综述：关于将废料和副产品整合到3D混凝土打印（3DCP）中的观点

《CEMENT AND CONCRETE RESEARCH》：Perspectives on waste materials and by-products integration into 3D concrete printing (3DCP)

　　

# 摘要

三维混凝土打印（3DCP）能够实现无需模板的自动化施工，具有更高的几何自由度，并有望减少材料浪费。然而，其环境效益往往受到富含结合剂的配合比设计的限制，后者会增加与熟料相关的二氧化碳排放，从而可能抵消由工艺效率带来的收益。引入废物衍生成分，包括建筑与拆除废物、工业残渣、农业副产品以及精选有机材料，为开发更具资源效率、更低碳的打印水泥基体系提供了一条潜在路径。

本文综述了废物衍生材料在3DCP中的应用，重点关注三个相互关联的性能领域：可打印性、可建造性和功能性性能。废物掺入通过颗粒堆积、吸水、自养护、润滑以及水化动力学变化等机制，改变了关键的新状态参数，包括静屈服应力、动屈服应力、塑性黏度和结构形成速率。多孔材料，如再生混凝土骨料和稻壳灰，可促进结构堆积和水分调节，但也可能降低工作性并缩短可打印窗口。相反，球形颗粒，如粉煤灰，可改善颗粒堆积和流动性，但其效果强烈依赖于替代率、细度和化学相容性。

本综述指出，将废物整合到3DCP中并非天然有益；其成功取决于平衡相互竞争的流变学、力学、耐久性和环境要求。多废物配方可能比单一材料体系提供更大的灵活性，通过组合互补功能，如润滑、自养护和早期结构形成。除新状态行为外，废物衍生材料还可影响层间粘结、热性能，以及新兴应用，如海洋生态结构和永久性免拆模板。最后，本综述强调，加工、预处理和质量控制对于管理异质废物流的变异性至关重要。关键研究需求包括标准化废物表征、材料-工艺耦合设计方法、长期耐久性评估以及基于生命周期的废物集成3DCP体系评估。

# 引言

建筑领域的增材制造，尤其是三维混凝土打印（3DCP），是一项新兴技术，有望重塑混凝土结构的设计与制造方式[1]。与依赖模具或模板的传统浇筑方法不同，3DCP能够直接从数字模型逐层沉积水泥基材料，实现更大的设计灵活性、更少的材料浪费和更高的施工效率[2]。这些优势激发了对自动化施工技术的大量研究和产业兴趣，应用范围从建筑构件到全尺寸结构组件[3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]。该课题的跨学科性质——涵盖材料科学、化学、机器人学、建筑学和结构工程——开辟了多种新的研究可能性。这一点在相关出版物数量呈指数级增长中得到体现。据估计，仅在过去5年内，已有超过3000篇相关文章发表，且数量每年仍在增长。

尽管每年仍有数千篇新文章发表，但在主流化该技术的过程中仍存在若干挑战，其中许多与可持续材料选择、设计标准化、钢筋配置等问题有关[1, 5, 6]。此外，3D打印结构的制造成本高于传统建筑，主要受专用机器人设备的高资本支出和专有的高结合剂材料驱动[7]。然而，随着技术的成熟和规模经济的实现，成本差距将缩小——这一趋势已在欧洲和美国的商业化应用中初现端倪[2, 8]。

实现3DCP独特的性能特征，需要精心设计的配合比，不仅要满足早期性能要求，还要兼顾力学性能和耐久性。传统上，满足早期性能要求（尤其是快速结构堆积）通常通过增加细粉含量和结合剂用量来实现，有时还伴随高熟料比例[5, 7, 9]。这种方法可能与气候减缓目标相冲突，因为它会增加熟料相关的二氧化碳负担。富含结合剂的配方——在3DCP中很常见——所伴随的环境负担相当可观[10, 11, 12]。生命周期评估（LCA）研究表明，虽然3DCP通过消除能耗高的模板和减少钢筋用量，相比预制技术可将排放减少多达64.3%，但可打印混合料本身仍然是全球变暖潜势（GWP）的最大贡献者[13, 14]。正如近期综述所总结的，3DCP产生的二氧化碳排放比同等强度的传统混凝土高出29%[10, 11]。缓解这一影响的主要策略之一是开发和利用低熟料或替代结合剂概念，例如基于矿物掺合料（SCM）的体系和LC3型结合剂，以及在不降低可打印性的前提下减少结合剂需求的配合比优化策略[15, 16]。3DCP实现了几何和拓扑优化。这种结构优化推动了3DCP的碳排放节约。这些几何节约与材料替代节约不同。材料替代策略是对设计驱动的碳减排的补充。

并行地，还有另一个对资源效率尤为重要的关键因素：骨料体系和二次原料的整合。一方面，能够处理更大粒径的打印系统（取决于软管和喷嘴直径及泵送方式），可以增加粗骨料比例，从而可能减少浆体需求[17]。在此背景下，在3D打印混凝土混合料中使用替代材料来替代水泥和骨料，为降低3D打印混凝土的环境影响提供了机会[14, 15, 16, 18]。在这些替代材料中，从废物来源衍生的材料备受关注，它们可以作为结合剂或骨料的替代品，具有双重目的：既减少3D打印中使用的高质量水泥和骨料带来的可持续性影响，又实现废物利用而非填埋[19, 20]。

建筑行业面临着建筑与拆除废物（CDW）不断增多的巨大压力。CDW构成全球固体废物流的主要部分，尽管某些地区的回收率有所提高，但仍有大量废物继续被填埋[19, 20]。在发展中国家的背景下，系统性的低报和非正式的废物管理实践进一步模糊了可回收资源的准确量化[21]。将CDW和其他工业副产品整合到3D打印材料中，提供了双重机会：减少对原生原材料的依赖，同时将废物从填埋场转移出来[22, 23, 24]。然而，成功的实施需要与挤压式打印独特的流变学和可建造性约束相容。单组分（1K）体系需要触变性和屈服应力以保持形状。双组分（2K）体系泵送可流动的基料混合料，由喷嘴注入的加速剂触发化学结构形成。图1总结了这些体系之间的关键结构差异。

除环境效益外，废物衍生材料还可能影响与打印相关的新状态性能。例如，具有显著吸水行为的再生混凝土骨料（RCA）可能影响水分分布，并有助于自养护；粗糙且棱角状的颗粒形态可能改变早期抗变形能力，从而影响表观结构堆积和可建造性[25]。此外，对回收成分的二氧化碳养护和碳化处理也被讨论作为一种互补策略，通过在结构中结合二氧化碳来改善整体二氧化碳平衡。

隧道挖掘、基础工程和城市开挖产生的开挖土方是建筑行业中按质量计最大的废物流之一，然而与其他矿物副产品相比，其利用程度相对较低。岩土材料已经在示范规模上成功实现挤压和3D打印，确认了其技术可打印性，并重新激发了对低碳、最小加工3DCP配方的兴趣。然而，基于土的3D打印专门涉及不同的流变学和稳定化机制，这超出了以水泥和地聚合物基结合剂体系为重点的本综述范围；因此，此处将其标记为一个重要且密切相关的研究方向，而非在后续章节中进行详细分析。

将废物材料整合到3DCP工作流程中，是建筑业循环经济的核心支柱。这涉及用工业副产品（粉煤灰、硅灰、钢渣）、CDW和农业残留物（生物炭、有机纤维）系统性地替代原生组分[22, 26, 27]。这些材料的利用具有关键功能，如将废物从填埋场转移出来并保护天然资源（如河砂）[28]。然而，正如1.4节后续讨论的，废物整合并不能天然保证更低的碳足迹，因为加工能耗、运输以及结合剂需求可能的增加等因素会产生抵消效应。

研究表明，用石灰石煅烧黏土结合剂（LC2）替代40–50%的熟料，可将温室气体排放减少多达50.2%，能耗降低45.2%[16, 29]。同样，使用由碎混凝土或砖块制成的再生细骨料（RFA），可在减少环境足迹的同时维持甚至提升某些性能指标，如隔热性能[16, 30]。

粉煤灰、钢渣、硅灰和大理石粉等工业副产品已经以细粉形态存在，可以直接作为矿物掺合料掺入，通常还能改善流变稳定性和长期强度发展[31, 32, 33]。掺入高达60%替代结合剂的可打印混合料已显示出足够的流变性和28天抗压强度31–55 MPa，同时显著降低了熟料含量[31]。相反，其他废物流，如再生砖骨料（RBA）、RCA、废玻璃和磨碎废轮胎，在使用前需要粒径减小、级配控制或表面处理[34, 35, 36, 37]。在3D打印中掺入高达64%替代率的RBA已被证明可实现可接受的打印性，尽管抗压强度和层间拉伸强度有所降低[38]。最近，含有相变材料（PCM）的真空浸渍RBA表现出了增强的可建造性和相当的力学性能，说明加工后的废物流可以同时提供结构和功能效益[39]。这些材料的整合需要仔细平衡水分需求、颗粒堆积和触变性演化，以保持挤出性和结构稳定性。

除骨料外，废物衍生的结合剂和地聚合物体系正成为低碳可打印材料的前瞻性路径。基于粉煤灰、钢渣、砖废物、废玻璃粉（WGP）和市政固体废物焚烧（MSWI）灰的碱激发体系已用于3D打印应用研究，表明废物衍生前驱体可实现适合的流变和力学性能[40, 41, 42, 43]。例如，WGP已被证明可降低表观黏度和动屈服应力，改善泵送性能，尽管过度替代可能降低抗压强度[44]。用作地聚合物前驱体的砖废物粉提高了早期屈服强度，并将固含能耗和碳排放减少了多达60–80%（与基于普通硅酸盐水泥（OPC）的体系相比）[45]。这些发现表明，无论是最小加工还是加工后的废物流都有潜力为循环3DCP材料设计做出贡献。

除了通过材料替代减少排放外，3DCP还提供了碳封存的机会。由于其空心晶格几何结构和高表面积-体积比，3D打印结构可能在碳化养护或二氧化碳喷射过程中增强二氧化碳的渗入[46]。掺入矿物掺合料和再生骨料进一步减少了固含碳，而二氧化碳养护和混合方法可以加速早期强度发展并提高矿化效率。将这些策略与废物使能设计相结合，强化了3DCP作为材料高效且响应碳的建筑技术的潜力。

与此同时，将RCA等废物材料引入3DCP会带来额外的技术和实践挑战，这些挑战通常比传统浇筑混凝土更为关键[5]。核心问题是变异性：级配、含水状态和化学成分的波动可能严重影响狭窄的可打印窗口。旧水泥石通常具有较高的比表面积和毛细孔隙率，会增加吸水率和浆体需求，从而可能 destabilise 稠度和流变控制。硫酸盐、氯化物和盐类污染引发耐久性担忧，包括膨胀机制、剥落和剥蚀、强度损失，以及在有筋应用中可能存在的腐蚀风险。混合或杂质较多的废物流可能导致颗粒间吸水性和强度行为的异质性，增加离散度并降低鲁棒性。在再生细粉中，部分未水化熟料相的存在可能干扰水化动力学和早期性能演化，这可能是一种风险，但在受控条件下也可能是一个减少结合剂需求的机会。从工艺角度来看，粗糙和破碎的颗粒形态可能损害泵送性能并增加磨损或堵塞的可能性[17]。

最后，由于吸附效应、触变性的改变和凝结行为的修改，与化学外加剂和新型粘结剂系统的相容性可能会发生变化 [47]。这些方面直接转化为更高的质量控制工作、额外的预处理成本以及对区域可用性和运输距离的强烈依赖。尽管废料的选择至关重要，但它们成功整合到 3DCP 系统中在很大程度上取决于适当的处理策略，正如下一节所述。

废料在 3DCP 中的应用根据所需预处理程度进行分类。某些材料，如粉煤灰和某些石泥，经过基本筛分以确保符合打印机的粒径约束后，可以“原样”使用 [28], [48]。然而，许多废料流需要大量处理以激活其潜在的水硬性或火山灰性质。

某些废料材料在掺入 3D 可打印混凝土混合物之前需要机械、化学或热处理。再生混凝土粉（RCP）来源于建筑装修废物（CDW），经过初级和次级破碎，随后细磨以达到所需的粒径。研磨过程是最耗能的阶段，其能耗强度取决于所需的细度。机械活化，如球磨，是处理 RCP 的主要方法。研究表明，60 分钟的球磨对于减小粒径和增加比表面积是最优的，这促进了结晶相向反应性非晶相的转化 [49]。碱激发混凝土 3DCP 通常需要化学活化，其中工业废料如磨细高炉矿渣（GGBFS）与碱性激发剂（硅酸钠）混合形成粘结剂，其抗压强度可达 60 MPa 或更高 [50], [51]。热加工也用于生物炭的生产，其中农业废料在 350°C 至 400°C 的温度下热解，以创建具有增强热性能的稳定碳封存填料 [50], [52]。

然而，这种处理的需要引入了重要的环境和实际权衡。机械研磨能耗高且往往效率低下，大部分输入能量以热的形式耗散，而不是用于颗粒细化 [53]。化学活化，特别是通过硅酸钠或氢氧化钠，可能携带巨大的隐含能耗和碳负担，有时抵消了熟料减少的好处 [54], [55], [56]。同样，热加工如热解需要大量的能量输入，尽管它们可能实现碳封存 [57], [58]。

除了处理本身，运输、变异性和配合比设计调整也带来了额外的抵消因素 [28], [59], [60]。废料通常区域分散，长距离运输可能会抵消可持续性收益。此外，它们的异质性可能需要额外的处理或更高的粘结剂用量以维持可打印性，这会增加总体环境足迹。在某些情况下，掺入处理不佳的废料已被证明会增加水泥需求或外加剂用量，从而抵消预期的可持续性效益。

这些考虑因素表明，废料在 3DCP 中的整合本身并不具有可持续性，而是取决于在性能增益和处理相关影响之间取得平衡。低加工路径，即材料经过最少处理即可使用，通常更有利于减少环境负担，特别是在非结构应用方面。相比之下，高活化方法可能在专用或高性能应用中得到证明，但需要仔细的生命周期评估以确保净效益。

总的来说，3DCP 中废料利用的有效性在于确定最佳加工阈值，即在不产生不成比例的能量、碳或经济成本的情况下，实现足够的反应性和性能。这种平衡对于实现真正循环和可扩展的材料解决方案至关重要。混合组成的异质性加剧了这一挑战。最近的文献强调了粘结剂含量、废料替换率和外加剂用量方面的巨大差异。这些差异加强了废料整合系统标准化报告协议的需求 [61]。

图 2 提供了一个示意图框架，将废料来源与其在 3DCP 中控制流变参数和实现功能性能的作用联系起来。废料流被分为主要类别，包括工业副产品、建筑装修废物（CDW）、玻璃和二氧化硅基粉末、农业和生物基材料以及新兴或未被充分利用的废料来源。这些材料影响关键的新拌状态和性能相关参数，特别是可打印性、可建造性和功能性能。虽然建筑装修废物和工业副产品目前主导实际应用，但生物基和其他新兴废料流正越来越多地被探索，以定制流变行为并引入附加功能。

图 2 中所示的关系突出了材料组成的修改如何转化为不同的应用路径。针对可建造性优化的混合物通常适用于承重结构元件，而优先考虑可打印性的配方则更适用于几何复杂或建筑组件。此外，为特定功能设计的含废料混合物，如热调节或耐久性增强，支持超越传统结构用途的新兴应用。图 2 还确定了几个探索不足的废料流，包括疏浚沉积物、稻壳灰（RHA）、尾矿、塑料废料和可再生能源系统残留物（例如太阳能板衍生的二氧化硅），强调了对其加工要求、流变行为和长期性能进行进一步研究的必要性。

尽管废料在传统混凝土中的使用已被广泛研究，且最近的几篇研究文章和综述（如 [62]）已涉及其在 3DCP 中的应用，但本工作并不旨在就此主题提供系统综述。相反，它专注于综合当前知识，以识别与 3DCP 中废料利用相关的控制机制、挑战和机遇。在此背景下，广泛确立的辅助水泥材料，如粉煤灰和矿渣，不被视为严格意义上的废料，尽管在相关系统响应中引用了其行为。

本综述采用以过程为导向的视角，根据废料材料的来源和所需处理对其进行分类，并研究它们对关键流变参数的影响，包括屈服应力演化、粘度和触变性。特别强调新拌状态行为与硬化状态性能之间耦合，包括可建造性、层间结合、力学各向异性和耐久性。在此框架内，考虑了三个相互关联的性能领域：可打印性，由泵送能力和剪切下的连续挤出稳定性定义；可建造性，指时间相关的结构构建和承载能力；以及功能性能，包括力学、耐久性以及在相关情况下包括热学性质。

本综述的一个核心前提是，3DCP 中的废料掺入涉及固有的权衡。增强结构构建的材料可能会降低工作性，而改善流动性的材料可能会损害早期稳定性或长期性能。因此，本文强调需要一种整体评估方法，考虑各个工艺步骤和材料年龄的要求。

最后，本综述既考虑了当前使用的废料流，如低等级和混合煅烧粘土，也考虑了新兴替代品，包括再生砖粉、废玻璃粉（WGP）、建筑装修废物衍生的细骨料、生物质灰和低碳碱激发前体。由于工业生产的变化，某些地区传统辅助水泥材料（SCM）的可用性正在下降，识别和适应当地可用的废料流以满足 3DCP 的流变和处理需求变得越来越重要 [21], [31]。总之，将废料整合到新拌可打印材料中代表了增材制造、循环经济原则和低碳材料创新的融合。通过批判性地审查最小处理和价值增加的废料流的可打印性、可建造性和长期性能，本综述旨在澄清知识现状，识别研究空白，并概述通向可扩展、循环和高性能 3D 可打印胶凝材料的路径，适用于下一代可持续建筑。本综述将废料流分类为粘结剂、SCM 或骨料替代品。这种分类反映了它们在 3D 打印混凝土中的不同功能角色。

章节片段

流变学与可打印性控制
3DCP 的新拌状态性能由流变参数控制，如静力屈服应力（τs）、动力屈服应力（τd）、塑性粘度（μp），以及包括触变性（Rthix）和结构构建速率（Athix）在内的结构构建参数 [5], [63], [64], [65]。可打印混合物必须表现出低 τd 和 μp 以利于通过输送软管和喷嘴流动，同时保持高 τs 以支撑后续层级的荷载。此外，需要高 Rthix 和 Athix 来

新兴与潜在应用
除了作为传统组分的可持续替代品外，废料衍生材料可以通过其独特的物理和化学特性赋予附加功能，包括低密度、高孔隙率、水分储存能力和热能储存潜力。这些特性已促成 3D 打印混凝土的开发，具有改进的热性能、多功能建筑组件和其他增值应用。本章节

结论与未来方向
将工业、建筑、采矿和农业废料整合到 3DCP 中，既提供了废料增值的策略，也是为数字制造定制流变行为的手段。废料衍生材料通过颗粒堆积、润滑、内部养护和改变水化动力学等机制，影响控制泵送性、挤出性和可建造性的关键参数。
然而，废料掺入的影响高度取决于材料本身

CRediT 作者贡献声明
Vislavath Haripan：撰写——原始草稿，方法论，形式分析，数据整理，概念化。
Sahil Surehali：撰写——原始草稿，方法论，形式分析，数据整理，概念化。
Janitha Migunthanna：撰写——原始草稿，方法论，形式分析，数据整理，概念化。
Silvia Reissig：撰写——原始草稿，方法论，形式分析，数据整理，概念化。
A.V. Rahul：撰写——原始草稿，可视化，方法论，

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报道的工作。

致谢
Silvia Reissig 和 Viktor Mechtcherine 感谢德国研究基金会（DFG, German Research Foundation）在德国卓越战略——EXC 3115 – 533767731 下的资助。
Jianzhuang Xiao 和 Haoran Liu 感谢中国国家自然科学基金（编号：U25A6019）的资助。

Vislavath Haripan|Sahil Surehali|Janitha Migunthanna|Silvia Reissig|A.V. Rahul|Narayanan Neithalath|Adewumi John Babafemi|Gideon van Zijl|Patmanathan Rajeev|Biranchi Panda|Viktor Mechtcherine|Nicolas Roussel|Jianzhuang Xiao|Haoran Liu|Manu Santhanam
印度马德拉斯理工学院 (IIT Madras)，印度