固废3D打印混凝土性能及经济效益分析研究

摘要：将固废材料与3D打印技术相结合，实现固废混凝土的循环利用。首先分析原材料性能特性，探究固废再生砂生产工艺。然后进行相关配合比设计，以黏度、初凝时间、抗压强度等性能来表征建造性能，研究了水胶比、再生砂取代率及纤维用量对其力学性能的影响规律。结果表明：配合比采用水胶比0.37，再生砂含量100%，纤维用量0.5%。最终通过分析生产过程中的碳排放量和经济成本，对比与普通浇筑工艺的差异，提出后续3D打印混凝土的研究问题，为交通行业循环经济的可行性奠定基础。

关键词：固体废弃物3D打印碳排放原材料

中图分类号：F250

ResearchonthePerformanceandEconomicBenefitAnalysisofSolidWaste3DPrintingConcrete

ZHANGYunliang

ChangzhouHighwayDevelopmentCenter，Changzhou，JiangsuProvince，213000China

Abstract：Thisarticlecombinessolidwastematerialswith3Dprintingtechnologytoachievetherecyclingofsolidwasteconcrete.Firstly，analyzetheperformancecharacteristicsofrawmaterialsandexploretheproductionprocessofsolidwasterecycledsand.Then，relevantmixdesign ;wascarriedouttocharacterizetheconstructionperformancebasedonpropertiessuchasviscosity，initialsettingtime，andcompressivestrength.Theinfluenceofwatercementratio，recycledsandreplacementrate，andfiberdosageonitsmechanicalpropertieswasstudied.Theresultsshowthatthewatercementratiois0.37，therecycledsandcontentis100%，andthefiberdosageis0.5%.Finally，byanalyzingthecarbonemissionsandeconomiccostsduringtheproductionprocess，comparingthedifferenceswithordinarypouringprocesses，researchquestionsonsubsequent3Dprintedconcreteareproposed，layingthefoundationforthefeasibilityofcirculareconomyinthetransportationindustry.

KeyWords：Solidwaste;3Dprinting;Carbonemissions;Rawmaterial

3D打印技术作为第三次工业革命的标志已被广泛运用到工程领域，不仅显著减少了人力、材料和施工机械的需求，还有效压缩了建设周期，提升了工作效率，从而在建筑的全寿命周期内实现了对碳排放的有效控制。针对我国建筑垃圾数量庞大、固体废弃物污染严重以及附加利用价值低的问题，将固废材料与3D打印技术相结合。通过3D打印技术，实现了废弃混凝土的高效循环利用，并获得了固废3D打印混凝土的设计方法和减碳分析，为行业推动碳达峰、碳中和提供理论技术支撑。

1原材料性能特性

1.1材料来源

本文固废3D打印混凝土用原材料包括水泥、矿物掺合料（粉煤灰、硅粉、矿粉[1]）、再生砂、纤维等材料。其中再生砂选用常州市厚余养护工区提升改造工程的废弃混凝土，经过分选、破碎、除粉的工艺，得到再生砂作为填充材料。纤维采用聚丙烯纤维，因其具有高延性，有利于延缓3D打印混凝土早期开裂，减少干燥收缩的问题。

1.2固废再生砂生产工艺

固废再生砂生产分三步：分选、破碎、除粉，其工艺流程见图1所示。首先收集建筑垃圾去杂质（钢筋、木材和塑料等），分选混凝土，再循环破碎筛分砂，最后对砂除粉确保高纯度。

再生砂的生产过程中会产生10%～20%的石粉，一般采用干法和湿法两种除尘工艺[2]。综合对比干湿法的生产工艺、原材料要求、环保性和经济性，最终选择干法分级机除粉工艺，其对再生砂的级配影响较小。

2固废3D打印混凝土性能分析

2.1配合比

本文采用正交试验设计，研究水胶比、再生砂取代率和纤维含量对打印混凝土性质的影响，预试验分析自变量对材料黏度、凝结时间、抗压强度、抗折强度及干燥收缩率的影响。拟定的配合比见表1所示，其中纤维用量为纤维占再生混合料中水泥用量的百分比，水泥、硅灰、矿渣微粉共同组成了水胶比中的胶体[3]。

2.2性能分析

2.2.1试验方法

（1）考虑到3D打印混凝土的自身特性，本文采用十字剪切板试验评价其建造性能，记录混凝土在受到剪切力时的不排水抗剪强度和灵敏度；（2）对其工作性能的评价采用灌入阻力法，测定3D打印混凝土的初凝时间；（3）3D打印在三维方向上的强度存在差异性，因此在评估混合料抗压、抗折强度时，采用S方向作为抗压试验荷载施加方向，T方向作为抗折试验荷载施加方向；（4）采用水泥胶砂收缩试验评价干缩与抗裂性能，表征混合料的干缩率，测试不同养护条件下，试块长度和质量变化。

2.2.2试验结果分析

按照上述方案完成了9组试验，相应的结果如表2所示。

黏度分析显示，水胶比0.35时，3D打印混凝土黏度较高。随着水胶比增大、再生砂和纤维用量减少，黏度降低。但黏度过大不利，6000MPa·s时挤出性和建造性最佳[4]。推荐配比如下：水胶比0.37，再生砂含量30%，纤维用量0.3%；或水胶比0.37，再生砂含量100%，纤维用量0.5%。

初凝时间分析显示，水胶比、再生砂、纤维用量增加均延长初凝时间，水胶比影响最显著。从试验结果看，较适宜的配合比方案为：水胶比0.37，再生砂含量30%，纤维用量0.3%；或水胶比0.37，再生砂含量70%，纤维用量0.4%。

抗压强度分析表明，水胶比对强度影响最大，再生砂次之，纤维影响最小。水胶比与纤维用量负相关，再生砂正相关。水胶比0.37时，28d抗压强度最高。推荐配比如下：水胶比0.37，再生砂含量70%，纤维用量0.4%；或水胶比0.37，再生砂含量100%，纤维用量0.5%。

抗折强度分析表明，三因素对抗折强度的影响程度由高到低为：水胶比＞再生砂含量＞纤维用量，其中纤维用量没有明显的影响，水胶比和再生砂含量影响程度呈负相关。最佳配合比掺量为水胶比0.37，再生砂含量100%，纤维用量0.5%。

干燥收缩率分析，水胶比增大或纤维用量减少，干缩率增加，水胶比影响显著，再生砂影响小。最佳配合比为水胶比0.37，再生砂100%，纤维0.5%。

综合各项性能，最终确定最佳配合比为：水胶比0.37、再生砂100%、纤维0.5%，此配比下3D打印混凝土性能优异。

3经济效益分析

3.1碳排放分析

本文以混凝土生产阶段的碳排放为例，计算3D打印混凝土在单位配合比下的原材料生产过程碳排放。与传统浇筑工艺相比，3D打印混凝土在拌和过程中减少了人力与模板需求。研究确定各材料的碳排放因子，其中水泥、粉煤灰、硅粉、自来水、再生砂、纤维、外加剂的碳排放因子分别为735、19.1、14、0.17、3.68、1.03、1.064kgCO2e/t，计算结果显示3D打印混凝土原材料生产阶段碳排放为7.723kgCO2e，较传统工艺[5]高出3.8%，主要源于水泥的高碳排放因子。未来研究应减少水泥用量，提升骨料比例，并利用当地固体废弃物等原材料，确保性能稳定，实现更环保高效的3D打印混凝土生产。

3.2经济性分析

将固体废弃物应用到3D打印混凝土技术中，减少了固体废弃物运输、填埋或堆砌的费用，约60元/m3；相比购买天然集料制备的混凝土，利用固体废弃物作为原材料，可节约原材料的采购费用约250元/t；相比传统混凝土浇筑施工，3D打印无须立模，减少了模板安装、拆卸以及人员费用，可达40%。因此，经济效益显著。

4结语

固废3D打印混凝土具有降低人工成本、缩短建设周期、节能减排等多项优势。本文以常州市厚余养护工区提升改造过程中产生的废弃混凝土为研究对象，通过分选、破碎和除粉，制备出适用于3D打印的再生砂。系统研究水胶比、再生砂取代率和纤维用量对混凝土性能影响，进行相关室内试验，确定最佳配合比为：水胶比0.37，再生砂含量100%，纤维用量0.5%。进一步探究原材料生产阶段的碳排放量和经济效益，相较于传统浇筑工艺，增加了3.8%碳排放量，减少了固废处理费用约60元/m3，节约原材料采购费用250元/t，节约人员费用40%。建议后续研究考虑减少水泥的掺量，因地制宜选择固体废弃物，以期提升3D打印混凝土的经济、环保效益。

参考文献

[1]李正垣，聂良鹏，邓爱民，等.不同制备条件对活性粉末混凝土开裂抗折强度的影响[J].中国科技信息，2022（21）：64-66.

[2]杨医博，张毅，谭世霖，等.废弃混凝土制全再生细骨料在高强混凝土中的试验研究[J].建筑科学，2019，35（11）：46-53.

[3]刘海宝.纳米材料对再生混凝土界面区微结构及其性能的影响[D].青岛：青岛理工大学，2023.

[4]曾玄，王力扬.固废再生混凝土3D打印配合比试验设计研究[J].工程技术研究，2023，8（3）：105-107.

[5]张云升，陈逸东，刘诚.含粗骨料3D打印混凝土可打印、力学、收缩性能与碳排放分析[J].硅酸盐学报，2023，51（9）：2153-2165.