3D打印纳米氧化锌改性土聚合物砂浆的耐酸性能

《Journal of Materials Research and Technology》：Acid attack performance of 3D printing Nano-ZnO modified geopolymer mortar

3D打印地质聚合物砂浆中纳米ZnO含量对酸腐蚀抵抗性的影响研究表明，0.5%纳米ZnO可显著提升抗压和抗弯强度（分别提高33.64%和42.86%），微观结构分析显示致密化程度更高，孔隙率更低。

　　本研究探讨了3D打印的地质聚合物砂浆在含有不同含量的纳米氧化锌（nano-ZnO）情况下，其在酸性环境中的抗侵蚀性能。研究团队采用粉煤灰（FA）和偏高岭土（MK）作为主要的结合材料，并通过实验分析了不同纳米氧化锌含量对砂浆性能的影响。这项研究对于推动可持续建筑技术的发展具有重要意义，尤其是在提高建筑材料耐久性和适应复杂环境条件方面。

### 3D打印与可持续建筑

随着建筑行业对环保和可持续发展的关注不断加深，3D打印技术因其能够减少材料浪费、优化资源利用以及实现复杂形状的构建而受到越来越多的关注。作为一种新兴的制造技术，3D打印不仅能够减少传统建筑方式中的人工成本，还能提高建筑结构的精确性和功能性。同时，作为一种替代传统水泥的材料，地质聚合物因其低碳排放和优异的耐久性，成为研究热点。然而，尽管地质聚合物在许多方面表现出色，其在酸性环境下的表现却鲜有研究。因此，本研究通过引入纳米氧化锌，评估其对地质聚合物砂浆在酸性条件下的抗侵蚀性能，为该材料在实际应用中的适应性提供了新的视角。

### 材料与方法

研究中使用了多种材料，包括偏高岭土、粉煤灰、细沙、氢氧化钠溶液、硅酸钠、粘度调节剂以及纳米氧化锌。所有材料都经过严格筛选，以确保实验结果的准确性和可重复性。实验设计采用了四个不同的纳米氧化锌含量（0%、0.25%、0.5%、0.75%），并根据实验要求制备了相应比例的砂浆样本。为了模拟酸性环境，样本在28天的固化期后被暴露于5%的盐酸（HCl）中，并在随后的28天内进行酸性侵蚀测试。

在实验过程中，研究人员首先对砂浆的流变性能进行了评估，包括流变性、凝结时间、流动性和可构建性。这些参数是衡量砂浆在施工过程中是否适合3D打印的关键指标。随后，对固化后的样本进行了压缩强度和抗弯强度测试，以评估其在酸性环境下的力学性能变化。此外，为了进一步理解材料的微观结构变化，研究人员还采用了X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）等技术，分析纳米氧化锌对砂浆内部结构的影响。

### 实验结果与分析

实验结果显示，纳米氧化锌的加入对砂浆的流变性能产生了显著影响。随着纳米氧化锌含量的增加，砂浆的流动性呈下降趋势，这主要是由于纳米颗粒增加了砂浆的刚度。然而，纳米氧化锌的添加也提高了砂浆的可构建性，这表明在3D打印过程中，纳米氧化锌有助于保持结构的完整性，同时增强其成型能力。这种现象表明，纳米氧化锌的加入虽然降低了砂浆的流动性，但对构建过程的适应性具有积极作用。

在固化后的性能测试中，研究发现纳米氧化锌的添加显著提高了砂浆在酸性环境下的压缩强度和抗弯强度。具体而言，含有0.5%纳米氧化锌的砂浆在酸性侵蚀后表现出比未添加纳米氧化锌的样本更高的强度值。研究还指出，这种增强效果可能与纳米氧化锌对砂浆内部结构的优化有关。通过SEM图像分析，研究人员观察到纳米氧化锌的加入有助于形成更致密的微观结构，从而减少酸性侵蚀对材料性能的负面影响。

此外，实验还发现，纳米氧化锌的添加在一定程度上减缓了砂浆在酸性环境下的质量损失。这表明纳米氧化锌在提升材料耐久性方面具有重要作用。通过EDS分析，研究人员进一步确认了纳米氧化锌在砂浆中的分布情况，发现其在样本中均匀分散，有助于改善材料的整体性能。而XRD分析则揭示了纳米氧化锌对砂浆中硅酸盐水合物（NASH）的形成具有促进作用，这种物质在提高材料强度和耐久性方面发挥了关键作用。

### 讨论与结论

从实验结果来看，纳米氧化锌的添加对3D打印地质聚合物砂浆的性能产生了双重影响。一方面，它通过提高砂浆的可构建性和改善微观结构，增强了材料在酸性环境下的强度和耐久性。另一方面，纳米氧化锌的增加导致砂浆流动性下降，这在某些情况下可能影响其施工性能。因此，研究团队建议在实际应用中，根据具体的施工需求，合理控制纳米氧化锌的添加比例，以实现最佳的性能平衡。

此外，研究还指出，纳米氧化锌在酸性环境下的表现优于传统材料。尽管酸性侵蚀会导致材料强度的下降，但纳米氧化锌的加入能够有效减缓这一过程。这可能是由于纳米氧化锌在材料中形成了更致密的结构，从而减少了酸性物质与材料之间的反应面积，进而提高了材料的抗侵蚀能力。然而，研究也强调，纳米氧化锌的添加量存在一个最佳阈值，超过这一阈值后，其对材料性能的提升效果可能减弱甚至出现负面效应。

因此，本研究的结论表明，纳米氧化锌在3D打印地质聚合物砂浆中具有显著的抗酸侵蚀能力，尤其是在0.5%的添加比例下，材料表现出最佳的性能。这一发现为未来在酸性环境中应用3D打印地质聚合物砂浆提供了理论支持和技术依据。同时，研究也指出，尽管纳米氧化锌在提升材料性能方面表现出色，但其在不同环境下的长期耐久性仍需进一步研究，特别是在高温、硫酸侵蚀、冻融循环等其他环境因素下的表现。

综上所述，这项研究不仅拓展了地质聚合物材料在3D打印技术中的应用范围，也为提高其在复杂环境下的性能提供了新的思路。未来的研究可以进一步探索纳米氧化锌与其他添加剂的协同作用，以及其在不同比例下的具体影响机制，从而推动这一技术在建筑领域的广泛应用。