工程科学与技术，国际期刊32（2022）101060完整文章建筑部门哈里什·TMohana，Karingamanna Jayanarayananb，d，K.M.迷你c，aAmmachi Labs，Amritapuri，Amrita Vishwa Vidyapeetham，690525，Indiab化学工程和材料科学系，Amrita工程学院，Coimbatore，Amrita Vishwa Vidyapeetham，641 112，印度c印度哥印拜陀Amrita Vishwa Vidyapeetham Amrita工程学院土木工程系，641 112d先进材料和绿色技术卓越中心，Amrita工程学院，Coimbatore，Amrita Vishwa Vidyapeetham，641 112，印度阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2021年2021年8月7日修订2021年9月13日接受2021年9月25日网上发售保留字：Covid-PPE废弃物可持续废物管理建筑材料可再生塑料复合材料A B S T R A C TCOVID-19疫情带来的主要挑战之一是处置大量生物医学废物。找出处理产生的废物的方法，并探索新的可持续的废物处理方法，个人防护装备（PPE）是大流行期间产生的主要医疗废物，并可能在后大流行时代继续积累本文描述了一种从PPE废弃物与砂填料一起生成建筑材料复合材料的研究这项工作已经进行了两种不同的砂，河砂和人工砂，在三个不同的填料比例。不同的性能，如拉伸，压缩和弯曲强度的制备复合材料进行了详细的，并与现有的建筑材料进行比较。已经研究了诸如耐酸和吸湿性的耐久性特性，以验证所开发的材料在建筑领域中的功效。据观察，PPE废弃物复合材料在压缩、拉伸和弯曲方面表现出优异的性能，而与其他建筑材料如泥砖和水泥块相比。吸水率和酸降解率极低，因此，在暴露于此类不利条件后，其强度不受影响复合材料的热导率被发现是小于传统的混凝土相比，这使得它在热带地区作为隔热材料的理想选择展望未来，这项研究有望建立一种新的可持续方法，利用生物医学塑料废物替代水泥基建筑材料，从而有助于负碳循环。©2021 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍最近的新型冠状病毒病（COVID-19）爆发，导致严重急性呼吸综合征（SARS-CoV-2），导致全球感染患者迅速增加。随着全世界都在推进疫苗接种和其他控制流行病的手段，现在是时候找出保持健康和卫生的有效方法了。在大流行期间保持的卫生标准水平预计将在日常生活中保持一段时间，例如，使用个人防护装备（PPE）包[1]。个人防护装备的使用已成为最可靠和最明显的预防控制安全装备，以阻止COVID-19的传播[2]。此外，PPE套件具有*通讯作者：Amrita School of Engineering，Coimbatore，Amrita VishwaVidyapeetham，641 112，India电子邮件地址：kj_narayanan@cb.amrita.edu（K.Jayanarayanan），k_mini@cb.amrita.eduK.M. Mini）。由Karabuk大学负责进行同行审查在大流行期间保护公众健康方面发挥重要作用[3]。世界卫生组织（WHO）提供了一份详细的指南，用于正确处置医疗部门使用的PPE废物，包括外科口罩、一次性手套和消毒器[4]。PPE由聚合物和材料组成，如聚丙烯、聚丙烯腈和聚氨酯面罩[5，6]、腈一次性手套乳胶、乙烯基聚合物（加拿大政府，2020 b）和其他纤维（例如消毒湿巾），如最近研究[7，8]中所详述。典型的PPE，也称为PPE套件，由超过50%的塑料制成，需要长达500年的时间才能降解，如聚丙烯（PP），聚碳酸酯（PC）和聚氯乙烯（PVC）等。这还包括带有金属条的外科口罩，手套，护目镜，卫生工作者使用的包括裤子的全身套装，带有头套和鞋套的长袍[9]。防护装备使卫生工作者能够接近COVID-19患者，并使他们能够有效地履行职责，而不会产生任何相关风险。https://doi.org/10.1016/j.jestch.2021.09.0062215-0986/©2021 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchH.T. Mohan，K. Jayanarayanan和K.M. 迷你工程科学与技术，国际期刊32（2022）1010602国家灾害管理局制定了一项明确的协议，建议所有相关人员在与确诊或疑似COVID-19患者直接接触时佩戴PPE[1，10，11]。人们一直担心，使用多重折叠的个人防护设备会导致废物处理不稳定，这可能会损害环境。发展中国家缺乏集中式生物医疗废物处理设施（CBMWTF），预期在处理疫情期间产生的废物方面将面临巨大挑战在印度，中央污染委员会特别为COVID-19制定了有效的废物管理指南，其中包括长期部署的多个系统[12]。印度有13.8亿人口，并且报告了大量确诊病例，预计医院将产生大量废物[13]。有报告称，由于医疗废物和口罩的不当分配，工人受到感染[14]。因此，必须鼓励医疗废物的源头隔离，并提供更有效的处理、储存和处置方式，以减少传染病的传播。个人防护装备包使用的增加将导致由于其单一用途而产生大量根据武汉报告，已注意到大流行期间医疗废物产生量从每天40至50吨迅速增加至247吨[15]。PPE套件重复使用的障碍之一是，在去污过程之后，从病毒中分离出的材料的效率降低。这导致了一种新的可能性，将废物材料重新塑造成另一种有用的产品，与传统的焚烧过程相比，这将为废物管理提供一种可持续的其中一种创新的回收方法是将废塑料作为粘合剂（而不是水泥）与现有的建筑材料一起由于经济发展，印度的水泥需求迅速增长，水泥生产量从2001年的1亿吨增加到2014年的2.8亿吨[16，17]。水泥是二氧化碳排放的主要来源[18]，用替代类型的材料替代水泥开辟了一种生态友好的方法。已经开展了几项研究活动，利用混凝土中的塑料废物[19报告[23-在加纳、阿尔及利亚和印度等发展中国家，废塑料与沥青一起用于道路建设[27已经对不同类型的塑料如低密度聚乙烯（LDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）等进行了大量研究，这些塑料被掺入各种建筑材料中[31在目前的工作中，PPE废物已被用作塑料源并与常用的粘结材料如河砂和机制砂一起用作粘结剂。这些被用作填料，以改善复合材料的性能，并根据详细的审查[34]进行选择。各种强度和耐久性性能进行了评估，其结果是与现有的建筑材料。通过这种方法，后疫情时代的废物管理行业可以重新启动，这是时代的需要2. 材料和方法2.1. 材料回收工艺考虑到疫情，建议制定废物管理的详细结构，从产生、收集、运输指南到废物处理方面的再循环、处理、回收和处置[35]。材料流（图1）工艺经过精心设计，使人类与污染废物的相互作用最小，并已被切断图1.一、原材料处理流程图。通过在收集过程后不久对材料进行去污，将风险降至低水平。从卫生中心收集受污染的PPE废料，并通过去污处理，其中材料被彻底清洗并干燥。去污后，将处理后的材料转移至储存设施至少28天。这三个过程被列为风险区，因为可能会接触病毒，因此物料处理人员在处理废料时必须遵守PPE和其他安全协议。将材料从仓库移入切碎机，在其中将PPE切碎并压实成小块以供进一步加工。在约180 °C的加热过程中，将致密化和尺寸减小的材料与填料混合。在这一过程之后，将热混合的聚合物与填料移动到液压机，液压机被压成所需的形状，如建筑砌块和路面砖，如图所示。二、2.2. 材料2.2.1. PPE废料一次性隔离衣设计为一次性使用后丢弃，通常由单独的非织造材料或与提供更好的液体渗透保护的材料（如塑料薄膜）组合制成[6]。织物可以通过使用纤维类型、粘合工艺和织物整理（化学或物理）图二. 从材料加工到产品开发。H.T. Mohan，K. Jayanarayanan和K.M. 迷你工程科学与技术，国际期刊32（2022）1010603××××治疗）。图3呈现了在研究中使用的收集的PPE废物样品中的纤维和固体聚合物含量的扫描电子显微镜（SEM）图像。纤维部分和固体聚合物在SEM图像中清晰可见。2.2.2. 河砂研究中使用的河砂粒度小于2.36 mm，比重为2.69，容重为0.87kg/l，吸水率为2.5%这是自然可在印度南部各州Kerala和泰米尔纳德邦，并已干燥20分钟，在烤箱中的水分减少。2.2.3. 人造砂（M砂）天然河砂的枯竭导致建筑行业开发新的可持续细骨料。机制砂（M砂）是通过将坚硬的石头破碎成小尺寸的角形颗粒而形成的人工砂。它的比重为2.6，吸水率为3%，通过2.36 mm筛。2.3. 样品制备通过将切碎的PPE废料与填料以如表1中所示的六种不同比率热混合来制备样品。 砂与PPE废物的含量比从2变化到6。在受控环境中进行室内热机械混合，其中将砂加热至180 °C。随后加入切碎的PPE废物，并进行充分混合，直到混合物达到所需温度（通常在5分钟内完成过程）。在该过程之后，将热混合的复合材料转移到模具中，并使用液压机进行压缩，以制备面板、圆柱体、立方体和互锁块。基于进行的初始试验，观察到在低于2的混合比的情况下难以制备块当混合比提高到6以上时，材料的结合在加工过程中不发生。3. 实验研究3.1. 硬化阶段性能根据ASTM 695，使用40吨容量的UTM，对边长为50 mm的立方体试样进行抗压强度试验由于相之间更好的结合，预期抗压强度随着聚合物含量的增加而上升根据ASTM 638-14使用如图4所示的狗骨形状的样品评估拉伸强度，所述样品由模制瓷砖机加工而成。使用直径为150 mm、长度为300 mm的圆柱形试样，使用40吨容量的UTM估算劈裂抗拉强度抗弯强度使用面板图三. 收集的PPE废物样品的SEM图像。表1样品名称。样品名称PPE废弃物%河砂%M砂%R233.3366.670R420800R614.385.70M233.33066.67M420080M614.3085.7见图4。拉伸试验样品的示意图。为300mm300毫米根据ASTM D 9272，通过三点弯曲试验测量20 mm尺寸。对每个比例的三个样品进行测试，并报告平均值。3.2. 耐久性研究3.2.1. 吸水采用50 mm的立方体试件进行了水膨胀试验。将立方体风干24小时以获得恒重。然后将样本浸入水中28天。已经注意到浸泡后样品重量的增加，以评估吸水率。3.2.2. 耐酸性将50 mm的立方体试样浸入5%硫酸溶液中28天。考虑了浸泡前后样品的重量差异，以评估抗酸侵蚀性。3.2.3. 硬度密度根据ASTM shore D2240使用EXCEL公司手持设备测试硬度采用标准密度分析方法估算样品的密度3.2.4. 热导率使用热防护装置进行热导率测试（ASTM -C177 -97）。将测试板风干以除去所有的水分内容的通过均匀接触冷却板，将样品（45 cm × 30 cm × 1.8 cm）放置在加热板的任一侧。保护加热器输入以这样一种方式给出，即没有径向热流，通过检查热电偶读数进行调整每10分钟记录一次热电偶读数和样品中心加热器的输入（热导率使用等式（1）计算。k = QL/2A（Th其中A是试样的计量面积（m2），Q是热流（W），Tc是冷板温度（K），Th是热板温度（K），L是试样的厚度（m）。H.T. Mohan，K. Jayanarayanan和K.M. 迷你工程科学与技术，国际期刊32（2022）10106044. 结果讨论4.1. 抗压强度图5示出了暴露于酸性和潮湿条件的复合材料样品的压缩强度的比较。在三种条件下进行了压缩试验，即未经任何处理的对照样品、暴露于5%硫酸中28天的样品和在水中浸泡28天的样品。结果表明，高填充率的复合材料的抗压强度降低。这可能是由于聚合物含量的减少和填料比的增加。这清楚地表明，聚合物含量在相间提供更好的强度。河砂复合材料的抗压强度略好于M砂复合材料。在两种填料复合材料中观察到的失效模式相似（图6）。当填料比M6和R6为1：6时，复合材料的表面裂纹在垂直和水平方向上都有明显的样品R6的抗压强度为29 MPa，略高于M6的24.8 MPa。与（1：4）的比例，即，M4和R4的抗压强度比M6和R6提高了31MPa，其中在水平方向上观察到轻微的形状变形 在这种复合材料的混合物中观察到几个裂纹（图11）。 6）。具有较高聚合物比例1：2、M2和R2样品的复合材料显示出最高的压缩强度，其大于35MPa。在这里，破坏模式表现为一条裂缝线，这表明这个比例比其他两个比例稳定得多（图1）。 6）。用压缩试验机对暴露于潮湿和酸性环境中的复合材料试件进行测试，以评估其暴露28天后的强度性能对于经受潮湿条件的试样，从图5中观察到，试样R6的强度从对应于对照的29.1 MPa降低到18.2MPa，而在M6中，其从对应于对照的29.1 MPa降低到20 MPa。24.8兆帕。这表明M砂填料复合物相对于河砂填料复合物的稳定性提高聚合物的较高比率的影响遵循类似的趋势，与对照的31.3MPa相比，M4显示出24MPa的强度，并且与31.4MPa的强度相比，R4显示出25.7MPa的强度。R2的强度从37.1 MPa降低到30.7 MPa，M2也有类似的趋势图7显示了在潮湿和酸暴露条件下与对照相比强度的百分比降低由于开发的复合材料的主要应用是建筑，所获得的结果与现有的建筑材料进行比较预计该比较将评估开发的材料作为潜在替代品图五.不同环境条件下不同填充比复合材料的抗压强度。对于现有的材料。根据IS2185（2005），承重空心混凝土砌块的抗压强度应为3.5至15.0 MPa[36]。如图8所示，已发现每个样品的吸水率在0.38%和0.73%之间变化。较低的吸水率可以归因于在所开发的复合材料中不存在吸水材料，因为砂具有较低的吸水性并且已经被机械压缩，这使得空隙的存在最小化。在酸暴露下，用河砂制备的复合材料的电阻显示出1.48%的较高吸收值，这表明河砂在酸性环境下可能降解较高含量的M砂在水和酸暴露下的吸收率降低证明了M砂的均匀级配是合理的，因为它是在受控条件下人工制造的产品。降低的吸收率证明了所开发的复合材料在酸性和潮湿环境中应用的可能性4.2. 拉伸强度为了检查所开发的复合材料在拉伸下的可行性，使用UTM对试样进行拉伸加载容量40 kN。从图9中可以看出，R2和M2展品终极拉伸强度的4.2MPa和4.1 MPa。在较低的填料比下，R4和M4的强度分别降低了3.1MPa和3.7MPa，而在较高的填料比R6和M6下，强度分别降低到1.3MPa和1.1MPa。Oskouei[39]对含有天然纤维的泥浆进行的一项研究报告了0.15 MPa的拉伸强度，这表明与可比建筑材料相比，所开发的复合材料作为拉伸材料的适用性。Emad M[37]报道，由水泥砂浆制成的建筑砌块的抗拉强度仅在0.13- 0.15范围0.27 MPa[37]。因此，可以推断，样品中聚合物的存在改善了粘合特性，从而改善了所得复合块的拉伸性能。4.3. 弯曲强度弯曲强度是评估所开发的复合材料作为墙板的可行性的重要参数之一，因为它将承受弯曲载荷。从图10所示的测试结果中，观察到由于添加填料，板显示出强度降低。M2和R2样品均显示出1.1 MPa的弯曲强度，R4和M4的弯曲强度分别下降至0.87 MPa和0.71 MPa。较高填料比的样品，即。M6和R6表现出0.31 MPa的低强度在分析裂纹扩展时，很明显，横截面裂纹扩展通过面板上的砂集中区域（图11）。与抗弯强度为0.49 MPa的纤维增强泥浆相比，试验值似乎更有希望[38]。4.4. 劈裂抗拉强度从图12中可以观察到，在两种情况下，随着填料浓度的增加，劈裂拉伸强度略有由于聚合物含量升高，预计在较低填料比的样品中粘合力较高。与拉伸强度相比，降低不明显，这可能是由于样品的圆柱形状在测试过程中，接触表面积的增加和延展性的改善导致了膨胀效应。与拉伸试验相比，材料在劈裂拉伸试验中径向膨胀H.T. Mohan，K. Jayanarayanan和K.M. 迷你工程科学与技术，国际期刊32（2022）1010605见图6。河砂复合材料的破坏模式。见图7。与对照相比，在潮湿和酸暴露下强度降低的百分比。见图9。 复合材料的拉伸强度见图10。 弯曲强度的变化。在不存在水泥的情况下，强度为0.1MPa，低于目前开发的复合材料。在劈裂拉伸强度下，所开发的复合材料的失效模式如图所示。 13岁见图8。 相对于对照品的吸湿/吸酸速率。所得值与水泥稳定土块吻合良好，水泥稳定土块的劈裂抗拉强度为0.16 MPa至0.79 MPa[39]。 他们还报告说，4.5. 硬度密度从表2中可以观察到，随着填料比率的增加，复合材料的密度增加。它可以被分配给与PPE相比，沙子的密度更高。使用M砂制备的样品显示出比由河砂制备的样品略高的密度。M砂的细颗粒特性H.T. Mohan，K. Jayanarayanan和K.M. 迷你工程科学与技术，国际期刊32（2022）1010606图十一岁河砂复合板的破坏模式观察到，与低填料比的复合材料相比，具有较高填料比的复合材料具有较低的表面硬度。此外，由于聚合物含量高，低填料比样品呈现更好的表面光洁度。相反，在高填充率的样品中，表面不规则性更多是由于高砂含量导致的较低硬度。4.6. 热导率见图12。 劈裂抗拉强度的变化。图13岁断裂拉伸强度下的失效模式导热系数是建筑材料所需的重要参数之一，其可以在应用期间导致能量利用和人类舒适度复合材料内部的低导热PPE含量的层降低了热导率，如图1所示。 十四岁对于样品R2、R4和R6，发现由河砂制备的样品的热导率分别为0.17W/mK、0.22 W/mK和0.35 W/mK。在M砂样品中，与河砂样品相比，复合材料的热导率随着填料的增加而增加。这可以归因于河砂的高导热性[40]。与导热系数范围为0.23至0.355 W/mK的泥砖[41]相比，所开发的复合材料具有更好的隔热效果。此外，与混凝土相比，它提供了优越的隔热性能，其导热系数值范围为0.86至1.16 W/mK[42]。4.7. SEM观察使用SEM研究样品的微观结构，以评估聚合物和填料在不同比例下之间的相互作用。从图中可以看出。 15，填料比率的增加降低了粘合，因为聚合物含量有助于表2开发的复合材料的密度和硬度样品名称密度（kg/m3）硬度R21475.0858R41712.8651R61752.3942M21511.3255M41746.7648M61875.3242在液压过程中能够更好地固结，这反过来又提供了一个紧凑的结构，因为与河流砂相比，空隙空间减少在评估表面硬度时，图14.导热系数的变化。H.T. Mohan，K. Jayanarayanan和K.M. 迷你工程科学与技术，国际期刊32（2022）1010607图15. 具有填料的复合材料的SEM图像。结合性能。R2、R4和R6样品的显微照片很明显，复合材料中较好的结合是由于相之间的粘附。在不存在粘结剂的情况下，砂与砂的粘结为零，这证明了具有高填料比的样品的机械强度降低是合理的。在M砂样品M2、M4和M6中进行了类似的观察。在具有高填料比的复合材料中观察到微空隙，其易受水和酸吸收的影响，从而影响产品的机械和耐久性。5. 在建筑行业的根据试验结果，认为研制的复合材料具有比传统材料更好的强度和耐久性。因此，它们可以被推荐用于建筑行业的各种应用。图16呈现了模制为建筑砌块、墙板和互锁砌块的PPE填料复合材料的图像。为了用最少的熟练劳动力和材料来加强施工过程，M4联锁块已经原型化。这种互锁形状可以与乐高结构相比较，H.T. Mohan，K. Jayanarayanan和K.M. 迷你工程科学与技术，国际期刊32（2022）1010608图16.用废旧PPE研制的建筑材料复合砂。形状提供了钢筋垂直穿过它作为结构加固的规定。由于复合材料的热性能被观察到优于水泥基材料，它们被推荐用于墙板的开发。6. 结论除了各种健康危害和相关创伤外，最近的COVID-19大流行对废物管理构成挑战，尤其是在适当处置个人防护设备（PPE）方面。本研究报告了一种新的复合材料的开发，使用PPE废物与河砂和M砂作为填料。所开发的复合材料与传统建筑材料如泥块和其他传统胶凝材料相比具有更好的强度和耐久性性能，产生了有前途的结果。在具有较低填料比的复合材料的情况下观察到25 MPa及以上的抗压强度，这表明所开发的复合材料作为建筑材料的潜在益处。在复合材料失效过程中观察到的逐渐裂纹扩展证明消除由这种块制成的结构的灾难性失效是合理的。降低的吸水率和随后的抗压强度的低降低表明所开发的复合材料在热带地区的应用。提高的耐酸性证明了复合材料在酸雨易发地区和其他富酸环境如工厂中的使用是还观察到酸吸收对压缩强度具有与泥砖和其他传统建筑材料相比，拉伸和弯曲强度报告为更好的强度值。观察到样品的热导率比水泥基建筑材料低，这将有助于降低长期的能源消耗和需求。由于M砂和河砂显示出几乎相似的性质，因此复合材料的制备和部署可以基于材料的可用性总体而言，该研究为建筑行业有效利用PPE废物提供了竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。致谢我 们 的 工 作 一 直 受 到 Amrita Vishwa Vidyapeetham 总 理 MataAmritanandamayi Devi的人道主义倡议的指导。她一直是我们的灵感和不断支持的源泉。我们也真诚地感谢AMRITI实验室和AmritaVishwa Vidyapeetham土木工程系的研究人员。我们感谢他们无休止的支持。引用[1] W.H. Organization et al.，2020年4月23日，《应对新冠病毒的水、环境卫生、个人卫生和废物管理：临时指南》，世界卫生组织，技术委员会。代表： 2020年。[2] J.B. T Herron，A.G.C. 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