度、耐热性和延展性，尤其是在纤维掺量为1%的情况下。早期对PET基RPC的研究还发现，随着树脂含量的增加，强度会达到一定阈值后不再进一步提高[59]。当使用回收骨料时，所得PC在应力下的表现与使用天然骨料的系统不同，且耐酸性强烈依赖于树脂含量和骨料类型[59]。综上所述，基于PET的PC可以实现与典型PC（70至120 MPa）相当的机械性能，甚至超过普通OPC（27.4至32.6 MPa）的范围[7,60,61]。然而，性能仍受配方、树脂组成、加工温度和骨料类型的影响。聚合物粘合剂的高成本限制了其广泛应用，因此基于PET和回收骨料的PC成为减少环境影响和资源消耗的潜在解决方案。
除了PET外，其他热塑性塑料基PC也在苛刻的结构应用中得到了评估。例如，PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）PC的结构性能与超高性能混凝土（UHPC）在全深度预制板横向接缝中的应用进行了比较[62,63]。三个全尺寸试件在美州公路与运输官员协会（AASHTO）规定的服务载荷和极限载荷下进行了垂直加载测试。峰值强度、损伤发展、破坏模式和局部钢筋应变（作为性能指标）表明，具有适当接缝细节的PMMA PC在桥面板横向接缝中表现出与UHPC接缝相当的结构性能。这支持了PMMA PC可作为预制板横向接缝的可行替代品的观点。
综上所述，关于将回收热塑性塑料作为PC粘合剂和纤维的研究表明，基于PET和PMMA的系统可以在苛刻的应用中提供高抗拉和抗弯性能、良好的粘结性能及足够的结构响应[55,57,58,62,63]。PET的化学回收为UPR粘合剂以及回收PET纤维的使用实现了显著的废物再利用价值，而与回收骨料的结合进一步增强了环境效益[56,57,59]。然而，基于PET的PC的脆性、性能对加工温度和树脂含量的敏感性以及聚合物粘合剂的高成本仍然是重要的设计限制。因此，未来对基于热塑性塑料的PC的研究应重点关注控制脆性、优化树脂含量和加工工艺，并量化其生命周期和成本效益，与OPC和基于热固性材料的PC进行比较。
2.2 非传统回收材料
为了展示可持续粘合剂开发的创新多样性，以下小节探讨了两种有前景的非传统回收材料：农业废弃物灰烬和来自可再生及废弃资源的生物基聚合物粘合剂。这些材料不仅有助于减少废物和节约资源，还通过混合有机-无机粘合剂化学成分，为PC的机械性能、耐久性和环境性能提供了定制化的可能性。
2.2.1 农业废弃物灰烬
农业废弃物灰烬，如稻壳灰（RHA）、玉米芯灰和甘蔗渣灰，正成为混凝土中水泥的可持续替代品，具有减少二氧化碳排放、提高耐久性和降低生产成本的优点[64]。当与性能增强化学外加剂结合使用时，这些材料不仅可以替代传统骨料，还可以作为补充性胶凝材料（SCMs），进一步提升混凝土的机械性能和耐久性[65]。在更广泛的混凝土文献中，这些农业废弃物通过减少熟料含量、降低环境足迹和节约自然资源，为更可持续的配方做出了贡献。在PC领域，RHA和粉煤灰已被研究作为传统粘合剂的替代品或补充材料，包括将聚合物粘合剂与火山灰矿物相混合的混合系统[65]。这些农业废弃物富含铝硅酸盐，使其成为经济高效且环保的替代品，优于地质聚合物和碱激活粘合剂[66]。将RHA作为部分水泥替代品用于回收骨料混凝土（RAC）中，通过额外的钙硅酸盐水化物（CSH）凝胶形成细化了界面过渡区（ITZ），从而改善了微观结构密度。这种RHA与回收骨料的协同使用提高了机械性能，并显著降低了碳排放和生产成本，使其成为可持续建筑中的创新方案。
这些发现强烈表明，类似的效果也可以应用于PC领域，例如通过将农业废弃物灰烬与聚合物粘合剂结合在混合有机-无机基质中，或将其与回收骨料一起用作共粘合剂。然而，专门针对农业废弃物灰烬在聚合物混凝土（PC）中的研究仍然非常有限，这突显了在将这些有前景的机制从普通波特兰水泥（OPC）和地质聚合物混凝土转化为PC配方方面的明显研究空白。2.2.2. 基于生物的聚合物粘合剂基于生物的聚合物粘合剂旨在减少或消除水泥和石油衍生聚合物的使用，同时保持高机械性能和耐久性。最近的研究展示了两种互补策略：完全基于聚合物的、无水泥的生物PC，这些PC使用可再生前体；以及最初为沥青开发的混合生物衍生粘合剂，这些粘合剂为未来的PC配方提供了灵感[[67], [68], [69]]。一条研究路线专注于有机粘合剂既来自生物又经过纳米改性的生物PC。一个值得注意的例子是一种新型生物PC，它使用了基于生物的聚氨酯（PU），并实际添加了苯甲酸和羧基功能化的多壁碳纳米管（MWCNTs）[67]。这种创新的粘合剂系统不仅消除了对水泥的需求，还解决了石油衍生聚合物的环境影响问题。所得到的生物PC表现出20-30 MPa的抗压强度、4 MPa的抗拉强度，并且对恶劣环境具有显著的抵抗力，显示出其适用于苛刻的服务条件和修复应用。MWCNTs的加入在增强聚合物交联、在微观结构层面加固基体以及形成渗透网络方面发挥了关键的创新作用，从而提高了机械和热稳定性。与OPC相比，这种配方实现了50%的碳足迹减少，展示了生物衍生、纳米改性的粘合剂如何推动下一代环保高效的PC的发展。尽管存在流动性有限和生物基PU商业可用性不足等挑战，但基于生物聚合物的粘合剂在塑造更可持续的建筑方法方面的变革潜力已经得到证明。第二条研究路线探索了从农业副产品中提取的热固性聚合物作为替代粘合剂。聚呋喃醇（PFA）树脂是一种从呋喃醇中提取的热固性聚合物，而呋喃醇是农业加工的生物副产品，由玉米芯或甘蔗渣等废弃物制成[68]。它作为一种有前景的非传统PC粘合剂出现。在酸性条件下原位聚合时，PFA会产生一种致密、化学耐受性强的基体。实验配方，通常被称为“polycrete”，显示出比传统水泥基系统更优异的弯曲强度、早期抗压强度和出色的抗冲击性。固化过程中不含水分，消除了与水分相关的耐久性问题（如钢筋腐蚀），使得基于PFA的PC非常适合修复应用和恶劣环境。此外，其低密度有助于减轻结构重量，实现材料优化并减少环境负担。除了明确标记为PC的系统外，关于用于沥青的生物衍生粘合剂的研究也为如何结合生物废弃物和聚合物以替代石油基材料提供了见解。一个例子是由植物树脂（VR）和废弃橄榄油（WOO）组成的生物衍生粘合剂，与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）、聚乙烯蜡（PEW）和废旧轮胎中的碎橡胶等聚合物添加剂混合[69]。所得到的复合材料虽然不被称为PC，但被评估为富含聚合物的沥青粘合剂，标志着向创新、可持续粘合剂迈出的重要一步。机械和流变学评估显示其性能很有前景，即使与传统沥青标准相比也是如此。尽管存在流动性有限和生物基PU商业可用性不足等挑战，但基于生物聚合物的粘合剂在塑造更可持续的建筑方法方面的变革潜力已经得到证明。第二条研究路线探索了从农业副产品中提取的热固性聚合物作为替代粘合剂。聚呋喃醇（PFA）树脂是一种从呋喃醇中提取的热固性聚合物，而呋喃醇是农业加工的生物副产品，由玉米芯或甘蔗渣等废弃物制成[68]。它在酸性条件下原位聚合时，会产生一种致密、化学耐受性强的基体。实验配方，通常被称为“polycrete”，显示出比传统水泥基系统更优异的弯曲强度、早期抗压强度和出色的抗冲击性。固化过程中不含水分，消除了与水分相关的耐久性问题（如钢筋腐蚀），使得基于PFA的PC非常适合修复应用和恶劣环境。此外，其低密度有助于减轻结构重量，实现材料优化并减少环境负担。除了明确标记为PC的系统外，关于用于沥青的生物衍生粘合剂的研究也为如何结合生物废弃物和聚合物以替代石油基材料提供了见解。一个例子是由植物树脂（VR）和废弃橄榄油（WOO）组成的生物衍生粘合剂，与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）、聚乙烯蜡（PEW）和废旧轮胎中的碎橡胶等聚合物添加剂混合[69]。所得到的复合材料虽然不被称为PC，但被评估为富含聚合物的沥青粘合剂，标志着向创新、可持续粘合剂迈出的重要一步。机械和流变学评估显示其性能很有前景，即使与传统沥青标准相比也是如此。尽管通常应用于沥青，但重新利用生物废弃物和整合聚合物以替代石油基材料为PC配方的创新提供了宝贵的见解。这表明在可持续性和性能之间不存在权衡，而是可以作为核心设计目标。表2总结了与PC相关的基于生物的粘合剂的关键发现。表2. 作为PC中非传统粘合剂的基于生物的粘合剂（注：强度值根据引用文献提供，可能无法在不同配方和测试设置之间直接比较）。粘合剂类型来源关键添加剂强度（MPa）耐久性特点挑战、预处理需求和可扩展性风险参考文献RHA农业废弃物抗压强度范围：30-40ITZ精炼、火山灰效应灰烬质量的一致性、供应的一致性及可扩展性[64]基于生物的PU植物油苯甲酸和MWCNTs抗压强度范围：20-30抗拉强度：4在恶劣环境中的抵抗力高粘度和流动性控制、成本及放大生产[67]PFA甘蔗渣和玉米芯酸催化剂弯曲强度范围：2.5-29.38耐水和耐腐蚀性处理和固化控制、催化剂处理、原料变化、可扩展性和供应一致性[68]VR + WOO植物油废弃物SBS、PEW、橡胶未报告MPa值（但表现出类似沥青的行为）灵活性和再利用PC适用性有限，成分变化、标准化和放大生产的可行性[69]表3和表4将讨论的增值废弃物材料进行了全面总结，强调了每种材料的局限性及其在PC中使用的相应风险。表3：本综述中提到的回收粘合剂及其在PC中的局限性（缩写：PET=聚对苯二甲酸乙二醇酯，UPR=不饱和聚酯树脂，PFA=聚呋喃醇，PMMA=聚甲基丙烯酸甲酯，PE=聚乙烯，PU=聚氨酯，MWCNT=多壁碳纳米管，GGBS=磨碎的高炉矿渣）。类别定义示例局限性：典型预处理和风险参考文献回收聚合物粘合剂热固性聚合物树脂回收或再加工后用作粘合剂通常需要化学解聚或再处理（热处理或化学处理）污染物可能改变固化温度和玻璃化转变温度（Tg）将PET转化为UPR需要糖醇解，导致分子量变化PFA需要酸催化和受控固化[51][62][68]热塑性塑料可熔聚合物，用作PC中的粘合剂或部分粘合剂PET（熔化、切碎或化学回收）、PMMA、PE衍生树脂处理需要较高温度熔体流动性和污染物（标签、添加剂）可能影响性能切碎的PET除非经过糖醇解或相容性处理，否则粘合效果较差化学回收（糖醇解或水解）可以产生一致的UPR前体PMMA-PC在桥梁接缝中显示出潜力，但成本和脆性限制了大规模应用[55][62][125][127][128]基于生物和农业的粘合剂来自生物质的粘合剂或农业废弃物PFA、生物PU、植物树脂混合物PFA需要酸催化剂或纳米添加剂纳米填料（如MWCNTs）可改善交联，但会增加成本供应和流动性是目前的限制[67]辅助水泥基和无机粘合剂（用于类似PC的混合物）铝硅酸盐前体，活化后可将骨料和填料结合成坚固、耐用的基体粉煤灰、RHA、GGBS用于地质聚合物（可与聚合物基体结合）需要研磨、筛分和化学预处理以确定Si/Al比例碱活化对湿度、温度、固化和碱浓度敏感[66][129]表4：本综述中提到的回收骨料及其在PC中的局限性（缩写：RCA=回收混凝土骨料，ITZ=界面过渡区，PET=聚对苯二甲酸乙二醇酯，GFRP=玻璃纤维增强聚合物，CFRP=碳纤维增强聚合物，PEF=聚（乙烯呋喃酸酯），GNPs=石墨烯纳米片）。类别定义示例局限性：典型预处理和风险参考文献回收聚合物粘合剂热固性聚合物树脂回收或再加工后用作粘合剂通常需要化学解聚或再处理（热处理或化学处理）污染物可能改变固化温度和玻璃化转变温度（Tg）将PET转化为UPR需要糖醇解，导致分子量变化PFA需要酸催化和受控固化[51][62][68]热塑性塑料可熔聚合物，用作PC中的粘合剂或部分粘合剂PET（熔化、切碎或化学回收）、PMMA、PE衍生树脂处理需要较高温度熔体流动性和污染物（标签、添加剂）可能影响性能切碎的PET除非经过糖醇解或相容性处理，否则粘合效果较差化学回收（糖醇解或水解）可以产生一致的UPR前体PMMA-PC在桥梁接缝中显示出潜力，但成本和脆性限制了大规模应用[55][62][125][127][128]基于生物和农业的粘合剂来自生物质的粘合剂或农业废弃物PFA、生物PU、植物树脂混合物PFA需要酸催化剂或纳米添加剂纳米填料（如MWCNTs）可改善交联，但会增加成本供应和流动性是目前的限制[67]补充水泥基和无机粘合剂（用于类似PC的混合物）铝硅酸盐前体，活化后可将骨料和填料结合成坚固、耐用的基体粉煤灰、RHA、GGBS用于地质聚合物（可与聚合物基体结合）需要研磨、筛分和化学预处理以确定Si/Al比例碱活化对湿度、温度、固化和碱浓度敏感[66][129]表4：本综述中提到的回收骨料及其在PC中的局限性（缩写：RCA=回收混凝土骨料，ITZ=界面过渡区，PET=聚对苯二甲酸乙二醇酯，GFRP=玻璃纤维增强聚合物，CFRP=碳纤维增强聚合物，PEF=聚（乙烯呋喃酸酯），GNPs=石墨烯纳米片）。类别定义示例局限性：典型预处理和风险参考文献矿物废弃物矿物碎片、工业渣、玻璃、陶瓷RCA、废弃玻璃砂、锡渣粘附砂浆和高孔隙率影响ITZ质量预饱和或双重处理可改善性能有时会对锡渣进行酸浸处理[6][103][104]聚合物和橡胶切碎的塑料或橡胶用作骨料替代品切碎的PET、电子塑料颗粒、橡胶碎片这些添加剂通常会降低密度，如果不受控制可能会降低强度化学和/或热处理和尺寸控制有助于粘附预处理包括清洗、筛分、表面氧化或相容性处理添加微填料或纳米填料可改善界面[95],[130]回收复合材料和FRP废弃物从复合材料结构中回收的纤维碎片或“针状物”来自风力涡轮机叶片的GFRP针状物、研磨的CFRP或GFRP难以清洁纤维方向和基体树脂残留物影响粘合性能需要机械研磨和筛分，这是常见程序有可能升级为地质聚合物或聚合物基体[92]创新填料和电子废弃物电子塑料、导电废料、来自废弃物的纳米填料电子塑料、来自渣的石墨、纳米颗粒金属粉末电子塑料通常含有污染物（卤素、阻燃剂、重金属），需要化学或热解毒农业废弃物灰烬需要煅烧以达到一致性基于生物的PEF与GNPs结合可提高耐久性，但尚未商业化需要环境和监管审查[98][99][130]本节关于粘合剂的讨论在下一节中将通过探讨骨料选择如何进一步控制PC的机械性能、耐久性和可持续性结果来进行补充。3. 作为PC填料的回收骨料本节探讨了将回收骨料和填料纳入PC配方中的情况。本节讨论了直接用于PC配方的回收骨料和填料，同时也包括了作为相关比较途径的地质聚合物系统，以评估可持续性和性能。讨论了基于矿物的骨料（如玻璃）、从工业副产品中提取的地质聚合物基体、回收塑料和橡胶，以及来自电子、农业和生物废弃物的替代填料。研究了将纳米材料与回收混凝土骨料（RCAs）结合的情况，强调了新PC开发中的新颖性、可持续性、机械增强和循环性。3.1. 矿物废弃物矿物废弃物填料和增强剂在PC中的主要用途是这三个方面：机械增强（裂缝桥接和应力传递）、耐久性改善（降低孔隙率和更好的化学耐受性）或在恶劣服务条件下的功能性能。尽管大部分机制讨论集中在水泥基系统中，但它有助于为PC建立相同的设计逻辑。相关的水泥基证据表明，当替代水平和颗粒特性得到控制时，回收的废弃玻璃可以提升性能，而调整不当的混合物可能会引入耐久性或强度妥协[70]。同样，煤底灰也被视为混凝土中的可持续矿物成分，但其变化性和预处理要求反复影响可靠性[71]。在不同系统中，性能较少依赖于“更强”的填料，而更多依赖于紧密结合、分布均匀的聚合物-填料界面，从而细化微观结构。一个反复出现的主题是，矿物增强剂可以使PC从脆性断裂转变为更耐损伤的响应，但这只有在增强剂类型和用量能够支持裂缝桥接时才能实现。在单轴拉伸下，玻璃和碳纤维PC仍可能因纤维断裂而突然失效，而聚乙烯醇和高强度钢微纤维系统则可以表现出延性应变硬化和更强的裂纹后残余能力[72]。这表明，过量的切碎GF会由于团聚、触变、拔出、断裂和界面或基体开裂而损害新鲜和硬化状态的表现，因此优化比最大化更为重要[73]。耐久性和化学暴露行为也受到增强剂选择和混合的强烈影响。这种依赖性与水泥基耐久性研究一致，其中矿物化学性质和细度在很大程度上决定了最终结果。天然火山灰等火山灰也广泛用于水泥基系统中，作为影响耐久性的替代品，进一步证明了矿物化学性质和细度控制最终结果[74]。在石油暴露下，纤维增强PC（FRPC）的性能趋势取决于纤维策略，其中汽油的影响比柴油更严重。在钢纤维（SF）、GF、SF+GF和无纤维PC中，混合SF+GF的组合表现出最佳的整体性能。通过两周浸泡后两周干燥的方案，与参考混合物相比，性能可提高多达15%，指标包括强度相关性能、超声脉冲速度、动态弹性模量和吸水性[75]。矿物废弃物还实现了超出强度的高级功能。对于快速的水泥跑道修复，基于PU的PC可能受到聚氨酯粘合剂固有低强度和模量的限制。添加磨碎的GF（GGF）颗粒提供了一种直接的增强途径，表征和机械测试证实了基于聚氨酯的PC性能得到改善[76]。一个特别重要的可持续性主题是将难以回收的复合废弃物升级为机械上有用的增强剂。从风力涡轮机叶片中提取的GF“针状物”以5%和10%的体积百分比（vol.%）替代粗骨料，可能不会显著改变抗压、抗拉或弯曲强度，但可以显著提高韧性 and 能量吸收。此外，针状物内的取向至关重要，长期耐久性仍是一个关键的研究空白[77,78]。还研究了将环氧树脂与废弃玻璃骨料结合以及使用偏高岭土和粉煤灰作为填料的效果[79]。添加0%、10%和15%的回收玻璃砂（粒径小于2.36毫米）后，PC获得了高强度和弹性模量，因为偏高岭土和粉煤灰提高了抗压强度、抗弯强度和弹性模量，并改善了化学耐受性。低表观孔隙率和最小的水分吸收有助于提高耐久性。改变树脂含量并用废弃玻璃粉（10%至47%）替代石英粉也可以提高抗压和抗弯强度，无论是从较高树脂含量还是从固定树脂水平下的玻璃粉替代中都观察到了收益[80]。还研究了含有矿物填料的硫PC（SPC）在高辐射暴露应用中的行为和性能，其中压缩测试和多种技术表征（SEM、毛细吸水率、XRD、FTIR、DSC）表明其具有更高的辐射抵抗性和抗压强度[81]。3.2. 地质聚合物和碱活化系统作为相关比较途径在本综述中，地质聚合物混凝土和碱活化混凝土未被归类为PC系统，因为它们的主要粘合相是无机铝硅酸盐网络，而不是连续的有机聚合物基体。它们在这里被讨论作为一个相关的比较途径，而不是作为PC类别的成员，因为在可持续性、低碳建筑和耐久性性能的讨论中，它经常与再生材料的PC一起被考虑。下面讨论的一小部分配方涉及用有机聚合物衍生物成分增强的无机基质。这些被视为比较途径和案例，以及一个新兴领域，而不是根据本综述采用的定义来处理为PC。地质聚合物是一个由Davidovits在1978年引入的术语，指的是由无机分子链或网络组成的材料[82]。地质聚合物是非晶态到半晶态的材料，由铝硅酸盐前体与碱性活化剂之间的聚合反应产生，这一过程通常伴随着热能[2,83,84]。它是一种可持续的替代水泥的材料，可以减少二氧化碳排放，具有优异的机械性能和防火及抗腐蚀性[12,85]。地质聚合物主要由硅和铝组成，来源于热激活的天然材料如高岭石，或工业副产品如粉煤灰或矿渣，以及一种将这些材料聚合成分子链和网络的碱性活化溶液。硬化后形成固体粘合剂[2,84,86]。
关于利用废弃物增值的地质聚合物混凝土的可持续研究的一个主要方向是将废弃物前体（如粉煤灰和磨细的粒化高炉矿渣（GGBS）转化为地质聚合物水泥混凝土（GPC）。这直接支持了废物减少，并通过减少对波特兰水泥的需求来降低排放[86,87]。这一系列材料也被称为碱活化水泥或无机聚合物水泥，经常被宣传为波特兰水泥混凝土的环保替代品[85,87]。GPC和PC系统都消除了波特兰水泥作为主要粘合剂的使用，但它们的环境负担特征有很大不同。GPC携带了碱性活化剂生产（特别是硅酸钠合成）所蕴含的能量和碳成本，这部分可能会部分抵消由于前体替代而节省的二氧化碳[88]。另一方面，PC系统则携带了与石化树脂合成相关的碳和毒性负担，包括环氧树脂、聚酯或乙烯基酯的生产，这些过程涉及化石原料和挥发性有机化合物的排放[89]。这种对比证明了在基于可持续性的基础上比较这些材料家族时，明确系统边界进行生命周期评估的重要性。
然而，性能对配方非常敏感：强度和耐久性指标（吸水性、密度、孔隙率）受碱性液体比例、前体选择和活化剂化学性质的影响。例如，混合了 meta-kaolin、氧化铝粉、硅灰和水泥窑粉尘的配方显示，较高的碱性液体比例可以提高强度，而优化的组合可以平衡抗压强度和吸水性[9]。由于水泥窑粉尘含有硅酸钙相和游离石灰，这种配方更准确地描述为一种混合的碱活化水泥体系，而不是纯粹的地质聚合物。这一点在讨论中很重要，因为它展示了无机粘合剂体系在地质聚合物和辅助水泥材料类别之间的组成灵活性。同样，含有70% GGBS和30% 硅灰的混合物在环境固化28天后可以达到高抗压强度，当硅酸钠（Na2SiO3）浓度达到40%时强度达到峰值，这突显了地质聚合物化对温度和硅酸钠浓度的敏感性[90]。GPC中的这种配方敏感性类似于PC系统中观察到的混合设计依赖性，其中树脂与填料的比例、固化温度和骨料级配以非线性方式影响抗压强度、开放孔隙率和吸水性[91]。在这两类材料中，没有通用的最佳配方，因为性能是特定粘合剂化学成分、填料形态和加工条件组合的结果。
扩展回收的范围，另一项研究将高达20%的再生GFRP废弃物纳入到由Fe-硅酸盐矿渣制成的富铁无机聚合物（IP）基质中。通过机械研磨回收增强纤维，该配方使抗弯强度显著提高了79%，相比传统的纤维增强水泥材料，展示了双重回收策略在改善机械性能的同时提供了环保的GFRP废弃物管理途径[92]。从分类的角度来看，这个系统构成了地质聚合物和聚合物基复合材料途径之间的一个边界案例。连续的粘合相仍然是富铁的无机铝硅酸盐网络，保持了其地质聚合物的特性，而增强相是从结构聚合物产品中回收的有机纤维-聚合物复合材料。根据本综述采用的定义，它不符合PC的资格，因为没有连续的有机树脂基质，但它证明了地质聚合物基质和有机聚合物衍生的增强材料可以功能集成。这对于理解在先进回收驱动的配方中无机和有机粘合剂系统之间的界限变得不那么清晰的情况非常重要。这类混合前体系统在这里被标记为一个新兴领域，而不是本综述的主要焦点。
总体而言，所审查的地质聚合物和碱活化系统为评估PC系统提供了结构化的参考点，因为它们与PC一样消除了波特兰水泥作为粘合剂的使用，并使用了工业废弃物流作为功能性成分。然而，它们在粘合剂化学、加工要求和长期耐久性机制上仍有根本差异，使得直接的性能比较具有信息性而非绝对性。
3.3. 再生聚合物
在PC中，再生聚合物填料和骨料替代品通常用于提高韧性和延展性，降低密度，并增加阻尼，同时将塑料和橡胶废弃物从填埋场转移出去。在报道的系统中，再生聚合物更多地作为增韧和能量耗散相，而不是承重矿物骨料，从而改变断裂过程和应力传递路径。这在PC设计中形成了典型的权衡：提高延展性和阻尼可能会带来可加工性的降低、孔隙率的增加或刚度的减少，除非仔细控制聚合物基质和颗粒分布。
一个一致的主题是通过加入聚合物来改善断裂性能。将再生PET瓶颗粒作为细粒和粗粒组分加入可以增加断裂韧性和断裂能量，颗粒大小效应表明较粗的PET颗粒可以提高韧性和能量吸收[93]。塑料废弃物如PET和PVC也被引入到钙硅酸盐系统中，化学处理可以提高粘合剂的效率和水分稳定性，生产出具有更好抗吸水性和增强机械性能的复合材料。这展示了将塑料回收为低碳复合材料的低能耗粘合剂途径[94]。
当再生聚合物填料与矿物废弃物一起使用时，文献显示可以在不牺牲强度的情况下实现密度降低。进一步扩展废弃物替代策略，基于环氧树脂的PC混合物中加入锯末和切碎的PET瓶作为0-4毫米粒度的骨料替代品，尽管随着废弃物替代密度的降低，但抗压强度仍可与使用天然骨料的PC相当。这一点通过密度、可加工性和抗压强度的测试得到了证实[8]。橡胶化的PC展示了另一种重复的模式：用碎橡胶和切碎橡胶替代细粒和粗粒骨料往往会降低可加工性并增加孔隙率，但同时提高延展性和阻尼，同时降低密度和成本。碎橡胶和切碎橡胶之间的差异也可能体现在脉冲速度和阻尼行为上，可以通过Taguchi和ANOVA等混合优化方法来识别影响参数[95]。
新型生物基聚合物正在成为PC中的新型骨料替代品。聚乙烯呋喃酸酯（PEF）作为混凝土中的生物基骨料替代品，不仅提高了PC的耐久性，还加入了石墨烯纳米片（GNPs）。由此产生的PEF-GNP复合材料不仅在抗压、抗拉和抗弯强度上有所提高，而且在化学侵蚀环境中也能保持可靠性能。虽然PC代表了结构耐久性的可行解决方案，但像PEF这样的生物基骨料替代品代表了新一代既环保又适用于高性能应用的聚合物。这些可持续材料扩展了在恶劣条件下需要长期韧性和机械完整性的应用中已建立和新兴聚合物的作用[96]。
3.4. PC中的创新再生填料类型
创新的再生填料通过引入新的废弃物流（如电子塑料（e-塑料）、工业副产品、纳米材料和建筑及拆除（C&D）衍生骨料），将PC扩展到了传统矿物废弃物和再生聚合物之外。这些填料的关键特点是多功能性。除了机械性能外，许多系统还针对热绝缘、声学性能、渗透性控制、自感知行为或改善环境足迹。同时，这种多功能性往往放大了对填料分布、界面粘合和水分传输的敏感性。
3.4.1. 电子废弃物（E-废弃物）
使用来自再生电线片的聚合物制成的可持续轻质混凝土是一种有前景的环保PC配方途径，特别是当废弃物颗粒经过全面的化学和物理适用性评估时[97]。这些系统可以提供功能性性能：动态刚度和冲击声压降低。此外，它们的热导率趋势支持其作为热绝缘和声绝缘轻质找平层的应用，尤其是在结构楼板之上。
在基于UPR的PC中，电子废弃物含量引入了一个明显的机械权衡：增加树脂含量可以提高抗压强度，而不会显著改变抗弯或抗裂拉伸性能，而增加电子废弃物比例可以提高延展性，但会降低抗压、抗弯和抗裂拉伸强度[98]。当电子废弃物替代石英和砾石时，渗透性和抵抗侵蚀的能力成为其性能的核心。含有适量电子废弃物的系统在长时间暴露后表现出接近零的毛细吸收，并且对酸和硫酸盐攻击具有高抵抗力，尽管抗压强度可能在较低的替代水平下达到峰值。例如，Aydın和Bulut（2024）用高达15%的电子废弃物替代了石英骨料和砾石，并报告了最高约9%的耐久性提升[99]。这些电子废弃物研究展示了PC中的一个重复设计逻辑：富含聚合物的废弃物填料可以降低渗透性并提高耐久性指标，但机械性能强烈依赖于替代水平和树脂比例。
3.4.2. 工业废弃物
另一种受工业副产品启发的PC再生骨料是POFA。POFA是发电厂燃烧棕榈油废弃物产生的副产品，具有高反应性和火山灰行为，使其成为有效的微填料[100]。在POFA的研究中，一致的主题是颗粒工程：研磨或更细的POFA以及表面改性的POFA可以提高填充能力、分散性和形态，当填料含量和混合设计优化时，可以降低孔隙率并提高可加工性和抗压强度[101,102]。来自新鲜和硬化测试的支持证据（使用孔隙率和微观结构工具如汞侵入孔隙率和场发射扫描电子显微镜）将性能提升直接归因于微观结构的精细化，而不仅仅是简单的填料添加。
锡渣是另一种高产量的工业副产品，其化学成分富含氧化物和硅酸盐，类似于OPC中的成分，使其成为可行的再生填料候选者[103,104]。在TSPC中，耐久性和潮湿气候暴露变得至关重要：FRP约束（无论是碳纤维增强聚合物还是GFRP）可以显著提高抗压强度和模量，而热带（炎热和潮湿）天气暴露会降低模量和抗压强度，突显了水分的脆弱性。有趣的是，在该背景下，包裹层的数量影响有限[105]。另一种强化策略使用金属约束来有意改变失效模式：抗压强度从59.19 MPa（无约束）增加到131.84 MPa（完全约束），显示出122.74%的提升，同时具有更延性的变形和降低的突然断裂风险[106]。数值工作通过使用有限元方法（FEM）模拟FRP约束TSPC的压缩行为来补充这些实验[107]。
一种新的方法是使用PC系统控制填料架构，结合了粉煤灰、阻燃剂和空心微球。树脂与填料的比例控制骨料分布和机械响应：减少基质与骨料的比例会降低抗拉强度、抗弯强度和延展性。当基质中含有的填料少于40%时会发生分离，而当基质中至少含有40%的填料时可以实现均匀分布[108]。
3.4.3. 纳米材料
纳米材料，特别是与再生导电废弃物（如富含碳的橡胶碎片或工业副产品的金属粉末）结合使用时，支持废弃物增值，同时降低PC的电阻率，使复合材料在加载下更加智能和响应迅速[109]。在最近的研究中，金属和陶瓷纳米颗粒（如氧化铁（Fe3O4）、二氧化钛（TiO2）、氧化铝（Al2O3）、银（Ag）和铜（Cu））等纳米材料得到了应用。它们主要被设计为多功能改性剂：其高表面积可以增强基体，并增加紫外线抵抗性、抗菌性能、导电性和抗裂性，使纳米增强型聚碳酸酯（PC）适用于智能基础设施、电磁屏蔽和抗静电表面等应用，包括在极端温度循环环境中的使用[110]。聚碳酸酯还可以通过创新的碳基纳米材料进行增强，如零维（0D）炭黑、一维（1D）碳纤维、碳纳米纤维、碳纳米管（CNTs）以及二维（2D）石墨烯片层或石墨烯纳米片层，以提升机械和电性能[111]。以碳纳米管为中心的系统被反复报道能够提高断裂韧性、抗冲击性和导电性。将碳纳米管与氧化铝纳米颗粒结合使用，可以生产出具有更高压缩强度、拉伸强度和断裂强度的聚碳酸酯，并通过电阻变化实现自感知[112]。功能化也很重要：比较未功能化和氨基功能化的碳纳米管在环氧树脂基聚碳酸酯中的表现，发现添加碳纳米管可以缩短固化时间并提升机械性能，特别是在碳纳米管含量较低的情况下，功能化碳纳米管能够提供更高的压缩强度。这些观察结果可以通过热重分析和热表征得到支持[113]。除了碳纳米管之外，还可以在复合材料尺度上设计基于废弃物的导电网络。将石墨与钢渣结合到环氧树脂混凝土中，可以制造出在单轴压缩下电阻逐渐增加的“智能块”。这引入了“界面接触效应”，将钢渣和沙子视为导电“岛屿”，而钢渣则提供了稳定传感响应的界面层[111]。
3.4.4. 回收混凝土骨料（RCAs）
建筑和拆除（C&D）废弃物既带来了环境挑战，也为升级利用提供了重要机会。在欧盟（EU），每年产生的C&D废弃物超过8亿吨[114]。包括混凝土、砖块、陶瓷、金属、塑料和绝缘材料在内的回收流程可以大幅减少温室气体排放，尤其是当使用先进技术时[115,116]。最强的气候效益通常与铝和钢等金属相关，因为它们的生产过程能耗较高[117,118]。此外，从传统的处置方法转向改进的回收途径可以将每吨C&D废弃物的排放量减少264 ± 51公斤二氧化碳（CO2），在欧盟层面每年可减少160万至2470万吨二氧化碳当量（CO2-eq）的排放。然而，对于通常被降级为低价值骨料的矿物成分来说，经济障碍仍然存在。克服这一差距需要协调的政策、基础设施投资和市场机制，以及更一致的标准和法规[114]。回收混凝土骨料（RCA）是C&D废弃物中富含矿物质的成分，可用于聚碳酸酯的循环利用，但其附着的砂浆和高孔隙率往往会影响其在高替代比例下的耐久性和机械性能[119]。在含有RCA的碱激活地质聚合物砂浆中，环境效益可以与性能挑战共存，尽管由于基体化学成分的变化和压缩强度的降低，但这种平衡仍然存在，这强调了化学和物理筛选及处理RCA的重要性[120]。特别是在聚碳酸酯中，用C&D废弃物（包括混凝土碎片、陶瓷瓷砖、砖块碎片）替代天然骨料，并结合不饱和聚酯或环氧树脂，可以生产出成本较低的预制构件系统，随着聚合物树脂含量的增加，其压缩强度通常也会提高[121,122]。同样的设计逻辑也体现在将废弃物骨料与天然砂和河砂结合的矿物聚碳酸酯配方中，其中聚合物含量的增加提高了机械性能，同时降低了密度[122]。在微观结构层面，含有RCA的聚碳酸酯报告了高达96 MPa的压缩强度，这归因于多孔颗粒周围形成了双层壳结构，树脂渗透和方解石填充物聚集增强了弱颗粒[123]。除了聚碳酸酯之外，RCA系统还展示了骨料表面状况如何直接影响结构复合材料的界面性能。在复合钢混凝土板系统中，回收骨料提高了纵向粘附力和纵向剪切强度，平均比参考混合物提高了1.7倍，这归因于表面粗糙度和附着的砂浆增加了摩擦力和机械互锁[124]。来自沥青混凝土的相关证据表明，将RCA与回收聚合物结合使用可以解决界面弱点：尽管RCA的孔隙率和砂浆残留物带来挑战，但添加来自废弃瓶子的PET可以提高耐湿性和骨料-粘合剂的粘附力，1%的PET还能提高耐久性、抗车辙性和冻融性能[125]。此外，当粘合剂基质被致密化并引入裂缝桥接机制时，富含回收砖块的拆除骨料也可以在机械性能上得到提升。在含有RBCA的混凝土中，结合补充胶凝材料（SCMs）和尼龙纤维，90天后的压缩强度可达到33.8 MPa（10%硅灰和0.2%尼龙纤维），同时还能提高拉伸强度和弯曲强度，支持RBCA作为一种可行的低碳C&D骨料途径[126]。总体而言，这些发现支持将C&D废弃物转化为聚碳酸酯的技术可行性，前提是骨料状况、替代比例和树脂选择被视为关键的设计变量[119,121,122]。
4. 讨论
本节对聚碳酸酯（PC）的研究进行了比较和分析性讨论，强调了相关的机械性能、挑战以及PC在恶劣环境中的耐久性。同时探讨了PC在减少温室气体排放、可持续性、支持其大规模应用的政策和激励措施，以及整合回收材料的挑战和限制。这一讨论支持了PC性能优化与循环经济原则之间的平衡。
4.1. 机械性能和可持续性的比较见解
基于环氧树脂的PC在所调查的系统中提供了最高的机械性能，具有更好的蠕变和疲劳抵抗性以及更低的吸水性，比传统水泥混凝土更优。其弯曲强度可以提高大约十倍，适用于抗滑层、工业加固、修复和外部环氧抹灰等要求苛刻的应用[39,44]。环氧树脂和聚酯基PC的可持续性和创新通常通过减轻重量和替代副产品来实现，同时保持性能，包括使用LECA和河砂的系统，或用聚酯纤维替代大理石[42],[43],[44]。通过减振管概念、后固化/辐照处理、快速硬化的耐酸IPPC和阻燃添加剂进一步调整了功能性[44],[45],[46],[49]。然而，这些改进受到环氧树脂成本和配方依赖性的火灾及高速率行为的限制。循环经济配方显示出明显的权衡。E-塑料可以提高耐久性和资源效率，但在过量使用时会降低压缩强度和弯曲强度，使得树脂-废弃物比例成为最主导的设计参数[97],[98],[99]。当控制微观结构时，矿物废弃物显示出显著的好处：细粒、表面改性的POFA提高了可加工性，降低了孔隙率，并增强了压缩强度，而锡渣从限制策略中受益匪浅。避免分离需要足够的填充物含量[101,102,108]。这与关于POFA的更广泛水泥基证据一致，其中性能与灰分处理和细度密切相关[131,132]。除了传统的POFA之外，纳米级POFA和纳米蛋壳粉也被报道可以改变微观结构和性能，但存在最佳剂量行为[133]。硅灰文献同样表明，填充和火山灰效应可以提升强度和耐久性，同时必须管理新鲜状态和收缩风险[132]。在TSPC中，有限元（FEM）趋势与实验结果一致，进一步支持了将建模作为有限TSPC的可靠设计和解释工具[105]。因此，文献表明了一个实际层次结构：环氧树脂PC最大化性能，聚酯PC平衡成本和多功能性，而回收填充物PC最直接推进循环利用，但需要更严格的混合设计窗口来保持强度。这种对严格混合设计控制的需求也有助于解释为什么在回收聚合物PC研究中会出现看似矛盾的发现。
4.1.1. 矛盾的发现和机制解释
文献并未显示回收聚合物加入对PC强度有普遍的正面或负面影响。相反，结果在机制上是条件性的，意味着回收聚合物加入的效果取决于复合材料内部强化机制和削弱机制之间的平衡。在低至中等PET或E-塑料含量下，由于树脂润湿性足够，改进可能来自裂纹偏转、应力重新分布、韧性增强或适当的填充。相比之下，在较高替代比例下，由于聚合物掺杂物相对于矿物骨料的较低刚度、较差的界面粘结、较低的填充密度和增加的捕获空隙，通常会观察到强度下降。研究之间的额外差异还源于颗粒大小、替代基础（质量与体积）、表面处理、树脂粘度和固化途径的差异。因此，文献中的矛盾发现不应被解释为材料类别本身的不一致，而应视为回收聚合物PC在狭窄的混合设计窗口内运行的证据，其中界面质量和形态控制了最终性能。
4.2. 压缩强度、弯曲强度和劈裂拉伸强度的比较
由于PC研究在树脂种类、骨料类型、固化制度和测试几何形状上存在差异，因此正式的元分析并不总是统计上可行的。然而，为了加强证据，从可用的配对比较中提取了一个定量范围（同一研究中的对照混合物与回收或改性混合物）。这使得“相当或改进”的性能声明有据可依，而不仅仅是基于叙述性的比较。从性能上限的角度来看，PC可以达到与高强度水泥混凝土相当的压缩强度，许多报道的配方范围在70至120 MPa之间，典型的粘合剂依赖范围更高[60]。报告的弹性模量值也很显著且依赖于配方，通常在20至40 GPa之间，某些系统中甚至可以达到约40 GPa或略高[134]。这表明PC的实际极限受树脂选择、树脂含量、骨料填充和界面粘结以及固化条件的影响，因此可实现的强度和刚度最好作为文献报告的范围来讨论，而不是单一的普遍值。图7展示了所研究论文报告的压缩强度比较。不含回收粘合剂和填充物的PC的压缩强度范围为70至120 MPa，而OPC的压缩强度范围为27.4 MPa至32.6 MPa[7,61]。虽然并非所有研究都显示出显著增加，但含有回收成分的PC的压缩强度与普通PC相当。这可以归因于添加的聚酯树脂的塑性。
图7. 不同回收材料（蓝色）与不含回收材料的OPC和PC（浅绿色）的压缩强度比较[7,40,42,61,75,90,95,98,108,122]（误差条表示每个类别中汇编研究的文献分布，并不代表研究内的统计不确定性。水平参考线表示本综述中报告的OPC和基准PC范围）。图8提供了不同引用论文中的弯曲强度值比较。不含回收成分的PC的弯曲强度不超过7 MPa，而OPC的弯曲强度约为4.3 MPa，结果表明，含有回收粘合剂和填充物的PC的这一机械性能得到了提升[135]。这可以与回收材料在受载荷时抵抗变形的能力增加联系起来。
图8. 含有回收材料的PC（蓝色）与不含回收元素的OPC和PC（浅绿色）的弯曲强度比较[7,40,42,98,108,122,135]（误差条表示每个类别中汇编研究的文献分布，并不代表研究内的统计不确定性。水平参考线表示本综述中报告的OPC和基准PC范围）。至于劈裂拉伸强度，PC的劈裂拉伸强度约为6 MPa，而OPC的劈裂拉伸强度约为3.9 MPa[135,136]。根据本文引用的文献，几乎所有报道这一机械性能的论文都超过了这一数值，如图9所示。因此，添加回收骨料和粘合剂增强了所需的拉伸强度，使含有回收成分的PC更加耐用和可靠。
图9. 含有回收材料的PC（蓝色）与不含回收元素的OPC和PC（浅绿色）的劈裂拉伸强度比较[42,75,93,95,98,108,122]（误差条表示每个类别中汇编研究的文献分布，并不代表研究内的统计不确定性。水平参考线表示本综述中报告的OPC和基准PC范围）。与传统混凝土相比，PC表现出更高的压缩强度、拉伸强度和弯曲强度，在冲击载荷下的动态机械性能更好，具有更好的耐久性和化学抗性，并且在广泛的温度范围内保持其功能性能，即使在极端气候条件下也是如此。此外，与碱激活混凝土相比，它们具有更好的可加工性[137]。同时，再生骨料混凝土（RAC）的机械性能通常低于天然骨料混凝土（NAC），在高替代率下，其抗压强度降低了约10%至25%，弹性模量降低了15%至30%，这主要是由于存在粘附的砂浆以及再生骨料较高的孔隙率[119]。尽管如此，最近的综述和结构案例研究表明，当配合比设计和RAC预处理得到优化时，即使在50%至60%的RAC替代率下，仍可实现至少25至30 MPa的结构强度。相比之下，许多含有再生填料的PC的抗压强度可达60至120 MPa，弹性模量约为20至30 GPa或更高，表明基于废料的PC可以在相似甚至更高的再生含量水平上匹配或超过RAC的强度，同时提供更好的耐久性和化学抗性。
4.3 PC在恶劣环境中的耐久性
最近对PC的研究表明，与传统水泥基系统相比，它们对环境侵蚀因素具有更强的抵抗力。将10%的超细苯乙烯-丁二烯橡胶（SBR）粉末作为水泥替代品使用，可以减少73%的硫酸盐引起的膨胀、57%的碱-硅反应、53%的干燥收缩以及67%的氯离子渗透率。这突显了SBR在密实基质和阻止侵蚀性离子侵入方面的作用。补充这些发现的是，一种用玻璃纤维（GF）增强并用邻苯二甲酸聚酯树脂粘合的轻质PC系统，在长时间暴露于5-10%的硫酸和硫酸镁溶液中90天后，其吸水率可忽略不计，单位重量低于1 kg/dm³，机械强度与普通混凝土相当。扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱仪（EDS）分析证实，表面退化程度明显低于传统系统，表明PC在化学侵蚀环境下仍能保持机械完整性和微观结构稳定性[138]。此外，最近的实验研究表明，用珍珠岩制备并用GF增强的轻质PC不仅具有与普通混凝土相当的高强度，还对硫酸盐和酸等侵蚀性环境具有更强的抵抗力。这表明其吸水率显著降低，表面退化最小，这一点通过长时间化学暴露后的SEM-EDS分析得到了证实[139]。聚碳酸酯以其出色的抗冲击性、紫外线稳定性和热韧性而闻名，使其成为苛刻工业和户外应用中的首选材料。作为一种成熟的工程聚合物，它因其机械韧性和长期尺寸稳定性而受到重视。相比之下，像PEF这样的新兴生物基替代品也因其可持续性和性能而受到关注。加入低密度聚乙烯/乙烯-醋酸乙烯（LDPE/EVA）共聚物可以将氯离子迁移量减少64%，从而显著提高抗氯离子能力。这种创新方法是通过用EVA共聚物改性LDPE来提高粘合强度和韧性。虽然一些聚合物（如热塑性弹性体TPE）在高替代率下会降低抗氯离子能力，但总体趋势表明，加入再生聚合物可以有效减轻氯离子侵入，这对于暴露于除冰盐或海洋环境中的混凝土至关重要[140]。
尽管PC通常具有优异的化学抗性和低渗透性，但这些系统仍存在一些特定的聚合物相关弱点，需要解决才能进行更全面、现实的评估。首先，热性能主要取决于粘合剂。当服务温度接近树脂的玻璃化转变（Tg）或软化范围时，刚度和强度保持能力可能会下降。此外，在长期持续载荷下，蠕变相关的可靠性可能会更加明显[141]。特别是在PC中，高温研究显示机械性能逐渐下降，伴随着基体开裂、界面降解和变色[43,142]。其次，长期户外暴露会促进聚合物相的紫外线和天气引起的降解。例如，在环氧基系统中，这会导致残余机械性能下降，而更广泛的环氧树脂老化研究则报告了脆化、变色以及表面微裂纹或机械完整性丧失，尤其是在紫外线和湿气暴露下稳定性不足的情况下[143,144]。第三，与矿物粘合剂不同，有机树脂会引发火灾性能问题，如产生烟雾、潜在的有毒分解副产物以及在高温下加速基体降解[145,146]。因此，虽然PC在许多化学侵蚀性环境中表现良好，但其长期适用性在易燃、高温或严重风化的服务条件下的评估与其强度和耐腐蚀性同样重要。
4.4 温室气体排放：传统混凝土与PC的生产比较
传统混凝土混合物的生产是温室气体排放的重要来源，由于煅烧和化石燃料加热以及相关污染物排放，约占全球碳排放的8%[[147], [148], [149]]。传统混凝土每立方米含有552.22公斤二氧化碳[149]。考虑到每人每年消耗1.4立方米混凝土，每年约230亿吨的消耗量，建筑环境约占全球温室气体排放和原材料使用的40%[147,150]。在材料层面，普通水泥（OPC）的生产每公斤水泥排放约0.7至0.9公斤二氧化碳，这进一步说明了“脱碳”水泥对建筑可持续性的重要性[147]。然而，PC并不必然保证较低的二氧化碳排放量，因为聚合物粘合剂和微填料可能会占据主导地位。一项生产阶段的比较显示，普通混凝土每立方米排放423公斤二氧化碳（每吨176公斤二氧化碳），抗压强度为45.2 MPa；而树脂基PC每立方米排放1659公斤二氧化碳（每吨691公斤二氧化碳），抗压强度为111 MPa。按强度标准化后，同一数据集显示普通混凝土每吨每MPa排放约3.9公斤二氧化碳，而PC每吨每MPa排放约6.2公斤二氧化碳。这些比较强调，降低PC排放主要取决于树脂的选择和含量，以及是否使用再生或低碳成分，而不能简单地假设PC自动比OPC混凝土低碳[149]。更广泛的生命周期评估（LCA）也指出，使用固体废物生产的高性能混合物的结果主要取决于粘合剂的选择和功能单元，这支持使用基于强度或服务寿命的比较[151]。当PC配方整合了再生材料并避免了高温熟料生产时，在特定情况下排放量可以改善。据报道，使用再生材料（如电子塑料、环氧树脂、PET）可以减少对原生骨料的依赖，并可能相对于OPC基系统降低加工能耗[149]。在一个组件级别的案例研究中，纤维增强PC部件的初级能源需求低于钢材，二氧化碳减排量高达35%，并且地点敏感性也很明显：在德国生产的PC的二氧化碳平衡几乎比钢材好34%，反映了德国和中国之间能源相关排放的差异[152]。
地质聚合物混凝土常被视为低碳替代品，因为它用工业副产品（如粉煤灰和矿渣）替代了OPC[[153], [154], [155]]。它每立方米含有242.87公斤二氧化碳，比传统混凝土减少了309.35公斤（56.02%），支持了绕过OPC生产可以减少一半以上排放的观点[149,156]。在LCA层面，一项研究显示传统混凝土的GWP为每单位8.95公斤二氧化碳，而PC为每单位1.38公斤二氧化碳，这种减少归因于避免了与OPC相关的高温处理[147,157]。总体而言，文献表明可靠的二氧化碳减排是可行的，但这取决于粘合剂的选择、树脂比例、再生含量和能源背景，而不仅仅是PC的分类[148,156]。
4.5 使用再生材料在PC中的挑战和限制
尽管再生材料PC的前景日益看好，但其广泛应用仍受到几个未解决挑战的制约。技术限制包括原料变异性、污染、孔隙率相关效应以及放大敏感性。此外，还存在经济限制，表现为高树脂成本与废物增值和避免处置所带来的节省之间的不平衡。本节讨论了这些限制，从技术和材料相关障碍到技术经济成本竞争力考虑。
4.5.1 技术障碍、材料变异性和放大限制
在PC中使用再生材料会引入性能风险，这些风险主要与变异性、孔隙率/吸水率和污染有关。例如，RAC通常比天然骨料更具孔隙性和吸水性，这会降低可加工性和强度，并增加批次间的不一致性[158]。杂质（如石膏）也可能影响耐久性，促进延迟形成的钙矾石（DEF），从而导致随时间膨胀和开裂[159]。钙矾石是一种在早期水泥水化过程中少量形成的结晶化合物，有助于初始微观结构的稳定性[160]。文献中报告的缓解策略包括改善一致性和界面质量，如预处理（如预湿润以限制不受控制的水分吸收）和使用特殊水泥材料（如粉煤灰或矿渣）。然而，即使采取了这些措施，仍存在三个反复出现的采用障碍。首先，树脂成本和供应的变异性可能限制大规模应用的可行性，特别是在需要高树脂含量或特殊化学成分时。其次，再生材料的不一致性（颗粒大小分布、表面污染、湿度敏感性和混合组成）会破坏润湿和界面粘结，降低机械再现性。第三，放大敏感性增加，因为分散、孔隙控制和过程稳定性变得更加难以维持。当PC通过3D打印途径生产时，这种敏感性变得更加关键，因为流变性能必须保持在狭窄的过程窗口内。在可打印PC及相关地质聚合物系统中，这意味着需要灵活的流变范围，以确保可泵送性、可挤出性、可建造性和可靠的层间粘结。
一些废料流本质上难以回收成一致的建筑级原料，这限制了它们作为PC增值原料的可靠性。热固性复合材料废物（如GFRP和CFRP，例如来自风力涡轮机叶片的废物）基于交联的聚合物网络，因此回收通常会导致通过机械研磨降级为填料，或者需要能耗高的热处理和化学处理，这可能会降低回收性能并使放大变得复杂[161,162]。同样，混合塑料废料流需要高纯度，因为许多聚合物本质上不兼容，即使是少量污染也会显著降低再生树脂的质量，增加分类和预处理的负担[163]。此外，来自废弃电气和电子设备的塑料可能含有溴化阻燃剂，可能触发监管限制或危险阈值，需要在安全再利用前进行彻底的分离和去污[164]。这些例子表明，再生材料PC的放大不仅是一个“混合设计”问题，也是一个供应链和质量控制问题。因此，实际的实施路线图应从当地可用且相对均匀的废料流开始，如分类良好的矿物骨料或受控的工业副产品，然后再转向更复杂的原料，如混合塑料、电子废物衍生的塑料或热固性复合材料废物。对于这些更困难的废料流，工业应用需要可靠的收集协议、严格的分类和去污确定、颗粒大小均匀性以及可重复的处理标准化。如果不控制上游阶段，技术上有前景的实验室配方可能在工业规模上难以复制和实施。
4.5.2 成本竞争力分析：树脂价格与处置节省
废物增值PC的可持续性案例因其两个主要成本驱动因素之间的持续经济不对称性而变得复杂：聚合物树脂阶段的高单位成本，以及再生骨料和填料加入所节省的废物处置成本。在成本障碍方面，树脂阶段一直被认为是PC的主要成本驱动因素。据报道，仅考虑生产阶段材料成本时，PC的制造单位成本大约比传统水泥混凝土高120%[165]。此外，石化衍生树脂（如环氧树脂和不饱和聚酯）的价格波动性也增加了成本。此外，塑料行业缺乏足够的动力来扩大再生树脂在建筑级应用中的供应。另外，当原生树脂的价格与再生树脂相当或更低时，扩大再生树脂供应的经济动机就会减弱[166]。在节省方面，将废料流转化为PC可以通过避免填埋处置来抵消部分成本，对于混合建筑和拆除废弃物，这可以节省每吨高达105美元的成本，而再生处理成本大约为每吨6.70至12.00美元[167]。在系统边界层面，减少送往填埋场的废物量并同时替代原生骨料可以同时降低废物处置成本和原材料采购成本。这种“双重节省”方案在较高的再生含量水平下变得更加显著[114,168,169]。值得注意的是，生命周期成本分析如果涵盖制造之外的方面（例如包括使用寿命表现），通常会扭转个人电脑（PC）最初的成本劣势。一项研究表明，尽管安装单位成本较高，但PC检查井的生命周期单位成本显著低于传统水泥混凝土检查井。这是由于PC具有更好的化学耐久性，从而减少了维护和更换的频率[165]。从经济角度来看，由废弃物制成的PC的循环利用优势并不自动意味着其具有成本竞争力。使用再生骨料、填料或副产品可以减少对原始材料的依赖，并可能部分抵消废物处理的负担。然而，在大多数PC系统中，聚合物阶段仍然是成本的主要驱动因素，尤其是在需要高树脂含量、特殊热固性材料或额外改性剂的情况下。因此，当再生成分被纳入且不需要额外的大量预处理成本时，PC的经济可行性通常最强。当耐久性降低了维护频率或更换率，并且将避免废物处理的节省计入评估时，PC也被认为是具有成本效益的。相比之下，那些需要严格废物分类、化学回收、纳米改性或狭窄加工窗口的配方，尽管技术性能很强，但可能会失去经济优势。未来的研究应在可靠的技术经济框架内报告树脂比例、废物预处理成本和负担、固化需求以及使用寿命的延长。
4.6 PC的可持续性对齐和实施可行性
由再生材料制成的PC的可持续性案例不仅仅局限于环境效益，还必须根据更广泛的发展目标和实际实施限制来进行评估。在这方面，PC可以通过废物分流、耐久性和减少对原始原料的依赖来促进可持续性，但其采用也取决于这些优势在技术上是否可靠以及在规模上是否具有经济可行性。因此，本节从两个互补的角度探讨了由再生材料制成的PC：基于SDG的可持续性联系和技术经济可行性。
4.6.1 基于SDG的可持续性联系
在本节中，SDG联系描述了如何通过可测量的机制和报告的性能结果将再生材料制成的PC与特定的联合国SDG联系起来[169]。这并不是说PC直接“实现”了一个SDG，而是强调了文献中报告的因果关系，例如减少生命周期内的人类健康影响（SDG 3）、通过降低噪音负担来改善阻尼和基础设施性能（SDG 9和11），以及通过耐久性驱动的材料寿命延长来减少对原始骨料的依赖（SDG 12）。表5和图10总结了这些基于证据的SDG联系，这些联系基于引用的研究。
表5. 由再生材料制成的PC报告的SDG联系总结（缩写：LCA=生命周期评估，DALY=伤残调整生命年）
SDG联系
重点SDG相关发现
对PC的实际意义
参考文献
SDG 3：健康与福祉
人类健康影响（LCA）- PC与生命周期内较低的人类健康影响相关 - 与传统混凝土相比，DALY减少了84.24%，这归因于较低的排放和生产过程中的健康风险
将再生材料制成的PC视为符合SDG的环保建筑路径[157,169]
SDG 9和11：有韧性和可持续性的城市和基础设施
基础设施性能、噪音、振动 - 改善阻尼和噪音/振动减少（报告优于铸铁） - 支持更安静、更安全的铁路基础设施（如枕木和CFR增强PC）
城市循环利用效益：封闭城市产生的建筑和拆除废物循环，减少处理负担并增强可持续性
支持有韧性的基础设施性能和城市可持续性叙事，包括废物循环闭合[114,[169],[170],[171],[172]
SDG 12：循环经济、耐久性和更广泛的循环利用成果
循环经济、耐久性、经济价值 - 由废弃物制成的PC减少了原始骨料的使用
耐久性（包括耐用的不饱和聚酯和硫基PC）使得使用寿命更长 - 每立方米使用30%的RHA和100%的再生骨料，在42.6 MPa下可节省19.38%
将循环利用与耐久性和成本可行性联系起来[169,[173],[174],[175],[176]
图10. 使用再生材料的PC的SDG对齐效益。
在图11中，我们直接根据联合国的SDG轮盘突出了本节中描述的SDGs。总体而言，回顾的研究表明，特别是当包含再生成分时，PC通过提高耐久性、减少环境影响以及在动态载荷和恶劣条件下的增强性能，支持循环经济目标，这与更广泛的可持续发展努力保持一致。
4.6.2 实施准备和可持续性转化
虽然SDG联系有助于将再生材料制成的PC定位在更广泛的可持续性目标中，但实际采用取决于这些环境和循环利用效益是否能够转化为经济上可行且技术上可复制的建筑解决方案。在这方面，再生成分可以减少对原始材料的依赖并支持废物增值，但经济可行性仍然强烈依赖于树脂选择、树脂比例、预处理要求以及原料的一致性[157,169]。从实施的角度来看，当本地可用的废物流可以经过有限的预处理后纳入，并且材料质量足够一致以便于复制配方，并且耐久性的提升可以减少服务寿命期间的维护或更换需求时，再生材料制成的PC最具前景。相比之下，那些依赖于严格废物分类、化学回收、纳米改性或狭窄加工窗口的系统，尽管在实验室性能上很强，但在实际应用中可能会遇到困难。因此，未来的PC可持续性评估应结合机械和耐久性结果以及透明的技术经济指标，包括树脂比例、废物处理负担、可扩展性和与使用寿命相关的节省[165,166,169]。
4.7 使用PC的政策和政府激励措施
随着欧盟加强减少温室气体排放和促进循环经济原则的政策，像含有再生骨料或工业副产品的PC这样的建筑材料与这些目标非常契合。LCA标准如ISO 14040-14044和EN 15804，以及循环经济行动计划等倡议，正在推动建筑行业选择更可持续的材料。在这种情况下，当再生成分、低碳粘合剂或使用寿命效益抵消了与树脂相关的排放时，PC可以减少嵌入式影响。目前自愿的环境产品声明（EPD）预计将在建筑产品法规（CPR）下成为强制性要求。像EcoPlatform这样的组织支持透明的EPD发布，自2022年以来已经可以数字访问这些声明。此外，循环经济原则得到了强调，鼓励材料的再利用、回收和延长使用寿命，并强烈支持建筑物的适应性再利用，以保持资源在经济循环内[177]。欧洲绿色协议提出的到2050年实现净零温室气体排放的目标，正在促进在PC中使用更多再生材料，如废玻璃。这与政府的激励措施相一致，例如捷克共和国的“将废物转化为资源”政策，该政策支持循环经济，并促进将废物（如上述GF、电子玻璃纤维和泡沫玻璃）转化为有价值的建筑投入[178,179]。通过将这些再生材料作为聚合物改性系统中的补充胶凝剂，PC不仅减少了环境影响，还满足了对绿色和耐用基础设施日益增长的需求。
4.8 当前审查的局限性
承认了几项局限性，这些局限性反映了所审查的文献和审查过程本身。大多数研究论文仅依赖于小规模的实验室研究，这些研究通常在严格控制和理想化的条件下进行，经常使用经过仔细分类或预处理的废物。这种方法提供了有关将其纳入PC的有用机制见解，但很少捕捉到实际建筑环境的多样性和异质性。这种条件的理想化未能反映可以有效地转化为实际应用的发现的准确性。与此问题密切相关的是频繁使用相对纯净的废物流，如酸洗过的再生骨料或预处理的塑料，这些废物流没有反映大规模工业回收中常见的污染、水分含量和材料不一致性和杂质。另一个局限性是缺乏耐久性标准化。虽然一些研究评估了氯离子渗透，但其他研究则关注冻融循环、硫酸盐抗性或加速老化，通常使用不可比较的协议。缺乏统一的耐久性测试标准（如ASTM或ISO）使得进行有效的跨研究比较或可靠地表征性能变得困难。此外，许多增值途径（如通过糖酵解化学回收聚合物或使用电子废物填料）尚未在工业规模上得到验证。扩大规模引入了与成本、基础设施和环境权衡相关的挑战，这些挑战在现有文献中尚未得到充分量化。
5. 未来研究方向
未来的创新应集中在三个方向：材料和配方、工艺和制造，以及符合可持续性的应用。应用应扩展到包括3D打印以制造定制组件并最小化废物、用于实时损伤检测的智能PC系统，以及更深入地评估极端条件下的性能，例如在易燃区域、高速运输和海洋或航空航天环境中的应用。这将帮助PC不仅跟上全球可持续性目标的步伐，而且积极推动这些目标的实现。基于这一广泛的、结构化的审查，我们可以在表6中总结未来的研究努力和建议。
表6. 未来关于PC发展的研究考虑（缩写：CNT=碳纳米管，CF=碳纤维，GF=玻璃纤维）
主题
研究方向
详细说明
建议
基于以下参考文献
材料和配方
探索PC中的新型添加剂或改性剂
添加剂可以改善强度、收缩率和耐久性（工作性控制、裂纹/收缩缓解、防火性能）
研究PC中的再生CNTs、超塑化剂、减缩剂和阻燃剂，如矿物或无卤素系统[113][108]
填料材料优化
创新或再生填料可以改善机械性能和可持续性
尝试更多工业副产品、矿物填料、GF和残渣作为PC填料[180][108][39]
智能增强PC
具有传感能力的PC，通过渗透导电网络实现结构健康监测（自感知响应）
结合导电填料（CNTs、石墨、石墨烯、CF）包括混合网络，实现自感知和实时结构监测[111]
可生物降解PC
作为可持续替代品的可再生、环保配方（需验证使用寿命）
研究基于生物聚合物的粘合剂或来自可再生资源的填料（如生物基树脂和天然纤维衍生填料）[108][172]
PC在火灾紧急情况下的行为
PC的火灾行为记录不足（点火、烟雾、毒性、热降解、残余强度）
在高温下（数值和实验）研究PC与各种填料和阻燃添加剂，特别是对于本质上易燃的聚合物[46]
工艺和制造
长期性能表征
在恶劣环境条件下的耐久性研究不足（化学攻击、湿度和热循环）
研究冻融循环、湿干循环、紫外线暴露、极端天气、化学攻击（酸/硫酸盐/氯化物）和循环加载效应[50][81]
先进制造技术（如增材制造）
先进的生产方法可以提高效率并减少废物（几何优化和降低模板浪费）
探索增材制造（基于挤出的PC 3D打印）、定制的创新铸造方法和低废物PC工艺[173][172]
生产优化
通过工艺和物流优化，可以改善能源、资源和材料效率，减少排放
精炼混合协议、固化方法（温度和时间控制）和运输物流，以减少消耗和排放[81][174]
应用和可持续性
评估PC的全生命周期和综合环境影响（包括基于耐久性的使用寿命）
评估嵌入式能量、碳足迹和长期耐久性（服务寿命调整后的性能）[173][175][58]
新应用的探索
PC可以服务于传统建筑之外的行业（在这些行业中耐久性和功能性能至关重要）
在海洋（氯化物暴露）、航空航天（轻质和高阻尼）和可再生能源基础设施中应用PC[111][171]
可持续供应链
可靠的原料供应对于PC的规模化至关重要（质量一致性和污染控制）
开发与循环经济一致的废物来源、预处理（分类、清洁和分级）和分配[173][175]
6. 结论
这篇结构化叙述性审查中讨论的集体研究努力通过增值废物材料、提高材料效率和增强耐久性来支持建筑领域的循环经济和可持续性。随着可持续性成为建筑的核心价值，PC为将循环经济原则融入实际基础设施提供了一条多功能途径，但要实现更广泛的影响，需要超越概念验证研究，解决回收材料一致性、耐久性验证和可扩展加工的关键差距。有前景的研究方向包括使用可生物降解和生物基粘合剂以减少长期环境影响，更广泛地整合废物衍生矿物填料和工业残渣以循环利用有价值的资源，以及开发可持续供应链和更节能的生产路线。总体而言，回顾的文献表明，PC可以达到与高强度水泥材料相当的压缩强度，通常约为70至120 MPa，具体取决于粘合剂化学成分和骨料系统，弹性模量值最高可达约40 GPa。当混合设计和回收材料质量得到适当控制时，纳入再生成分可以提供可测量的可持续性效益，包括与OPC相比，基于地质聚合物的PC系统可减少高达56.02%的CO2排放，DALY指标下人类健康影响减少了84.24%，以及在使用农业废物和再生骨料的系统中每立方米节省约19.38%的生产成本。当混合设计和回收材料质量得到适当控制时，一致报告了与耐久性相关的改进，如降低孔隙率、提高化学抗性和增强阻尼性能。
CRediT作者贡献声明：Farah Tibni：撰写原始草稿、方法论、数据管理、可视化、资源、形式分析、调查、撰写-审查和编辑。穆罕默德·海达里-拉拉尼（Mohammad Heidari-Rarani）：概念构建、项目监督、撰写与审稿、编辑工作、项目管理、数据验证及资金筹集。
穆罕默德·阿斯多拉-塔巴尔（Mohammad Asdollah-Tabar）：概念构建、初稿撰写、数据可视化、资源协调及研究调查。
拉里·莱萨德（Larry Lessard）：撰写与审稿、数据验证。
**利益冲突声明**
作者声明不存在任何可能影响本综述可信度的利益冲突或个人关系。
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作为一篇综述文章，本研究未生成新的数据。所有使用的数据均来源于先前已发表的文献，并在文中进行了适当引用。本文所引用的综述及研究论文可通过Mendeley Data平台以EndNote格式获取。数据集链接如下：
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**作者贡献声明**
法拉·蒂布尼（Farah Tibni）：初稿撰写、数据可视化、数据验证、研究调查及数据分析。
穆罕默德·海达里-拉拉尼（Mohammad Heidari-Rarani）：审稿与编辑工作、资源协调、研究方法设计及概念构建。
穆罕默德·阿斯多拉-塔巴尔（Mohammad Asdollah-Tabar）：审稿与编辑工作、研究方法设计及概念构建。
拉里·莱萨德（Larry Lessard）：审稿与编辑工作、研究方法设计及概念构建。
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