Addit. Manuf. ：3D打印氧化鎂混凝土，面向可持續(xù)的現(xiàn)代建筑

來源：智慧土木

研究背景

3D打印技術是一種迅速興起的技術，致力于為現(xiàn)代生產行業(yè)提供一個良好的數(shù)字框架，具有靈活性高，周期時間短，勞動力成本低和資源浪費少等獨特優(yōu)勢。在最近的幾十年里，3D打印的范圍已經擴展到建筑行業(yè)，該技術在生成復雜的建筑結構方面顯示出了巨大的潛力，而這些復雜的建筑結構通過傳統(tǒng)的施工方法難以產生。雖然使用3D打印技術可以縮短施工周期和降低人工成本，但在材料方面，該技術仍然很昂貴，因為它不能摻入粗骨料，導致水泥的消耗更大。普通硅酸鹽水泥（OPC）是傳統(tǒng)建筑和3D打印中最常用的材料，在生產過程中產生了大量的CO2排放，在其整個生命周期中對環(huán)境保護沒有任何積極作用。因此，開發(fā)替代低碳建筑材料，使3D打印技術整體可持續(xù)發(fā)展至關重要。生產活性氧化鎂水泥（RMC）的溫度是OPC的一半（700℃和1400℃），且一旦水化，它能夠通過形成穩(wěn)定的水合碳酸鎂（HMCs）來永久吸收大氣中的二氧化碳，從而使微結構致密化并提高強度。目前的研究表明，由于RMC具有永久封存CO2的能力，且隨后的強度增加可與OPC相媲美，因此RMC可作為一種可持續(xù)的替代方案。

研究出發(fā)點

近年來，硫鋁酸鹽水泥、磷酸鉀鎂水泥等低碳環(huán)保材料的3D打印技術已經得到了應用。然而，RMC的3D打印潛力尚未被開發(fā)，將RMC和類似的低碳建筑材料用于3D打印保證了現(xiàn)代建筑行業(yè)的可持續(xù)未來?；诖?，本文提出了面向可持續(xù)現(xiàn)代建筑的3D打印氧化鎂混凝土。

研究內容

本文采用XRD、SEM、TGA等微觀測試方法，結合宏觀力學與流變學測量對比打印和澆筑RMC漿體的力學性能、流變性能和可建造性。研究結果表明，通過添加適當?shù)耐饧觿┖蛢H3 wt. %的腐蝕性氧化鎂到市售的RMC中，實現(xiàn)了RMC漿體適當?shù)牧髯冃院涂山ㄔ煨?，使復雜結構的3D打印能夠保持精確的形狀。

圖1 3種不同幾何形狀的3D打印RMC：CAD模型(上排)、切片模型(中排)和相應的3D打印結構，尺寸以mm為單位(下排)

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圖2 澆筑和3D打印RMC試樣的抗壓強度及破壞機理：(a) 照片顯示直徑和高度均接近25毫米的圓柱形樣品；(b) 抗壓強度曲線；(c) 壓縮試驗后試樣狀態(tài)

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圖3 掃描電鏡分析澆筑（上排）和3D打印（下排）RMC：(a, c) 和 (b, d) 分別代表表面和內部的微觀結構

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圖4 (a) XRD和(b) TGA/DTG分析揭示澆筑和3D打印樣品的碳化效率

主要結論

本研究表明，添加3wt. %的cMgO和適當比例的外加劑， RMC可以獲得優(yōu)異的擠出性、流動性和可建造性，使其適合3D打印。對于中等復雜的結構，3D打印時間長達60分鐘，沒有出現(xiàn)任何流動中斷或結構坍塌，即使在加速碳化后，它們也表現(xiàn)出良好的形狀保持和整體完整性。此外，3D打印RMC的強度幾乎是澆筑RMC的兩倍強，這歸因于3D打印RMC的多孔性促進了混凝土的碳化。本研究需要對RMC的3D打印進行進一步的研究和開發(fā)，以揭示混合成分、打印參數(shù)和養(yǎng)護條件等幾個方面對性能的影響，以實現(xiàn)混凝土更高程度的碳化和強度。這項研究還強調了RMC作為一種3D打印建筑材料在整體可持續(xù)發(fā)展和現(xiàn)代基礎設施方面的強大潛力。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101145