通过矿物改性剂和表面处理技术提升3D打印珊瑚砂砂浆的机械性能

《Sustainable Materials and Technologies》：Enhancing mechanical properties of 3D printed coral sand mortar via mineral modifiers and surface treatments

　　

孙俊波|王海红|王玉飞|邹静|黄波|刘涵|王向宇|王东|周金波

澳大利亚西澳大利亚州珀斯市科廷大学设计与建筑环境学院，邮编6102

摘要

南海地区的基础设施建设面临着原材料和施工方法的挑战。由于岛屿上丰富的珊瑚砂资源以及自动化技术的进步，3D打印珊瑚砂砂浆成为了一种可行的解决方案。然而，珊瑚砂本身具有较高的孔隙率和不规则的结构形态，导致其机械性能较差。本文首先加入了辅助胶凝材料（SCM），具体为10%的硅灰（SF）和15%的粉煤灰（FA），以改善材料的缺陷并确保其可3D打印性。随后，使用了四种改性剂（纳米SiO₂、纳米TiO₂、冰醋酸和预湿润处理）来研究性能提升和微观结构变化的机制。与对照组相比，添加2%的纳米SiO₂后，材料的抗压强度和抗弯强度分别提高了7.6%和13.99%。这种提升归因于纳米SiO₂的高火山灰反应性和比表面积，它促进了额外的钙硅酸氢盐（C-S-H）的形成，C-S-H凝胶和纳米SiO₂颗粒共同通过填充孔隙和界面过渡区（ITZ）来增强基体的致密性。同样，3%的冰醋酸浸泡处理通过去除表面杂质形成的微孔，使抗压强度和抗弯强度分别提高了2.1%和4.41%。然而，添加2%的纳米TiO₂和预湿润处理则导致机械性能分别下降了7.86%和12.03%。低活性的TiO₂和过多的水分会阻碍水泥的水化反应，降低混合物的密实度。这些发现为未来3D打印改性珊瑚砂的研究奠定了基础，并填补了3D打印珊瑚砂砂浆在基础设施建设中的空白。通过验证利用当地珊瑚砂资源的可行性，本研究提供了一种可持续且高效的技术途径，以缓解原材料短缺问题，从而加速资源匮乏岛屿地区的海上基础设施建设。

引言

海洋建设需要大量的胶凝材料，每年消耗量超过400亿吨[1]。岛屿资源的稀缺和运输不便给基础设施建设带来了重大挑战，如成本高昂、施工周期延长以及技术要求复杂[2]、[3]。在这种情况下，使用珊瑚材料替代传统的砂和砾石作为混凝土骨料，可以减少环境污染并降低远距离海上运输的需求[4]、[5]、[6]。然而，珊瑚骨料具有脆弱的性质，包括丰富的孔隙结构、不规则的形状和较差的承载能力[7]、[8]、[9]、[10]。这些缺陷导致珊瑚骨料混凝土的抗压强度仅为C20至C30级别，比传统混凝土低9.5%[11]、[12]。因此，需要进一步研究如何改善多孔骨料的性能。

已经采用了多种改性方法来改善多孔骨料的孔隙结构和机械性能，包括无机、有机和生物方法[13]、[14]、[15]。王等人[16]发现，使用1250目的超细水泥改性后，珊瑚骨料的抗弯强度达到了5.4 MPa。陈等人[17]发现，添加0.03%的氧化石墨烯可使珊瑚砂混凝土的孔隙面积、孔隙数量和孔隙率分别增加26.8%、27.7%和26.8%。刘等人[18]使用20%的粒化高炉矿渣（GBFS）对珊瑚骨料进行表面改性，发现GBFS通过物理吸附和孔隙填充作用改善了孔隙结构。王等人[19]使用硫酸铝钙（CSA）将Cl^?的溶解速率降低了23%，并填充了大孔隙，从而提高了珊瑚砂混凝土的耐久性和机械性能。牛等人[20]发现，添加0.05%的玄武岩纤维（BF）可使珊瑚骨料混凝土的抗压强度和抗折强度分别提高9.87%和1.36%。然而，上述改性方法未能全面评估多种改性剂的效果。此后，纳米成分、预湿润处理和醋酸浸泡等先进方法在制造高性能珊瑚骨料混凝土方面显示出潜力[21]、[22]、[23]。添加3%的纳米SiO₂可以减少重量损失，并使抗压强度提高30%[24]。浓度为3%的醋酸通过去除钙质砂表面的沉积物杂质，使抗弯强度提高了7.3%[25]。预湿润处理由于水能够渗透孔隙直至饱和状态，使毫米级孔隙减少了41.3%[26]。因此，这三种改性剂为制造高性能珊瑚骨料混凝土提供了途径和思路。

3D打印混凝土（3DPC）是一种新型的建筑技术，特别适用于劳动力 and 材料严重短缺的海域[27]。该技术利用机电一体化系统，通过喷嘴挤出基于水泥的复合材料，并根据预设模型精确建造[28]、[29]。3DPC结合了人工智能技术和混凝土制造，因其快速施工、减少体力劳动需求和灵活的制造方式而得到广泛应用[30]、[31]、[32]。然而，3DPC技术也带来了材料流动性、抗压强度和抗弯强度等方面的挑战。Skibicki等人[33]发现，当胶凝材料含量为700 kg/m³时，添加30%的石灰石粉可使3DPC的抗压强度提高到63 MPa。江等人[34]验证了在3DPC中添加0.2%的聚丙烯（PP）纤维和1%的纳米SiO₂可使可建造性提高67%，并降低抗压强度的各向异性64%。陈等人[35]使用0.3%的羟丙基甲基纤维素和0.01%的碳酸锂将3DPC的变形率降低了1.25%。因此，材料改性方法为3DPC技术的广泛应用和未来发展奠定了基础。

总之，尽管提出了多种改性方法来改善珊瑚骨料的性能，但大多数现有研究仅关注单一改性技术，对3D打印珊瑚混凝土中多种改性剂的系统评估仍然有限。同时，3D打印技术的独特要求进一步复杂化了材料设计，尤其是在平衡可加工性、可建造性和机械性能方面。因此，本文主要研究了四种改性剂对3D打印珊瑚材料的影响机制，并评估了其对珊瑚骨料机械性能和微观结构的影响。系统评估了机械性能、各向异性行为和微观结构特征，以揭示其背后的机制。首先，优化了混合料设计以满足打印材料的要求。其次，引入了纳米TiO₂、纳米SiO₂、预湿润处理和冰醋酸浸泡处理，通过促进胶凝复合材料的反应来平衡新鲜性能和3D打印性。第三，结合了额外材料和优化后的混合料设计，以改善混凝土的微观结构和机械性能。最后，通过扫描电子显微镜（SEM）和数字图像相关分析（DIC）对48个样品进行了研究，以探索影响机制。改性材料与3D打印技术的结合代表了促进土木结构自动化和绿色的创新方法。

章节摘录

原材料和混合料设计

图1显示，珊瑚具有丰富的孔隙结构，表面类似蜂窝状，有明显的珊瑚生长痕迹。来自南海的珊瑚骨料经过振动筛分，其粒径分布如图2所示。珊瑚骨料的粒级符合GB/T 50145-2007标准[36]，因为均匀系数（Cu）为5.15，曲率系数（Cc）为1.21。

减水剂采用了

不同SCM比例对可打印性的影响

图10显示了SCM对混合料流动性的影响。随着粉煤灰（FA）含量的增加，15分钟后的坍落度逐渐增加，S10F15、S10F20和S10F25的坍落度分别为156、159和165毫米。这是因为FA作为微填料填充了砂浆的内部孔隙，其球形形态减少了颗粒间的摩擦，从而提高了流动性。从流变学的角度来看，这

结论

本文展示了珊瑚砂作为3DPC中部分替代砂的潜力，特别关注改性后的机械强度和微观结构。研究的主要结论如下：

1.

SCM改善了机械性能，并减少了3DPC技术产生的孔隙和粘结缺陷。10%的SF和15%的FA达到了最佳混合比例，28天后的综合抗弯强度和抗压强度分别为13.6 MPa和69.5 MPa，

CRediT作者贡献声明

孙俊波：方法论、概念化。王海红：撰写——初稿、方法论、正式分析。王玉飞：方法论、正式分析。邹静：验证、研究。黄波：可视化、验证。刘涵：可视化、验证。王向宇：监督、方法论。王东：可视化、方法论。周金波：可视化、验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

湖南省自然科学基金企业联合资助项目（基于4D-BIM和计算机视觉技术的高层建筑施工进度智能识别研究）（项目编号：S2023JJQYLH0355）。 江苏省市场监督管理局科技计划项目（项目编号：KJ2025069）。 江西省交通运输厅重大研发项目（项目编号：2024ZY005）。