3D打印混凝土技术在澳大利亚的最近研究进展

3D打印,又被称为增材制造,是通过逐层累积叠加制造三维物体的一种技术手段。过去几年中,这种技术吸引了越来越多来自建筑业的关注。与传统混凝土浇筑技术相比,3D打印混凝土的应用可以实现更加高效的自由建筑制造,同时减小对人工劳动力的依赖。在全球范围内,由于相关高校和科研单位的积极参与,关于3D打印混凝土的研究工作取得了巨大的进展,其中包括澳大利亚的相关研究。本文主要对澳大利亚在3D打印混凝土研究方面有代表性的两所高校的最新进展进行介绍,两所学校分别是皇家墨尔本理工大学(RMIT大学)和斯威本科技大学。本文首先介绍了两所高校的打印设备及其特点,随后讨论了具体研究领域和近期发表的相关文章。RMIT大学主要侧重于研究纤维增强对3D打印混凝土力学性能方面的影响,而斯威本科技大学则着重研究3D打印地聚物混凝土的性能。本文旨在促进相关领域研究人员对澳大利亚3D打印混凝土研究团队和研究进展的理解。     

基于地聚反应的冷拌沥青混合料强度特性与机理探讨

利用马歇尔稳定度(M_S)强度评价指标,对冷拌沥青混合料(简称冷拌料)在不同地聚添加剂、浸水、不同养生龄期等条件下进行宏观强度试验分析,并采用荧光显微镜及离散元模拟等方式,对集料表面的细观结构与地聚物的抗压机理进行研究,结果表明:冷拌料的M_S随地聚物掺量的增加先增大后减小,在基质沥青与地聚添加剂质量比为4∶3时达到峰值,且在4∶2至4∶3区间,残留稳定度(MS0)的减小幅度最小,强度损失率最低,因此基质沥青与地聚添加剂的最佳质量比为4∶3;强度随养生龄期的增加而增加,而强度增长率随养生龄期的增加而逐渐减少,养生时间应不少于3 d;通过荧光显微镜分析,发现集料表面的沥青被地聚物产生的胶凝物裹覆,通过马歇尔稳定度虚拟试验分析,发现试件主要受力方向位于承压点的正下方,集料在受压过程中呈外部受拉内部受压状态,而地聚物产生的胶凝产物可以较好地抵抗竖向荷载,提升冷拌料抗压强度。     

固体碱激发矿粉/粉煤灰注浆材料性能及机理研究

以矿粉和粉煤灰为主要原料,NaOH和Na₂SiO₃·5H₂O为固体碱激发剂,制备地聚合物注浆材料,考察激发剂的模数、掺量及养护条件对材料性能的影响。当固体碱激发剂模数为1.0,掺入量为8%(质量分数)时,注浆材料初凝时间为120 min,工作时间可达50 min,经28 d养护后抗折和抗压强度分别可达7.1 MPa和42.7 MPa。相较于非密闭养护,密闭养护有利于早期强度形成,1 d、3 d、7 d抗压强度分别提高了38.0%、38.2%和19.3%。XRD、FT-IR、SEM/EDS测试结果表明,原料水化完全,最终产物包含无定形水化产物、钙沸石、水合铝硅酸钠钙矿和C-S-H凝胶等组分。反应过程中原料的Si—O—Al、Si—O—Si发生重组生成凝胶物质,并团聚成钙沸石类球形产物,提高材料强度。     

废弃玻璃砂对地聚合物混凝土性能的影响

将废弃玻璃砂取代部分河砂制备偏高岭土基地聚合物混凝土,研究了废弃玻璃砂取代率对地聚合物混凝土力学性能与耐久性能的影响。结果表明,随着废弃玻璃砂取代率的增加,地聚合物混凝土的抗压强度、弹性模量和劈裂抗拉强度均先提高后降低,取代率为60%时地聚合物混凝土的力学性能最佳。增大废弃玻璃砂取代率可显著提高地聚合物混凝土的抗化学侵蚀性能,当取代率超过80%时,地聚合物混凝土试样分别在2%H2SO4溶液和5%NaCl溶液中浸泡60 d后的抗压强度损失较小。     

地质聚合物原位合成八面沸石膜及其渗透汽化性能

以煅烧高岭土和水玻璃为原料制备地质聚合物,采用水热合成法原位合成了自支撑八面沸石(简称FAU型)膜。利用X射线衍射、扫描电子显微镜、万能压力试验机表征了沸石膜材料的抗压强度和微观结构,通过渗透汽化实验及数学模型考察了乙醇/水混合物体系进料组成和温度对沸石膜的渗透通量以及分离因数的影响。结果表明:该沸石膜表面的晶粒细小,膜覆盖完全且连续致密;提高养护时间有利于提高地质聚合物的压缩强度,提高水热时间有利于改善FAU型沸石膜表面形貌和相组成。在进料温度为50℃、原料中乙醇的含量为70%的优化条件下,FAU型沸石膜具有较高的渗透通量和分离因数,其渗透通量和分离因数分别达到1.41kg/(h m2)和16.8。     

Fibre reinforcement and fracture response in geopolymeric mortars

The inorganic polymeric cement called geopolymer or PSS, has been studied in recent years as a binder for mortar and concrete. The present work reports the fracture toughness studies in mortars made of PSS cement matrix reinforced by wollastonite microfibers (Ca(SiO₃)). K_I‐curves for PSS cement composites were determined according to the superposition asymptotic assumption and compared with reference Portland cement (PC) composites. The maximum toughness gain occurs in both composite systems with V_f = 2%. For higher fibre volumes (3 and 5%), K_I values decrease, due to an increase in porosity. Microstructural analyses showed that toughening mechanisms, as debonding and pullout of the fibers, are more common in PSS cement composites than in the reference PC composites. The difference of toughness between PSS and PC cement (0% of fibers) is about 80%. This demonstrates the high performance of these geopolymeric materials.     

Effect of high temperature on the mechanical properties of hierarchical porous cenosphere/geopolymer composite foams

A hierarchical porous cenosphere/geopolymer composite foam (FHCs/KGP) was fabricated by the simultaneous incorporation of O₂ pore from hydrogen peroxide and cenosphere filler addition. Effects of both H₂O₂ content and high-temperature treatment on the microstructure, porosity and strength of porous FHCs/KGP foams were investigated systematically. The obtained FHCs/KGP foams showed typical amorphous structure and desirable porosity from 65 to 82%. The composites could crystallize in situ to FHCs/leucite foams above 1000℃. Compression strength of the FHCs/leucite foams showed a maximum value of 5 ± 0.3 MPa when treated at 1000°C. The improvement of mechanical properties for the composite foams was attributed to crack deflection, fractured microspheres and the good bond between the FHCs and matrix. This study could open opportunities to employ cellular foams as alternatives in structure and filtration applications.     

体型化NaA分子筛的制备研究

以粉煤灰一步酸溶法提取氧化铝剩余的酸溶渣为原料制备具有一定强度的地质聚合物,经过水热反应原位转化NaA分子筛。通过研究合成过程中的硅铝比、碱量、液固比等因素对制备体型化分子筛的影响,得到了制备酸溶渣基地质聚合物原位转化NaA型分子筛的最佳条件：在二氧化硅与三氧化二铝物质的量比为1.8、氧化钠与三氧化二铝物质的量比为1.0、水与酸溶渣质量比为1.2条件下制备出地质聚合物,之后在0.5 mol/L的75 mL氢氧化钠溶液中晶化,在晶化温度为100 ℃、晶化时间为8 h条件下可以制备出晶相单一、结晶度高的NaA体型化分子筛。制备的NaA体型化分子筛具有明显的立方体形貌,颗粒分布均匀,孔径为0.685 nm,比表面积为86.75 m²/g,抗压强度为4.5 MPa。     

含钛高炉渣制备CaTiO3-多孔地质聚合物光降解吸附材料

含钛高炉渣作为固体废弃物,国内存量巨大,且其中的钛组元难以提取,导致含钛高炉渣综合利用一直没有得到有效解决。针对当前含钛高炉渣利用率低、附加值低等问题,基于含钛高炉渣成分特点,通过选择性析晶(CaTiO₃优势析出)、碱激发,制备出CaTiO₃-多孔地质聚合物的复合材料。试验结果表明,析晶温度1 400 ℃、保温1 h能够促进CaTiO₃的优势析出,而剩余氧化物以玻璃相形式存在。制备出的CaTiO₃-多孔地质聚合物材料结合了CaTiO₃高光催化活性与多孔地质聚合物比表面积大的优点,对亚甲基蓝具有优异的吸附效果,最大吸附量可达60.4 mg/g。在投加量为50 mg,2 h吸附、3 h光降解条件下,对亚甲基蓝去除率可达94.5%,在治理有机污染领域有良好的应用前景。     

地聚合物混凝土配比及力学性能研究

混凝土是巷道支护过程中的重要建筑材料,然而混凝土在巷道施工中常常出现质量问题,为了不影响正常生产,需要对其进行修补。地聚合物混凝土凝结时间快,早期强度高,界面结合能力强,耐高温性和抗冻性强,耐腐蚀性良好,具有用作修补材料的潜力。以粉煤灰和矿粉为原料,Na₂SiO₃溶液和NaOH为碱激发剂制备地聚合物胶砂,研究不同的碱激发剂模数（1.0、1.2、1.4）和掺量（10%、15%、20%）对不同龄期胶砂力学性能的影响。结果表明：当碱激发剂模数为1.2,碱掺量为15%时,胶砂强度达到最大值。设计正交试验,研究了不同水胶比（0.45、0.50、0.55）、粉煤灰掺量（30%、50%、70%）和砂率（30%、35%、40%）对不同龄期地聚合物混凝土的工作性能和力学性能的影响。结果表明：粉煤灰掺量对抗压强度影响最为显著,水胶比次之,而砂率对强度发展几乎没有影响。最优的配合比为水胶比为0.50,粉煤灰掺量为50%,砂率为35%。