研究人員創(chuàng)造出可與結(jié)構(gòu)混凝土性能相當(dāng)?shù)?D粘合劑噴射地質(zhì)聚合物

2022年5月30日，南極熊獲悉，國(guó)外的一個(gè)3D打印研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造出了與結(jié)構(gòu)性混凝土性能相當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑噴射3D打印地質(zhì)聚合物結(jié)構(gòu)，未來有望應(yīng)用于各種建筑。

研究團(tuán)隊(duì)的主要目標(biāo)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(gòu)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(chǎn)出具有無缺陷粉末層的棱形地質(zhì)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(zhì)聚合物的好處

近年來，3D打印在建筑領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用越來越多，然而，長(zhǎng)期以來，水泥制造與較高的溫室氣體排放和能源消耗有關(guān)，這惡化了3D打印混凝土結(jié)構(gòu)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(zhì)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(fù)合材料相比，它具有更強(qiáng)的耐火性和耐久性。因此，近年來，對(duì)能夠與混凝土結(jié)構(gòu)等傳統(tǒng)材料相媲美的3D打印地質(zhì)聚合物結(jié)構(gòu)的研究獲得了更多關(guān)注。

例如，早在2017年，新加坡南洋理工大學(xué)利用作為煤炭燃燒過程中的副產(chǎn)品產(chǎn)生的廢棄粉煤灰顆粒創(chuàng)造了一種地質(zhì)聚合物水泥。粉煤灰的使用大大減少了傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)過程中的碳足跡，同時(shí)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(xué)和法國(guó)建筑公司Bouygues Travaux Publics部署了機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，以開發(fā)更強(qiáng)大的3D打印地質(zhì)聚合物水泥，以及隨后對(duì)建筑領(lǐng)域使用的其他3D打印化合物的穩(wěn)定性進(jìn)行分類的路線圖。

△新加坡南洋理工大學(xué)的電裝機(jī)械臂 3D 打印地質(zhì)聚合物結(jié)構(gòu)。圖片來自Cleaner Production雜志。

3D粘合劑噴射地質(zhì)聚合物

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

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

粘結(jié)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(yīng)時(shí)發(fā)生的地質(zhì)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(yīng)，形成地質(zhì)聚合物。

研究小組選擇了一個(gè)大規(guī)模的、可在市場(chǎng)上買到的粘合劑噴射3D打印機(jī)來生產(chǎn)由兩種原料組成的結(jié)構(gòu)性地質(zhì)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(qiáng)度沒有明顯差異。用30wt%的偏高嶺土制作的3D打印地質(zhì)聚合物部件表現(xiàn)出20MPa的抗壓強(qiáng)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(zhì)聚合物擁有與含有水泥的地質(zhì)聚合物相同的打印精度和分辨率。據(jù)該團(tuán)隊(duì)稱，這證實(shí)了相應(yīng)的偏高嶺土顆粒的高反應(yīng)性，以制備地質(zhì)聚合物凝膠，用于制造堅(jiān)固、高分辨率的地質(zhì)聚合物部件，而不需要水泥。

該團(tuán)隊(duì)的造粒技術(shù)使更高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的精細(xì)和反應(yīng)性的偏高嶺土顆粒被引入粉末床，以保持原料的流動(dòng)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(duì)地質(zhì)聚合物部件的印刷精度或強(qiáng)度沒有影響。將3D打印的地質(zhì)聚合物結(jié)構(gòu)在水中浸泡一周后，沒有觀察到強(qiáng)度的明顯變化，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為其配方可用于戶外和與水接觸的應(yīng)用。

關(guān)于這項(xiàng)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(zhì)聚合物和粘合劑噴射的無機(jī)部件增材制造/Additivemanufacturing of inorganic components using a geopolymer and binder jetting"的論文中找到。這項(xiàng)研究的共同作者是H. Elsayed、F. Gobbin、M. Picicco、A. Italiano和P. Colombo。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860422003062