基于响应面法（RSM）的甘蔗渣灰基3D可打印混凝土生态优化研究

《Next Materials》：Eco-optimization of sugarcane bagasse ash-based 3D printable concrete using response surface modelling

　　

摘要：3D混凝土打印（3DCP）作为一种替代传统施工技术的方案日益受到关注，其无需常规模板，通过材料逐层直接沉积实现结构建造。近年来，大量研究集中于开发可打印水泥基材料，以确保顺畅挤出、充足可建造性及满意的力学性能。与此同时，利用废弃材料提升可打印混凝土可持续性的兴趣日益增长。本研究考察了基于挤出的3D可打印混凝土性能，采用40%甘蔗渣灰（BA）作为水泥的部分替代。研究人员通过试验研究了高效减水剂（HWRA）与粘度改性剂（VMA）对3D可打印拌合物新拌及硬化性能的影响。通过流变性、可挤出性、可建造性及抗压强度等关键参数评估其3D打印适用性。研究采用基于二次回归的响应面法（RSM）建立二阶预测方程，用于估算7天和28天抗压强度。结果表明，所建模型与试验数据吻合良好，决定系数（R2）超过0.90。常规拌合物与BA基拌合物的最优HWRA和VMA掺量分别为1.0%和0.4%。常规拌合物28天抗压强度达53.81 MPa，而甘蔗渣灰拌合物为44.22 MPa，较常规拌合物降低约18%，但仍处于结构应用可接受范围内。研究表明，甘蔗渣灰可有效应用于3D可打印混凝土，在保持足够性能的同时助力可持续建造。所提出的基于RSM的方法为3D可打印配合比设计提供了实用框架。

论文解读：《Next Materials》刊发研究——基于响应面法优化的甘蔗渣灰基3D可打印混凝土

一、研究背景与意义

传统混凝土施工常面临材料浪费高（可达30%）、工期长、人工成本上升及安全隐患等问题。3D混凝土打印（3D Concrete Printing, 3DCP）作为增材制造技术在建筑领域的应用，通过逐层沉积材料，显著减少模板使用、材料浪费及人力需求，并能实现复杂异形结构建造。然而，3DCP面临核心挑战：平衡新拌性能（泵送性、可挤出性、可建造性）与硬化性能（强度、耐久性）。同时，建筑业正推动可持续发展，利用工业或农业废弃物替代部分水泥成为热点。甘蔗渣灰（Bagasse Ash, BA）是制糖业燃烧甘蔗残渣的副产品，富含无定形二氧化硅，具有火山灰活性，可作为辅助胶凝材料。但BA的多孔、不规则颗粒形态会增加用水需求并影响流变性能。本研究由Ashish Kapoor与Ajay Chourasia开展，发表于《Next Materials》，旨在探究40% BA替代水泥的挤出型3D可打印混凝土性能，并利用响应面法（Response Surface Methodology, RSM）优化化学外加剂掺量，实现生态与性能的协同优化。

二、关键研究方法

研究人员选取普通硅酸盐水泥（OPC 43级）与工业锅炉燃烧后粉磨的BA（密度500 kg/m3，比重2.85，SiO?达83.997 wt%），以40% BA替代水泥（C-60%+BA-40%），固定水胶比（常规0.35，BA组0.44）与砂胶比（常规1.3:1，BA组1.4:1）。以高效减水剂（High Water Reducing Admixture, HWRA，0.8–1.1%）和粘度改性剂（Viscosity Modifying Admixture, VMA，0.35–0.45%）为变量，设计12组常规与12组BA基配合比。通过新拌性能测试（流动度-改型跳桌法、可挤出性目视评估、可建造性-多层打印稳定性）、硬化性能测试（50 mm立方体抗压强度，加载速率0.582 kN/mm2/s，7天与28天）获取数据。采用Box-Behnken设计的二次回归建立RSM模型，拟合HWRA（X?）与VMA（X?）对抗压强度的二阶多项式预测方程，并通过决定系数（R2）、残差分析验证模型。打印可行性通过实体梁（500 mm×100 mm×100 mm）及家具原型打印进一步验证。

三、研究结果

1. 材料表征

BA的XRF分析显示SiO?+Al?O?+Fe?O?≈89.37 wt%，满足ASTM C618火山灰要求。XRD显示20°–35°（2θ）宽驼峰，表明以无定形SiO?为主，含少量石英与方石英。SEM显示BA颗粒不规则、多孔粗糙，比表面积大，会提升用水需求。粒径分布（PSD）比水泥略宽，细颗粒助颗粒堆积与火山灰反应，粗颗粒起微填料作用。综合可持续性效益与打印性能，选定40%为最优替代率（>40%导致用水剧增、挤出不稳、形状保持差、强度大降）。

2. 新拌性能与最优区间

流变性（可泵性、流动度、可挤出性、可建造性、触变性）决定打印质量。流动度采用ASTM C1437改型跳桌，可控打印区间为150–170 mm（中心160±10 mm）。可挤出性定义为连续通过喷嘴无堵塞、分层、断裂；可建造性定义为能承受上层自重且无过度变形或坍塌。试验发现：HWRA=1.0%、VMA=0.4%时，流动度适中、挤出 filament均匀、可建性最佳（打印21层，层厚20 mm，高约420 mm稳定无侧移）。HWRA过低（<0.9%）流动不足难挤出；过高（>1.1%）过流导致形状失稳。VMA过低（<0.35%）绿色强度不足、 filament软；过高（>0.45%）增加剪切阻力且轻微阻挤出，并略降后期强度（干扰水化与颗粒重排）。

3. 抗压强度与RSM建模

常规组（C-100%）最优为Mix-8（HWRA 1.0%，VMA 0.4%）：7天36.54 MPa，28天53.81 MPa。BA组（C-60%+BA-40%）最优为Mix-20（同掺量）：7天30.90 MPa，28天44.22 MPa，较常规组低约18%，但在结构应用可接受范围。过高VMA（0.45%）与HWRA（1.1%）均致强度下降。BA早期火山灰反应慢、多孔颗粒降低浆体堆积密度、界面过渡区（ITZ）略弱是其稍低强度的主因，但持续养护下二次C-S-H凝胶会细化孔隙。

研究人员构建四类二阶方程：

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  常规7天：CS_7d= -399.23 + 237.99X? + 803.79X? + 94.50X?²- 357.08X?²- 311.5X?X?
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  常规28天：CS_28d= -541.26 + 449.19X? + 1039.41X? - 62.01X?²- 465.24X?²- 385.80X?X?
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  BA基7天：CS_7d= -474.54 + 1642.12X? + 415.82X? - 2223.49X?²- 239.58X?²+ 62.099X?X?
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  BA基28天：CS_28d= -635.80 + 2238.56X? + 541.40X? - 3042.50X?²- 320.41X?²+ 120.69X?X?
  （X?=VMA，X?=HWRA）

模型R2：常规7天0.943、28天0.956；BA基7天0.937、28天0.948。调整R2接近R2，残差随机分布，预测误差多<10%，证明模型可靠且不超配。等高线图与响应面显示：强度随HWRA增至~1.0%上升（分散与密实度提升），超出后下降；VMA在0.40–0.45%区间中等增益，过高反降。最优响应区对应HWRA≈1.0%、VMA≈0.40–0.45%。

4. 打印试验与原型

采用最优掺量（HWRA 1.0%，VMA 0.4%）进行全尺寸打印：500 mm×100 mm×100 mm梁体挤出稳定、层间结合良好、几何精确。家具尺度原型（座椅、桌子）自由形态无模成型成功，显示该配比可扩展至功能化建筑与家具构件。

5. 讨论与对比

与文献对比：BA基28天44 MPa与高掺量粉煤灰、矿渣3DCP体系相当。RSM优化框架对常规与BA基体系有通用性（最优外加剂掺量一致）。层间粘结是3DCP各向异性关键，本研究未实验测定层间抗拉/抗剪强度，视为局限；作者前期工作指出层间时间间隔、打印方向影响粘结，未来将耦合层间性能与配合比优化。长期耐久性（干缩、渗透、硫酸盐/氯离子、冻融）亦待研究。

四、研究结论总结

1. 1.
   40% BA替代水泥显著影响3D可打印混凝土新拌与硬化性能，源于其多孔不规则微结构与延迟火山灰活性。
2. 2.
   常规与BA基体系最优外加剂掺量均为HWRA=1.0%、VMA=0.4%，可兼顾挤出流畅与形状保持的矛盾流变需求。
3. 3.
   BA基拌合物28天抗压强度44.22 MPa，在结构适用范围内，为可持续挤出型3D打印提供潜力（需进一步验证层间粘结与长期耐久）。
4. 4.
   RSM模型R2>0.90，可较好预测选定区间内HWRA、VMA对抗压强度的影响。
5. 5.
   打印试验证实优化配比具备稳定挤出、足够可建造性与尺寸精度，具实践可行性。
6. 6.
   研究彰显了农业工业废弃物BA在可持续3D混凝土打印中有效利用的可能。