碱激发与可碳化胶凝体系在3D打印中的性能对比分析

由：Mehdi Khanzadeh Moradllo，天普大学呈现

描述：利用矿物碳化封存二氧化碳（CO2）被视为解决水泥和混凝土生产可持续性挑战的可持续方法之一。本研究致力于开发可3D打印的碳化胶凝材料。考虑到建筑行业对混凝土3D打印技术日益增长的关注，这一研究至关重要。我们对所开发混合料的新拌性能、硬化性能及微观结构进行了检测，并探究了使用纤维素纳米材料的优势。与普通硅酸盐水泥（OPC）混合料相比，可碳化胶凝体系的挤出压力有所降低，这可能归因于3D打印可碳化体系对”液体/黏合剂”比例需求更高。添加纤维素纳米晶体（CNCs）可降低可碳化胶凝体系的挤出压力，表明CNCs在这些混合料中能起到粘度调节剂的作用。经过14天的碳化养护后，含CNC的可碳化混合料表现出与湿养护OPC体系相当或更优的抗弯性能。

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图像混凝土

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视频详情

https://www.youtube.com/watch?v=Pm1C6LxeJLk

谢谢大家。

大家好，我叫 Medi Kud，是坦普尔大学的一名副教授。首先，我要感谢参与本研究的博士生 Abdullah，他完成了大部分艰难的工作。

研究动机

我们的研究动机是什么？

在前面的报告中已经提到，目前3D打印混凝土通常需要较高的胶凝材料用量，这会影响其可持续性，同时也提高了成本。这正是我们研究的主要出发点。

我们从两个角度来解决这一问题：

使用纤维素纳米材料（cellulose nanomaterials）——这是一种绿色、天然材料，可改善3D打印体系的新拌性能与硬化性能。
改变胶凝材料类型——探索如何在低熟料甚至零熟料胶凝体系中实现3D打印。

接下来我会具体说明胶凝材料类型的含义。

纤维素纳米材料背景

对于不熟悉这种材料的听众，这里简单介绍一下。

本研究主要使用的是纤维素纳米晶体（CNC）。它们是从树木、植物等来源提取的聚合物晶体结构部分，长度小于0.5微米，属于亚微米级材料。

CNC 有两种形式：

干粉形式
水分散液形式（本研究主要使用这一形式，因为有利于分散）

另一种材料是纤维素纳米纤维（CNF），其长度约为1–5微米，具有较高的比表面积，也是混凝土中常见的一类纳米材料。

胶凝材料体系

本研究测试了两类胶凝体系：

碱激发胶凝材料（Alkali-Activated Binders），并与普通硅酸盐水泥（OPC）体系进行对比；
可碳化胶凝材料（Carbonatable Binders）。

本次报告重点讨论新拌性能（可打印性），但同时也会涉及结构–性能关系，因为最终性能至关重要。

第一部分：碱激发体系

相关论文已发表，如需详细信息可查阅原文。

打印设备

我们使用的是台式挤出式打印设备，在原有陶土打印机基础上进行了大量改造，使其适用于水泥基材料，例如：

自动活塞回缩功能；
可拆卸底部模块，便于补料和压实；
改善开放时间。

打印几何形状较为简单：外围直线层，内部采用锯齿形填充，以便提取力学试样。

可打印性评价方法

除了常规的视觉观察（如可堆叠层数），我们还设计了注射器挤出测试系统，以模拟打印速度，从而：

测量挤出压力
观察压力曲线平稳性
分析压力梯度

重点关注稳态阶段，用于快速筛选配合比并优化体系。

主要发现

1️⃣ 液胶比差异

碱激发体系需要更高的液胶比；
OPC体系可在较低液胶比下实现打印；
随CNC掺量增加，OPC体系液胶比变化更明显。

2️⃣ 挤出压力

在OPC体系中，CNC对挤出压力影响不大；
在碱激发体系中，CNC反而降低挤出压力，提高打印质量。

说明CNC在碱激发体系中可作为粘度调节剂（VMA），减少化学外加剂使用。

力学性能

抗折强度（Modulus of Rupture）

CNC掺量在0.5%–1%之间为最佳；
掺量过高会因分散问题导致性能下降；
碱激发体系在热养护（60°C 7天）条件下性能优于OPC；
封闭养护性能与OPC相当。

此外：

孔隙率与强度呈线性关系；
碱激发体系电阻率高于OPC；
CNC在OPC体系中还表现出“内部养护”作用，提高水化程度，有利于控制裂缝。

微观结构观察

热养护样品中：

未反应粉煤灰与矿渣减少；
生成更多N-A-S-H或C-A-S-H凝胶；
微结构更加致密；
裂缝分布减少。

技术经济与环境分析

若以质量或体积为功能单位，加入CNC会略微提高成本和环境负担。

但若以性能为功能单位（抗折或抗压强度）：

CNC体系单位性能成本降低；
环境影响降低。

原因之一是CNC尚未规模化生产。

第二部分：可碳化胶凝材料

研究目标：探索3D打印与CO₂养护技术的结合。

我们开发了三元体系：

硅灰石（Wollastonite）55%
熟石灰 15%
OPC或矿渣 30%

OPC体系水胶比约0.26；可碳化体系水胶比约0.42。

养护条件：

OPC：水养14天；
其他体系：20% CO₂浓度养护14天。

结果

可打印性

挤出压力低于100N通常可打印；
CNC略微改善可打印性；
同样发挥VMA作用。

力学性能

未掺CNC时，CO₂养护体系抗折性能与OPC相当；
掺CNC后，抗折性能提高约25%。

环境影响

所有可碳化体系CO₂排放低于OPC；
使用矿渣效果更佳；
综合材料与碳封存效应后，CO₂排放降低40–60%。

结论

碱激发体系

CNC显著改善新拌性能；
最优掺量0.5–1%；
热养护下性能优于OPC；
具有可持续潜力。

可碳化体系

CNC略微提升可打印性；
显著提升抗折性能；
CO₂排放减少40–60%；
仍需进一步优化水胶比。

最后，感谢资助单位与学生团队的辛勤付出。

谢谢大家的聆听，欢迎提问。

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