研究人員創(chuàng)造出可與結構混凝土性能相當?shù)?D粘合劑噴射地質聚合物

2022年5月30日，南極熊獲悉，國外的一個3D打印研究團隊創(chuàng)造出了與結構性混凝土性能相當?shù)恼辰Y劑噴射3D打印地質聚合物結構，未來有望應用于各種建筑。

研究團隊的主要目標是在不使用水泥的情況下3D打印偏高嶺土（一種脫羥基的粘土礦高嶺土），他們首先創(chuàng)造出完全由沙子和偏高嶺土構成的原料，并聲稱它能夠在更清潔和更可持續(xù)的過程中生產出具有無缺陷粉末層的棱形地質聚合物組件。

△偏高嶺土和沙子原料的形成和粘合劑噴射3D打印過程。圖片來自增材制造。

地質聚合物的好處

近年來，3D打印在建筑領域內的應用越來越多，然而，長期以來，水泥制造與較高的溫室氣體排放和能源消耗有關，這惡化了3D打印混凝土結構的整體可持續(xù)性。水泥還受制于高自生收縮率、水化熱和高成本。

相比之下，地質聚合物提供了一種快速凝固、具有成本效益和生態(tài)友好的替代品，與傳統(tǒng)的水泥復合材料相比，它具有更強的耐火性和耐久性。因此，近年來，對能夠與混凝土結構等傳統(tǒng)材料相媲美的3D打印地質聚合物結構的研究獲得了更多關注。

例如，早在2017年，新加坡南洋理工大學利用作為煤炭燃燒過程中的副產品產生的廢棄粉煤灰顆粒創(chuàng)造了一種地質聚合物水泥。粉煤灰的使用大大減少了傳統(tǒng)水泥生產過程中的碳足跡，同時也為材料提供了卓越的耐熱性能。

最近在2020年，斯威本科技大學和法國建筑公司Bouygues Travaux Publics部署了機器學習技術，以開發(fā)更強大的3D打印地質聚合物水泥，以及隨后對建筑領域使用的其他3D打印化合物的穩(wěn)定性進行分類的路線圖。

△新加坡南洋理工大學的電裝機械臂 3D 打印地質聚合物結構。圖片來自Cleaner Production雜志。

3D粘合劑噴射地質聚合物

這一領域的最新研究來自一個國際研究團隊，他們是由來自石材3D打印公司Desamanera和意大利帕多瓦大學、埃及國家研究中心、美國賓夕法尼亞州立大學以及阿根廷的陶瓷和礦物資源技術中心（CETMIC）的人員組成。

該研究的主要目標是在不使用水泥的情況下打印偏高嶺土。為了實現(xiàn)這一目標，研究人員開發(fā)了一種造粒技術，使他們能夠生產出具有適當流動性的原料，這種原料是由偏高嶺土覆蓋的砂粒組成的。

粘結劑噴射3D打印工藝使研究人員能夠利用偏高嶺土與堿性溶液反應時發(fā)生的地質聚合過程。

通過將堿性溶液噴射到粉床上，造粒過程允許在粉床上有更高比例的偏高嶺土，即30wt%，并確保打印出無缺陷的粉層。在打印過程中，噴射的堿性溶液與顆粒中的偏高嶺土粉末反應，形成地質聚合物。

研究小組選擇了一個大規(guī)模的、可在市場上買到的粘合劑噴射3D打印機來生產由兩種原料組成的結構性地質聚合物組件；一種完全由偏高嶺土和沙子組成，另一種在粉末混合物中包括少量的商用快速凝固水泥。

在研究過程中，所有的3D打印樣品都被發(fā)現(xiàn)是防水的，暴露在水中7天后，強度沒有明顯差異。用30wt%的偏高嶺土制作的3D打印地質聚合物部件表現(xiàn)出20MPa的抗壓強度，即使有30%體積的殘留孔隙。

研究人員觀察到，僅含有偏高嶺土的3D打印地質聚合物擁有與含有水泥的地質聚合物相同的打印精度和分辨率。據(jù)該團隊稱，這證實了相應的偏高嶺土顆粒的高反應性，以制備地質聚合物凝膠，用于制造堅固、高分辨率的地質聚合物部件，而不需要水泥。

該團隊的造粒技術使更高質量分數(shù)的精細和反應性的偏高嶺土顆粒被引入粉末床，以保持原料的流動性，并允許打印出無缺陷的層。

研究小組還發(fā)現(xiàn)，在粉床中加入快速凝固的水泥對地質聚合物部件的印刷精度或強度沒有影響。將3D打印的地質聚合物結構在水中浸泡一周后，沒有觀察到強度的明顯變化，該團隊認為其配方可用于戶外和與水接觸的應用。

關于這項研究的更多信息可以在發(fā)表在《Additive Manufacturing》雜志上的題為："使用地質聚合物和粘合劑噴射的無機部件增材制造/Additivemanufacturing of inorganic components using a geopolymer and binder jetting"的論文中找到。這項研究的共同作者是H. Elsayed、F. Gobbin、M. Picicco、A. Italiano和P. Colombo。

相關論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860422003062