公共数据的开放性是否促进了城市绿色创新合作？来自中国的证据

《Journal of Cleaner Production》：Does public data openness promote urban green innovation cooperation? Evidence from China

固废利用方面，本研究通过3D打印技术结合碱激发剂固结工艺，成功开发了低层建筑适用的固废型3D打印墙体材料（PSW），其抗压强度达18.7MPa，热导率0.103W/(K·m)满足严寒地区建筑节能标准，较传统砌体材料成本降低27.4%，碳排放减少80.8%。

　　

沈建宇|程耀飞|肖建庄|王波|李水生

同济大学土木工程学院，上海，200092，中国

摘要

墙体制造是实现挖掘土壤（ES）高价值利用的重要方法。为了解决传统土墙机械性能不足和耐久性差的问题，本研究采用碱活化技术和3D打印技术来制造墙体试样。设计了四种不同固化配方、块体配置和内部填充条件的3D打印土基墙体（PSW）。系统研究了它们的机械性能，并验证了其作为墙体材料的热性能。比较分析显示，PSW的实际抗压强度比3D打印砂浆墙体降低了6.2%–39.0%，但仍满足低层建筑结构的机械要求。PSW的等效热导率在0.099到0.108 W/(K·m)之间，比3D打印砂浆墙体降低了14.1%–21.0%。通过加入倾斜肋条进行结构优化，热导率降低了17.0%，抗压强度提高了6.1%。此外，使用绝缘材料（如聚氨酯泡沫）填充空腔后，热导率降低了62.7%，使其符合严寒地区的热性能要求。PSW在成本和碳排放方面具有显著的优势，分别降低了11.5%–27.4%和72.7%–80.8%。本研究展示了3D打印固化土墙的技术可行性和环境经济效益，突显了其在可持续建筑应用中的潜力。

引言

废弃挖掘土壤（ES）的资源利用已成为制约中国城市化发展的关键挑战（Xiao等人，2021年）。ES占建筑废物的70%（Liu等人，2024年；Wang等人，2024年），全国年产生量超过10亿吨（Xiao等人，2023年），而某些城市每年产生的ES量达到1亿至2亿吨（Bai等人，2022年）。目前的ES处理主要依赖于填埋，对环境造成巨大压力（Goel和Kalamdhad，2017年；Onyelowe等人，2021年；Tanner等人，2018年；Zhang等人，2020年）。传统的ES回收方法（如作为烧结砖、非烧结砖、陶瓷骨料的原料）已经得到了广泛研究（Bai等人，2022年；Dang等人，2024年；Hu等人，2022年；Jin等人，2024年；Xu等人，2022年），但大多数方法需要集中生产设施，并不可避免地涉及长途运输。因此，现场ES利用技术——如路基稳定、基础处理和基础沟槽回填（Nazari等人，2021年；Qian等人，2019年；Zhao等人，2022年，2024年；Zhu等人，2022年）——显示出更大的应用潜力。然而，关于开发用于建筑施工的现场ES利用技术的研究仍然很少，这些技术可以扩大ES的应用范围并提高回收率。近年来，原始土墙因其良好的调湿能力和低碳足迹而受到广泛关注，可以成为ES的高价值利用途径（Van Damme和Houben，2018年）。然而，土结构通常存在劳动力需求高以及机械性能和耐久性较差的缺点。3D打印和土壤固化技术的结合为这一挑战提供了新的解决方案。

3D打印技术在减少材料消耗、劳动力需求、现场施工时间、碳排放和成本方面具有显著优势，同时提高了建筑设计的灵活性（Kreiger等人，2019年；Lim等人，2012年；Paolini等人，2019年；Zhang等人，2019年）。最近的进展包括3D打印砂浆（Tanapornraweekit等人，2022年）、混凝土（Kristombu Baduge等人，2021年；Zhang等人，2019年）和地质聚合物（Qaidi等人，2022年；Raza等人，2022年）。现有研究证实了3D打印土基结构的可行性（Fratello和Rael，2020年；Gomaa等人，2022年），且环境影响较小（Alhumayani等人，2020年；Ben-Alon等人，2019年）。目前的3D打印土基建筑主要集中在传统土建筑“cob”上（Gomaa等人，2021a；Hamard等人，2016年），用于低层墙体应用。传统的cob混合物通常包含78%的土壤（15–25%粘土+75–85%沙子）、20%的水和2%的纤维（秸秆）（Hamard等人，2016年；Weismann和Bryce，2006年）。通过修改传统的cob配方（特别是水分含量），可以优化其可挤出性和可建造性（Gomaa等人，2021b；Perrot等人，2018年）。3D打印cob墙体的承载能力取决于材料的抗压强度（Pullen和Scholz，2011年）。与夯土相比，cob具有更好的抗压延展性和抗剪切性（Miccoli等人，2014年；Quagliarini和Maracchini，2018年）。Gomaa等人的研究进一步表明，3D打印土基墙体的热性能优于传统墙体（Gomaa等人，2019年）。

ES的颗粒级配和矿物组成因挖掘土壤层而异；然而，当ES具有适当的颗粒级配和粘土组成时（Rojat等人，2020年），使用ES的3D打印土基结构是可行的。然而，关于原始土材料的机械性能和防水性的担忧仍然存在（Carreira等人，2021年；Xu等人，2015年）。一个根本的解决方案是加入固化剂，如水泥、石灰、粉煤灰或石膏（Ding等人，2019年；Raut等人，2011年；Sahana等人，2024年；Sukmak等人，2023年；Van Damme和Houben，2018年；Yong和Ouhadi，2007年）。例如，Sahana等人成功开发了使用ES替代品（25%，50%）和水泥-粉煤灰固化剂的3D打印土基材料（Sahana等人，2024年）。碱活化材料在土壤固化方面表现出更好的机械性能和耐久性，并且与水泥/石灰基固化剂相比，碳排放更低（Long等人，2020年；Shen等人，2024b；Wattez等人，2021年；Yang等人，2020年）。Shen等人通过3D打印制备了碱活化矿渣固化土壤，并研究了其基本性能和孔结构，发现与原始土壤相比，碱活化矿渣固化土壤具有更好的可加工性、更好的机械性能、更低的孔隙率和有效的裂缝抑制作用（Shen等人，2025年）。建筑物的热绝缘性能对可持续发展至关重要（Zhou等人，2024年），而土基结构表现出更好的热性能（Hall和Allinson，2009年）。应当注意的是，土壤固化会改变孔结构，从而影响土基结构的热性能。然而，现有研究主要集中在3D打印固化土壤的机械性能上，对其热性能的关注不足。本研究采用碱活化矿渣作为ES固化的粘合材料，并结合3D打印技术制造3D打印土基墙体（PSW）。系统研究了PSW的热性能和机械性能，旨在为建筑施工中的ES回收提供理论和技术参考。

材料

固化土壤制备的主要原材料包括ES、天然砂（NS）、钙基膨润土、磨碎的粒状高炉矿渣（GGBFS）和42.5级的普通波特兰水泥（OPC）。图1、图2和表1分别显示了所有原材料的颗粒大小分布曲线、中值颗粒大小（D₅₀）、XRD图谱和化学成分。NS的表观密度、体积密度、细度模数和吸水率为2686 kg/m³、1422 kg/m³

材料的基本性能测试

3D打印材料的基本性能见表5，这是后续PSW性能分析的基础。3D打印材料（S1、S2和M）的软化系数、表观密度和24小时吸水率根据GB/T 2542-2012标准进行了测定。

与对照组S1相比，S2和M的抗压强度分别提高了57.4%和150.9%，而抗弯强度分别提高了14.2%和177.0%

结论与未来展望

为了探索ES的新利用场景并提高其资源利用率，本研究采用碱活化矿渣固化ES，并利用3D打印技术制造PSW。研究了PSW的热性能，包括热阻、等效热导率和热传递系数。还分析了PSW的机械性能以及成本和碳排放因素。主要发现如下：

(1)

PSW的热

作者贡献声明

沈建宇：写作——审稿与编辑、撰写初稿、可视化、方法论、数据整理。程耀飞：写作——审稿与编辑、资源获取。肖建庄：写作——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。王波：写作——审稿与编辑、验证。李水生：写作——审稿与编辑、监督、资源提供。

利益冲突声明

我们声明与可能不恰当地影响我们工作的其他个人或组织没有财务和个人关系，且在任何产品、服务和/或公司中没有可能影响本文所述观点或手稿评审的专业或其他个人利益。

致谢

本研究得到了广西科技重大项目（项目编号：AA24263035、AA23062054）和国家重点研发计划（项目编号：2022YFC3803401）的支持。