基于生命周期评估的优化3D打印混凝土配合比可持续性研究：掺合料与再生骨料的协同效应

《Results in Engineering》：LIFE CYCLE-BASED SUSTAINABILITY ASSESSMENT OF OPTIMIZED 3D PRINTABLE CONCRETE MIXES INCORPORATING SCMS AND RECYCLED AGGREGATES

本研究针对普通波特兰水泥(OPC)在3D打印混凝土(3DPC)中隐含碳高的问题，通过将辅助胶凝材料(SCMs)和再生细骨料(RFA)优化配比，开展摇篮到大门的生命周期评估(LCA)。结果表明：优化配比的全球变暖潜势(GWP)降低32.15%(3252.02→2206.37 kg CO2-eq)，累积能源需求(CED)降低30.49%，在保持打印性能的同时显著提升环境可持续性，为低碳建筑提供了重要技术路径。

　　

随着3D打印技术在建筑领域的快速应用，传统混凝土材料的高环境代价问题日益凸显。普通波特兰水泥(OPC)作为3D打印混凝土(3DPC)的主要胶凝材料，其生产过程贡献了全球约8%的人为二氧化碳排放，这种高碳足迹严重制约了3D打印建筑技术的可持续发展。更棘手的是，3DPC对材料流变性、可挤出性和建造性有着特殊要求，使得单纯降低水泥用量的常规方法难以奏效。尽管辅助胶凝材料(SCMs)和再生细骨料(RFA)被认为是降低环境影响的潜在解决方案，但针对挤出友好型配比的量化环境评估研究仍然匮乏。

为填补这一研究空白，印度国立理工学院卡利卡特分校的研究团队在《Results in Engineering》上发表了创新性研究成果。他们成功开发了一种优化的三元SCMs-RFA 3DPC配比，并通过多方法生命周期评估体系，全面量化了其环境效益。这项研究首次将飞灰(FA)、粒化高炉矿渣(GGBS)、硅灰(SF)三种辅助胶凝材料与再生细骨料进行协同优化，在保证打印性能的前提下，实现了显著的环境改善。

研究采用了严谨的生命周期评估方法，主要技术路径包括：首先进行材料配比优化，使三元SCMs体系(飞灰、GGBS、硅灰)替代约41%的OPC，同时用RFA部分替代天然石英砂，并添加聚丙烯纤维(PPF)增强层间粘结；随后建立摇篮到大门的系统边界，功能单位定义为1立方米3D打印混凝土；利用openLCA 2.4.1软件平台，结合五种生命周期影响评估(LCIA)方法(CML-IA基线/非基线、ReCiPe 2016中点法(H)、累积能源需求(CED)和地壳稀缺性指标(CSI))进行多维环境影响分析；最后通过蒙特卡洛敏感性分析验证结果的稳健性。

3.1. 比较环境影响分析

优化配比在绝大多数环境指标上表现优异。全球变暖潜势(GWP_100a)从3252.02降至2206.37 kg CO₂-eq，降幅达32.15%；化石燃料 abiotic depletion 降低30.46%；酸性化潜势(AP)降低17.94%；地壳稀缺性指标降低33.45%。这些改善主要归因于熟料用量减少和工业副产品的有效利用。然而，淡水生态毒性和陆地生态毒性指标出现上升，研究人员将其归因于代理库存数据的选择和分配规则的影响。

3.2. 全球变暖与能源需求评估

作为核心气候指标，GWP的显著降低证明了SCMs-RFA体系在 decarbonization 方面的巨大潜力。累积能源需求(CED)从38062.75降至26456.32 MJ，降幅30.49%，凸显了能源效率的全面提升。优化配比的GWP值(2206 kg CO₂-eq·m^-3)低于文献中常见的OPC贫化打印混凝土基准(2500-2800 kg CO₂-eq·m^-3)，体现了其环境优越性。

3.3. 非生物耗竭与资源稀缺性指标

在资源可持续性方面，优化配比显示出显著优势。化石燃料耗竭降低30.46%，地壳稀缺性降低33.45%，表明该体系有效减少了对不可再生资源和稀有矿产的依赖。这对于推动建筑行业向循环经济转型具有重要意义。

3.4. 酸化和富营养化潜力

基于ReCiPe 2016中点法的评估显示，陆地酸化潜力从15.50降至12.64 kg SO₂-eq(降低18.5%)，海洋富营养化从0.049降至0.033 kg N-eq(降低32.88%)。这些改善源于OPC熟料替代带来的排放因子降低，以及再生材料利用减少的运输相关排放。

3.5. 多标准可持续性评价

五种LCIA方法的一致性结果强化了研究结论的可靠性。优化配比在气候、能源和资源指标上均表现出色，而在毒性指标上的 trade-offs 则指明了未来库存数据完善的重点方向。多方法验证为可持续混凝土设计提供了更全面的决策依据。

3.6. 基于配比范围的蒙特卡洛敏感性分析

敏感性分析表明，OPC含量是环境影响的关键驱动因素。当OPC在471.68-725.00 kg/m3范围内均匀变化时，GWP的均值达到2803.17±341.52 kg CO₂-eq，证实了材料控制精度对环境结果的重要影响。这一发现强调了精确配比控制在实践中的重要性。

3.7. 流变学与力学验证

重要的是，优化配比完全满足3D打印的工艺要求。屈服应力达到920 Pa，形状保持率89%，50层高竖向墙体建造无坍塌现象，抗压强度保持在42.5 MPa的实用范围内。这些性能指标证明了环境效益与工程适用性的良好统一。

该研究的结论部分明确指出，三元SCMs-RFA优化配比在保持打印性能的同时，实现了GWP降低32.15%、CED降低30.49%的显著环境效益。这种"一石二鸟"的效果主要源于熟料用量的战略削减和工业副产品的协同利用。尽管在生态毒性指标上存在数据不确定性，但整体环境优势明显。研究成果的工业转化潜力巨大，预计可降低材料成本8-12%，且与现有挤出型打印设备良好兼容。

这项研究的深远意义在于，它首次将挤出优化配比设计与摇篮到大门的生命周期评估定量关联，为3D打印混凝土的低碳化提供了具体可行的技术方案。随着建筑行业向碳中和目标加速迈进，这种将环境考量融入材料设计初端的范式，将为可持续建设提供重要技术支撑。未来研究可进一步拓展至全生命周期评估，纳入耐久性、使用阶段排放和 end-of-life 处理等因素，不断完善可持续3D打印混凝土的技术体系。