导读：三维打印建筑技术被认为具有相当大的可持续发展优势，这些优势包括提高资源效率、提高建筑生产力以及在没有支撑结构的情况下建造复杂的几何形状。3D打印混凝土材料使用粉煤灰、硅灰和矿渣等工业废料做到节约材料的同时，也会带来额外的可持续性优势。那么这种可持续化到底是多少呢？能否用数字具体的量化或者定性化呢？
南极熊获悉，2022年3月11日，中国哈尔滨工业大学（深圳）经济与管理学院 、 新加坡南洋理工大学 、 美国宾夕法尼亚州立大学工业与制造工程系的研究者们联合发表了一篇题为《A comparative study on environmental performance of 3D printing and conventional casting of concrete products with industrial wastes 》（用工业废料进行3D打印和传统铸造混凝土产品的环境性能比较研究）的研究文章。此文章探究了3D打印技术的环境优势和相关问题，让我们一起看看他们具体的研究成果吧！
研究者们通过生命周期评估（LCA）调查了使用3D可打印混凝土材料（工业废料）与传统材料相比对环境的影响。比较了应用于混凝土浇注或3D打印的两种混凝土材料，即水泥基混凝土和聚合物混凝土的影响结果。结果表明，使用废料作为水泥替代品可以带来环境效益；然而，这种环境效益会随着三维混凝土打印的聚合物混凝土中活化剂含量的增加而减弱。基于上述材料层面的LCA结果，本研究进一步进行了打印层面的LCA研究，研究了用Contour Crafting方法建造的不同形状的混凝土构件的寿命周期环境影响。结果显示，3D混凝土打印的潜在环境效益随着建筑复杂程度的增加而增加。
LCA是一种研究手段，生命周期评估（LCA）是为了评估产品系统在整个生命周期内的投入、产出和潜在的环境影响（ISO，2006）的方法。它提供了环境影响的定量结果，因此可以为3D打印结构的环境性能提供更多可靠的结果。具体的LCA研究步骤可以在文末的文章链接中查看。
△功能单元和系统边界的定义（用于LCA评估）
首先，研究者们进行了3D打印和铸造混凝土产品使用的不同材料对环境性能影响的比较研究，他们比较了应用于混凝土浇筑或3D打印的两种混凝土材料，即OPC基混凝土和聚合物混凝土。结果表明，尽管土工聚合物混凝土引入了约20%的工业废料，并被认为是OPC基混凝土的更环保的替代品，但当应用于3D打印时，其性能并不优于OPC基混凝土。 这是因为聚合物混凝土具有更高的激活剂含量，而激活剂含量对于可打印材料的可建性是至关重要的。
△各种工艺对混凝土生产的环境影响的贡献
其次，研究者们研究了3D打印的制造方式传统制造方式对环境性能的影响。结果显示，3D混凝土打印的潜在环境效益随着建筑复杂程度的增加而增加，随着模板重复使用时间的增加而减少，从而得出结论，3D混凝土打印方法更适合建造非重复的自由形状的混凝土结构。
△使用3D打印模板建造的混凝土构件的LCA结果（以使用传统模板的浇注方法的数值为标准）
研究人员的比较结果对建筑业的从业人员也有实际意义。
●首先，有必要优化通过Contour Crafting方法建造的部件结构的设计，因为它的结构强度可能比传统铸造的要弱。此外，可能需要额外的措施来确保轮廓工艺部件的结构特性，这很可能会增加环境负担，不能忽视。
●此外，3D打印的潜在环境效益与实际项目设计密切相关。在选择施工方法时，应考虑到所建筑的对象的复杂性和可重复性。
●最后，3D打印技术有可能在不增加很多环境影响的情况下建造出具有更高复杂性的元素。
同时，文章指出审美偏好（如使用复杂的墙体进行装饰）和功能考虑（如使用简单的直墙进行隔断）应该在制造前进行平衡，避免不必要的过度复杂的设计。还应进一步努力确定平衡点，使得3D打印和传统建筑方法在环境影响方面能够达到一定的平衡。对结构复杂性的定义和分类至关重要，在此基础上可以确定平衡点，以促进选择最合适的制造设计。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.134310
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