文献精读
Cement Concrete Res. ：混凝土数字化制造的可持续性
背景介绍
过去数年中，混凝土数字化制造领域取得了显著的进展，已经开发了几种不同的工艺，并实现了许多大型项目演示。研究最广泛和可用的现有技术是3D混凝土打印技术，其技术成熟水平为6-7。然而，该技术的可持续性存在争议，导致两极分化的讨论。作为先驱的Berokh Khoshnevis开发该技术的动力是解决建筑部门的生产力问题。然而，建筑中的数字化制造很大程度上由建筑师设计空间的愿望驱动，使其能够通过计算机辅助设计建造越来越复杂的结构成为可能，故除了提高生产率之外，数字化制造也越来越多地被推广为减少建筑行业环境足迹的一种手段。对此，一个关键论点是，数字化制造混凝土结构只在需要的地方使用材料，故可节省大量的材料。然而，数字化制造混凝土单位体积的环境足迹通常比普通混凝土高得多。此外，打印过程本身可能通过打印试件生产或操作耗能带来一些额外的环境影响。
研究出发点
上述问题加上数字化制造是针对“生产能力”而非材料节约的事实，可能会导致在讨论技术的可持续性时产生无效交流。本文的目的是强调混凝土数字化制造的可持续性方面面临的真正机遇和挑战，希望随着该技术变得更加广泛，促进对该主题进行富有成效的讨论。
全文速览
瑞士苏黎世联邦理工大学Robert J. Flatt课题组介绍了3D打印混凝土结构对环境影响的一种关系，并表明形状效率是混凝土数字化制造带来的唯一独特的环境效益，强调了仍应继续努力使数字化制造混凝土更符合标准混凝土，特别是通过掺入粗骨料和更好地表征耐久性，最后建议通过精心选择促凝剂可有效地解决3D打印混凝土过度设计的问题。相关论文以“On sustainability and digital fabrication with concrete”为题，于2022年发表在Cement and Concrete Research上。
图文解析
（1）主要关注因素
表1 标准和数字化制造混凝土配合比特性，包含普通硅酸盐水泥（OPC）用量、浆体体积、OPC替代和最大骨料尺寸Dmax；数字混凝土又分为1K（1组分）和2K（2组分）系统
图1 一种结构的环境足迹主要因素示意
图2 密肋楼盖
混凝土结构的环境足迹主要受材料的总使用量、材料隐含碳以及耐久性等因素影响，计算如图1所示：材料的使用量与该材料单位体积的环境足迹的乘积，除以使用寿命（即耐久性）。不考虑由等效承载力变化可能引起的差异。数字化制造混凝土的主要特点是减少了材料用量，但通常伴随着材料的环境足迹的增加以及使用寿命的缩短。因此，需认识到数字化制造节约材料的真正潜力，同时需考虑材料组成和耐久性的消极影响。
数字化制造的一个主要论点是其降低了制造结构的成本（这种结构需要更少的材料来提供设定的承载能力），故使制造各类奇特的结构成为可能。图2密肋楼盖的空腔节约了混凝土，凸显成本效益，体现了数字化制造对可持续性的贡献。通过数字化制造，可实现形状效率的例子包括dfab House、HiLo、拓扑优化混凝土梁和条纹桥等。数字化制造还可减少模板浪费。另外，未来减少总体材料影响的研究可能来自于了解数字化制造技术如何提高（或减少）混凝土结构的可重用性。
至少对于最广泛使用的混凝土挤压技术而言，数字化制造混凝土往往比普通混凝土具有更高的环境足迹。针对一般混凝土使用的通过降低水泥用量等措施减少二氧化碳排放，并不适用于数字化制造混凝土。数字化制造混凝土对环境的影响更大，归因于需要泵送、水泥用量大（约比标准大2倍）、配合比设计中通常无粗骨料等（表1）。虽然数字化制造混凝土的水胶比更符合基础设施和高性能混凝土，但其主要用于无承载能力结构或作为替代混凝土砌体。3D打印混凝土行业一直倾向于使用更昂贵的干混合材料，以更好地保证工艺性能。这一事实进一步加剧了材料的影响。这些干拌砂浆，除了具有较小的最大骨料尺寸外，还需要运输到3D打印混凝土所在地，大大提高了全球市场的碳足迹。开发利用当地材料的解决方案是的一个重要目标，这与粗骨料融入数字化制造的目标相吻合。数字化制造混凝土在早强方面提出了更高要求。铝基促凝剂使得在数字化制造混凝土时使用低熟料水泥的成为可能，从而为减少环境影响方面提供了解决方案。
数字化制造混凝土的可持续性问题需要考虑耐久性。挤压打印技术可能导致层间冷接头，降低了层间粘结，同时使得含水物质和二氧化碳易于侵入，从而降低耐久性。数字化制造混凝土的抗冻融破坏能力较差，另外其收缩问题还在研究中。减少浆体含量是一种减少收缩的简单方法，故增加最大骨料尺寸不仅有助于减少材料足迹，也有助于提高耐久性。万神殿是非钢筋混凝土结构，其卓越性能归因于良好的结构设计。因此，数字化制造混凝土也可以在与耐久性相关的关键设计方面加强研究。至关重要的是要确定数字化制造混凝土技术应用在哪里以及是否需要钢筋。
（2）2K（2组分）方法
图3 数字化制造混凝土的关键强度变化
3D打印混凝土强度发展分3个阶段（图3）：打印强度（单一打印层的稳定性，数十到数百Pa）；建筑强度（决定了大多数3D打印混凝土的成败，在长达几小时的生产时间内，其强度必须达到数十至数百KPa）；在役结构的设计强度（略高于这个值是可取的，但不要太多，因为会导致更高的环境足迹）。建筑强度水平只有在加速阶段达到。在正常情况下，达到这个目标需要花费太多时间，但一旦加速阶段开始，就几乎没有剩余的时间了。因此，需要使用促凝剂，缩短诱导期。铝基促凝剂可使铝酸钙水合物的快速沉淀，消耗大量的水，并使强度快速增加，消除了延迟，但仅略微缩短了硅酸盐水化的诱导期。最重要的是在生产期间获得的非常快的强度增益，提供了非常好的可制造性，无材料或屈曲失效。同时，3D打印混凝土最终强度不会受到太大影响，故不必经过度设计即可达到其加工规定的要求。但是，铝基促凝剂对硅酸三钙（C3S）水化作用影响很小。数字化制造混凝土的2K法不仅应被视为一种实现高建造性的方法，而且还应被视为一种使混合水泥得到更广泛使用的方法。这种更大的材料控制也大大增加了可打印设计空间，提高了可持续性。然而，冷接头问题不应该被忽视。
总结
本文强调的主要观点是，数字化制造混凝土的环境足迹问题是一个多方面的问题，并强调了可能大幅减少材料的使用方法，但这些材料目前的生产成本比形状简单、体积较大的材料要高。材料效率的潜力可将数字化制造混凝土建筑与标准建筑在可持续性方面区分开来。目前，实施数字化制造混凝土工艺的动机似乎主要是成本驱动，与模板和砌体劳动力有关。这意味着采用数字化制造混凝土工艺本质上是接受更高的碳足迹，以换取劳动力成本的降低（仅从环境方面考虑）。
数字化制造混凝土本身的碳足迹比普通混凝土大，归因于1）前者使用了更高的浆体体积；2）最终强度的过度设计和使用高熟料水泥（未能有效地满足建筑强度要求的结果）。第一个问题可以通过改进材料来解决，即增加最大骨料尺寸，这也有其他潜在的好处，如减少收缩和激励使用当地材料。第二个问题可使用铝基促凝剂增加早期强度，同时避免最终强度的过度设计，使低碳水泥的使用成为可能。铝基促凝剂不仅可以考虑用于细长结构的建造，而且还可以作为一种潜在的降低混凝土数字化制造环境足迹的方法。然而，当使用铝基促凝剂时，必须格外小心，否则可能会形成冷接头，从而影响耐久性。数字化制造过程对混凝土耐久性的影响必须根据耐久性与环境影响的关系进行进一步研究。
本期编者简介
翻译：
何 闯 博士后 深圳大学
审核：
于珂珂 硕士生 深圳大学
排版：
罗盛禹 硕士生 深圳大学
本期学术指导
何 闯 博士后 深圳大学
龙武剑 教 授 深圳大学
文献链接：
https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2022.106837
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