高替代比例纳米二氧化硅对增强3D打印混凝土力学性能和流变特性的影响

《Results in Engineering》：Effect of nano silica with high replacement of GGBS on enhancing mechanical properties and rheology of 3D printed concrete

3D打印混凝土中纳米二氧化硅与高掺量钢渣微粉协同作用的研究分析，揭示了NS提升抗压强度至105MPa的机制，优化了静动屈服应力、塑性粘度及触变性，实现打印过程稳定性与结构性能平衡，同时高GGBS掺量降低碳足迹达264kg CO?e/m3。

　　### 3D打印混凝土中纳米硅和高比例矿渣的协同效应研究

近年来，3D混凝土打印（3DCP）作为一种创新的建筑施工方法，逐渐受到广泛关注。这种技术不仅在缩短施工周期、减少材料浪费和提高设计灵活性方面表现出色，还能够显著提升可持续性，这使得其在现代建筑领域中具有巨大的发展潜力。3DCP的自动化特性使得劳动力和模板成本大幅降低，同时能够实现传统方法难以完成的复杂几何结构。随着全球对基础设施建设的需求不断增长，推动3DCP技术的发展成为建筑行业实现可持续转型的关键方向之一。

在推动3DCP技术的过程中，材料的选择和优化成为核心议题。研究发现，纳米硅（NS）和高比例的粒化高炉矿渣（GGBS）在提升3D打印混凝土的机械性能和流变特性方面具有显著效果。GGBS作为一种钢铁工业的副产品，不仅有助于降低水泥生产过程中的碳足迹，还能通过改善混凝土的耐久性和机械性能，提高其整体质量。NS则因其极小的粒径和高比表面积，在促进水化反应和优化孔隙结构方面发挥着重要作用，从而增强混凝土的抗压强度和耐久性。这两种材料的结合，为3D打印混凝土的性能提升提供了新的思路。

#### 材料选择与配比设计

在本研究中，混凝土混合设计采用不同比例的水泥和GGBS，同时保持NS的固定掺量为1%。研究团队设计了八种混合比例，其中GGBS的含量从50%逐渐增加到70%，以评估其对混凝土性能的影响。NS的添加量保持不变，这主要是基于先前研究的建议，认为1%的掺量能够在提升性能和保持良好工作性之间取得平衡。此外，所有混合物的水灰比（w/b）和砂灰比（s/b）均保持一致，以确保实验结果的可比性。

具体来说，研究团队设计了以下几种混合比例：
- C10：100%水泥
- C5G5：50%水泥和50%GGBS
- C4G6：40%水泥和60%GGBS
- C3G7：30%水泥和70%GGBS
- C10N1：100%水泥和1%NS
- C5G5N1：50%水泥、50%GGBS和1%NS
- C4G6N1：40%水泥、60%GGBS和1%NS
- C3G7N1：30%水泥、70%GGBS和1%NS

这些混合比例的选择基于对GGBS和NS协同作用的深入研究，旨在找到一种既能够满足3D打印过程中的流变要求，又能够提升混凝土机械性能的最佳组合。

#### 混凝土性能评估

在评估混凝土性能时，研究团队采用了多种实验方法，包括流变测试、抗压强度测试和碳足迹分析。流变测试主要关注混凝土在3D打印过程中的流动性、可泵性和可挤出性。通过使用旋转流变仪和建筑材料单元（BMC），研究团队测量了静态屈服应力、动态屈服应力、塑性粘度和剪切行为指数（n）。这些参数对于判断混凝土是否能够在打印过程中保持稳定流动和良好成型至关重要。

结果显示，掺入NS的混凝土在流变性能上表现出显著优势。例如，C3G7N1混合物在28天时达到了105 MPa的抗压强度，远高于未掺入NS的C3G7混合物（96.6 MPa）。NS的加入不仅提升了混凝土的早期强度，还优化了其流变特性，使其在打印过程中更易于挤出和成型。此外，NS还降低了混凝土的流动性，从而减少颗粒沉降和分层问题，这在3D打印过程中尤为重要。

另一方面，GGBS的高比例掺入显著提升了混凝土的长期抗压强度。例如，C3G7混合物在28天时达到了96.6 MPa，而C5G5和C4G6混合物则分别为94.8 MPa和96.6 MPa。尽管GGBS的高比例掺入会导致早期强度的轻微下降，但其在后期表现出的强度增长趋势表明，这种材料在提升混凝土的长期性能方面具有不可忽视的作用。

#### 流变特性与打印性能的关系

流变特性对于3D打印混凝土的成功至关重要。研究团队通过流变测试发现，掺入NS的混凝土在静态屈服应力和动态屈服应力方面表现出显著差异。例如，C3G7N1混合物的静态屈服应力达到78.6 Pa，而C3G7混合物仅为29.3 Pa。这一结果表明，NS的加入能够显著提升混凝土的结构稳定性，使其在打印过程中能够更好地保持形状。

此外，NS的掺入还优化了混凝土的塑性粘度和剪切行为指数。例如，C3G7N1混合物的塑性粘度为9.1 Pa·s，而C3G7混合物仅为5.4 Pa·s。这种粘度的提升有助于在打印过程中减少材料流动的不确定性，提高打印的精度和稳定性。同时，NS的加入使得混凝土的剪切行为指数（n）从3.6降低到2.7，表明其在不同剪切速率下的流变行为更加稳定，有利于实现连续且复杂的3D打印结构。

#### 碳足迹与可持续性

除了性能优化，研究还关注了3D打印混凝土的碳足迹问题。通过采用从原料提取到混凝土生产过程的全生命周期评估（LCA），研究团队发现，GGBS的高比例掺入能够显著降低混凝土的碳排放。例如，C3G7混合物的碳排放仅为264 kg CO?-e/m3，而C10混合物则为715 kg CO?-e/m3。NS的加入虽然提升了性能，但也增加了碳排放，因为其制造过程需要较高的能耗。因此，研究强调了在优化性能的同时，需要合理控制NS的掺入比例，以实现可持续性目标。

#### 实际应用与未来展望

尽管本研究在实验室环境下取得了显著成果，但其结论仍需在实际施工环境中进一步验证。3D打印混凝土的性能不仅取决于实验室条件下的流变和机械特性，还受到实际施工过程中的多种因素影响，如泵送压力、层间相互作用和环境条件。因此，未来的研究应关注全规模的3D打印试验，以评估实际施工中材料的性能表现。

此外，研究团队建议采用更先进的实验方法，如实时流变测量和水化过程监测，以更深入地理解GGBS和NS之间的协同作用。这些方法不仅能够揭示材料在不同阶段的流变变化，还能帮助优化施工参数，提高3D打印混凝土的可靠性。同时，长期耐久性研究也应成为未来关注的重点，包括收缩行为、氯离子渗透阻力、冻融耐久性和碳化敏感性等方面。

#### 结论

本研究通过系统分析GGBS和NS的协同作用，揭示了它们在提升3D打印混凝土性能方面的潜力。结果表明，NS的掺入能够显著增强混凝土的抗压强度和流变性能，而GGBS的高比例掺入则有助于降低碳排放并提升长期机械性能。C3G7N1混合物作为最佳组合，达到了105 MPa的抗压强度，同时具备良好的流变特性和结构稳定性，为3D打印混凝土的实际应用提供了重要的参考。

研究还强调了在优化材料性能的同时，必须考虑其对环境的影响。通过合理调整GGBS和NS的掺入比例，可以在保证施工性能的前提下，最大限度地降低碳足迹。未来，随着3D打印技术的不断发展，如何在材料选择、配比设计和施工工艺之间找到最佳平衡，将成为推动这一技术在建筑行业广泛应用的关键。