下一代净零复合材料，用于水下3D打印建筑：结合混合机器学习技术的LC3材料，并使用回收橡胶进行优化

《Journal of Materials Research and Technology》：Next-Generation Net-Zero Composite for Underwater 3D Printing Construction: Hybrid Machine Learning Optimized LC3 with Recycled Rubber

可持续的LC3复合水泥水下3D打印应用研究

　　在当前的建筑领域，随着技术的发展和环境问题的加剧，3D打印混凝土（3DPC）作为一种创新的建造方法，正在成为解决传统施工局限性的有力工具。这项研究首次开发了一种适用于水下3D打印的可持续石灰-煅烧粘土水泥（LC3）复合材料，该材料利用了阿曼本土的粘土资源，如高岭土、伊利石和蒙脱石，以及石灰，旨在满足水下施工的特殊需求。通过系统性的因子设计方法，研究人员生成了287种独特的配方，并对这些配方进行了实验评估，以确保其在机械性能和流变特性上的优越性。同时，为了提升预测能力和优化配方，采用了机器学习模型，其中随机森林（Random Forest）与人工神经网络（ANN）的混合模型被选为最优方案。这一模型不仅在预测准确性上表现出色，还提供了更高的可解释性，为未来开发易于使用的软件工具和设计指南奠定了基础。

水下3D打印面临一系列独特的挑战，包括波浪力、温度变化、高水压以及化学侵蚀等。这些因素不仅影响材料的稳定性，还可能削弱层间粘结和整体结构的强度。因此，研究团队在优化配方时，特别考虑了这些工程约束条件，以确保其在实际应用中的可行性。此外，为了提升水下施工的性能，研究还引入了水下兼容性添加剂，如抗冲刷剂（AWA）、水性阻水剂（WRA）和加速剂（ACC），以及不同比例的再生废橡胶（WR）。这些添加剂的作用在于增强材料的抗波浪冲击能力、循环疲劳和水动力载荷，同时提升材料在氯化物和酸性环境中的长期化学耐久性。再生橡胶的引入不仅有助于提高材料的韧性，还符合可持续发展的目标，因为它减少了对新资源的依赖，并提供了额外的环境效益。

通过实验评估，研究团队发现优化后的WR-LC3-3DPC复合材料在压缩强度和弯曲强度方面分别达到了30.5 MPa和3.8 MPa，而屈服应力约为700 Pa。这些数值表明该材料在水下打印过程中具有良好的流变性能和结构稳定性。进一步的XCT和TGA分析揭示了该材料在微观结构上的致密化和热稳定性。经过120天的酸-氯化物溶液浸泡后，WR-LC3-3DPC仍能保持其初始强度的87%，这表明其在恶劣的海洋环境中的耐久性表现优异。这些成果不仅为水下3D打印提供了可行的材料解决方案，也为未来的可持续建筑材料研发开辟了新的方向。

在研究过程中，研究团队采用了多种机器学习模型来预测和优化材料的性能，包括线性回归、非线性回归、人工神经网络（ANN）以及LightGBM与ANN的混合模型和随机森林与ANN的混合模型。通过比较这些模型的预测能力，研究发现随机森林与ANN的混合模型在预测压缩强度、弯曲强度和屈服应力方面表现最为均衡，其R2值分别为0.952、0.937和0.729。这种模型的优越性在于其能够捕捉非线性依赖关系和层次化特征交互，从而为材料的优化设计提供可靠依据。尽管其他模型在某些性能指标上表现出色，但随机森林与ANN的混合模型在整体性能预测上更具优势，为未来的材料设计和施工流程提供了更全面的预测支持。

在优化过程中，研究团队还考虑了实际工程中的各种限制条件，包括原材料的可用性、打印可行性、流变性能和机械强度需求。最终的优化配方为60%的高岭土、5%的伊利石、5%的钠基蒙脱石和3%的石灰。这种配方不仅在机械性能上满足了水下施工的要求，还在流变特性上实现了良好的平衡，确保了打印过程中的稳定性和可操作性。通过引入特定的添加剂，如抗冲刷剂和加速剂，研究团队进一步增强了材料的水下适应性，使其在实际施工环境中具备更强的抗水分散能力和早期强度发展。

为了进一步验证材料的性能，研究团队进行了多种测试，包括机械性能评估、冲击测试、层间粘结强度测试、流变特性分析以及在酸-氯化物环境下的耐久性测试。这些测试不仅揭示了材料在不同条件下的表现，还提供了关于其微观结构和热稳定性的深入见解。例如，XCT分析显示，WR-LC3-3DPC在孔隙结构上更加致密，减少了大孔隙的数量，从而提高了材料的机械性能和耐久性。而SEM图像则展示了材料的微观结构，包括高岭土颗粒的层状形态以及再生橡胶对孔隙结构的影响。这些结果与实验数据一致，表明材料在微观层面具备良好的性能表现。

此外，研究团队还评估了不同橡胶掺量对材料性能的影响。结果显示，10%橡胶掺量（WR10）在机械性能、冲击吸收能力和耐久性方面达到了最佳平衡。虽然其压缩强度和弯曲强度略低于优化的LC3-3DPC，但其更高的韧性、能量吸收能力和抗冲击性能使其在水下环境中具有更强的适应性。这一发现表明，尽管高比例的橡胶掺入可能对材料的强度产生负面影响，但适量的掺入可以显著提升其在动态载荷下的表现。这为未来在水下或海洋环境中使用具有韧性的材料提供了新的思路。

研究团队还强调了水下3D打印在可持续建筑中的潜力。与传统施工方法相比，3D打印混凝土能够减少模板的使用，降低施工成本，同时提高建筑的复杂性和设计自由度。这种数字化建造方法不仅减少了对熟练工人的依赖，还缩短了施工周期，有助于应对劳动力短缺和快速建设需求。然而，目前的3D打印混凝土仍主要依赖于普通波特兰水泥（OPC），这使得其碳排放量较高。LC3作为低碳替代品，能够显著减少碳足迹，同时保持良好的流变性能和机械强度。通过本地粘土资源的利用，LC3不仅降低了材料成本，还减少了运输和资源获取的环境影响。

未来的研究方向包括进一步优化材料的性能，特别是在热传导、收缩行为等其他功能特性方面。此外，研究团队建议探索更先进的建模策略，如深度集成学习、物理信息神经网络（PINNs）或贝叶斯优化，以提高模型的泛化能力和预测准确性。同时，为了更贴近实际海洋环境，研究团队提出在动态水流条件下进行实验验证，以评估材料在水下打印过程中的稳定性。此外，对材料在真实水下养护和负载条件下的性能进行进一步研究也是未来的重要任务。通过这些努力，可以进一步推动3D打印混凝土在海洋和水下建筑中的应用，为可持续基础设施建设提供更全面的解决方案。

研究的最终目标是为水下建筑提供一种既环保又高效的材料，同时确保其在实际施工中的可行性和适应性。通过结合本地资源和先进的技术手段，如机器学习优化和添加剂改良，该研究为水下3D打印材料的开发提供了重要的参考。这种材料不仅在机械性能和流变特性上表现出色，还在长期耐久性方面展现了显著的优势。这些成果标志着水下建筑技术的一个重要进展，为未来的研究和大规模应用奠定了坚实的基础。同时，该研究还强调了在实际工程应用中，需综合考虑多种因素，以确保材料在复杂环境中的性能稳定性和施工可行性。