文献分享63—气相二氧化硅调控 3D 打印水泥浆体:流变性能、微观结构与性

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气相二氧化硅调控 3D 打印水泥浆体：流变性能、微观结构与可打印性

题目

气相二氧化硅调控 3D 打印水泥浆体：流变性能、微观结构与可打印性

出版年份：2026年

第一作者：Yong Mao 武汉理工硅酸盐建筑材料国家重点实验室

通讯作者：Zhengyao Qu 武汉理工硅酸盐建筑材料国家重点实验室

通讯作者：Fazhou Wang 武汉理工硅酸盐建筑材料国家重点实验室

发表期刊：

Construction and Building Materials

关键词：

3D打印；气相二氧化硅；流变性能；微观结构；可打印性

摘要：

3D 打印水泥基材料的流变特性（尤其触变性）直接决定材料可泵送性与堆叠成型性能。传统触变调控外加剂存在分散不均、干扰水化、劣化力学性能等缺陷。本文系统探究纳米流变改性剂气相二氧化硅（FS）对 3D 打印水泥浆流变行为、微观结构与打印性能的调控规律。结果表明气相二氧化硅存在 0.3% 临界掺量阈值；该掺量下浆体兼具高屈服应力与适中触变恢复能力，同时水化放热速率峰值最高，打印形状保真度最优；掺量超过阈值后浆体呈现 “强而脆” 流变特征，结构强度提升但挤出阻力增大、层间粘结弱化。研究证实气相二氧化硅可作为高性能外加剂协同优化 3D 打印水泥基材料流变性能并促进早期微观结构发育，为其工程应用提供理论依据与关键工艺参数。

研究背景：

3D 打印水泥是无模板数字化建造核心技术，要求浆体挤出时低屈服应力保证泵送，沉积后快速形成高承载结构，但现有外加剂调控触变存在明显短板。纳米气相二氧化硅具备超高比表面积与活性硅羟基，在涂料领域用作触变剂，但其在 3D 打印水泥中的多尺度协同调控机制尚不清晰，缺少掺量临界阈值与微观 - 宏观性能关联的系统研究，因此开展本试验完善相关理论。

研究现状：

①纳米高岭土、膨润土等纳米黏土可提升浆体结构恢复，但易团聚、高掺量增大需水量并损害长期力学性能。

②纤维素醚类增稠剂可保水抗沉降，但会显著延缓水泥水化，抑制早期强度发展速率。

③气相二氧化硅具备纳米桥接与水化促活潜力，但现有研究极少完整表征其对打印水泥多维度性能的耦合影响。

④当前研究缺少统一体系下气相二氧化硅掺量、微观絮凝结构、打印成型质量的定量关联分析。

本研究的核心目标：

系统量化不同掺量气相二氧化硅对水泥浆流变、微观水化、打印成型及力学性能的影响规律，确定最优临界掺量；阐明气相二氧化硅通过物理絮凝网络与化学水化成核协同调控材料性能的多尺度机理，建立微观结构演变与宏观可打印性能的对应关系，为气相二氧化硅在 3D 打印建材工程应用提供参数支撑与理论基础。

核心研究方法：

制备 0~0.4% 五组气相二氧化硅改性水泥浆（水胶比固定 0.28），采用流变仪、冷冻电镜、胶体絮凝分析仪、低场核磁、等温量热、桌面 3D 打印机开展多维度测试，配套抗压、抗折、层间拉伸力学试验，多手段耦合解析微观结构与宏观打印性能的内在作用机制。

主要图表-1：

气相二氧化硅火焰合成工艺示意图：

主要图表-2：

实验程序和表征方法的示意图：

主要图表-3：

胶体絮体尺寸的测量过程：

主要图表-4：

桌面3D打印机：

主要图表-5：

(a) 样品制备和 (b) 用于层间粘合强度测量的测试装置：

主要图表-6：

(a) 静态屈服应力测试和 (b) 剪切速率扫描测试的结果：

主要图表-7：

三区间触变测试（3ITT）黏度 - 时间变化曲线：

主要图表-8：

(a) 不同样品的触变环曲线和 (b) 计算的触变环面积：

主要图表-9：

振荡流变测试结果：(a)时间扫描曲线； (b) 频率扫描曲线； (c) 应力扫描曲线：

主要图表-10：

不同浆料的 Cryo-SEM 微观结构和定量结果：(a1–c1) 参考组； (a2–c2) 0.1% FS 组； (a3-c3) 0.2% FS 组； (a4–c4) 0.3% FS 组； (a5–c5) 0.4% FS 组：

主要图表-11：

糊剂中絮凝结构的尺寸分布：(a)差异分布； (b) 平均尺寸和峰值尺寸：

主要图表-12：

不同浆料的典型絮凝结构图像：(a) 参考组； (b) 0.1% FS 组； (c) 0.3% FS 组； (d) 0.4% FS 组：

主要图表-13：

不同样品的 T2 分布曲线：(a) Ref； (b) 0.1%满量程； (c) 0.2%满量程； (d) 0.3%满量程； (e) 0.4% 满量程。注：为了区分不同反应时间的测试曲线，对每条曲线应用了定量偏移，使它们从顶部的蓝色过渡到底部的红色，直观地反映了水合反应的进展。此外，第一条曲线对应的反应时间为 2 分钟：