采用本地来源多功能LC3–生物炭复合材料用于3D打印建筑：力学性能、自感知行为与CO2吸收能力

大多数导电多功能水泥基复合材料依赖合成碳基添加剂，这些材料具有较高的隐含碳排放，并且很少在同一个体系中同时集成自感知与CO2捕集功能。本研究开发了一种环保型多功能3D打印LC3–生物炭复合材料，采用天然且本地来源的阿曼材料，结合适宜的力学性能、自感知能力和CO2吸收功能。胶凝材料以石灰石–煅烧黏土替代40%普通硅酸盐水泥（OPC），并在混合料中掺入4.25 wt.%的生物炭和0–1.6 vol.%的山羊毛发纤维，以调控导电性、流变性和打印适应性。研究人员确定了0.8%为最佳纤维掺量，可在工作性、微观结构稳定性和机电响应之间取得平衡。研究评估了流变行为、力学性能（沿打印诱导方向）、高温及酸–氯盐暴露下的耐久性，以及在30%和60%抗压强度下的循环机电感知性能。自感知通过电阻分数变化量化，机器学习模型预测应力、应变、弹性模量和损伤指数。微观结构分析（扫描电子显微镜SEM、热重/微分热重分析TGA/DTG、压汞法MIP）证实了孔隙结构与纤维–基体相互作用。该复合材料抗压强度最高达34 MPa，抗弯强度最高为垂直方向4.8 MPa、平行方向3.6 MPa，并表现出良好的耐久性（300 ℃下强度保持率76–79%，500 ℃下为38–52%）。稳定感知响应（5–13% FCR）和可靠的基于机器学习的退化追踪结果得到验证。CO2吸收在第一周期达到约1000 g/m2，再生后趋于稳定，并通过耦合质量–电阻率分析验证了该行为。此外，与OPC相比，隐含碳排放降低约25%。结果表明，LC3–生物炭复合材料作为一种可持续平台，可应用于下一代智能低碳数字化建筑。

随着3D混凝土打印（3DCP）技术的发展，数字化建造已成为建筑业转型的重要支柱，其优势在于几何自由度高、劳动力依赖低、减少施工废料30–60%、生产效率提高2–3倍。然而，可打印砂浆因缺乏粗骨料和传统钢筋，需要高水泥用量以满足建造性、早期刚度和层间稳定性，导致与普通硅酸盐水泥（OPC）相关的CO₂排放进一步增加。全球水泥年产量超过41亿吨，占人为CO₂排放的7–8%。在此背景下，石灰石–煅烧黏土水泥（LC³）因其35–45%的CO₂减排潜力及工程性能改善成为研究热点。现有研究虽已尝试将LC³与回收碳纳米管等功能组分结合，但高成本和高能耗限制了其可持续性。与此同时，天然纤维尤其是动物毛发纤维在3D打印复合材料中的应用尚未被充分探索。自感知材料可将基体本身转化为分布式传感器，但传统导电填料多为合成碳材料，环境友好性不足。生物炭因其多孔结构、导电性及CO₂吸附能力，被视为可持续的功能添加剂。因此，本研究旨在利用阿曼本地资源开发兼具力学性能、自感知和CO₂捕集功能的3D打印LC³–生物炭复合材料。

研究人员采用优化的LC³配比（40% OPC被替代，含60%煅烧高岭土、5%煅烧伊利石、5%煅烧蒙脱石和30%石灰石），固定生物炭掺量为4.25 wt.%，山羊毛发纤维体积掺量范围为0–1.6 vol.%。实验技术包括：流变测试（ICAR Plus流变仪，采用Bingham与Herschel–Bulkley模型拟合）、力学测试（抗压与三点弯曲，考虑加载方向各向异性）、耐久性测试（高温及酸–氯盐联合暴露）、循环压缩机电感知测试（嵌入铜电极，同步记录电阻变化）、机器学习建模（Random Forest与XGBoost多输出回归预测应力、应变、瞬时模量与损伤指数）、CO₂吸收测量（微室流动系统，30天连续暴露，热再生处理）、微观结构表征（SEM、TGA/DTG、MIP）。样本均为实验室制备并固化至规定龄期。

研究结果显示：流变测试中，掺入生物炭与适量纤维显著提高静态屈服应力（从452 Pa增至741 Pa），并降低塑性粘度（从17.9降至6.2 Pa·s），其中0.8 vol.%纤维配比兼具适宜建造性与泵送性。力学性能方面，抗压强度在垂直打印方向可达34 MPa，平行方向为24 MPa，各向异性比约1.3–1.4；抗弯强度在0.8 vol.%纤维时达到最大值（垂直4.8 MPa，平行3.6 MPa）。耐久性方面，300 ℃下强度保持率为76–79%（纤维≤0.8 vol.%），500 ℃下降至38–52%；在酸–氯盐联合暴露120天后，强度损失控制在20–34%之间。机电感知测试中，0.8 vol.%纤维配比在30%和60%抗压强度下均表现出稳定的电阻分数变化（FCR 5–18%），且机器学习模型可高精度预测力学与损伤指标，其中XGBoost在捕捉非线性退化行为方面优于Random Forest。CO₂吸收测试中，无纤维配比首周期吸收量约1000 g/m²，含0.8 vol.%纤维配比约为900 g/m²，再生后分别稳定在700/550 g/m²和600/500 g/m²；电阻率变化与吸收过程呈显著相关性。微观结构分析证实，生物炭优化了孔隙结构，纤维–基体界面结合良好，高温及化学暴露下仍保持一定完整性。隐含碳排放评估显示，LC³–生物炭体系较纯OPC降低约25%。

在讨论与结论部分，研究人员指出：LC³–生物炭复合材料通过本地资源利用实现了力学性能、自感知与CO₂捕集的多功能集成，其流变特性适合3D打印工艺，力学性能满足非承重构件的建筑需求，耐久性在恶劣环境下表现稳定。自感知功能可在无外挂传感器的情况下实现结构健康监测，CO₂吸收能力使其在室内环境中具备被动调节潜力。与OPC及传统石灰基材料相比，该系统在降低隐含碳排放的同时提升了功能多样性，为下一代低碳数字化建筑提供了可行的材料平台。研究发表于《Journal of Materials Research and Technology》。