前言：

傳統澆鑄型混凝土由沙、礫石、土和波特蘭水泥所組成。水泥是傳統混凝土的常用成分，基於傳統混凝土中的波特蘭水泥具有很高的隱含碳，這意味著在這種產品的整個生命週期中，從製造到處置，都會產生大量的碳排放。隨著人們對碳排放如何影響地球的知識認知不斷提高，建築行業有許多人正在尋找可以減少隱含碳的具體配方，例如土基和粘土基材料的配方，這些土基或黏土型混凝土則是利用一般土壤或黏土質土壤來取代水泥做為黏合劑。

使用天然泥土做為土基型混凝土取代一般燒結型水泥混凝土是一種可再生循環型且可以達到碳中和效益的解決方案，土基型混凝土越來越受到人們的關注。然而，其性能因為具高度的可變性，而使其難以做為建築原材料的應用。

由於城市的擴張，新建築個案每年都會產生大量的建築廢棄土方，這些被挖掘出來的土方，除了少部份做為建築物的基座回填外，多數會被移做填埋造路，影響原有的地貌。從城市的物質流動來看，這種營建廢棄土方的資源量龐大，它可以視為城市的一種主要資源。而將營建土方做為土基型混泥土則被視為具有最佳回收潛力的封閉材料流動循環的最佳範例。營建土方可以提供對環境影響最低的建築材料之一。然而，要將這種大量的潛在資源轉化為建築材料和城市建築體成份的大規模生產，則需要面對天然土壤的高度變異。

黃原膠又稱三仙膠，它是一種細胞外的多醣體物質（EPS），是重要的天然生物聚合物，被廣泛用於生物醫學、食品、化妝品、石油、製藥以及環境修復等不同領域。

最近黃原膠被美國哥倫比亞大學的研究人員注意到，這些研究人員將黃原膠應用在目前建築業所關注的具碳中和效益的土基型混凝土，並得到具商業價值的成效。

土基型混凝土通常是使用無毒、無重金屬汙染的天然土礦原料，它不需要如水泥製程的能源密集型製造工藝，可以減少能耗和溫室氣體排放。然而，這些複合材料通常會表現出既有的不穩定性和不足且有限的機械性能，因此需要使用穩定劑來增強其對建築目的的適用性。

在過去建築業者常會利用一些水泥添加來穩定土基混凝土。但是，為了完全消除對波特蘭水泥的需求，工程師們正在轉向使用碳足跡較低的生物基穩定劑來取代部份的水泥成份。

黃原膠在土基混凝土的生物基穩定劑中正在脫穎而出，因為它在增強該土壤成份的耐久性和機械性能方面具有卓越的效果。而且與其他常用的生物聚合物（如結冷膠、瓊脂和瓜爾豆膠）相比，它的市場價格也明顯較低，性價比更高。

哥倫比亞大學的研究人員在最近的一篇相關論文中寫道，儘管黃原膠對土壤力學的影響已經是眾所周知，但黃原膠的相互作用對粘土懸浮液流變性能的影響及其對地球材料3D列印等進階應用上的後續影響，目前在很大程度上仍未得到探索。

在美國陶瓷協會ACerS的成員Shiho Kawashima指導下，研究人員使用由具高嶺石成份的粘土、渥太華試砂(Ottawa test sand)、水和黃原膠所組成的混合物作為土基混凝土樣品，他們嘗試著找出粘土微結構和高分子聚合物間的交互作用和差異性，以期在宏觀流變學和建築3D列印施工的行為之間找到更好的施工性能。

首先，他們對土基混凝土樣品成分進行了微觀結構的特徵分析，以評估顆粒相互作用的潛在變化原因。然後，他們改變了黃原膠濃度和在不同的水與粘土的比例，以觀察這些變化如何去影響樣品流變特性的關鍵因素，如該混凝土的粘度值和降伏值。最後，他們在這些關鍵因素與該微觀結構之間所產生的相互作用找出了彼此的關聯性。 

美國哥倫比亞大學的研究人員表示，在上述測試的主要結論之一是黃原膠和高嶺石都具有高負電性的表面電荷，這導致它們在懸浮液中產生了靜電排斥。因此，黃原膠並不直接與高嶺石顆粒結合，但它的存在卻可以阻礙高嶺石顆粒的自由運動，“因此阻礙了黏土顆粒間形成絮凝體的能力，進一步導致混凝土漿體延遲沉澱並促進分散性。

在這些前期的物料基礎物性測試之後，研究人員使用注射泵擠出測試和3D列印實驗，進一步研究了土基混凝土樣品的可擠出性和可塑性。最終他們確定，在0.6 wt.%的黃原膠中，由於聚合物網狀結構的形成，混凝土的降伏應力和粘度會開始逐漸上升，從而增強了混凝土的可塑性和操作性。
在 5 wt.% 黃原膠時，該混凝土的降伏應力和粘度都可以達到 3D 列印的理想作業性。

研究人員做了總結說：「這項研究探索，凸顯了XG（黃原膠）作為雙重功能助劑的關鍵作用，即黃原膠將可以做為環保型土基混凝土的一種粘合助劑和流變改性劑。」

上列論文發表在《水泥與混凝土研究》期刊上，標題為“Rheology， 3D printing， and particle interactions of xanthan gum-clay binder for earth concrete”（DOI： 10.1016/j.cemconres.2024.107551）。