废弃网球拍弦线作为再生聚合物纤维在沥青混凝土（Asphalt Concrete, AC）中的再利用研究

《Next Materials》：Reuse of waste tennis strings as recycled polymer fibers in asphalt concrete

　　

摘要：将报废聚合物基制品作为二次原料再利用是减少废弃物并促进更可持续材料体系的有效策略。本研究将废弃网球弦线（Waste Tennis-String Fibers, WTSFs）作为再生聚合物纤维掺入沥青混凝土中，以评估其作为复合铺面材料增强相的适用性。研究人员开展了实验项目，评价再生纤维对沥青混凝土的力学性能及性能相关指标的影响，通过劲度模量（Stiffness Modulus）、疲劳抗性（Fatigue Resistance）及断裂行为（Fracture Behavior）测试确定纤维掺入对材料响应的影响。结果表明，废弃网球弦线纤维可良性改善沥青混凝土的力学行为，其中断裂相关性能的改善尤为显著，对选定性能亦具普遍正向作用。研究发现废弃网球弦线可成功增值为沥青混凝土中的增强纤维，为消费后聚合物废物提供技术可行的回收途径，同时表明非常规再生纤维在提升工程复合材料性能与促进资源可持续利用方面具备潜力。

论文解读：废弃网球拍弦线作为再生聚合物纤维在沥青混凝土中的再利用研究

该论文发表于《Next Materials》。

一、研究背景与意义

全球塑料产量自1950年代约200万吨激增至2022年约4亿吨，导致塑料废物处置压力剧增。废塑料在沥青路面（Asphalt Pavement）中的应用始于1980年代末，湿法（Wet Process，预混沥青）与干法（Dry Process，与集料先混）工艺均有研究，可改善刚度模量、抗车辙、抗疲劳及抗裂性能。体育产业是废塑料重要来源，全球网球参与者2021年达8700万且预计2030年达1.2亿，网球弦线因张力衰减需频繁更换，产生大量废弃单丝（Monofilament）或多丝聚酯（Polyester, ~60%）及尼龙（Nylon, ~30%）废物，尚无将其作为沥青混凝土增强组分的研究。本研究旨在填补此空白，探究废弃网球弦线纤维（Waste Tennis-String Fibers, WTSFs）掺入密级配沥青混凝土AC 16中的可行性及对力学性能的影响，为消费后聚合物废物高值化利用提供技术依据。

二、主要关键技术方法

研究人员采用意大利常用AC 16密级配（粗骨料5/15 mm碎石、细骨料0/2 mm与0/5 mm砂，50–70 pen沥青），取自本地穿弦师的废弃聚酯单丝网球弦线切至10–15 mm（直径1.15–1.30 mm，密度1.380 Mg/m3，熔点＞275 ℃），按集料质量0.3%、0.5%、1.0%以干法工艺掺入，分别对应F0.3、F0.5、F1.0及无纤维参照组RM。通过旋转压实（Gyratory Compaction）进行体积设计（AASHTO R 35，目标空隙率4.0%，N_design=100）。测试包括：压实性（Construction Densification Index, CDI与Traffic Densification Index, TDI）、间接拉伸劲度模量（Indirect Tensile Stiffness Modulus, E，EN 12697–26，10/20/30 ℃）、间接拉伸疲劳试验（Indirect Tensile Fatigue Test，EN 12697–24，10 ℃，能量比Energy Ratio, ER失效准则）、半圆弯曲试验（Semi-Circular Bending Test, SCB，EN 12697–44，0 ℃，计算断裂韧性Fracture Toughness, K_Ic与断裂能Fracture Energy, G_f，含峰值前G_Pf与峰值后G_Af分解）及间接抗拉强度（Indirect Tensile Strength, ITS，AASHTO TP141，计算韧度Toughness, T与抗裂因子N_flex）。

三、研究结果

2. Materials（材料）

WTSFs为七边形截面聚酯单丝，预估长径比8–13，熔点＞275 ℃故在165 ℃拌合温度下不熔化。F1.0（1%掺量）因纤维网络阻碍致密化致空隙率超标（5.8%–8.6%）被剔除。F0.3与F0.5满足体积要求（设计沥青用量由5.0%升至5.3%，VMA由15.4%升至16.0%），选取F0.5作纤维掺入代表组与RM对比。

4.1. Compactability（压实性）

F0.5的CDI（38）略低于RM（43），TDI（174）略高于RM（170），N₉₂、N₉₆及不同旋压次数下空隙率无显著差异。表明WTSFs因较高沥青用量及纤维促进集料重排轻微改善施工和易性，且纤维网络略抑制交通荷载下进一步压密，潜在提升抗车辙性。

4.2. Stiffness（劲度模量）

10、20、30 ℃下F0.5的E值较RM略降但温度敏感性不变。归因于较高沥青用量及纤维存在于基质中共同作用，非单纯纤维增强效应，WTSFs未提升沥青混合料低温或常温劲度。

4.3. Fatigue resistance（疲劳抗性）

10 ℃间接拉伸疲劳试验显示F0.5特征疲劳线位于RM上方，10?次循环对应初始拉应变幅ε⁶由RM的24 με提升至F0.5的29 με，疲劳抗性约提升20%。低应力水平改善更明显，归因于WTSFs形成的纤维网抑制微裂纹萌生与汇合、均布耗散应力。

4.4. Fracture properties（断裂性能）

0 ℃ SCB试验：两组成型荷载σ_max（1.1 MPa）及断裂韧性K_Ic（29.2 N/mm^1.5）相同，说明WTSFs未显著提高裂纹启裂阻力；但F0.5断裂能G_f由1232 J/m2升至1542 J/m2（+25%），破坏应变ε_max由1.1%升至1.3%。分解得G_Pf由884升至1039 J/m2，G_Af由348升至503 J/m2（+~45%），表明WTSFs主要增强峰后裂纹扩展阻力——纤维横跨裂缝起"缝合"作用吸收能量、延缓裂纹生长，断口可见拔出的WTSFs丝束。ITS试验：F0.5的ITS（3.3 MPa）与RM（3.5 MPa）相近，但破坏拉伸应变ε'_max由0.25%升至0.38%，韧度T由867.4升至1438.7 J/m3，N_flex由0.08升至0.18，证实WTSFs使混合料呈更延性响应。

四、结论总结（翻译Conclusions）

本初步实验室研究表明，掺加废弃网球弦线纤维（WTSFs）可得如下结论：压实性略有改善（CDI降低、TDI升高）；WTSFs对劲度模量无显著影响，后者更多受沥青用量控制；WTSFs呈现轻微改善疲劳抗性的趋势；断裂性能改善最为显著，WTSFs主要作为裂纹扩展增韧剂而非启裂增强剂抑制破坏后裂纹扩展。需注意上述结论受限于单一WTSFs来源、断裂试验重复数有限及未进行长期耐久性评估。未来需详析WTSFs拉伸性能与表面形貌、考察弦线类型（单丝/多丝）与几何尺寸影响，补充高温永久变形、热学性质及老化—水损害长期性能测试，并开展生命周期评估（LCA）与生命周期成本分析（LCCA）。