3D打印“点废成金” 兰理工科研成果为西北建造“强筋健骨”

在平凉华亭市甘肃腾金来新型材料有限公司的生产车间里，一台台3D打印机正有条不紊地吞吐着混凝土浆料。浆料层层堆叠，如同编织毛线般，逐渐幻化出造型别致的景观雕塑、坚固耐用的建筑墙体以及现代化的装配式建筑构件。这些“打印”而成的建筑成品，其核心技术正源自兰州理工大学土木与水利工程学院教授张宇及其团队的创新突破——他们不仅实现了新型建筑构件的智能化预制，更将工业废渣等固废“变废为宝”，转化为高性能工程材料，既有效补齐甘肃及西北地区生态脆弱的短板，又显著降低固废填埋带来的环境污染，为西北建造“强筋健骨”。

校企携手3D打印激活西北产业动能

“如果没有接触3D打印技术，没有遇到张宇老师和他的团队，公司也不可能有如今的跨越式发展。”谈及与张宇的结缘，甘肃腾金来新型材料有限公司董事长时光志满是感激。

2022年，时光志在一次会议上经朋友介绍结识张宇，首次接触到混凝土3D打印技术，两人一见如故。2023年，他大胆决定将这项前沿技术投入实际应用，使企业成为省内首家试水混凝土3D打印技术的材料企业，开启了“摸着石头过河”的创新之路。

起初，这项技术主要用于各类景观雕塑的打印。那些布满蜂窝状镂空结构的奇特造型，是传统模板工艺难以企及的设计。随着技术的日渐成熟，混凝土3D打印技术逐步拓展至装配式建筑、节能保温材料等多个系列绿色产品的生产中。“混凝土3D打印是以工业固废、砂石、水泥等为原料，通过数字化技术预制新型建筑构件，这是一种颠覆传统的全新建筑模式。”时光志介绍，该技术生产的构件更坚固耐用，不仅能解放人力，还能大幅降低建造成本。

凭借3D打印技术的加持，2021年成立的甘肃腾金来新型材料有限公司实现跨越式发展，从一家普通材料企业，成功跻身行业内专精特新“小巨人”企业行列，并荣获“国家高新技术企业”称号。“2026年，我们将继续与张宇老师的团队深化合作，运用3D打印技术打造办公楼，这座建筑将成为西北地区单体规模最大的3D打印建筑。”展望技术前景，时光志信心满怀。

这份底气，源于张宇及其团队的硬核技术支撑，源于对行业发展的精准前瞻，更是校企合作结出的生动硕果。

在国内混凝土3D打印技术领域，张宇手握多个“第一”：他的导师张云升是国内首个斩获3D打印技术基金项目的科研者；他本人是国内首位以混凝土3D打印技术为研究方向的博士，也是首个将该技术应用于西北建筑领域的践行者。

2021年6月，博士毕业于东南大学时，不少南方企业和高校向张宇抛来橄榄枝。“当时东南大学与兰州理工大学开展对口支援，导师计划在兰州理工大学筹建实验室，便询问我是否愿意奔赴西北。在和爱人商量后，我们一家人便毅然来到了这里。”张宇轻描淡写地讲述着当初的选择，言语间却藏着一份赤诚的“私心”，“东部地区经济发达，行业竞争也更为激烈。我希望能把混凝土3D打印技术带到西北，为基础设施相对薄弱的西北地区发展尽一份力。”

同年6月，张宇入职兰州理工大学土木与水利工程学院，成为一名讲师。自此，他将个人理想追求与国家战略、地域发展紧密相连，如一株红柳扎根西北热土，让用技术服务祖国的初心落地生根。

宽松的科研环境与严谨的学术氛围，为张宇的技术研发提供了沃土。凭借在混凝土3D打印技术领域的深厚积淀，他带领团队成功破解了西北低温环境下混凝土早期强度发展慢、抗盐蚀性差的行业难题，短短三年便成长为该领域的青年骨干。同时，针对机制砂粒形差、级配不良、石粉含量高等痛点，张宇团队聚焦机制砂特性对3D打印混凝土可打印性的影响规律，深入揭示其对流变性能的作用机制，创新提出材料复合调控技术，为3D打印机制砂混凝土的理论研究与工程应用奠定了坚实的科学基础。这项研究也成功获批2023年国家自然科学基金青年项目，成为张宇科研生涯中的首个国家级基金项目。

科技点金，打造西北寒旱区工程“新筋骨”

西北地区干旱少雨、昼夜温差悬殊，盐碱侵蚀与反复冻融的极端环境，让传统建筑易开裂、耐久性差的问题长期困扰工程建设。与此同时，作为国家煤炭主产区，当地巨量煤基固废堆积如山，环境污染压力与日俱增。

在推进3D打印技术的同时，张宇团队将目光投向了另一重要方向：如何让堆积如山的工业废渣“变身”绿色建材。

张宇长期深耕混凝土材料领域，格外关注材料在极端环境下的强度、耐久性与流变特性。在他看来，这些堆积的固废，正是开展研究的最佳“试验田”与资源库。为此，他带领团队将目光投向钢铁、有色、煤炭等行业产生的各类废渣，探索其资源化高值利用的新路径。

清水驿至傅家窑段是甘肃首条黄土路床钢渣利用试验段，这也是钢渣作为改良掺合料应用于黄土路床在甘肃省的首次实践。

“在导师张云升的带领下，我和团队参与到清傅公路项目中，创新将钢渣固废资源化利用技术与湿陷性黄土加固需求精准结合，为项目路基施工提供核心技术支撑。”兰理工的技术突破让钢渣从“沉睡废材”升级为“硬核铺路石”，试验段路基填料以黄土为主，选用细粒径钢渣作为掺和料，严格按照试验配比掺拌，不仅减少了混合料拌和、运输的工作量，降低了能耗，还大幅节约施工成本、缩短建设工期。“大量科学实验证实，钢渣凭借优异的集料特性和胶凝特性，是性能优良的筑路材料。”这一成功案例不仅在清傅公路实现规模化应用并成效显著，更为黄土高原及全国同类湿陷性黄土区域的道路建设，提供了可复制、可推广的固废资源化解决方案与施工技术参考。

团队的探索不断延伸至更高附加值领域。在平凉华亭，他们利用煤矸石与黏土化学成分相似的特点，研究其替代传统黏土作为水泥原料的可行性；针对富含碳的煤气化渣，则通过煅烧等工艺处理，尝试与铝矾土配比，用于生产建筑陶瓷原料，推动固废向日常建材制造的深度转化。

更令人惊喜的突破来自有色金属尾矿的利用。“在与白银有色等企业的合作中，我们发现铜尾矿作为混凝土掺合料，在10%的掺量下不仅不会降低材料性能，部分指标还能实现提升。目前，铜尾矿混凝土的长期耐久性观测已持续逾200天，实际表现远超预期，相关研究也已获得地方科研项目支持。”张宇说，他和团队的多项创新成果已为西北地区的重大交通、水利、能源设施建设提供了直接的技术支撑。他深度参与建设的“西北寒旱区公路基础设施长期性能省级野外科学观测研究站”，正在成为积累宝贵原始数据、服务国家重大工程决策的重要科研平台。

“科研创新就是让一些看似‘天方夜谭’的想法成为现实。”张宇深有体会地说。秉持这样的信念，他的下一个研究方向已瞄准无人机3D打印建筑，目前该项目已成功申请国家基金。“让结构灵巧的机器人在数字化制造、人机协同及极端环境应用中，解决更复杂多样的科学难题。”张宇如是展望。

从钢渣筑路、铜尾矿混凝土，到煤矸石水泥、气化渣陶瓷，张宇团队以混凝土3D打印技术串起“科技—产业—绿色”的完整闭环，以科研足迹清晰勾勒出一条“以废治害、以废强基”的绿色路径，为西北寒旱区工程建设注入了科技硬核。

如今，这支扎根甘肃的科研人，正铆足劲儿继续创新，要让更多“点石成金”的好故事，在西北大地上不断上演。