J. Clean. Prod. ：地聚物復合材料的3D 擠壓自由成型：材料改性和加工優(yōu)化

來源：智慧土木

研究背景

近年來，3D打印混凝土已經成為一種新興技術，在建筑和建筑領域得到了廣泛應用。與傳統(tǒng)施工相比，新技術無需人工干預，無需復雜模板，可實現(xiàn)自由施工。目前，3D打印混凝土的原材料主要是普通硅酸鹽水泥(OPC)。眾所周知，OPC生產涉及天然原料的勘探、磨粉和燒結會消耗大量的能量以及在大氣中排放大量的CO2，對環(huán)境造成污染。為了減少溫室氣體的排放和自然資源的消耗，一些研究人員已經在使用一種特殊的環(huán)保材料來替代OPC，并取得了進展。地聚物是一組類似波特蘭水泥的材料，可以通過堿性溶液與工業(yè)廢物之間非常簡單且環(huán)保的反應制備。此外，根據(jù)最近的一些地聚物研究工作，陶瓷廢物、有色冶金固體廢物、廢玻璃和赤泥也被用作地質聚合反應的前體。一些研究表明，水合鋁酸鈉凝膠和水合硅酸鋁酸鈣凝膠共存于地聚物基體中。此外，其他研究發(fā)現(xiàn)，廢玻璃基地聚物具有高抗壓強度、對環(huán)境影響較小和良好的抗風化性能。迄今為止，地聚物以其強度高、耐久性好、耐高溫、金屬離子封閉等特點，在建筑材料、道路修補、多功能涂料、膜材料、核廢料處理等領域有著廣泛的應用。同時，與 OPC 相比，地聚物混凝土可以很容易地合成，排放很少或不排放溫室氣體。因此，用地聚物混凝土替代OPC的概念一直受到世界各地研究人員的極大關注。

研究出發(fā)點

地質聚合是地聚物合成中的一個綜合過程，涉及溶解、重組和縮聚，在此過程中，凝膠的形成是一個非常重要的步驟，它會影響形成的地聚物的微觀結構和力學性能。地聚物復合材料不僅適用于擠出，而且在 3D 打印后仍能保持其形狀�；�于此，有必要對地聚物進行一定的研究討論。

研究內容

本文系統(tǒng)研究了地聚物復合材料 3D 擠出自由成型的關鍵因素，包括凝結時間、保水能力、流變性能、力學性能和干燥收縮率。分別選擇不同量的羧甲基淀粉鈉（CMS）和50%的碳酸鈣作為改性外加劑和粗骨料，有效地提高了可觀察到膨脹的新拌漿體在室溫下的保水能力和凝結時間。由于它們具有合適的可加工性和力學性能，這些地聚物復合材料可用于 3D 自由成型，用于制造建筑材料、模具、工藝品或其他產品。

圖1 CMS含量對復合漿料凝結時間的影響：(a) 25℃, (b) 60℃

圖2 CMS含量對地聚物復合漿料屈服應力和塑性粘度的影響

圖3 CMS含量對復合材料的抗彎強度 (a) 和抗壓強度 (b) 的影響

圖 4 CMS含量對復合材料收縮率的影響

主要結論

本研究以碳酸鈣為骨料，堿活性礦渣基地聚物為膠凝材料，CMS為改性劑，制備了一種性能優(yōu)良、3D打印可行性顯著的環(huán)境友好型地聚物復合材料。系統(tǒng)研究了CMS對固化時間、保水性、流變學性能、干燥收縮性能和力學性能的影響，這些性能對地聚物復合材料在3D打印中的應用具有重要意義：

隨著CMS含量的增加，地聚物復合漿體的保水率和凝結時間顯著增加，這歸因于CMS的緩凝作用。適當?shù)谋Ｋ�率和硬化時間可以防止固液分離和漿體過早或過晚硬化，保證3D打印過程的順利進行；

隨著CMS含量的增加，復合料漿的流動性顯著降低，擠出后漿體流動性的降低可以在很少或不變形的情況下達到打印效果。CMS含量在4% ~ 6%之間的新拌碳酸鈣/地聚物以30 mm/s的速度連續(xù)擠壓而不發(fā)生斷裂、不連續(xù)和打印層的坍塌。對應的塑性粘度在10.08 ~ 10.42 Pa·s之間，屈服應力在32.53 ~ 66.71 Pa之間，能夠滿足擠壓成型的要求；

硬化材料的干燥收縮率隨CMS含量的增加而減小，說明 CMS 對收縮幅度有抑制作用。CMS的加入可以減緩礦渣的解聚和縮聚，從而導致漿體中游離水和吸附水增加，凝膠水、結構水等形式的水減少。隨著CMS含量的增加，聚合產物量減少，尤其是凝膠量，干縮變形量相應減少。適宜的地聚物漿體中CMS含量使硬化試樣的干燥收縮率低，力學強度高，保證了3D打印產品的抗裂性和力學性能要求；

綜上所述，該復合材料具有良好的機械加工性能和力學性能，是理想的3D自由成形材料，為地聚物復合材料在3D打印中的應用提供了實踐基礎。