可持续胶凝材料体系用于3D混凝土打印：材料性能、生命周期评价与施工应用综述

《Journal of Natural Fibers》：Sustainable Binder Systems for 3D Concrete Printing: A Review of Material Properties, Life Cycle Assessment, and Construction Applications

　　

本综述探讨了3D混凝土打印（3DCP）在推动可持续建筑方面的新兴作用与未来前景，其途径包括提升资源利用效率、加速施工、优化设计以及减少材料浪费。尽管具备这些优势，3DCP通常需要较高的水泥用量和化学外加剂，以实现足够的可打印性和层间粘结，进而导致温室气体排放增加和生产成本上升。本综述批判性评估了补充胶凝材料（SCMs），包括粉煤灰、粒化高炉矿渣、硅灰和偏高岭土，以及替代性胶凝材料，如碱激发材料、地聚合物、氧化镁水泥、石膏基胶凝材料和石灰石煅烧黏土。全面评估了它们对流变性能、可打印性、可泵送性、可建造性、力学性能、层间粘结、养护行为和收缩的影响。生命周期评价（LCA）结果表明，这些可持续胶凝材料体系可显著降低3DCP的全球变暖潜势，尽管在能源消耗和资源利用方面仍存在挑战。本综述提供了一项综合评估，将胶凝材料组成、微观结构演变、新拌与硬化态性能、环境性能以及施工规模适用性联系起来，为建筑增材制造中低碳高性能材料的开发提供了宝贵见解。

**引言（Introduction）**
3D混凝土打印（3DCP）作为建筑领域的一种增材制造技术，通过计算机控制逐层沉积水泥基材料，无需模板且可制造复杂几何形状，从而减少材料浪费和劳动力依赖。然而，可打印混合物为获得适宜流变特性和层间粘结，通常需要比传统混凝土高1.5–2倍的水泥用量，导致碳排放和生产成本增加。为此，采用补充胶凝材料（SCMs）和替代性粘结剂成为提升可持续性的关键途径。已有综述多聚焦单一领域，缺乏从粘结剂化学到施工应用的综合视角。本综述旨在建立粘结剂组成与流变行为、泵送性、挤出性、可建造性、养护、收缩、微观结构发展、力学性能、层间粘结及生命周期环境表现之间的跨尺度联系。

**补充胶凝材料（Supplementary cementitious materials）**
**粉煤灰（Fly ash）**
粉煤灰的颗粒尺寸、形貌和表面特性显著影响新拌浆体的屈服应力和粘度。超细粉煤灰可降低3D打印混凝土早期屈服应力和塑性粘度，而较高粉煤灰/粘结剂比对屈服应力的影响存在矛盾结果，归因于颗粒吸水性与堆积效应的差异。粉煤灰可提高材料堆积密度，但F类与C类粉煤灰对塑性粘度的影响不同，且较宽的粒径分布有利于改善流动性。稀释效应减少了水泥颗粒间絮凝，从而影响打印性能。

**硅灰（Silica fume）**
硅灰细小、球形且比表面积高，可增加堆积密度和粘结强度，但需更多水和减水剂。适量（如2.5%）硅灰可提高屈服应力和结构重建速率，并赋予优异触变恢复能力，适合3D打印；但超过5%会导致屈服应力过高，破坏挤出过程。10%硅灰改性混合物能将打印层高变形率降至6.7%，并在无畸变情况下稳定打印五层试件。

**矿渣（Slags）**
磨细粒化高炉矿渣（GGBS）具有高火山灰活性和微填充效应，能改善和易性，降低塑性粘度和屈服应力。但其高比表面积和化学活性会增加水和减水剂需求。钢渣、铜渣、铁基矿渣等也被研究用于3DCP，不同矿渣对打印性能的影响受粒度、反应性和掺量控制。

**偏高岭土（Metakaolin）**
偏高岭土粒径约1–2μm，比水泥和粉煤灰细但比硅灰粗。它能提高浆体塑性粘度和屈服应力，增强可打印性但降低可建造性，同时延长初凝时间，改善泵送性。研究表明，偏高岭土可提高混凝土密度和强度，但需平衡其与外加剂的相容性。

**稻壳灰（Rice husk ash）**
稻壳灰为F类火山灰，富含SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃，其多孔结构和强吸水能力影响新拌性能。用20%稻壳灰替代水泥可改善砂浆流动性和力学性能，但替代比例和粒径限制需严格控制。碱处理可缓解其延缓水化的负面影响。

**其他胶凝材料（Other cementitious material）**
甘蔗渣灰（SCBA）可用于部分替代水泥，但替代率超过30%会降低强度，需提高水灰比改善流动性。石灰石粉作为填料，其细度和掺量影响屈服应力和粘度：超细石灰石增加需水量和摩擦力，而适量掺入可改善和易性。石灰石常与煅烧黏土、硅灰、矿渣或粉煤灰组成三元体系用于3D打印。

**使用SCMs的3DCP微观结构特性（Microstructural properties using SCMs in 3DCP）**
SCMs通过火山灰反应生成额外水化硅酸钙（C-S-H），致密化基体，降低孔隙率，提高抗渗性和耐久性。SEM和XRD分析显示，硅灰等矿物掺合料可减少层间微裂纹宽度，改善层间粘结。与模具浇筑相比，3D打印因无振动导致气泡滞留，且打印头高速运动可能卷入空气，形成更多孔隙，降低材料密度和力学性能。GGBS提高工作性和挤出性，粉煤灰降低水化热并提高长期强度，偏高岭土增强塑性粘度和屈服应力，硅灰改善孔隙结构。

**替代胶凝材料（Alternative binders）**
**地聚合物胶凝材料（Geopolymer binder）**
地聚合物和碱激发材料由铝硅酸盐前驱体（如偏高岭土、粉煤灰、矿渣）与碱性激活剂反应生成三维网络结构，具有快硬、高抗氯离子渗透和耐酸腐蚀性能。其形成过程包括解聚、单体重排和缩聚。在3D打印中，地聚合物具有快速结构重建和良好粘度恢复能力，但打印窗口受粉煤灰/矿渣比、激活剂模数和碱浓度影响。

**硫铝酸钙水泥（Calcium sulphoaluminate (CSA) cement）**
CSA水泥的烧成温度比OPC低约200℃，CO₂排放减少约49%，能耗和磨机功耗更低。其水化快、早强高，有利于打印高层构件，但开放时间短，对打印中断敏感。性能取决于CSA/OPC比例及偏高岭土、羟丙基甲基纤维素等改性剂的使用。

**石灰石煅烧黏土水泥（Limestone-calcined clay cement）**
煅烧黏土（CC）具有高火山灰活性，与石灰石粉协同使用可改善可建造性、早期刚度和层间粘结。但高替代率可能降低流动性和强度，并增加挤出压力和夹气量。其实际表现高度依赖黏土中的高岭石含量和细度，需进行原材料表征和配合比调整。

**其他胶凝材料（Other binders）**
活性氧化镁水泥（RMC）由菱镁矿低温（650–800℃）煅烧制得，碳化养护时可吸收CO₂并形成含水碳酸镁，具有潜在可回收性。纯RMC浆体可建造性差，添加3%高活性MgO可显著改善。磷酸镁水泥（MPC）也已成功用于小规模打印，但成本较高。RMC-SiO₂体系通过形成硅酸镁水化物（M-S-H），在60秒内恢复70–80%粘度，适合3D打印。

**使用替代胶凝材料的微观结构特性（Microstructural properties using alternative binders）**
碱激发材料和地聚合物形成致密凝胶结构，低孔隙率，高强度和耐久性；镁基粘结剂形成细晶体网络，提供高早期强度；CSA水泥改善抗收缩和抗裂性能。SEM分析显示，高碱水泥与粉煤灰混合的试件微观结构密实，无明显微裂纹和孔隙，而掺矿渣的试件孔隙较多。地聚合物中添加纳米石墨片（NGPs）可桥接裂纹，吸收能量，将抗弯强度提高46%。

**替代胶凝材料的批判性比较与实际适用性（Critical comparison and practical applicability of alternative binders）**
地聚合物/碱激发材料具有最高的水泥替代潜力，但激活剂的生产和操作增加能耗与质量控制难度；CSA体系早强快硬，但需严格控制开放时间；LC3更贴近现有水泥生产工艺，但依赖黏土质量；RMC具有碳化固碳和循环利用潜力，但需特殊养护条件。目前没有一种替代粘结剂普适最优，需根据打印条件、构件要求和供应链选择。石膏基粘结剂因缺乏足够的3DCP证据，其结构适用性难以可靠评估。

**3DCP的生命周期评价（Life cycle assessment of 3DCP）**
LCA结果受系统边界、功能单位、电力结构、运输距离和影响评价方法影响。各研究发现3D打印混凝土可降低全球变暖潜势和化石燃料消耗，但也可能增加酸化和资源耗竭影响。例如，某研究显示单位抗压强度下能耗、GWP和富营养化分别降低55%、77%和53%，但单位体积酸化潜力增加30%。打印耗电、硅酸钠生产和运输是主要环境热点。仅关注GWP可能掩盖负担转移，需综合多指标评价。

**3DCP在大型项目中的应用（Application of 3DCP in large-scale projects）**
3DCP已在军事掩体、人行桥、建筑墙体和多层房屋中展示其效率。例如，某军用掩体仅用36小时打印完成；河北工业大学建成18米单跨3D打印混凝土拱桥；还有获吉尼斯世界纪录的3D打印步行桥。相比传统施工，3DCP显著缩短工期、减少人工，并支持复杂几何形态的快速建造。

**未来建议（Future recommendations）**
未来研究应开发兼具泵送性、可挤出性、可建造性、层间粘结、尺寸稳定性、强度、耐久性和环境性能的可持续粘结剂体系。需建立测量流变、结构重建、开放时间、收缩、各向异性和层间强度的标准化方法。还应开展足尺打印试验，研究高温行为、再生聚合物纤维和结构轻质混凝土的适用性。同时应结合多目标优化、实时监测、生命周期评价和全生命周期成本分析，推动从实验室研究成果向符合规范的实际工程转化。

**结论（Conclusion）**
本综述表明，3D打印混凝土的可持续粘结剂选择需在流变稳定性、泵送性、挤出性、可建造性、力学性能、层间完整性、耐久性和环境影响之间取得平衡。粉煤灰、矿渣、硅灰、偏高岭土、农业灰渣、碱激发材料、CSA水泥、LC3和MgO基体系各具优势，但无一适用于所有打印条件和结构应用。复掺体系通常最具潜力，可通过组分调控平衡开放时间、结构发展、强度增长、尺寸稳定性和熟料减量。环境效益取决于激活剂生产、运输、增强方案、打印能耗及评价边界，需通过标准化测试、透明报告和协调化的LCA实现可靠比较。可持续粘结剂体系应作为材料–工艺–结构一体化解决方案来开发，而非仅以水泥替代率或抗压强度作为单一评价指标。