Influence of Waste Glass Powder on Rheology, Printability and Mechanical Properties of Alkali-Activated Materials for 3D Concrete Printing
本研究表明，在碱激发材料中掺入30%的废弃玻璃粉，能够优化3D混凝土打印的适印性与机械性能之间的平衡，同时与传统水泥砂浆相比，可降低约35%的隐含碳。
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建筑业是现代生活的巨大引擎，但它也带来了沉重的环境代价。全球很大一部分碳排放来自于制造水泥——这种将混凝土粘合在一起的胶凝剂。这一过程涉及将石灰石加热到极高温度，这一步骤会释放出大量的二氧化碳。与此同时，世界正在产生大量的废弃玻璃，包括瓶子和窗户。虽然玻璃在理论上是可回收的，但现实情况却很混乱：不同颜色和类型的玻璃经常混合在一起，使得通过传统回收方式进行分类变得困难且昂贵。这导致数百万吨的玻璃最终进入了填埋场。
近年来，一种被称为3D混凝土打印的技术应运而生，它可以通过逐层堆叠的方式建造结构，而无需木制模具。这种方法有望节省时间并减少浪费，但也创造了一个新问题：用于打印的混凝土混合物必须非常特殊。它需要足够流动以便通过喷嘴泵送，同时又要足够坚硬，以便在沉积后立即保持形状。为了实现这一目标，传统的混合物通常依赖高含量的水泥，这削弱了打印过程带来的环境效益。研究人员现在正寻求寻找替代传统水泥的工业副产品和废弃材料的方法，希望创造出一种既强韧又可持续的打印材料。
澳大利亚格里菲斯大学的一个研究小组致力于解决这个难题，他们测试了一种特定的废弃物：磨碎的玻璃。他们想看看是否可以将废弃玻璃粉末转化为3D打印建筑的关键成分。他们的目标是找到将玻璃粉末混合进一种被称为“碱激发材料”的替代水泥体系中的最佳比例。与普通水泥不同，这种体系利用工业副产品（如粉煤灰）与液体激发剂之间的化学反应来实现硬化，从而完全避免了对传统水泥的需求。研究人员测试了两种不同类型的废弃玻璃粉末：一种是由破碎的瓶罐制成的，另一种是像窗户一样的平板玻璃。他们将这些粉末以不同的比例混合到配方中，替换了混合物中多达一半的粉煤灰。
该团队面临着一场微妙的平衡。如果混合物太稀，打印出的层就会坍塌并失去形状；如果太硬，则会堵塞打印喷嘴或在被挤压时破碎。他们发现，添加适量的玻璃粉末（具体而言，占总固体成分的30%左右）创造了一个完美的中间地带。在这个水平上，玻璃粉末的作用就像微小的、光滑的滚珠轴承，使新鲜的混合物更容易通过泵送。然而，一旦材料被沉积下来，它又能迅速恢复硬度，从而使各层能够堆叠起来而不发生坍塌。这种硬度的快速恢复对于打印高层结构至关重要，因为它确保了每一层都能支撑起上方层的重量。
然而，玻璃的类型与添加量同样重要。由平板玻璃制成的粉末由于其颗粒更细、更不规则，往往使混合物比容器玻璃粉末更硬、更强。虽然这种平板玻璃混合物能很好地保持形状，但有时较难泵送。容器玻璃混合物的流动性更好，但强度略低。研究人员发现，当玻璃含量过高达到50%时，材料会失效。尽管这些高含量的玻璃混合物能很好地保持形状，但它们对流动的阻力过大，导致无法平滑地挤出，从而造成打印线条断裂和出现缝隙。这证明了仅仅增加混合物的硬度并不保证更好的打印效果；材料必须保持足够的流动性以通过机器移动。
当研究人员测试硬化块的强度时，他们发现增加玻璃通常会使材料稍微变弱，这在用反应性较低的成分替换反应性成分时是预料之中的。含有平板玻璃粉末的混合物比含有容器玻璃粉末的混合物保留了更多的强度，这可能是因为更细的颗粒排列得更紧密。尽管强度略有下降，但30%替换比例的混合物仍然足够坚固，可以用于建筑施工。显微镜观察显示，这些最优化的混合物具有致密、紧凑的内部结构，几乎没有裂纹，而玻璃含量过高的混合物则显示出更多可见的缺陷。
除了物理特性之外，这项研究还强调了一个显著的环境胜利。通过用废弃玻璃替换传统水泥，研究人员计算出，他们的新型可打印材料与标准水泥砂浆相比，碳足迹减少了约35%。考虑到该材料完全消除了普通水泥的使用，这一减排量是非常可观的。研究表明，随着由于向非煤发电转型导致传统工业副产品（如粉煤灰）供应的不确定性增加，废弃玻璃提供了一个可靠且丰富的替代方案。该研究证明，只要配方精准调校，将常见的废弃物问题转化为高性能建筑材料是完全可能的。核心发现是，30%的废弃玻璃粉末替换比例提供了最佳的折衷方案，既能提供流畅打印、保持形状和稳固强度的材料，又能显著降低建筑业的环境成本。
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