美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校（University of Colorado Boulder）的研究團(tuán)隊(duì)近日發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于生物聚合物在增材制造中應(yīng)用的重要成果。該研究聚焦于將食品工業(yè)中常用的海藻酸鈉（Sodium Alginate）作為添加劑，用于改良由當(dāng)?shù)赝寥?、粘土和沙子組成的3D打印材料。這一發(fā)現(xiàn)旨在解決利用本地自然資源進(jìn)行建筑3D打印時(shí)面臨的工藝穩(wěn)定性難題，為降低建筑行業(yè)碳足跡提供了新的技術(shù)思路。

該項(xiàng)目由土木工程、環(huán)境及建筑工程學(xué)教授威爾·斯魯巴爾（Wil Srubar）領(lǐng)導(dǎo)。研究團(tuán)隊(duì)指出，雖然粘土和沙子是地球上Zui豐富的建筑材料，且具有調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度、吸附污染物以及提供熱絕緣等優(yōu)異性能，但直接用于3D打印時(shí)往往難以兼顧擠出性、形狀穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。傳統(tǒng)的解決方案通常依賴水泥等膠凝材料，但這會(huì)顯著增加環(huán)境負(fù)擔(dān)。斯魯巴爾教授表示，自然界中的白蟻丘和黃蜂巢穴提供了靈感，這些結(jié)構(gòu)無需水泥即可通過生物粘合劑保持穩(wěn)固，人類和動(dòng)物自古以來就懂得利用泥土建造，但缺乏系統(tǒng)的科學(xué)方法來優(yōu)化這一過程。

為了找到的生物聚合物添加劑，研究團(tuán)隊(duì)測(cè)試了五種常見的食品級(jí)增稠劑和穩(wěn)定劑，包括瓜爾膠、角豆膠、刺槐豆膠、黃原膠以及海藻酸鈉。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同添加劑對(duì)土壤顆粒的相互作用產(chǎn)生了截然不同的影響。例如，角豆膠雖然能將土壤顆粒結(jié)合成堅(jiān)固的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但極大地增加了混合物的粘度，導(dǎo)致擠出困難，難以滿足3D打印機(jī)的泵送要求。相比之下，海藻酸鈉展現(xiàn)出了獨(dú)特的流變學(xué)特性。

海藻酸鈉是從褐藻中提取的一種天然多糖。在實(shí)驗(yàn)中，它通過改變粘土顆粒表面的電荷分布，使顆粒之間產(chǎn)生靜電斥力，從而降低了混合物的屈服應(yīng)力，使其更易于泵送和擠出。研究團(tuán)隊(duì)在來自科羅拉多州戈?duì)柕鞘校℅olden）附近采石場(chǎng)的土壤中僅添加了0.12%的海藻酸鈉，便成功制備出一種高性能的打印混合物。數(shù)據(jù)顯示，這種改良后的材料不僅保持了良好的可打印性，其抗壓強(qiáng)度還比未添加任何粘合劑的對(duì)照組提高了25%，同時(shí)加工速度提升了33%。

這一技術(shù)突破對(duì)建筑行業(yè)的供應(yīng)鏈和施工模式具有潛在影響。目前，許多建筑工地在挖掘過程中會(huì)產(chǎn)生大量的土方廢棄物，這些材料通常被視為垃圾并被運(yùn)往填埋場(chǎng)或處理中心，造成了高昂的運(yùn)輸成本和碳排放。如果能夠在施工現(xiàn)場(chǎng)直接利用挖掘出的原狀土，并通過添加少量海藻酸鈉進(jìn)行3D打印成型，將大幅減少對(duì)外部建材（如水泥、磚塊）的依賴，同時(shí)消除土方外運(yùn)的環(huán)境成本。

從采購和工程應(yīng)用的角度來看，海藻酸鈉作為一種成熟的食品添加劑，其供應(yīng)鏈相對(duì)成熟且成本可控。對(duì)于從事建筑3D打印設(shè)備研發(fā)或施工的企業(yè)而言，關(guān)鍵在于掌握添加劑與不同地域土壤特性的匹配比例。由于全球各地的土壤礦物成分差異巨大，0.12%的添加量可能僅適用于特定類型的粘土-砂混合土。中國企業(yè)在出口3D打印建筑解決方案或引進(jìn)相關(guān)技術(shù)時(shí)，需關(guān)注當(dāng)?shù)赝寥赖牧椒植己偷V物組成，進(jìn)行針對(duì)性的配方調(diào)整。

研究團(tuán)隊(duì)成員塞繆爾·阿米斯蒂德（Samuel Armistead）強(qiáng)調(diào)，這項(xiàng)研究不僅驗(yàn)證了生物聚合物在改善材料加工性方面的有效性，更揭示了就地利用建筑廢土的可行性。這種方法能夠顯著減少建筑業(yè)的生態(tài)足跡，符合全球建筑行業(yè)向可持續(xù)、低碳方向轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)。斯魯巴爾教授補(bǔ)充道，由于粘土和沙子分布廣泛，這種基于科學(xué)和工程方法的改良技術(shù)幾乎可以在世界任何地方應(yīng)用，具有極高的普適性。

值得注意的是，雖然海藻酸鈉在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中表現(xiàn)優(yōu)異，但在實(shí)際戶外施工中的應(yīng)用還需考慮環(huán)境因素對(duì)生物聚合物穩(wěn)定性的影響。例如，雨水沖刷、紫外線照射以及長期荷載下的蠕變性能，都是未來工程化應(yīng)用中需要進(jìn)一步驗(yàn)證的關(guān)鍵指標(biāo)。此外，如何確保添加劑與土壤的均勻混合，以及在大規(guī)模打印過程中保持?jǐn)D出流體的穩(wěn)定性，也是設(shè)備制造商和施工方需要解決的技術(shù)難點(diǎn)。

對(duì)于中國建材行業(yè)而言，這一研究提供了一個(gè)新的視角：即通過微觀層面的材料改性，激活宏觀層面的本地資源潛力。隨著全球?qū)G色建材需求的增加，開發(fā)基于天然生物聚合物的土壤改良劑，可能成為建筑3D打印產(chǎn)業(yè)鏈中的一個(gè)新興細(xì)分領(lǐng)域。企業(yè)可以關(guān)注海藻酸鈉及其衍生物在土木工程材料中的應(yīng)用前景，探索其在路基穩(wěn)定、墻體構(gòu)建甚至災(zāi)后快速重建中的潛在價(jià)值。