用于可持续3D打印应用的掺纳米碳酸钙与冠状废弃口罩纤维的工程化胶凝复合材料

将大流行废弃物变为更坚固的建筑材料

如果在COVID-19大流行期间使用的数十亿一次性口罩能帮助我们建造更好、更环保的房屋，会怎样？本研究正是探讨这一设想。研究人员将口罩材料切碎成微小纤维，并与纳米级矿物颗粒结合，制成一种可3D打印的建筑混合料，其强度、致密性和耐久性均优于普通混凝土。他们的工作展示了如何将昨日的医疗废弃物与当代先进材料结合起来，共同塑造未来的建筑。

为什么混凝土需要升级

混凝土是现代建筑的骨干，但它有一个重大弱点：抗压能力很强，然而在拉伸或弯曲时容易开裂。为了解决这一问题，工程化胶凝复合材料（ECC）通过掺入少量短纤维来实现改良，使材料不会出现一条大裂缝，而是形成许多微裂缝，从而在断裂前允许一定的延展性。与此同时，建筑界在寻求更清洁的施工方式，混凝土的3D打印作为一种通过挤出层状砂浆来减少浪费、降低人工并实现更灵活设计的方法应运而生。挑战在于配制出既能通过喷嘴顺利流动，又能迅速固化成稳定、抗裂结构的可打印混合料。

从口罩与纳米颗粒到可打印混合料

研究团队采用了两种关键成分来应对这一挑战。首先，他们使用由未使用的一次性医用口罩切割得到的聚丙烯纤维。这些所谓的冠状废弃口罩纤维经过电晕（corona）处理，使其表面粗糙化，更容易与水泥基浆料相容，有助于纤维更好地抓握并桥接微小裂缝。其次，他们加入了纳米碳酸钙，这是一种粒径为几十纳米的超细粉末——比砂粒小数千倍。这些纳米颗粒充当微填料，能够填补水泥颗粒间的细隙，并提供更多界面供水泥水化硬化。研究人员制备了一系列可3D打印的砂浆，固定口罩纤维含量，而纳米碳酸钙的掺量从水泥质量的0%到4%不等。

获得合适的流动性与成形性

用于3D打印的混合料必须表现得像浓牙膏：既要足够流动以便泵送和成型，又要足够黏稠以在层叠时保持形状。团队测量了小样在自重下的摊开距离、在振动台上的流动性以及在坍塌前可堆叠的层数。随着纳米碳酸钙含量增加，混合物流动性下降但稳定性增强。最细的颗粒吸收了部分拌和水分并提高了内部粘结力，因此打印出的挤出条保持形状，最大可堆叠层数从无纳米颗粒时的大约31层增加到最高掺量时的55层。然而，当纳米碳酸钙过量时，颗粒开始凝聚成团，使材料过于僵硬，施工性变差。

在最佳配比下更坚固、更致密且吸水性更低

关键问题是这些变化如何影响最终材料性能。研究人员对3D打印和传统浇筑的样品进行干燥称重以确定密度、浸水测定以评估吸水性，并测试其抗压、抗弯和劈裂抗拉强度。他们发现在约3%纳米碳酸钙处存在明显的最佳点。在该掺量下，打印样品的密度更高、吸水率低于无纳米颗粒的样品，表明内部孔隙更少。其抗压、抗折和劈裂抗拉强度均达到峰值，且3D打印样品的性能优于传统浇筑样品。显微图像也支持这些结果：在3%纳米颗粒时，内部结构较为致密，孔隙被水化产物填充，纤维与基体粘结良好。而在4%时，纳米颗粒团聚形成新的空隙，导致密度和强度下降。

对更环保3D打印建筑的意义

简而言之，研究表明适量的纳米碳酸钙与回收口罩纤维结合，可以将可打印的水泥混合料转化为更坚韧、更耐用的建筑材料。按水泥质量计算约2–3%的纳米碳酸钙能在易于打印、层稳定性、强度和降低吸水性之间提供最佳平衡。经处理的口罩纤维有助于抑制裂缝，纳米颗粒则填补空隙并加速硬化，尤其在3D打印层中表现明显。除工程性能提升外，这一方法还为大流行期间产生的塑料废弃物提供了二次利用途径，指向一个将先进材料与回收利用融入我们建筑结构的可持续未来。

引用: Krishnaraja, A.R., Kulanthaivel, P., Manoharan, A. et al. Engineered cementitious composites with nano calcium carbonate and corona waste mask fibers for sustainable 3D printing applications. Sci Rep 16, 13458 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43424-9

关键词: 3D混凝土打印, 纳米碳酸钙, 再生口罩纤维, 工程化胶凝复合材料, 可持续建筑