地质聚合物是一种类似硅酸盐水泥的绿色建筑材料,可由碱激发剂与工业废料(如粉煤灰、矿渣)反应生成。与普通硅酸盐水泥(OPC)相比,地质聚合物具有凝结时间快、力学性能高、耐久性好、环保性能优异等优点。经过多年的研究,地质聚合物混凝土或地质聚合物复合材料已广泛应用于建筑、冶金、涂料、膜材料、核废料处理等领域。然而,在其发展过程中,很少有人成功地将地质聚合物作为一种关键的粘结剂应用在3D打印领域。石灰石粉是工业生产的副产品,其主要成分是碳酸钙,我国石灰岩丰富,在加工过程中产生大量的石灰石粉,污染环境,浪费资源。为了扩大石灰石粉资源的充分利用,将石灰石作为一种廉价的惰性骨料,在水泥混凝土领域中得到了广泛的应用,但很少有报道石灰石粉在地质聚合物材料中的应用。本文以碱激发矿渣基地质聚合物为粘结剂,碳酸钙为骨料,羧甲基淀粉钠(CMS)为保水增稠改性剂,设计出一种既具有良好的印刷性能又具有足够机械性能的碳酸钙/地质聚合物复合材料。采用旋转流变仪、维卡测试仪、电子万能压力试验机、FTIR、XRD、SEM等表征和测试方法,研究材料的新鲜性能(凝结时间、流动度、流变等)、硬化性能(抗压、抗折、收缩、孔隙率等)、微观结构以及3D挤出成型效果变化。本实验的主要结论如下:(1)地质聚合物基础配比确定,当水玻璃模数为1.7M,激发剂掺量为18%,水固比为28%时,在25℃下新拌地质聚合物浆料的初凝时间为46min,终凝时间为57min,在60℃下初凝时间是22min,终凝时间为24min。SEM和抗压测试结果表明,在此条件下制备的试样结构致密,力学性能优良。(2)对于碳酸钙/地质聚合物复合材料,当碳酸钙替代量从40%增加到90%时,复合料浆的屈服应力从1.59降低到0.11Pa,塑性粘度从10.16降低到3.14Pa·s,复合材料的抗压、抗折强度和收缩率均有所降低;BET测试结果表明,当碳酸钙替代量由40%增加到90%时,微孔的累积孔体积减小,孔隙率由3.38%增加到24.79%;XRD和FTIR结果表明,碳酸钙没有参与地质聚合物的反应过程。SEM结果表明,随着碳酸钙替代量的增加,复合材料的整体结构变得疏松、不均匀。基于以上分析,综合对各性能的影响,进而选择碳酸钙的最佳替代量为50%。(3)在碳酸钙/地质聚合物复合材料改性实验中,当CMS的含量由0%增加到8%时,料浆在25℃下的初凝时间从58min增加到252min,终凝时间从66min到287min,屈服应力从0.81增大到72.25Pa,塑性粘度从5.35增大到35.09Pa·s,抗压强度和干燥收缩减小;孔隙率测试结果表明,当CMS含量从0%增加到8%时,孔隙率从3.98%增加到15.38%;SEM结果表明,随着CMS含量的增加,结构的致密性和均匀性发生了明显变化。(4)不同CMS添加量的复合材料3D打印挤出实验表明,当CMS含量为4%和6%时,新拌浆料可以以30mm/s的速度连续挤压,无断裂或间断现象,打印层不塌陷,能满足挤出成型要求。成型试样养护28天时的抗压强度分别为63MPa和35MPa,抗折强度分别为5.5MPa和5.5MPa。