综述：3D打印混凝土中的固体废物利用：关于其打印性、力学性能、耐久性及可持续性的综述

《Journal of Building Engineering》：Solid Waste Valorization in 3D Printed Concrete: A Review of Printability, Mechanical Performance, Durability, and Sustainability

　　

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  本文探讨了决定混凝土流变性能、可施工性及力学性能的关键机制。
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  明确了不同固体废物在改善混凝土新鲜状态及硬化后性能方面的独特作用。
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  阐述了多类固体废物对材料性能的协同作用。
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  当前面临的挑战是如何在废料含量较高的情况下，依然实现高性能且可持续的3D打印混凝土。

引言

固体废物积累这一全球性环境问题源于工业、建筑、农业及城市活动等多个领域。这些废物主要通过填埋处理，而这会导致大量土地被占用、间接产生二氧化碳排放、地下水污染以及土壤质量下降。此外，废料的运输还会进一步增加温室气体排放和环境负担，其环境影响在很大程度上取决于运输距离和运输方式[1]。飞灰、矿渣、硅灰等工业废物，混凝土碎块、砖块、瓷砖等建筑废物，以及稻壳灰、棕榈油燃料灰等农业废物，都是造成这一问题的主要因素[2]。现有的处理方法无法有效实现资源利用，因此迫切需要技术创新来推动循环经济模式的发展。作为一项紧迫的全球性环境问题，固体废物的积累主要体现在三个方面：产生的量巨大、处理难度高，以及资源利用率低。随着工业化和城市化的快速发展，包括飞灰、钢渣、铜渣在内的各类工业固体废物的产生量也在不断上升。例如，全球的燃煤发电厂每年大约会产生6亿吨飞灰。传统的填埋方式不仅会占用土地，还可能导致重金属渗入地下水，造成污染。此外，尽管3D打印混凝土等新兴技术为固体废物回收提供了新的途径，但由于技术成熟度和成本方面的限制，其实际利用率还不到30%[3]。

3D打印混凝土技术凭借其高效、经济且环保的优势，正在推动建筑行业的创新发展。如图1（a–c）所示，从施工效率来看，这项技术通过自动化施工实现了显著提升[4]。例如，一座单层住宅只需24小时即可建成，相比传统施工方法时间缩短了约三分之二。此外，这种施工方式无需模板支撑，大大简化了施工流程。降低成本也是3D打印混凝土的另一个显著优势。由于无需模板且劳动力需求减少，施工成本可降低35%至78%，而劳动力成本则可能降低60%。以中国企业为例，建造400平方英尺的住宅仅需1万美元左右。在材料应用方面，3D打印混凝土技术可使用多种水泥基材料，包括普通波特兰水泥、再生骨料以及地质聚合物。值得注意的是，使用再生骨料可将建筑废料的利用率提高到30%至60%，而地质聚合物由于具有低温制备的特点，可减少约40%的碳排放。这项技术所带来的环境效益十分显著：它能够将用水量减少20%，全球能源消耗降低5%。通过精确控制材料沉积，还能将施工废物减少30%至86%。同时，与传统施工方法相比，其整个建筑生命周期内的碳排放也可降低40%。此外，3D打印混凝土还具有很高的设计灵活性，能够实现复杂几何结构的整体成型。借助机械臂或龙门系统，甚至可以在现场打印多层建筑，迪拜的一座6层办公楼便是此类应用的实例。尽管在优化材料比例和加强层间粘结等方面还存在一些挑战，但3D打印混凝土在灾后应急住房建设及太空建筑等特定场景中展现了独特的价值。它的诸多优势为实现可持续建筑目标提供了重要的技术路径[5]、[6]、[7]。

将固体废物纳入3D打印混凝土中，已成为实现低碳建筑目标的重要技术策略。近期研究强调了工业固体废物（如飞灰、硅灰、矿渣）、农业固体废物（如稻壳灰、棕榈油燃料灰），以及建筑和拆除废物（如再生骨料、废玻璃）的协同利用价值[2]、[8]、[9]。飞灰因其球形颗粒的特性，能够降低浆体的摩擦力，从而提高其挤出性能。硅灰具有较高的比表面积，能有效提升混凝土的触变性和静态屈服应力，进而改善其可施工性。钢渣和铜渣等矿渣则可以优化颗粒级配，替代天然骨料，而且其可控的水化热释放特性有助于避免早期开裂现象。农业废物中的稻壳灰由于其多孔结构，能够调节混凝土的流变性能。目前，将固体废物作为水泥基组分用于3D打印混凝土正是研究的热点方向。

本文综述了固体废物在3D打印混凝土中的应用研究进展。文中系统阐述了相关材料的性能特点，包括工作性能、力学性能以及功能属性。同时，还指出了未来在该领域的研究目标和方向，为进一步拓展其应用奠定了理论基础。总体而言，本文对固体废物在3D打印混凝土中的应用进行了全面分析。如图2所示，该综述的整体框架总结了固体废物在3D打印混凝土中的应用路径，涵盖了从固体废物来源与预处理，到混合料设计及打印工艺的各个主要阶段。此外，还分析了固体废物对3D打印混凝土的新鲜状态性能、硬化后性能以及可持续性表现的影响。通过梳理材料特性与工程性能之间的关联，本文总结了当前的研究进展，并指出了未来基于固体废物的3D打印混凝土可持续发展所需的研究方向。

章节要点

固体废物材料的类型与特性

固体废物的积累已成为全球性的环境问题，每年的排放量超过20亿吨。天然骨料的开采和加工会对环境造成影响，而利用固体废物制成的骨料不仅可以减少固体废物的堆积，还能降低对天然骨料的需求。根据来源和预期用途，这些固体废物可大致分为几类。在本节中，主要讨论的是再生骨料

简要介绍

3D打印混凝土的可操作性是一个专门的概念，通常被称为“打印性”。这一概念是衡量混凝土打印性能的综合指标，涵盖了三个关键要素：泵送性、挤出性以及可施工性[47]、[48]、[49]。泵送性指的是新鲜混凝土通过输送系统从搅拌机输送到打印头的过程中，不会出现堵塞、离析或过度阻力现象的能力

经济可持续性

基于固体废物的3D打印混凝土的经济可持续性，主要取决于材料成本节约、加工费用以及施工效率之间的平衡。与传统混凝土生产相比，利用固体废物可以减少对原生原材料的消耗，提高资源利用效率，从而兼顾经济效益与环境效益。

在将固体废物纳入3D打印混凝土时，经济

前景展望

结合本综述中发现的研发缺口、关键挑战以及发展趋势，本文提出了以下基于固体废物的3D打印混凝土的未来研究方向。

• (1)
  基于机理的混合料设计及智能优化：建立固体废物特性、流变行为、打印性、力学性能以及耐久性之间的定量关系，开发整合材料数据库、流变学信息的智能配比系统

结论

将固体废物纳入3D打印混凝土，为减少水泥用量、推动资源回收利用以及提升建筑材料的可持续性提供了有效途径。通过对本领域现有研究的总结，可得出以下结论。

• (1)
  固体废物凭借其物理和化学特性，会对3D打印混凝土的打印性产生显著影响。飞灰和废玻璃通常可以通过降低内部

作者贡献说明

杨天勇：负责原文撰写——初稿撰写，数据整理工作。刘超：负责监督工作，协调资源，管理项目进度，争取资金支持。朱超：负责原文撰写——审阅与编辑，同时承担监督、资源协调及项目管理工作。赵楠：负责原文撰写——审阅与编辑，以及项目管理工作

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

作者衷心感谢中国国家自然科学基金（项目编号：52508304、62276207）、陕西省自然科学基础研究计划（项目编号：2025JC-YBMS-550），以及西安科协青年人才扶持计划（项目编号：959202413062）提供的资金支持。同时，也感谢匿名审稿人提出的宝贵意见与建议。

朱超|杨天勇|刘超|赵楠