張 超，鄧智聰，汪智斌，侯澤宇，賈子健，王香港,2，賈魯濤,2，陳 春,2，孫正明，張亞梅,2，潘金龍

(1.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇省土木工程材料重點實驗室，南京 211189；2.南京綠色增材智造研究院有限公司，南京 210000；3.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土教育部重點試驗室，南京 211189)

0 引 言

3D打印混凝土(3D printing concrete, 3DPC)技術(shù)是一種以三維數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，通過混凝土逐層堆疊，實現(xiàn)目標(biāo)結(jié)構(gòu)建造施工的技術(shù)[1-3]，具有施工建造無需模板、設(shè)計與建造自由度高、節(jié)省人力與施工成本等諸多優(yōu)勢[4-7]。近十年來，涉及3DPC的建造施工項目逐年呈指數(shù)遞增[8-10]。

目前，3DPC的制備具有膠凝材料用量高，同時粗骨料使用較少的特點[11-12]，這使得3DPC面臨較高的收縮開裂風(fēng)險[13]。因此，3DPC的制備過程中通常會加入纖維材料對其增強。Panda等[14]研究采用0.25%～1%(體積分?jǐn)?shù))摻量的玻璃纖維增強3DPC，發(fā)現(xiàn)摻量為1%的玻璃纖維對3D打印混凝土的抗彎強度和抗拉強度提升效果明顯。Ma等[15]研究發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維能夠有效提高3DPC的抗彎、抗剪和抗拉強度。Shakor等[16]發(fā)現(xiàn)，1%(體積分?jǐn)?shù))摻量的PP纖維明顯提高了3DPC的可建造性與抗彎強度。占羿箭[17]利用數(shù)值模擬方法研究了纖維增強3DPC受剪破壞，發(fā)現(xiàn)纖維能顯著提高3DPC裂后韌性，但其性能仍然弱于正常澆筑成型的混凝土。孫曉燕等[18]研究多壁碳納米管對3DPC性能的影響發(fā)現(xiàn)，碳納米管對3DPC流動性沒有明顯影響，但能夠大幅提高3DPC的早期強度。汪群和高超[19]探索了PVA纖維增強3DPC的制備，發(fā)現(xiàn)3DPC流動性隨著PVA纖維摻量的增加有明顯的下降，但適量的PVA纖維能夠有效提高3DPC打印過程中的形狀穩(wěn)定性。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對纖維增強3DPC的研究多集中在力學(xué)性能，對纖維增強3DPC的打印性能仍然缺乏綜合定量的評價。因此，本文采用了普通混凝土中常用的PVA與PP纖維以及對混凝土有較好阻裂效果的劍麻纖維，定量評價纖維對3DPC流變與打印性能的影響，同時探究了其對3DPC力學(xué)性能與孔結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，為纖維增強3DPC的制備與優(yōu)化提供參考。

1 實 驗

1.1 原材料

本研究采用南京產(chǎn)海螺P·Ⅱ 42.5硅酸鹽水泥與成都錦和科技有限公司產(chǎn)硅灰作為膠凝材料，水泥與硅灰的粒徑分布如圖1所示。以普通河砂作為骨料，細(xì)度模數(shù)為2.3。采用了聚丙烯纖維(PP fiber， PPF)、聚乙烯醇纖維(PVA fiber， PVAF)和劍麻纖維(sisal fiber， SSF)三種纖維，其物理力學(xué)性能如表1所示,掃描電鏡照片如圖2所示。使用的外加劑為高性能聚羧酸減水劑，固含量30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

圖1 水泥和硅灰的粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of cement and silica fume

表1 纖維的物理力學(xué)性能Table 1 Physical and mechanical properties of fibers

圖2 纖維的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.2 SEM images of fibers

1.2 試驗方法

1.2.1 3D打印混凝土的配合比

試驗采用的3DPC基體配合比如表2所示，其中水泥與硅灰作為膠凝材料用量為1份，水膠比與砂膠比分別為0.235與1.035，減水劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.5%。當(dāng)采用纖維制備3DPC時，纖維摻量按照混凝土體積百分比(下同)進行添加，其中PPF與PVAF為干燥狀態(tài)，SSF經(jīng)過預(yù)吸濕處理，纖維中的含水率為27.8%。

表2 3D打印混凝土基體的配合比(質(zhì)量比)Table 2 Mixture proportion of 3D printing concrete matrix (mass ratio)

1.2.2 流變性能測試

采用Brookfield流變儀測試3DPC的流變性能。參考相關(guān)學(xué)者的測試方法[20-21]，本文測試制度設(shè)定為：首先以100 s-1的剪切速率對3DPC進行30 s的預(yù)剪切，而后靜止10 s；在接下來的30 s內(nèi)，剪切速率由0 s-1增加至50 s-1，以加速階段測試的最大剪切應(yīng)力作為3DPC的靜態(tài)屈服應(yīng)力；而后剪切速率以50 s-1保持勻速60 s，以此階段剪切應(yīng)力的最低值作為3DPC的動態(tài)屈服應(yīng)力；最后，在30 s內(nèi)剪切速率從50 s-1均勻減速至0 s-1，以此階段剪切應(yīng)力-剪切速率擬合直線的斜率作為3DPC的塑性黏度。

1.2.3 打印性能測試

打印機為南京綠色增材智造研究院自主研發(fā)的設(shè)備，由數(shù)控臺、打印頭和打印平臺組成，最大打印尺寸為1.5 m×1.5 m×1.5 m，打印頭出料口為直徑20 mm的圓形。單條混凝土的打印參數(shù)為：打印頭移動速度30 mm/s，打印頭距底板高度15 mm。采用打印出的單條混凝土的尺寸(高度與寬度)、橫截面積、尺寸波動性以及表觀密度評價纖維對3DPC打印性能的影響。打印后的單條混凝土采用保鮮膜覆蓋密封，待硬化 1 d后測量其質(zhì)量，采用游標(biāo)卡尺分別測量單條混凝土的上、中、下位置的高度與寬度，然后取平均值作為單條混凝土尺寸數(shù)據(jù)，計算三個位置所測尺寸的標(biāo)準(zhǔn)差表征單條混凝土的尺寸波動性。采用排水法測量單條混凝土的體積，根據(jù)所測質(zhì)量計算得到3DPC的表觀密度，同時根據(jù)所測單條混凝土的長度，計算獲得3DPC的平均橫截面積。

1.2.4 力學(xué)性能測試

采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d的3DPC試件按所需尺寸切割打磨后進行力學(xué)性能測試，由于3DPC試件具有方向性，其方向示意圖如圖3所示，因此采用切割后尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，依據(jù)GBT 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(IOS法)》，測試Y、Z方向的抗折與抗壓強度，采用單獨切割的40 mm×40 mm×40 mm立方體試件測試X方向的抗壓強度。力學(xué)性能試件打印參數(shù)為：打印頭移動速度30 mm/s，打印頭距底板起始高度15 mm，打印頭每層提升高度15 mm。

圖3 3DPC試件的方向示意圖Fig.3 Direction diagram of 3DPC specimen

1.2.5 孔結(jié)構(gòu)測試

使用德國YXLON-X射線斷層掃描儀(CT)測試與分析標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d齡期的3DPC內(nèi)部孔徑大于等于0.1 mm孔的孔隙率與孔徑分布。用于CT測試的3DPC樣品尺寸為60 mm×60 mm×180 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維對3D打印混凝土流變性能的影響

混凝土的工作性能與其流變性能密切相關(guān)，而3DPC的流變性能也會對其打印性能產(chǎn)生顯著的影響，因此，利用纖維增強3DPC時，有必要首先研究纖維對3DPC流變性能的影響。圖4、圖5與圖6分別展示了不同摻量(體積分?jǐn)?shù)，下同)的PPF、PVAF以及SSF對3DPC靜態(tài)屈服應(yīng)力、動態(tài)屈服應(yīng)力以及塑性黏度的影響?？梢钥闯?，不同種類纖維增強的3DPC的靜態(tài)屈服應(yīng)力均與纖維摻量呈線性關(guān)系，隨著纖維摻量的增加，3DPC的靜態(tài)屈服應(yīng)力呈現(xiàn)出線性增大趨勢。但纖維種類對3DPC靜態(tài)屈服應(yīng)力的影響程度有明顯的差異，其中SSF與PPF對3DPC的靜態(tài)屈服應(yīng)力影響效果相近，而PVAF對3DPC的靜態(tài)屈服應(yīng)力有大幅提升，0.5%摻量的PVAF、SSF以及PPF分別將3DPC的靜態(tài)屈服應(yīng)力從基準(zhǔn)組的1 348 Pa提高到了5 504 Pa、2 607 Pa以及2 055 Pa，當(dāng)PVAF摻量超過0.5%后，3DPC太過干硬而難以進行流變性能的測試。按纖維對3DPC靜態(tài)屈服應(yīng)力影響程度大小可排序為：PVAF>SSF>PPF。

圖4 不同纖維摻量3DPC的靜態(tài)屈服應(yīng)力Fig.4 Static yield stress of 3DPC withdifferent fiber content

圖5 不同纖維摻量3DPC的動態(tài)剪切應(yīng)力Fig.5 Dynamic yield stress of 3DPC withdifferent fiber content

圖6 不同纖維摻量3DPC的塑性黏度Fig.6 Plastic viscosity of 3DPC with different fiber content

造成這一現(xiàn)象的原因可能有兩點：一是纖維長徑比不同。PPF的長徑比為46，PVAF和SSF的長徑比分別為200和38。二是纖維表面性質(zhì)的差異。試驗采用的三種纖維長度均為6 mm，當(dāng)纖維體積摻量相同時，其直徑越小，長徑比越大，則纖維在3DPC基體中的數(shù)量越多，纖維與混凝土基體接觸的面積也越大，對混凝土靜態(tài)屈服應(yīng)力的影響效果也越明顯。SSF與PPF的直徑相似，因此對3DPC靜態(tài)屈服應(yīng)力影響效果相似，而PVAF的直徑明顯小于SSF與PPF，對3DPC靜態(tài)屈服應(yīng)力的提升也最顯著。此外，PPF表面不存在極性基團，親水性較差，且PPF表面較為光滑，因此，其與新拌3DPC之間的相互作用力較弱，對3DPC的靜態(tài)屈服應(yīng)力影響最小。雖然SSF的纖維長徑比略低于PPF，但SSF為天然纖維，表面帶有一定的羥基，表現(xiàn)出一定程度的親水性，從圖2中的纖維表面形貌可以看到，SSF表面粗糙程度明顯大于PPF，其與新拌3DPC之間的作用力強于PPF，因此，SSF對3DPC靜態(tài)屈服應(yīng)力影響效果略微大于PPF。而PVAF表面帶有大量的羥基官能團，具有極高的親水性，與新拌3DPC基體之間的相互作用也最強，因此，PVAF對3DPC靜態(tài)屈服應(yīng)力的影響程度也最強。

與靜態(tài)屈服應(yīng)力影響規(guī)律不同，PPF與SSF對3DPC的動態(tài)屈服應(yīng)力與塑性黏度幾乎沒有影響，SSF增強3DPC的動態(tài)屈服應(yīng)力與塑性黏度相比基準(zhǔn)組甚至有略微下降，這可能是在流變測試的動態(tài)過程中，由于轉(zhuǎn)子槳葉的擾動，使得SSF預(yù)吸附的水有少量的釋放，從而輕微降低了3DPC的動態(tài)屈服應(yīng)力與塑性黏度。而與PPF和SSF不同的是，PVAF對3DPC的動態(tài)屈服應(yīng)力與塑性黏度都有明顯的提升，且這兩個流變參數(shù)隨PVAF摻量的增加呈線性增長。造成這一現(xiàn)象的原因可能是PVAF較高的長徑比與親水性使其在動態(tài)過程中仍能與3DPC基體保持較強的作用力，提升3DPC的動態(tài)屈服應(yīng)力與塑性黏度。

2.2 PVA纖維對3D打印混凝土打印性能的影響

3DPC的流變性能很大程度上影響其打印性能，因此，本文選擇了對3DPC流變性能影響最明顯的PVAF，研究其對3DPC打印性能的影響。試驗使用的打印機通過調(diào)節(jié)打印頭內(nèi)螺桿的轉(zhuǎn)速來控制3DPC的擠出速率，為了定量評價3DPC的打印性能，本研究采用了不同的螺桿轉(zhuǎn)速進行3DPC的擠出，通過測量打印出的單條3DPC的形狀尺寸(高度與寬度)、尺寸的均勻性、橫截面積以及表觀密度，評價不同PVAF摻量(0%、0.1%、0.3%與0.5%)對3DPC打印性能的影響，結(jié)果如圖7所示。

從圖7(a)、(d)、(g)、(j),以及(b)、(e)、(h)、(k)中可以看出，隨著打印頭內(nèi)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度的增大，由于單位時間擠出的混凝土量增加，在打印頭移動速率不變的條件下，使擠出后的單條混凝土的尺寸與橫截面積也顯著提高。但由于打印過程中高度方向上受打印頭的限制，隨著混凝土擠出速率的增加，擠出后的混凝土尺寸增加主要體現(xiàn)在寬度方向。相比于基準(zhǔn)組，摻入纖維后的3DPC擠出具有相似橫截面積的單條混凝土需要更高的螺桿轉(zhuǎn)速，這表明，由于屈服應(yīng)力與塑性黏度的增加，纖維增強3DPC的可擠出性有明顯下降。

通過圖7(c)、(f)、(i)、(j)中尺寸的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)可以看出，不同螺桿轉(zhuǎn)速條件下打印出的單條混凝土除了尺寸大小有所差異外，尺寸的均勻性也不同，打印出的單條混凝土尺寸和橫截面積過大或過小，均會導(dǎo)致其尺寸均勻性變差，這說明從打印均勻性的角度出發(fā)，3DPC存在具有最優(yōu)的擠出速率與匹配的螺桿轉(zhuǎn)速。從圖中可以看出，不同PVAF摻量增強的3DPC打印尺寸均勻性最好的組別，雖然對應(yīng)的擠出螺桿轉(zhuǎn)速不同，但對應(yīng)的橫截面積均在3.3 cm2左右，而打印頭噴口為直徑2 cm的圓形，噴口面積為3.14 cm2，這說明此時的混凝土擠出速率略微高于打印頭的移動速率，打印出的混凝土橫截面積稍大于噴口面積，3DPC具有最優(yōu)的打印尺寸均勻性。本文采用的打印頭移動速率為固定值30 mm/s，因此，3DPC的最優(yōu)匹配擠出速率同樣保持不變，當(dāng)3DPC中摻入纖維后，由于屈服應(yīng)力與塑性黏度的增加，混凝土的可擠出性能下降，為保持匹配的混凝土擠出速率，需要相應(yīng)提高螺桿轉(zhuǎn)速。圖8展示了相似的最優(yōu)擠出速率條件下，3DPC中PVAF摻量與對應(yīng)的最優(yōu)螺桿轉(zhuǎn)速，可以看出，兩者呈明顯的線性關(guān)系。此外，圖7(c)中還可以觀察到，未摻纖維的基準(zhǔn)組隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，擠出后的單條混凝土的均勻性明顯下降，而纖維的摻入能夠使3DPC在不同螺桿轉(zhuǎn)速下保持較好的尺寸均勻性，說明纖維的摻入能夠明顯提高擠出后的3DPC的尺寸均勻性。

圖7 不同纖維含量的3DPC的打印性能：不同螺桿轉(zhuǎn)速下的單條混凝土的尺寸(a)、(d)、(g)、(j)，橫截面積(b)、(e)、(h)、(k)，以及尺寸均勻性(c)、(f)、(i)、(l)Fig.7 Printing performance of 3DPC with different fiber content: size (a), (d), (g), (j), cross-sectionalarea (b), (e), (h), (k)， and dimensional uniformity (c), (f), (i), (l) of printed single filament of3DPC extruded under different angular velocity

圖8 PVAF摻量與最優(yōu)螺桿轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.8 Relationship between PVAF content andthe optimum angular velocity of screw

圖9進一步展示了螺桿轉(zhuǎn)速對擠出后的3DPC表觀密度的影響?？梢钥闯?，相比于普通振動澆筑成型的混凝土(表觀密度2 340 kg/m3)，打印出的混凝土表觀密度有小幅下降，且隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，表觀密度的下降幅度也有增大的趨勢。這表明打印過程中，螺桿的轉(zhuǎn)動可能會向3DPC中引入部分空氣，造成了打印出的3DPC表觀密度降低。同時，相比基準(zhǔn)組表觀密度隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提升而迅速下降，PVAF的摻入能夠減緩高螺桿轉(zhuǎn)速條件下3DPC表觀密度的降低，這說明PVAF能夠減少螺桿高速旋轉(zhuǎn)過程中氣體的引入，增加硬化3DPC的密實程度。但通過對比4組打印出的混凝土的最大表觀密度可以看出，纖維的摻入在一定程度上仍有降低混凝土表觀密度的趨勢。

圖9 不同纖維摻量與螺桿轉(zhuǎn)速的3DPC的表觀密度Fig.9 Apparent density of 3DPC with different PAVFcontent and angular velocity

2.3 纖維對3D打印混凝土力學(xué)性能的影響

纖維的摻入除了影響3DPC的流變性能與打印性能外，對3DPC力學(xué)性能也將產(chǎn)生顯著的影響，因此，本文測試了三種纖維在不同摻量條件下的3DPC的抗壓與抗折強度，結(jié)果如圖10和圖11所示。從圖10中可以看出，相比基準(zhǔn)組，PVAF與SSF在不同程度上均降低了3DPC的抗壓強度，而PPF能夠明顯地提升3DPC的抗壓強度。但需要注意的是，PPF對3DPC抗壓強度的提升效果并不能隨著纖維摻量的提高而進一步增加，0.5%摻量的PPF對3DPC抗壓強度增強效果低于0.1%和0.3%摻量。由于打印界面的存在，3DPC的抗壓強度具有明顯的方向性，而0.1%摻量的PPF對3DPC不同方向的抗壓強度均有較好的增強效果，相比基準(zhǔn)組X、Y與Z方向抗壓強度59 MPa、63.7 MPa與67.8 MPa，0.1%PPF增強3DPC三個方向的抗壓強度提高到了71.5 MPa、75.8 MPa與83.6 MPa，分別提升了21.2%、19.0%以及23.3%?？梢钥闯觯嵝缘腜PF對3DPC不同方向的力學(xué)性能增強效果相近，本研究采用的PPF長度較短，為6 mm，遠(yuǎn)小于打印口直徑20 mm，打印過程中未產(chǎn)生纖維的定向分布，因此不會對3DPC某一方向的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著高于其他方向的增強效果。

圖10 不同纖維摻量的3DPC的三向抗壓強度Fig.10 Compressive strength of 3DPC with different fiber content under X, Y, and Z direction

而纖維對3DPC抗折強度的影響效果不同于其對抗壓強度的影響。從圖11中可以看到，對3DPC抗壓強度有明顯增強效果的PPF對3DPC抗折強度沒有增強效果，甚至隨著纖維摻量的提高，3DPC的抗折強度相比基準(zhǔn)組有降低的趨勢。PVAF對3DPC抗折強度的影響效果與PPF相似，均會使硬化3DPC抗折強度有輕微的下降。不同于PPF與PVAF，SSF對3DPC抗折強度有明顯的提升效果，這可能是由于SSF具有較為粗糙的纖維表面，與3DPC基體的作用力較強，同時SSF吸收的水有助于提高界面性能。但同樣可以注意到，0.5%摻量的SSF對抗折強度增強幅度低于0.1%與0.3%摻量的SSF。相比基準(zhǔn)組，0.1%SSF對3DPC抗折強度在Z和Y方向上分別從11.1 MPa和12.0 MPa提高到了14.5 MPa和16.3 MPa，兩個方向上的抗折強度提升幅度分別為30.6%和35.8%，這表明SSF對3DPC不同方向抗折強度增強效果接近，打印過程中未產(chǎn)生纖維的定向分布。

圖11 不同纖維摻量的3DPC的雙向抗折強度Fig.11 Flexural strength of 3DPC with different fiber content under Y and Z direction

2.4 纖維對3D打印混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響

孔結(jié)構(gòu)是影響混凝土力學(xué)性能的重要因素，因此，為探索纖維摻量對3DPC力學(xué)性能產(chǎn)生影響的原因，本研究選擇了對3DPC抗壓強度有明顯提升效果的PPF，采用CT技術(shù)，對不同纖維摻量的PPF增強3DPC的孔結(jié)構(gòu)(>0.1 mm的孔)進行了測試，結(jié)果如圖12所示。可以看出，隨著纖維摻量的提高，混凝土內(nèi)部不同孔徑的孔隙率均呈上升的趨勢，3DPC的總孔隙率也從1.60%增加到了2.94%，如表3所示。而混凝土孔隙率越高，其強度越低。這可以解釋隨著纖維摻量的增加，纖維增強3DPC的力學(xué)性能反而下降，以及0.1%摻量的PPF對3DPC具有最優(yōu)的增強效果的原因。PVAF與SSF對3DPC力學(xué)性能的影響效果與PPF相似，這表明PVAF與SSF摻量的提高同樣可能會導(dǎo)致3DPC孔隙率增加，這一點也可以從前文中PVAF增強3DPC的表觀密度隨著纖維摻量的提高而降低得到證明。

圖12 不同PPF摻量的3DPC的孔徑分布Fig.12 Size distribution of pores in 3DPC with different PPF content

表3 PPF增強3DPC的總孔隙率Table 3 Porosity of PPF reinforced 3DPC

3 結(jié) 論

(1)3DPC的靜態(tài)屈服應(yīng)力與三種纖維的摻量均呈線性關(guān)系，但纖維對3DPC流變性能的影響程度有所差異，其中PVAF對3DPC流變性能影響明顯強于PPF與SSF。隨著纖維摻量的提高，PVAF增強3DPC的靜態(tài)屈服應(yīng)力、動態(tài)屈服應(yīng)力以及塑性黏度均呈顯著的線性增長， PPF與SSF對3DPC的靜態(tài)屈服應(yīng)力提升幅度明顯弱于PVAF，且對3DPC的動態(tài)屈服應(yīng)力與塑性黏度幾乎沒有影響。

(2)PVAF的摻入雖然會使3DPC的可擠出性有明顯下降，但能夠明顯提高擠出后的混凝土的尺寸均勻性。3DPC擠出速率略微高于打印頭的移動速率，打印出的單條混凝土具有最好尺寸均勻性，此時，3DPC中PVAF摻量與對應(yīng)的最優(yōu)螺桿轉(zhuǎn)速呈明顯的線性關(guān)系。

(3)三種纖維中，PPF對3DPC抗壓強度有明顯的提升效果，而SSF對3DPC抗折強度有最顯著的增強效果。纖維摻量提高使得3DPC表觀密度降低，內(nèi)部孔隙率增加，從而導(dǎo)致了0.5%(體積分?jǐn)?shù))摻量的纖維對3DPC增強效果反而弱于0.1%(體積分?jǐn)?shù))摻量纖維的增強效果。