含有替代细骨料的可持续3D打印混凝土:综述

1. 研究背景

随着全球城市化进程的加速，建筑行业对自然资源的需求达到了前所未有的高度。3D打印混凝土（3DPC）作为一种创新的自动化施工技术，因其无需模板、节省材料、设计灵活和施工快速等优点而受到广泛关注。然而，3DPC通常需要大量的细骨料（通常是天然河砂）来保证其优异的流动性和可挤压性。天然砂的大量开采导致了严重的生态破坏和资源短缺，形成了“砂石危机”。

与此同时，工业、矿业和建筑拆除产生的大量废弃物如果处理不当，会造成严重的环境污染。因此，寻找可持续的替代细骨料（AFA）来部分或全部取代3DPC中的天然砂，不仅能降低建筑成本、减少碳足迹，还能实现废弃物的资源化利用。本综述旨在系统评估不同来源的替代细骨料对3D打印混凝土性能的影响，为未来绿色建筑材料的开发提供指导。

2. 研究方法

本文通过对现有文献的系统梳理，将替代细骨料（AFA）根据其来源分为四大类进行深入分析：

1. 工业副产品
   
   包括废旧轮胎橡胶颗粒、废玻璃、钢渣和废塑料等。
2. 矿业废弃物
   
   包括铜尾矿、铁尾矿、锑尾矿和铝土矿残渣。
3. 建筑与拆除废弃物（C&D Waste）
   
   主要是回收混凝土骨料（RCA）和粉末。
4. 其他来源
   
   包括贝壳、沙漠砂（风积砂）等。

研究重点评估了这些替代骨料对3DPC以下关键性能的影响：

• 新拌性能
  
  流变学参数（屈服应力、塑性粘度）、可挤压性（Extrudability）和可建造性（Buildability）。
• 硬化性能
  
  抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度及其各向异性特征。
• 微观结构
  
  通过SEM（扫描电镜）等手段分析界面过渡区（ITZ）的密实度和水化产物。
• 环境评估
  
  通过生命周期评估（LCA）探讨其在减少碳排放方面的潜力。
  

3. 研究结果

3.1 流变学与新拌性能研究表明，替代细骨料的物理性质（如颗粒形状、级配、吸水率和表面纹理）对3DPC的流变性有显著影响。例如，废玻璃颗粒表面光滑且吸水率低，有助于提高浆体的流动性，但如果颗粒呈棱角状则可能增加内部摩擦。橡胶颗粒具有疏水性，过量掺入会降低浆体的粘聚力。**回收混凝土骨料（RCA）**由于具有高孔隙率和高吸水率，通常会显著降低3DPC的工作性，因此往往需要预饱和处理或使用减水剂。在可建造性方面，适量的替代骨料可以提高浆体的屈服应力，使其在打印后能够支撑后续层级的重量而不发生坍塌。

3.3 微观结构与耐久性微观分析显示，替代细骨料与水泥浆体之间的界面过渡区（ITZ）是决定整体性能的关键。废玻璃在碱性环境下可能引发碱-骨料反应（ASR），但细磨后的玻璃粉可发挥火山灰效应，使结构更致密。矿业尾矿通常具有良好的填充效应，能减少内部空隙。

4. 研究结论

本研究得出以下主要结论：

1. 可行性
   
   多种废弃物作为替代细骨料在3D打印混凝土中是完全可行的。通过合理的配比设计，可以获得满足打印要求（挤压性和堆叠性）且具有足够强度的绿色混凝土。
2. 性能权衡
   
   大多数替代骨料（如橡胶、塑料、RCA）虽然对环境友好，但会带来强度或工作性的挑战。未来的研究应侧重于化学外加剂（如流变改性剂）和物理强化（如纤维或纳米材料）的优化组合。
3. 可持续性优势
   
   利用AFA可显著降低碳足迹。例如，使用废玻璃或工业尾矿可以减少对天然砂的开采，同时部分尾矿还具有微弱的火山灰活性，能降低水泥用量。
4. 未来方向