J. Clean. Prod. ：地聚物復(fù)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(jīng)成為一種新興技術(shù),，在建筑和建筑領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,。與傳統(tǒng)施工相比，新技術(shù)無需人工干預(yù),，無需復(fù)雜模板,，可實(shí)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(chǎn)涉及天然原料的勘探,、磨粉和燒結(jié)會(huì)消耗大量的能量以及在大氣中排放大量的CO2,，對(duì)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(jīng)在使用一種特殊的環(huán)保材料來替代OPC，并取得了進(jìn)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(jiǎn)單且環(huán)保的反應(yīng)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(zhì)聚合反應(yīng)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(qiáng)度、對(duì)環(huán)境影響較小和良好的抗風(fēng)化性能,。迄今為止,，地聚物以其強(qiáng)度高、耐久性好,、耐高溫,、金屬離子封閉等特點(diǎn)，在建筑材料,、道路修補(bǔ),、多功能涂料、膜材料,、核廢料處理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,。同時(shí)，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(guān)注,。

研究出發(fā)點(diǎn)

地質(zhì)聚合是地聚物合成中的一個(gè)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(gè)非常重要的步驟,，它會(huì)影響形成的地聚物的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能,。地聚物復(fù)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��(duì)地聚物進(jìn)行一定的研究討論,。

研究?jī)?nèi)容

本文系統(tǒng)研究了地聚物復(fù)合材料 3D 擠出自由成型的關(guān)鍵因素,，包括凝結(jié)時(shí)間、保水能力,、流變性能,、力學(xué)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(jié)時(shí)間,。由于它們具有合適的可加工性和力學(xué)性能,，這些地聚物復(fù)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(chǎn)品。

圖1 CMS含量對(duì)復(fù)合漿料凝結(jié)時(shí)間的影響：(a) 25℃, (b) 60℃

圖2 CMS含量對(duì)地聚物復(fù)合漿料屈服應(yīng)力和塑性粘度的影響

圖3 CMS含量對(duì)復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度 (a) 和抗壓強(qiáng)度 (b) 的影響

圖 4 CMS含量對(duì)復(fù)合材料收縮率的影響

主要結(jié)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(fù)合材料,。系統(tǒng)研究了CMS對(duì)固化時(shí)間、保水性,、流變學(xué)性能,、干燥收縮性能和力學(xué)性能的影響，這些性能對(duì)地聚物復(fù)合材料在3D打印中的應(yīng)用具有重要意義：

隨著CMS含量的增加,，地聚物復(fù)合漿體的保水率和凝結(jié)時(shí)間顯著增加,，這歸因于CMS的緩凝作用。適當(dāng)?shù)谋Ｋ�率和硬化時(shí)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(jìn)行,；

隨著CMS含量的增加，復(fù)合料漿的流動(dòng)性顯著降低,，擠出后漿體流動(dòng)性的降低可以在很少或不變形的情況下達(dá)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(duì)應(yīng)的塑性粘度在10.08 ~ 10.42 Pa·s之間,，屈服應(yīng)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(duì)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(dǎo)致漿體中游離水和吸附水增加,，凝膠水、結(jié)構(gòu)水等形式的水減少,。隨著CMS含量的增加,，聚合產(chǎn)物量減少，尤其是凝膠量,，干縮變形量相應(yīng)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(xué)強(qiáng)度高,，保證了3D打印產(chǎn)品的抗裂性和力學(xué)性能要求,；

綜上所述，該復(fù)合材料具有良好的機(jī)械加工性能和力學(xué)性能,，是理想的3D自由成形材料,，為地聚物復(fù)合材料在3D打印中的應(yīng)用提供了實(shí)踐基礎(chǔ)。