浅谈地聚物基3D 打印材料的研究进展

梁馨之

（沈阳建筑大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110168）

伴随着全球新一轮科技革命、产业变革的进一步深化，新一代材料技术和新能源技术不断取得突破性进展，为制造业高端化、智能化、绿色化发展带来了新的历史性契机。

当前，我国已转向高质量发展阶段，节能减排、绿色增长成为经济发展的共识。然而，目前所使用的传统建筑技术在建造过程中会产生较多的建筑废弃物，后续对废弃物的资源化利用率也较低。据统计，截至2020 年，我国建筑垃圾产量已达到30.4 亿t，数量庞大且还在逐年增长。而在这些建筑垃圾中，90%都是未经处理就由施工单位运至露天空地较多的乡村进行堆放或者填埋。除此之外，我国每年约有300 亿m2的新增建筑，且其中90%以上为高耗能建筑。建筑能耗占全国总能耗的40%。同时，随着经济快速发展，建筑工程所需的人工费用也在不断上涨。与此同时，大量建材的应用迫使工人们处于有害健康的工作环境[1]。建筑垃圾资源化利用并非暂行之举，而是一项新常态工作，是应对国内环境污染、能源紧缺等问题的重要手段之一。如何应用施工技术和改进建筑材料来降低建筑能耗，实现最大的经济效益、社会效益和环境效益，是目前亟须解决的问题，也是符合国家碳中和、碳达峰发展战略的一个具有深远意义的研究方向。

1 地聚物基3D 打印材料

3D 打印技术，也称增材制造，是利用计算机对建筑施工过程进行自动化控制的一项新技术，通过分层印刷的方式实现3D 打印实体的快速生产。其技术原理为离散—堆积原理[2]。

与传统工业制造工艺不同，3D 打印工艺在连续的层中构建成品结构，使用较少的废料。自30 年前出现以来，3D 打印技术已成功应用于各行各业，包括航空航天、汽车、生物医学、消费和食品等领域。3D 打印技术在建筑行业也越来越受欢迎。建筑3D 打印技术相较于传统施工技术，主要具备如下优势：(1)减少对人力资源的需求，降低施工成本，提高安全系数；(2)自动化、机械化操作，无需间歇，减少现场施工时间；(3)通过精确控制建筑材料的沉积来减少出错概率；(4)提高建筑自由度，使复杂结构和美学设计得以更完美的呈现。据报道，将3D 打印技术应用于建筑领域，可以减少30%～60%的建筑材料浪费，节约50%～80%的劳动力成本和50%～70%的生产时间。

1.1 地聚物胶凝材料

对于大多数3D 打印混凝土而言，硅酸盐水泥是主要的胶凝材料，占总配合比的15%～45%。然而，由于硅酸盐水泥在生产过程中会产生大量的二氧化碳，其排放量可达全球碳排放量的8%，造成严重的环境污染，因此近年来，越来越多的研究集中在采用更为环保的地聚物材料进行3D 打印建造。

地聚物(geopolymer)是铝硅酸盐材料与碱性激发剂反应合成的一种集高聚物、陶瓷和水泥的特性于一体的无机高分子胶凝材料。它的内部主要是由硅氧四面体和铝氧四面体聚合而成，是具有非晶态和准静态特征的三维网状凝胶体。

地聚物原料来源广泛，以工业废弃物(矿渣、粉煤灰)或其他以硅、铝、氧为主要元素的硅铝质材料为主。由富硅/富铝材料衍生出的地聚物材料显示出比传统混凝土更优越的力学和化学性能。富钙铝硅酸盐凝结速度快，早期强度高，是制备地聚物的很好来源。同时地聚物的多孔结构决定了其高吸附性和催化性能。因此，地聚物可以用于能源和化工行业的多种催化过程[3]、气体捕获和存储任务以及重金属废水处理等。所有这些都使得地聚物在环境、技术和经济效益方面可以更好地适用于3D 打印建造技术中。最重要的是,地聚物在生产过程中的碳排放极低，对环境污染小，在当今建筑行业推行可持续发展和碳达峰、碳中和等战略背景下，地聚物是一种很有前途的3D 打印胶凝材料。

1.2 国内外研究现状

近年来，3D 打印混凝土技术引起越来越多人的关注，并已广泛应用于建筑领域。许多科研机构、高校和一些建筑科技公司都在进行有关3D 打印设备与打印材料的研发。根据知网等数据库的统计显示，自2016 年来，国内关于3D 打印混凝土技术的文献数量一直处于世界前列。3D 打印技术逐渐成为研究热点，并在各种建筑形式中得到广泛应用。

1.2.1 国外研究发展现状

3D 打印混凝土始于20 世纪90 年代中期的美国加州。当时为了应对工人数量日益减少，施工效率不断下降等问题，Khoshnevis 引进了一项名为轮廓加工的自动化技术。近年来，英国拉夫堡大学和俄罗斯、西班牙等国家的科研团队都在致力于研究和探讨3D 打印建筑技术及其应用。Muthukrishnan 及其团队[4]探讨了微波加热对3D 打印地聚物混凝土的层间黏结强度和可建造性的影响，认为利用微波加热来控制地聚物的流变性是一种实现3D 打印建筑构件大规模快速成型的可行选择。其研究结果表明，地聚物砂浆在浇筑前进行外部加热可以提高其可打印性，且得出最佳微波时间为10 s，此时浆体的层间结合强度可提高132%，纤维的弹性模量可增加1 757.38 kPa。Behzad 等[5]研究了不同纤维含量的3D 打印地聚物新拌浆体的工作性和硬化物性能，发现地聚物中的纤维含量越高，浆体的保形能力越强，当PP 纤维的体积掺量为0.25%～1.00%时，新拌浆体表现出了良好的流动性和可挤出性[5]。法国东巴黎大学Nicolas Roussel[6]研究了可打印混凝土在屈服应力、黏度、弹性模量、临界应变和结构化速率等方面的要求，讨论了控制一层和整个物体的最终几何尺寸所需的流变性要求，包括尺寸稳定性和表面开裂。

1.2.2 国内研究发展现状

在国内，有很多高校研究院着手于地聚物3D 打印的研究中。黑龙江省寒地建筑科学研究院张慧琳[7]团队通过控制地聚物原材料中的水灰比、碱激发剂模数和砂灰比等参数进行正交试验，研究了在不同配合比下，地聚物抗压强度和抗折强度的变化规律。试验结果表明，水灰比0.40，氧化钠含量7%，水玻璃模数1.18，砂灰比1.0 为3D 打印地聚物最优配合比。东南大学张云升团队[8]，以偏高岭土为主要胶凝材料，采用正交设计方法，从宏观和微观两方面分析影响地聚物强度的因素及其影响规律。最终优化配合比和养护制度，得出当二氧化硅和氧化铝比为4.5，粉煤灰掺量为30%时，经过8 h 80 ℃的蒸压养护可以获得最大抗压强度和抗折强度，分别为32.2 MPa和7.15 MPa。

随着研究的日渐成熟，3D 打印技术在我国建筑中的实际应用也越来越多。2013 年1 月，中国上海盈创公司制造了首批3D 打印建筑，引发了国内外多方关注。2014 年4 月，10 幢3D 打印建筑在上海张江高新青浦园区内展出,均是由一台大型3D 打印机经过层层挤压建筑材料堆积而成。墙体材料采用的都是经过处理的建筑废料。2019 年10 月，河北工业大学用3D 打印建筑技术成功复制并装配了“赵州桥”。该桥是世界上第一座装配式3D 打印的桥梁，也是世界上单跨最长的3D 打印桥梁。以上这些实例很好的表明，3D 打印技术与建筑行业的结合具有可行性，值得我们继续进行深入研究。

2 目前研究存在的主要问题

目前，地聚物基3D 打印材料的原料配合比、新拌浆体性能、硬化物性能等方面都得到了初步研究，可以证明地聚物3D 打印的可行性和研究价值。然而，关于3D 打印地聚物耐久性的报道比较有限。地聚物与水泥基打印材料一样，层界面的渗透是影响3D 打印地聚物耐久性的关键因素。地聚物材料由于层间带孔隙率高，使其抗冻融性、抗硫酸盐腐蚀性和抗碳化等性能都有一定程度的下降。此外，虽然地聚物具有良好的抗压强度，但其抗拉强度较弱，易发生脆性破坏。因此，今后的研究应重点关注以上这些方面。

另外，传统混凝土在生产时有各种规范和标准，而地聚物由于实际应用较少，研究仍处于理论和试验阶段，缺乏对其耐久性和力学性能的定量数据。建造业和制造业对新产品的采用相对严谨，地聚物尚不能完全满足监管标准，特别是在流变学和化学成分方面，这阻碍了地聚物的大规模应用。

3 结语

3D 打印技术为建造复杂异形建筑提供了更大的可能性，也代表了一种可持续的地聚物材料制造方法，有助于减少环境污染、能源消耗和二氧化碳排放。使用地聚物作为3D 打印材料也具有诸多优势，如地聚物相较水泥更加低碳环保，地聚物的触变性良好、早期强度高、凝结时间短等。

用大量可回收的工业废弃物作为铝硅酸盐原材料可以为地聚物带来商业效益，并对可持续发展作出贡献。原料化学成分和相组成的可变性是其在3D 打印应用中的主要障碍。偏高岭土富含氧化铝和二氧化硅，具有较稳定的化学成分，在3D 打印地聚物性能的表现方面也可达到要求。除了上述材料外，矿山尾矿、建筑拆除废物和其他工业废物也值得关注。目前研究还尚未应用这些作为3D 打印地聚物的原材料。另外，经研究，使用固体碱激发剂和使用液体碱激发剂的地聚物表现出的机械强度会有一定差异。现有文献对混合使用碱激发剂制备地聚物材料的研究有限，缺乏规范的配合比体系。因此，研究使用不同的原材料和碱激发剂制备3D 打印地聚物材料是接下来的一个创新发展方向。

总的来看，与3D 打印地聚物材料相关的问题和局限性并不是无法解决的，但要完全实现3D 打印地聚物在建筑中的应用，还需要进行大量的研究。