国家海洋药物和生物制品产业联盟

在全球应对气候变化和推动建筑行业绿色转型的背景下，建筑材料的生产正经历一场深刻的范式变革。传统的“开采-生产-废弃”线性模式，特别是对粘土等自然资源的过度依赖，已导致严重的环境负担。建筑行业消耗了全球约36%的能源，并贡献了近37%的二氧化碳排放。因此，开发融合可再生资源、减少废弃物并降低全生命周期碳足迹的新型建材，已成为当务之急。

近期，国际期刊《Journal of Cleaner Production》发表了一项突破性研究，题为《用于可持续建筑的掺入藻基生物质的3D打印烧制粘土砖的力学与热学性能》。该研究将三种前沿理念——生物基孔隙形成剂、3D打印增材制造、可持续建筑——创新性地结合起来，利用源自海洋的藻类生物质，成功开发出一系列轻质、高隔热性能的3D打印粘土砖。这项研究不仅为处理日益严重的藻类爆发（如“大西洋马尾藻带”）提供了资源化出路，也为建筑行业迈向循环经济和碳中和目标开辟了一条崭新的“蓝色”路径。

一、 研究背景：建筑材料的可持续性挑战与藻类机遇 

1. 传统粘土砖的环境桎梏

烧制粘土砖因其机械可靠性、耐久性和良好的热性能，长期以来是建筑行业的主要材料。然而，其生产过程涉及大量粘土开采，破坏土壤和生态系统，且在高温烧制（通常超过1000°C）过程中消耗大量能源并排放CO₂。提升其环境性能而不牺牲结构品质，是一项重大挑战。

2. 藻类：从环境负担到可持续资源

大型藻类，特别是褐藻，在某些海域的爆发性生长已成为严重的环境与健康危机，其腐烂过程中会释放有毒气体。然而，这种丰富的生物质资源长期以来未得到充分利用。藻类生长迅速、可再生、成本低廉，并且在环境中扮演着重要角色。将其作为功能性添加剂引入建筑材料，可实现“变废为宝”，符合循环经济原则。此前研究已探索将藻类（如纳米纤维、灰分或藻酸盐）用于增强砂浆和混凝土的性能，或用于稳定土坯砖，显示出其在提升机械强度和耐久性方面的潜力。

3. 孔隙形成技术与3D打印的融合

为提高粘土砖的隔热性能，常见策略是掺入孔隙形成剂，在烧制过程中燃烧留下气孔，降低材料密度和热导率。以往研究多使用农业废弃物（如稻壳、锯末、咖啡渣等）作为生物基孔隙形成剂，并通过压制、挤出或模塑等传统方式成型。与此同时，增材制造（3D打印）技术正在颠覆建筑业，它能够实现复杂几何形状的精准制造，显著减少材料浪费，并优化材料分布。

然而，将海洋藻类作为孔隙形成剂，特别是与挤出式3D打印技术结合，用于生产烧制粘土砖的研究极为稀缺。此外，藻类颗粒尺寸如何影响烧制后砖体的孔隙结构，进而调控其热工与力学性能的平衡，尚缺乏机理性的理解和可推广的设计指南。本研究正是为了填补这一空白。

二、 创新方法：材料、工艺与系统设计 

本研究采用了严谨的跨学科方法，整合了材料科学、工艺工程和先进表征技术。

1. 原材料制备与表征

粘土基质：取自摩洛哥丹吉尔地区的天然粘土。经X射线荧光光谱分析，其主要成分为二氧化硅（49.55%）和氧化铝（16.55%），并含有石英、高岭石、方解石和微量伊利石等矿物。其高塑性指数（34%）确保了适用于3D打印的挤出性和层间粘结性。 

藻类生物质：采集自丹吉尔海滩的新鲜褐藻。经过洗涤、自然干燥后，被粉碎并筛分为两种粒度级别：

o 细颗粒：粒径 < 0.5毫米

o 粗颗粒：粒径 0.5 - 1毫米

这种粒度分级旨在研究颗粒尺寸对最终产品性能的影响。傅里叶变换红外光谱证实藻类富含羟基、羧基、羰基等有机官能团，表明其多糖和生物分子含量丰富，烧制时易于分解产气。

2. 样品制备与3D打印工艺

研究设计了六种配方： 

对照组：纯粘土（C-0A） 

细颗粒组：掺入粘土质量2%、5%、8%的细藻颗粒（C-2A, C-5A, C-8A） 

粗颗粒组：掺入粘土质量2.5%、5%的粗藻颗粒（C-2.5A, C-5A） 

为确保3D打印浆料的可挤出性和尺寸稳定性，根据藻类添加量精确调整了水固比（33% 至 45.14%）。 

打印采用基于膏体沉积成型技术的StoneFlower 4.0多材料打印机。样品被打印成标准尺寸（64 x 35 x 20 mm³）。打印参数经过优化：喷嘴直径5毫米，层高4毫米，打印速度30毫米/秒，填充率100%。打印后的样品显示出规则的几何形状、一致的层理和良好的层间粘附。 

3. 干燥与烧制

打印后的生坯在110°C下干燥24小时，以去除水分防止开裂。随后在电窑中采用标准陶瓷热循环进行烧制，最高温度为1050°C。此温度足以使粘土基质充分玻化，获得机械稳定性和耐久性，同时确保藻类有机质完全燃烧，形成孔隙。

4. 综合性能表征

烧制后的砖块接受了全面的性能测试： 

物理性能：线性收缩率、烧失量、体积密度、吸水率、孔隙率。 

微观结构：使用X射线纳米断层扫描技术，以24微米的分辨率非破坏性地可视化内部孔隙网络、层间粘合以及藻类添加的影响。 

热学性能：采用瞬态热桥法测量热导率。 

力学性能：依据标准进行压缩试验，测定抗压强度和杨氏模量。 

三、 核心发现：藻类如何重塑砖块性能 

1. 孔隙结构的精确调控

X射线断层扫描图像清晰揭示了藻类作为孔隙形成剂的有效性。对照样（C-0A）结构致密均匀，孔隙率仅为3.30%。添加藻类后，孔隙率随添加量增加而显著上升。

·细颗粒藻类：在砖体内形成了分布均匀、相互连通的孔隙网络。当添加量达到8%时，孔隙率增至10.48%。细颗粒的良好分散性导致了更均质的微观结构。

· 粗颗粒藻类：产生了更大、更不规则且局部集中的空腔。在添加量为5%时，孔隙率为8.86%。这些大孔洞更倾向于在打印层间界面处形成，可能成为力学薄弱点。

研究建立了孔隙率与添加量、颗粒尺寸之间的定量关系，证实了通过改变藻类配方可实现对砖体内部孔隙结构的“工程化”设计。

2. 物理与热学性能的显著改善

· 轻质化：藻类的燃烧使砖体体积密度从对照组的1552.56 kg/m³降至C-8A的1350.8 kg/m³，降幅达13%，成功生产出轻质砖块。

· 隔热性能提升：孔隙率的增加显著降低了热导率。对照组热导率为0.47 W/m·K。添加8%细藻颗粒的砖块（C-8A）热导率降至0.30 W/m·K，降幅高达36%。添加5%粗藻颗粒的砖块（C-5A）热导率为0.32 W/m·K。这表明，引入的孔隙有效阻隔了热量传递。细颗粒因其形成的孔隙更均匀，在同等添加量下隔热效能略优。

· 吸水率：孔隙率的增加也导致了吸水率的上升，从对照组的8.05%增至C-8A的17.48%。这虽在可接受范围内，但提示在实际应用中需考虑其抗冻融耐久性，可能需要对砖块进行保护性饰面处理。 

3. 力学性能的权衡与优化

正如预期，孔隙率的增加会削弱材料的力学性能。

· 抗压强度：对照组的抗压强度为33.54 MPa。随着藻类添加，强度逐步下降。即使是在孔隙率最高的C-8A样品（10.48%），其抗压强度仍达到21.68 MPa。所有配方的强度均超过21 MPa。

· 刚度：杨氏模量下降更为明显，C-8A的模量比对照组下降了52%，表明材料刚性减弱，柔性增加。

· 颗粒尺寸的关键影响：研究发现，细藻颗粒在力学性能上更具优势。在相近的孔隙率下，细颗粒配方比粗颗粒配方表现出更高的抗压强度。这是因为粗颗粒产生的大孔洞和局部缺陷成为应力集中点，更易引发裂纹。而细颗粒形成的均匀小孔对力学性能的削弱相对温和。· 

4. 性能平衡图与设计指南

研究者绘制了综合性能图，清晰展示了密度、抗压强度和热导率三者之间的权衡关系。所有配方均呈现出明确的趋势：密度降低（更轻）会同时带来热导率降低（隔热更好）和抗压强度降低。 

细颗粒系列在图中占据更优区域，表明在达到同等轻质化和隔热效果时，其力学性能保留得更好。 

粗颗粒系列则显示，在密度相近时，其强度损失更大。 

这为配方选择提供了直观指南：对于需要平衡隔热与承载能力的结构（如承重或中等荷载砌体），应优先选择细藻颗粒和中等添加量（如5%-8%）。若隔热是首要目标，粗颗粒也可用，但需注意其更高的强度敏感性。 

四、 技术优势、挑战与未来展望 

1. 多重技术优势 

可持续性：利用藻类这种可再生、甚至是有害的过剩生物质，减少了对原始粘土的开采，并实现了废物资源化。 

性能可设计：通过3D打印精确控制几何形状和材料分布，结合藻类类型、粒度和含量的调整，可以“定制”砖块的孔隙结构，从而按需优化其轻质性、隔热性和力学性能的平衡。· 

资源效率：3D打印本身具有减少材料浪费、生产流程高效的优点。 

产品性能达标：即便在高孔隙率下，砖块的抗压强度仍远高于许多标准中对承重砖（10-17 MPa）的要求，具备实际应用的结构潜力。 

2. 面临的挑战与未来研究方向

尽管实验室成果令人鼓舞，但要实现工业化部署，仍需应对以下挑战：· 

长期耐久性验证：需对砖块进行系统的抗冻融循环、抗弯强度测试，以评估其在严酷气候下的长期性能。 

藻类原料标准化：为确保砖块质量稳定，需对藻类生物质建立从清洗、干燥、研磨到筛分的标准化预处理和质量控制流程。 

规模化生产的经济性：需要评估在工业规模上，藻类预处理、3D打印及烧制过程的综合成本效益。 

全生命周期评估：必须进行全面的生命周期评估，量化从藻类采集/处理、运输、生产到砖块使用和废弃全过程的能源消耗、碳足迹和环境效益，以确证其相较于传统砖块的净环境优势。 

3. 应用前景

本研究开发的藻基3D打印砖，特别适用于对隔热性能有较高要求的建筑围护结构，如外墙填充体、内部分隔墙等。其轻质特性还能减轻建筑整体荷载，节省结构材料。结合3D打印技术，可以制造出带有复杂空腔结构的一体化隔热砌块，进一步提升建筑能效。

五、 结论 

这项研究成功地论证了将海洋藻类作为生物基孔隙形成剂，与粘土基质结合并通过3D打印技术制造高性能烧制砖的可行性。它不仅仅是一种材料替代，更代表了一种融合生物资源化、数字化制造和可持续设计的创新型建筑材料生产范式。

通过精细调控藻类的颗粒尺寸和添加量，研究者能够像工程师设计微观结构一样，来定制砖块的最终性能，在轻质性、隔热性和结构强度之间找到最佳平衡点。尽管在耐久性验证、工业化放大和LCA评估方面仍需进一步工作，但这项研究无疑为建筑行业提供了一条清晰且充满希望的路径：利用来自海洋的可持续资源，借助先进制造技术，建造更轻盈、更节能、碳足迹更低的未来建筑。藻类，正从海岸线的“烦恼”，转变为构筑绿色人居的“基石”。

参考文献：El Aabbas, M., Mazian, B., Aalil, I., Ahachad, M., Ouardouz, M., & Mahdaoui, M. (2026). Mechanical and thermal performance of 3D printed fired bricks incorporating algae-based biomass for sustainable construction. Journal of Cleaner Production, 556, 148168. 

声明：本文由山东省藻类产业信息服务平台整理，部分内容由人工智能辅助生成，仅供行业参考，不构成专业建议。