综述：3D打印技术对气候变化的贡献：材料影响与工艺影响之间的权衡及其对几何形状的依赖性

《CEMENT AND CONCRETE RESEARCH》：Climate change contribution of 3D printing technologies: the trade-off between material and process impacts and its dependency on geometry

　　

摘要

三维混凝土打印（3DCP）在建筑行业中引发了重大的可持续性期望，然而，对其环境影响进行稳健的生命周期评估（LCA）以及证实环境效益的证据仍然十分匮乏。本文聚焦于从三个相互关联的维度——可打印材料、打印工艺和打印几何形态——来评估该技术对气候变化的贡献，以弥补这一空白。

在材料层面，在指出学术文献中可打印配合料的水泥利用率低且碳排放强度异常高的问题并不代表在经济约束下具有商业可行性的可打印材料实际情况之后，我们讨论了化学加速策略、粒径、多分散性优化和替代胶凝材料等如何为进一步的脱碳提供途径。

在工艺层面，打印操作本身的气候变化影响被证明是显著的，根据系统配置不同，每立方米可贡献总影响的5%–50%。这使得通过几何优化实现的材料用量节省成为展现净环境效益的必要条件，而非可选项。

最后，在打印几何形态层面，我们展示了所谓的"皮肤打印"——即利用三维打印的外壳作为免拆模板，为低碳浇筑的内芯提供耐久性保护层——作为一种特别有前景的策略。这一特定方法通过利用3DCP带来的材料节省与工艺本身的环境负担之间的平衡，有可能与低碳混凝土的标准浇筑方式相竞争，并为混凝土结构构件的气候变化贡献的进一步降低提供潜力。

引言

近年来，三维混凝土打印（3DCP）作为一种变革性技术在建筑行业中崭露头角，在生产力、设计自由度和环境影响三个关键维度上引发了巨大期望。虽然全球试点项目已证明其生产力提升，建筑创新结构也展示了其设计自由度，但3DCP的环境潜力，尤其是在气候变化减缓方面，仍然缺乏记录和验证。这种期望与基于证据的环境评估之间的定量差距之所以持续存在，是因为对于像3DCP这样多样且快速演进的技术进行通用但全面的生命周期评估（LCA）存在固有挑战[1], [2], [3], [4], [5]。

从本质上讲，LCA是一种功能分析，评估满足特定社会需求的产品或服务的环境影响。然而，3DCP涵盖了广泛的应用范围和应用策略，其中许多仍处于探索阶段，学术界、设计界和工业界正在推动技术与经济可行性的边界。如果不能明确界定3DCP旨在实现的建设功能，通用的从摇篮到坟墓的LCA将难以实现。在此有必要提醒，从摇篮到坟墓的评估被定义为对产品生命周期每个阶段的环境影响进行评估，从自然资源的开采到产品的最终处置。因此，它需要明确界定LCA对象预期实现的功能。从摇篮到坟墓的LCA的结论仅适用于特定对象（例如，适用于住宅应用、跨度6米、使用寿命50年的梁），并不能提供关于生命周期某一特定步骤环境贡献的通用信息。

除了这种功能性模糊之外，额外的方法论障碍使环境评估更加复杂。例如，学术文献中报告的可打印材料表现出高度异质性的配合设计[6]，但它们往往存在两个值得关注的特征：由于主要是砂浆而非混凝土，它们含有高比例的粉末，并包含较高含量的波特兰熟料。从环境角度来看，后者尤其令人担忧，因为熟料生产具有高碳足迹。此外，配合设计的多样性提出了关于每单位体积环境冲击值代表性的关键问题，因为组分变化可能导致隐含碳和其他影响指标出现显著差异。

另一个关键考量是打印过程本身的环境影响。与传统的浇筑工艺不同——后者仅依靠重力即可实现混凝土浇筑——3DCP依赖精密且耗能的大型机械，将材料逐层精确挤出和沉积。这种材料加工范式的转变引入了新的、尚未充分探索的环境权衡。例如，使用传统方法浇筑1 m3混凝土可在几分钟内完成，而三维打印相同体积的材料——通常涉及挤出长度可能达数百米的细丝——却可能需要数小时。这一差异凸显了对3DCP的能耗和运营影响进行量化的必要性，这些因素可能会抵消通过该技术提供的几何优化所实现的材料节省。最后，先进打印设备本身的制造也可能对3DCP的隐含环境影响有所贡献。虽然标准浇筑设备的隐含影响通常被认为是可以忽略不计的，相对于它所处理的混凝土的影响（即使在泵送系统的情况下）[7], [8]，但这一假设对于3DCP系统不能先验成立。

在这一复杂且不断演变的格局中，本综述论文旨在解决以下两个关键目标：

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  深化对可打印材料环境影响的理解，包括其来源、驱动参数及未来改进潜力。这涉及识别能够代表未来市场实践的典型影响值，并讨论降低隐含碳的杠杆，如针对可打印性要求的化学策略、粒径、堆积优化和替代胶凝材料。
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  分析和讨论打印工艺特定的环境影响，重点关注这些影响如何随几何形态、打印参数和打印策略而扩展。这包括探索优化策略，以最小化材料、能耗以及更广泛的运营排放。

后一个目标显然意味着采用从摇篮到大门（cradle-to-gate）的系统边界——而非标准LCA通常采用的从摇篮到坟墓（cradle-to-grave）方法——从而避免考虑打印对象的使用功能角色。因此，通过仅关注材料、工艺和几何形态，本文间接假设所有其他性能（如强度和耐久性）和所有其他要求（如结构安全和使用寿命）均保持不变。

章节摘要

配合设计与气候变化影响趋势：学术界与工业界之间的差距

为开启我们的讨论，我们在图1中绘制了28天抗压强度（包括浇筑和打印试样）与水泥含量的关系曲线，数据来源于从337篇参考文献中收集的1149种3DPC配合料数据集[6], [6A], [7], [9]。此处"水泥"指代任何符合ASTM定义的商用水泥[10]。需要注意的是，图1中使用的绝大多数数据源自学术文献。

值得注意的是，56%的数据（如图1中区域I所示）表现出水泥

不完整的图景，但一个明显的关键问题

在增材制造（AM）生命周期评估的更广泛文献中，一项跨行业的比较研究清楚地表明，经过增材制造工艺的产品往往比其传统制造 counterparts 具有更低的全球变暖潜值[41]。然而，这些比较结果中存在相当大的分散性，这显然与许多先进制造技术仍处于早期发展阶段有关

皮肤打印作为功能重新分配的一个实例

如引言中所述，三维打印使得重新思考建筑行业中传统上分配给单一材料（即波特兰水泥基混凝土）的功能分配成为可能。一个主要实例是免拆模板的典型生产，其中结构混凝土元件的造型要求被转移到打印部件上。这种方法不仅简化了施工，允许优化结构设计，而且还减轻了压力

结论

本研究通过考察3D混凝土打印的材料、工艺和几何形态三个维度，并初步讨论了一些前景和有望的路径，对3D混凝土打印的气候变化贡献评估问题进行了研究。

在材料层面，尽管现有3D混凝土打印配合料存在多样性，但学术文献中的当前配合料往往表现出较高的水泥低效利用率，因此每立方米的气候变化影响令人担忧，而预期具有

CRediT作者贡献声明

Kateryna Kuzmenko：写作–初稿撰写，调查研究。Sean Monkman：写作–初稿撰写，可视化，调查研究。Romain Mesnil：写作–初稿撰写，可视化，调查研究。Nicolas Ducoulombier：写作–初稿撰写，可视化，调查研究。Laura Caneda Martinez：写作–初稿撰写，调查研究。Clémentine Delattaignant：写作–审稿与编辑。Adelaide Feraille：写作–审稿与编辑。Guillaume Habert：写作–初稿撰写，

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：鉴于Laura Caneda Martínez担任主编的角色，她没有参与本文的同行评审，也无法获取有关其同行评审的信息。本文的编辑过程全部委托给另一位期刊编辑负责。所有其他作者声明不存在已知的竞争性财务利益或

Kateryna Kuzmenko|Sean Monkman|Romain Mesnil|Nicolas Ducoulombier|Laura Caneda Martinez|Clémentine Delattaignant|Adelaide Feraille|Guillaume Habert|Nicolas Roussel

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