每年100万吨废铜渣可能将要有了新去处：建筑3D打印！

波兰弗罗茨瓦夫科技大学的研究团队在《Scientific Reports》上发表了一项关于建筑3D打印研究，他们将工业废料铜渣用作水泥替代品，成功改善了3D打印水泥基复合材料的新鲜态性能。

研究结果显示，10%的铜渣替代能够将材料屈服强度降低44%（便于挤出），同时流动性提升24%，早期压缩强度增长29%。

让我们来快速看看研究成果。

建筑3D打印的成本困扰

建筑3D打印技术虽然前景广阔，但有个让人头疼的问题：

水泥用量太大了。

从图1可以看出，3D打印混凝土的水泥含量比传统混凝土高出16%，比自密实混凝土更是高出19%。这不仅推高了成本，也加剧了碳排放压力。

研究团队敏锐地捕捉到这个痛点，将目光投向了工业废料。

波兰作为铜产业大国，每年产生约100万吨铜渣，这些废料的处理一直是个环保难题。

将铜渣变废为宝，用作水泥替代品，听起来就很有吸引力。

铜渣的改造

从图2可以看到，研究团队对铜渣进行了精心的预处理。

原始铜渣经过球磨机研磨1小时后，粒径分布得到明显改善。铜渣的化学成分中含有大量的Fe₂O₃（57.82%）和SiO₂（30.53%）。

虽然铜渣的活性相对较低，主要起填料作用，但其玻璃质表面却带来了意想不到的好处，显著改善了混合料的工作性能。

这种改善对3D打印来说意义重大，因为材料必须既能顺利挤出，又能在挤出后保持形状。

挤出性能突破

图4展示的slug测试装置揭示了铜渣对材料流变性能的积极影响。

这种测试方法能够直观地反映材料在挤出过程中的表现。

从图7的流动性测试结果来看，随着铜渣掺量的增加，砂浆的扩展度呈现明显上升趋势：5%替代量时提升12%，10%替代量时提升24%。

更重要的是挤出阻力的变化。

图9中的slug形态对比清晰地展现了这种变化：参考样品的slug长度达到90mm，CS5样品缩短至60mm，而CS10样品仅为35mm。

这种变化直接反映了材料挤出性能的改善—更低的挤出阻力意味着打印设备的负荷更小，打印过程更加稳定流畅。

早期强度的意外收获

图5中设计的新鲜态压缩测试装置为研究提供了数据支撑。

这项测试模拟了3D打印过程中下层材料承受上层重量的情况，对评估材料的堆叠能力至关重要。

测试发现，铜渣的加入不仅改善了可打印性，还显著提升了材料的早期强度。

45分钟时，CS5样品的破坏力比参考样品高22%，CS10样品高出29%。

这种早期强度的提升意味着材料能够更好地支撑后续打印层的重量，避免塌陷变形。

从图11的破坏机制分析可以看出，随着时间推移，试样的变形模式发生了有趣的变化。

含有铜渣的样品在各个时间点都表现出更高的承载能力和更好的形状保持性。

机理解析

AM易道认为，铜渣的作用机理主要体现在两个方面：

首先，其玻璃质表面降低了颗粒间的摩擦力，改善了材料的流动性；

其次，铜渣颗粒的不规则形状增强了颗粒间的机械咬合，提升了材料的早期强度。

这种一降一升的效果恰好满足了3D打印材料的核心需求：

既要便于挤出，又要能够保形。

传统的混凝土配合比设计往往难以同时兼顾这两个相互矛盾的要求。

环保与经济的双重价值

图13清晰地总结了铜渣替代水泥带来的多重效益。

除了技术性能的改善，环保和经济意义同样重要。

每替代1%的水泥，就能相应减少CO₂排放，同时降低原材料成本。

研究表明，5%的铜渣替代量能够在保证可打印性的同时，实现性能的全面提升。

这种甜蜜点组合的发现为实际应用提供了明确的技术参数。

未来应用前景

这项研究为建筑3D打印材料的可持续发展开辟了新路径。

铜渣作为一种廉价易得的工业废料，在全球范围内都有着巨大的存量。

将这些废料转化为高性能建材，不仅能够解决环保问题，还能为3D打印建筑提供更经济的材料选择。

随着技术的不断完善和应用范围的扩大，我们有理由相信，更多的工业废料将在3D打印建筑中找到新的用武之地，为绿色建筑和循环经济贡献力量。

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