Eco-Efficient Composite Roof Tiles from Recycled PET Bottles and Lightweight Red Ash: Manufacturing, Mechanical Performance, and Durability
本研究表明，由回收PET瓶和轻质赤渣制成的复合屋面瓦在PET含量为45%时，实现了抗压强度、耐久性和减轻重量之间的最佳平衡，为废物增值和高效生态建筑提供了一种可持续的解决方案。
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每天，世界都在产生堆积如山的塑料瓶，这些瓶子仅被使用一次后便被丢弃，造成了填埋场拥堵和生态系统污染的持续性废物问题。与此同时，建筑业严重依赖混凝土和粘土等沉重且资源密集型材料来建造屋顶，这增加了建筑物的重量并消耗了大量的自然资源。科学家和工程师面临的挑战在于，如何找到一种方法，将这两个独立的废物流和需求转化为一个单一且有用的解决方案。目标是创造出既足够坚固以抵御风雨保护房屋，又足够轻便以便于搬运的建筑材料，同时还要回收那些原本会被扔掉的材料。这种方法通常被称为循环经济，旨在尽可能长时间地让材料保持在循环使用中，而不是让它们变成垃圾。
在最近的一项研究中，埃塞俄比亚的研究人员通过结合两种截然不同的废弃物——粉碎的塑料瓶和红灰（一种制砖过程中留下的细粉）——解决了这一挑战。团队试图观察是否可以通过熔化塑料并将其与灰烬混合，从而创造出一种新型屋瓦。他们将塑料视为一种将灰烬颗粒粘合在一起的胶水，希望创造出一种既耐用又轻便的材料。为了进行测试，他们制作了一系列具有不同塑料和灰烬比例的瓦片，范围从完全由灰烬制成的瓦片到完全由塑料制成的瓦片。随后，他们让这些瓦片接受了一系列测试，以观察它们在承受挤压力量、吸水率、重量以及在重复压力下的表现如何。
研究人员发现，成功制造瓦片的配方并非简单地使用尽可能多的塑料，也不是使用尽可能少的塑料。相反，他们发现了一个让两种材料发挥最佳协同作用的特定“甜点区”。当混合物中含有约45%的塑料和55%的灰烬时，生成的瓦片强度最高。在这个比例下，瓦片可以承受约35兆帕的压碎力，这一强度水平与许多传统建筑材料相当。塑料熔化并包裹在粗糙且多孔的灰烬颗粒周围，形成了一种紧密的结合，使材料能够有效地分担载荷。然而，当研究人员添加超过此比例的塑料时，瓦片实际上变得更弱了。过多的塑料使材料变得过于柔软和具有韧性，导致其失去了灰烬所提供的刚性强度。反之，当塑料过少时，灰烬颗粒未能得到完全包裹，留下的缝隙使得瓦片变得脆弱且易碎。
除了强度之外，瓦片的成分还显著改变了它处理水分和重量的方式。随着塑料含量的增加，瓦片变得明显变轻，其密度从每立方米约2100千克下降到了1300千克。这种重量的减轻是屋面材料的一个主要优势，因为较轻的瓦片会对建筑物的木质或金属框架产生较小的压力。此外，塑料也起到了屏蔽水分的作用；由于塑料天然具有疏水性，塑料含量较高的瓦片吸收的水分极少。塑料含量最高的瓦片吸收的水分仅为其重量的约1%，而塑料含量较低的瓦片吸收的水分则更多。然而，研究人员指出，吸水率绝对最低的瓦片并不是强度最高的。最佳的整体平衡出现在45%塑料的混合物中，它吸收了约4%的水分，同时保持了最高强度。这个中间地带提供了一种既足够坚固以支撑自身，又足够轻便以便安装，且具有足够的抗潮性以持续使用多年的材料。
该研究还观察了这些瓦片在重复压力下的表现，模拟了屋顶在随时间推移可能面临的磨损。含有较多塑料的瓦片表现出更好的抗损伤能力，这可能是因为柔韧的塑料可以吸收来自冲击或温度变化的能量，而不会产生裂纹。显微图像显示，表现最好的混合物具有非常紧密的结构，塑料成功填充了灰烬颗粒之间的间隙，几乎没有留下产生裂纹的空隙。化学分析证实，即使在与热灰烬混合并熔化后，塑料仍保留了其基本结构，证明该过程并未破坏其材料完整性。
最终，这项研究表明，将两种不同类型的废物——塑料瓶和工业灰烬——转化为有价值的建筑产品是完全可能的。研究结果表明，通过仔细平衡这些材料的比例，可以创造出不仅环保而且在机械性能上优于许多替代品的屋瓦。虽然这项研究是在实验室规模上进行的，但结果为减少塑料污染和降低建筑业环境足迹提供了一种实用的途径。作者强调，虽然45%塑料的混合物是平衡性最好的选择，但仍需进一步测试这些瓦片在现实世界天气条件下长期使用的表现，并开发其大规模生产的方法。目前，这项工作证明了废物可以转化为未来坚固、轻便且可持续的庇护所。
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