Addit. Manuf. ：3D打印氧化镁混凝土，面向可持续的现代建筑

来源：智慧土木

研究背景

3D打印技术是一种迅速兴起的技术，致力于为现代生产行业提供一个良好的数字框架，具有灵活性高，周期时间短，劳动力成本低和资源浪费少等独特优势。在最近的几十年里，3D打印的范围已经扩展到建筑行业，该技术在生成复杂的建筑结构方面显示出了巨大的潜力，而这些复杂的建筑结构通过传统的施工方法难以产生。虽然使用3D打印技术可以缩短施工周期和降低人工成本，但在材料方面，该技术仍然很昂贵，因为它不能掺入粗骨料，导致水泥的消耗更大。普通硅酸盐水泥（OPC）是传统建筑和3D打印中最常用的材料，在生产过程中产生了大量的CO2排放，在其整个生命周期中对环境保护没有任何积极作用。因此，开发替代低碳建筑材料，使3D打印技术整体可持续发展至关重要。生产活性氧化镁水泥（RMC）的温度是OPC的一半（700℃和1400℃），且一旦水化，它能够通过形成稳定的水合碳酸镁（HMCs）来永久吸收大气中的二氧化碳，从而使微结构致密化并提高强度。目前的研究表明，由于RMC具有永久封存CO2的能力，且随后的强度增加可与OPC相媲美，因此RMC可作为一种可持续的替代方案。

研究出发点

近年来，硫铝酸盐水泥、磷酸钾镁水泥等低碳环保材料的3D打印技术已经得到了应用。然而，RMC的3D打印潜力尚未被开发，将RMC和类似的低碳建筑材料用于3D打印保证了现代建筑行业的可持续未来。基于此，本文提出了面向可持续现代建筑的3D打印氧化镁混凝土。

研究内容

本文采用XRD、SEM、TGA等微观测试方法，结合宏观力学与流变学测量对比打印和浇筑RMC浆体的力学性能、流变性能和可建造性。研究结果表明，通过添加适当的外加剂和仅3 wt. %的腐蚀性氧化镁到市售的RMC中，实现了RMC浆体适当的流变性和可建造性，使复杂结构的3D打印能够保持精确的形状。

图1 3种不同几何形状的3D打印RMC：CAD模型(上排)、切片模型(中排)和相应的3D打印结构，尺寸以mm为单位(下排)

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图2 浇筑和3D打印RMC试样的抗压强度及破坏机理：(a) 照片显示直径和高度均接近25毫米的圆柱形样品；(b) 抗压强度曲线；(c) 压缩试验后试样状态

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图3 扫描电镜分析浇筑（上排）和3D打印（下排）RMC：(a, c) 和 (b, d) 分别代表表面和内部的微观结构

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图4 (a) XRD和(b) TGA/DTG分析揭示浇筑和3D打印样品的碳化效率

主要结论

本研究表明，添加3wt. %的cMgO和适当比例的外加剂， RMC可以获得优异的挤出性、流动性和可建造性，使其适合3D打印。对于中等复杂的结构，3D打印时间长达60分钟，没有出现任何流动中断或结构坍塌，即使在加速碳化后，它们也表现出良好的形状保持和整体完整性。此外，3D打印RMC的强度几乎是浇筑RMC的两倍强，这归因于3D打印RMC的多孔性促进了混凝土的碳化。本研究需要对RMC的3D打印进行进一步的研究和开发，以揭示混合成分、打印参数和养护条件等几个方面对性能的影响，以实现混凝土更高程度的碳化和强度。这项研究还强调了RMC作为一种3D打印建筑材料在整体可持续发展和现代基础设施方面的强大潜力。

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101145