含再生材料（稻壳/大理石粉）的可挤出Cob土体：力学与耐久性提升机制

《Buildings》：Mechanical and Durability Properties of Extrudable Cob Mixes with Recycled Materials Alessandro Rossin, Daniel Trento, Amandeep Singh Sidhu, Viviana Letelier-Gonzalez and Flora Faleschini

本研究针对3D打印土基材料耐久性不足的瓶颈，通过调控砂粒级配与石灰/黏土比例，系统评估了含稻壳、大理石粉等再生材料的可挤出Cob土体的力学性能与耐久性。结果表明，细砂优化级配与高温养护显著提升了抗压/抗折强度，石灰稳定剂有效降低了表面磨损与干湿循环损伤，为低碳建筑提供了可靠的材料解决方案。

　　

在“双碳”目标驱动下，建筑行业正迫切寻找能替代传统混凝土的高效低碳材料。土基材料（Earth-based materials）因其极低的隐含碳和优异的湿度调节能力，被视为理想的绿色建材。然而，当我们将目光投向更具未来感的3D打印建造（Additive Manufacturing）时，传统土材却暴露出了明显的短板：耐久性差。尤其是在面对风雨侵蚀、干湿循环以及机械磨损时，如何保证打印出的土墙既“立得住”又“用得久”，成为了制约其大规模应用的核心瓶颈。

由 Alessandro Rossin 等人在《Buildings》上发表的研究，正是为了攻克这一难题。他们聚焦于一种名为 Cob（一种由土、砂、纤维等混合的传统材料）的可挤出配方，通过引入稻壳、大理石粉等再生资源，并精细调控砂粒级配与养护制度，系统回答了“如何设计既好打印又耐用的土基材料”这一关键问题。

主要技术方法概览

研究设计了 M0、M0-1、M10、M10-1 四组不同配比的 Cob 混合料，变量包括砂粒粒径（0–4 mm 与 0–1 mm）、黏土/石灰比例及再生材料掺量。所有试样均采用标准模具制备，并设置了三种养护制度（28天空气养护、35天空气养护、28天空气+7天50°C oven curing）。研究核心采用了万能试验机进行抗压与抗折强度测试，并利用应变片获取了完整的应力-应变曲线。耐久性方面，重点考察了毛细吸水率、湿-干循环（模拟自然风化）及表面耐磨性（Abrasion resistance）。

研究结果与发现

1. 细砂级配：密实度的关键

结论：采用 0–1 mm 细砂（M0-1, M10-1）显著优于 0–4 mm 砂，通过优化颗粒堆积实现了更高的力学强度与更低的吸水率。

证据：在抗压与抗折强度测试中，细砂组（M0-1, M10-1）的表现普遍优于粗砂组。这是因为细颗粒能更好地填充土体骨架中的大孔隙，形成更致密的微观结构。这种致密化不仅提升了强度，还直接降低了材料的毛细吸水系数，意味着水更难以渗透进墙体内部，从而提升了抗风化能力。

2. 高温养护：强度发展的“加速器”

结论：28天标准养护后增加 7天50°C 高温养护，能显著加速石灰与黏土的硬化反应，提升早期强度。

证据：对比 35天纯空气养护组，经过高温处理的试样（Air+Oven）在抗压与抗折强度上均有显著跃升。这对于 3D 打印尤为关键，因为打印结构在初期需要快速获得足够的“自立”强度（Buildability）。研究指出，高温环境模拟了某些地区夏季的施工条件，证明了在现实环境中通过季节性施工策略也能实现性能优化。

3. 石灰 vs. 黏土：不同的“守护”角色

结论：高黏土含量（M0系列）利于长期空气养护下的强度发展；而高石灰含量（M10系列）则是抗磨损与抗干湿循环的“守护神”。

证据：

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  黏土的作用：在长期（35天）空气养护下，高黏土试样表现出更高的强度增长，说明黏土矿物在缓慢干燥过程中的胶结作用更为持久。
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  石灰的作用：在耐磨试验（Abrasion resistance）和湿-干循环试验中，富含石灰的 M10 系列表现出了极低的表面磨损率和质量损失。石灰的稳定化作用（Stabilization）有效抑制了土体遇水软化的特性，极大地增强了材料在户外环境下的“寿命”。

4. 再生材料的协同效应

结论：稻壳（Rice Husk）与大理石粉（Marble Dust）的掺入，在保证可挤出性的同时，未对耐久性产生负面影响，证明了废弃资源高值化利用的可行性。

证据：研究使用的稻壳作为纤维填充，大理石粉作为细粉填料，均来自工业副产物。打印性测试（Printability）显示，所有配方均能顺利通过 8 mm 喷嘴连续挤出 20 层以上而不发生坍塌，且底层估算应力达 2.8 MPa，满足打印结构稳定性需求。

结论与意义

这项研究为 3D 打印土建领域提供了一份详尽的“材料配方手册”。它清晰地指出：

1. 1.
   配方策略：若追求打印后的快速高强度，应优先选用细砂级配并配合短期高温养护；若建筑处于多雨或易磨损环境，则应加大石灰的掺量。
2. 2.
   可持续价值：通过大量使用稻壳、大理石粉等再生材料，不仅降低了材料成本，更大幅削减了水泥基材料带来的碳排放。
3. 3.
   技术落地：研究证实了 Cob 材料在真实 3D 打印机（Delta WASP 40100）上的可行性，为从实验室走向工地提供了有力的数据支撑。

该成果标志着土基材料从“传统手工艺”向“现代数字化建造”迈出了坚实的一步，为未来建造既保留泥土温润质感、又具备现代工程耐久性的建筑奠定了科学基础。