《Case Studies in Construction Materials》：A Screening Framework for Earth-Based 3D Printing with Locally Sourced Soils: Characterisation, Mix Design, and Printability Assessment
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本研究探讨了利用葡萄牙本地采集的土壤制备可打印地球基混合料的可行性，并采用再生纸纤维作为循环经济型稳定策略。为此，研究人员建立了涵盖粒径分布、塑性、黏土活性及矿物组成的系统表征框架，据此开发了一系列纤维增强配合比，并对其新拌状态下的可挤出性与可建造性进行评价。
本研究探讨了利用葡萄牙本地采集的土壤制备可打印地球基混合料的可行性，并采用再生纸纤维作为循环经济型稳定策略。为此，研究人员建立了涵盖粒径分布、塑性、黏土活性及矿物组成的系统表征框架，据此开发了一系列纤维增强配合比，并对其新拌状态下的可挤出性与可建造性进行评价。随后在足尺条件下评估优化混合料的打印性能，并通过现有分析框架对打印过程中观察到的新拌结构失效模式进行解释。本研究范围限于新拌可打印性与框架开发，未评估硬化状态性能，亦未就结构适用性或承载性能得出结论。研究结果结合更广泛的地球基3D打印文献进行讨论，旨在为地球基增材制造标准化所需的实证基础作出贡献。
建筑三维打印（C3DP）为应对建筑行业的环境挑战提供了契机，但当前研究与应用仍以水泥基体系为主，其环境负担显著。地球基材料因无需工业加工、无需烧结、无需水泥胶凝剂且可本地取材与循环利用而受到关注。然而，非稳定化土坯的新拌硬化完全由水分蒸发驱动，使其结构建成速率对环境条件与配合比高度敏感，加之收缩开裂风险，导致可打印性窗口狭窄且缺乏标准化测试协议。既有地球基3D打印研究多集中于配合比设计与工作性，对热性能、环境性能及原位建造性能关注不足。研究人员据此提出了一套可转移的筛选与配合比设计框架，以葡萄牙四个地区采集的六种土壤为对象，通过土工与矿物学表征筛选可用土壤，并以再生纸污泥纤维（4–8%）为唯一稳定组分，系统变化含水率与纤维掺量以映射可打印性窗口，最后在足尺打印中识别失效模式。研究得出：组合粒径分布、阿特贝限、亚甲蓝值（MBV）与矿物学表征的土工筛选协议能有效区分适于挤出打印的土壤与质地极端土壤；黏土壤土质地范围内、塑性指数为17%与18%、黏土含量为31%与33%的土壤表现出充分的可挤出性与形状保持能力；在纤维掺量为干土质量6%时，MS与CLS土壤均获得可打印混合料，再生纸纤维改善了细丝黏聚性、减少了干燥过程中的表面开裂并增强了触变性恢复；足尺打印中识别出两种机制不同的失效模式，即由打印速度与流量关系控制的运动学欠填充失效，以及表现为塑性坍塌与弹性屈曲耦合的结构失效，后者通过Roussel分析框架解释。研究意义在于为地球基增材制造标准化提供了可复现的土工筛选协议、结构化配合比设计方法及足尺失效机制的初步解释，并指出干燥驱动硬化导致的结构建成速率环境敏感性是标准化的根本挑战。研究采用的主要关键技术方法包括：依据CEN ISO/TS 17892-4的干筛粒径分布测定、阿特贝限与一维膨胀试验、亚甲蓝值（MBV）测试、X射线荧光（XRF）与X射线衍射（XRD）矿物学分析、扫描电镜与能谱（SEM-EDS）形貌与元素分析、热重分析（TGA），以及落锥法屈服应力测试与基于ABB IRB1300机械臂和PFT Swing L泵送系统的足尺挤出打印；土壤样品队列来源于葡萄牙Melides（MS）、Alcoba?a（AS）、Cruz da Légua（CLS）与Santarém（SS）四个地区的底土层。研究结果如下：土壤表征方面，通过筛分与USDA质地三角图分类得出MS与CLS1属黏土壤土、AS1属砂质壤土，而CLS2、AS2与SS因砂含量过高（分别为71%、82%、93%）缺乏细粒黏聚性而被排除；通过阿特贝限、膨胀与MBV测试得出三种保留土壤的塑性指数分别为16%（MS）、11%（AS1）、8%（CLS），处于地球基3D打印可打印的6–21%区间；通过SEM-EDS、XRD与TGA得出土壤以石英与铝硅酸盐矿物（白云母、高岭石、钠长石、镍绿泥石）为主，TGA显示CLS与MS总质量损失分别低于5%与约7%。可打印配合比选择方面，通过落锥法获得含水率–屈服应力关系，得出CLS与MS可打印混合料屈服应力分别为2.7 kPa与2.9 kPa，含水率范围分别为18–28%与24–34%。挤出试验与配合比开发方面，通过系统变化纤维掺量与细丝质量目视分类（水状、粗糙、良好、不连续）得出MS在6%纤维时获得良好细丝、CLS在4–6%纤维时获得良好细丝，AS单独成丝不连续而与CLS组合后改善，表明可打印混合料需平衡的细粒含量与适当纤维增强。打印结构方面，通过足尺打印获得MS与CLS试件均表现出充分的细丝连续性与形状保持，但并非所有试件成功。失效模式方面，通过打印过程观察与分析得出两类失效：打印速度相对泵送流量过快导致欠填充不连续沉积，以及随层数累积自重超过新拌土坯承载能力引发的渐进屈曲坍塌；失效CLS试件同时呈现底部细丝压扁的塑性坍塌与矩形截面长边方向的屈曲，表明打印高度先后超过两种失稳阈值。讨论部分总结指出：所提方法学依赖标准土工指标测试与广泛可及的实验室设备，可转移至其他地区；结果与文献一致，可打印土壤塑性指数处于6–21%区间、最佳纤维掺量处于2–13%区间，但屈服应力高于通常报道的约1.5 kPa，可能归因于纤维增强黏聚性；两种失效模式与水泥基打印墙体报道一致，但非稳定化土坯仅靠干燥硬化，故水泥基3D打印分析框架需经实验验证方可可靠应用于地球基体系；炎热气候与低收入地区是该技术最自然契合的应用场景；局限性包括地理范围仅限葡萄牙六种土壤、室内约20 °C与50–60%相对湿度的环境条件、未获得硬化状态强度与耐久性数据、屈服应力与弹性模量未在打印中或打印后实测故失效解释为定性；未来研究应优先在受控干燥条件下系统测量屈服应力演化与弹性模量发展、表征纤维几何与吸水特性对流变的影响、并将筛选协议扩展至其他地理与气候区域的土壤。研究结论翻译如下：本研究分析并验证了一套系统且可转移的土壤基可打印混合料开发框架，并通过使用再生纤维稳定的本地采集土壤案例研究加以验证。结果表明，将开挖底土与工业纤维残余物结合的全循环材料体系能够满足挤出式3D打印的流变与可建造性要求。这推进了地球基增材制造标准化所需的实证基础，提供了可复现的土工筛选协议、结构化配合比设计方法及足尺打印中失效机制的初步解释。由所开展测试可得出以下结论：组合粒径分布、阿特贝限、亚甲蓝值与矿物学表征的土工筛选协议能有效区分适于挤出式3D打印的土壤与呈现质地极端的土壤，减少配合比开发对经验试错的依赖；分类为黏土壤土质地范围、塑性指数为17%与18%、黏土含量为31%与33%的土壤一致表现出充分的可挤出性与形状保持能力，而过高黏土或砂主导的土壤可仅凭指标性质可靠排除；MS与CLS土壤在纤维掺量为干土质量6%时获得可打印混合料，再生纸纤维改善了细丝黏聚性、减少了干燥过程中的表面开裂并增强了触变性恢复，证实其作为地球基3D打印低碳循环稳定剂的适用性；足尺打印中识别出两种结构上不同的失效模式，即由速度与流量关系控制的运动学失效，以及表现为塑性坍塌与弹性屈曲耦合的结构失效，后者通过Roussel分析框架解释；单一打印CLS试件中两种机制的共存证实地球基3D打印的可建造性不能仅凭层数评估，而需在真实打印条件下表征屈服应力演化与弹性模量发展；非稳定化土坯的干燥驱动硬化机制使结构建成速率具有环境敏感性且不可跨打印条件转移，这是当前测试协议尚未充分解决的标准化的根本挑战；所提方法学可转移至其他地理背景下的本地采集土壤，案例研究作为通用筛选与配合比设计协议的示范而非特定场地结果；未来工作应优先在受控干燥条件下系统测量屈服应力演化与弹性模量发展、对所用量纸纤维进行几何与吸湿表征，并将筛选协议扩展至更多地理区域与气候背景的土壤。
