劉雄飛，李 琦，王 里，王 楠

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.北京理工大學(xué)，沖擊環(huán)境材料技術(shù)重點實驗室，北京 100081)

0 引 言

建筑級3D打印技術(shù)是應(yīng)用機電一體化技術(shù)將水泥基材料逐層自動建造成預(yù)設(shè)數(shù)字模型結(jié)構(gòu)的新型增材制造技術(shù)，具有無?；?、快速化、自動化、靈活化和精細(xì)化等特征[1-2]，能夠在極端環(huán)境下進(jìn)行復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)制造，可降低人工成本、減少施工環(huán)境污染和施工事故風(fēng)險等問題。目前，3D打印辦公樓、別墅、步行橋和公共建筑等實際工程已得到廣泛的認(rèn)可[2-3]。

噴射3D打印技術(shù)是結(jié)合噴射混凝土技術(shù)與3D打印工藝優(yōu)勢，將水泥基材料逐層噴射打印在受噴面表層形成數(shù)字模型設(shè)計結(jié)構(gòu)的方法[4]，可在垂直、頂面方向等各個角度，以及協(xié)同鋼筋骨架進(jìn)行靈活打印。Newdecker等[5]建立了一套多自由度機械臂門架式組合噴射3D打印系統(tǒng)，研究了砂漿工作性能和噴射3D打印參數(shù)相互關(guān)系，探明了噴射3D打印混凝土的可行性。Lindemann等[6]在15 min內(nèi)打印出1 200 mm寬、1 000 mm高和頂部外擴400 mm的不規(guī)則圓柱形立體結(jié)構(gòu)。Kloft等[7]協(xié)同鋼筋骨架噴射3D打印出鋼筋混凝土墻和柱。Lu等[8]探究了粉煤灰對材料可噴射3D打印性的影響規(guī)律，同時加入引氣劑改善噴射3D打印材料均勻性[9]，探明了材料流變性和可噴射3D打印性相互關(guān)系[4]。Kloft等[10]探明了噴射3D打印對材料層間界面粘結(jié)強度的提升效應(yīng)。Dressier等[11]提出了速凝劑優(yōu)化噴射3D打印水泥基材料力學(xué)性能及其結(jié)構(gòu)整體性的優(yōu)化方法?；趪娚?D打印全角度靈活建造優(yōu)勢，可達(dá)到對既有建筑結(jié)構(gòu)快速防護的目的。

磷酸鎂水泥(magnesium phosphate cement， MPC)是由過燒氧化鎂、磷酸鹽、緩凝劑及礦物摻合料制成的一種水硬性膠凝材料[12]，具有凝結(jié)硬化快[13]、粘結(jié)強度高[14]、快硬早強和低溫硬化[15]等特性?；谧陨韮?yōu)異的粘結(jié)性能，MPC可作為無機粘結(jié)劑廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)修補加固領(lǐng)域。Qiao等[16]研究MPC作為混凝土修補材料時粘結(jié)強度和體積穩(wěn)定性變化規(guī)律，認(rèn)為MPC可作為一種高效修補加固材料。Qin等[14]研究了鎂磷摩爾比和水膠比對MPC與混凝土界面粘結(jié)強度影響規(guī)律，提出了水溶性鹽侵入混凝土基體形成化學(xué)結(jié)合作用和MPC填充混凝土孔隙形成物理機械咬合作用機理。Kim等[17]研究了MPC界面粘結(jié)、收縮和抗氯離子侵蝕等性能，并使用MPC修補混凝土板裂縫，結(jié)果表明在室外環(huán)境下修補裂縫長期穩(wěn)定且沒有新裂縫產(chǎn)生。劉周強等[18]使用MPC植筋加固混凝土橋梁結(jié)構(gòu)，并探明了硅灰對MPC植筋加固粘結(jié)性能影響規(guī)律。李悅等使用MPC粘貼碳纖維布(carbon fiber reinforced plastics, CFRP)形成MPC-CFRP復(fù)合材料，研究了MPC-CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)軸壓性能[19]、抗彎性能[20]和氯離子萃取與加固一體化功能[21-22]等，建立了MPC-CFRP加固損傷混凝土結(jié)構(gòu)新方法及其極限承載力計算模型。

本文將噴射3D打印與MPC優(yōu)勢交叉融合，提出噴射3D打印MPC防護建筑結(jié)構(gòu)新方法,研究了礦物組分改性MPC工作、力學(xué)和流變性能對其可噴射3D打印的影響規(guī)律，并測定噴射3D打印MPC層間及其與混凝土界面粘結(jié)強度和微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，為MPC快速修復(fù)加固既有建筑結(jié)構(gòu)提供新方法。

1 實 驗

1.1 原材料

磷酸鎂水泥(MPC)由氧化鎂(MgO)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)、偏高嶺土(MK)、粉煤灰(FA)、硼砂(Na2B4O7·10H2O)、玻璃微珠(HGM)、水、減水劑按不同比例混合配制而成。重?zé)齅gO由菱鎂礦在1 600 ℃下煅燒4 h而成，以硼砂為緩凝劑，以MK和FA作為礦物摻合料對MPC的凝結(jié)時間及流變性能等進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。加入HGM提升材料的流動度,降低材料密度，使之利于噴射3D打印。三種材料的主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 氧化鎂、偏高嶺土、粉煤灰的主要化學(xué)組成Table 1 Main chemical composition of MgO， metakaolin and fly ash

1.2 試樣制備與測試方法

研究設(shè)計了8組具有四種不同MK摻量(0%、15%、30%、45%,質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，五種不同F(xiàn)A摻量(0%、15%、30%、45%、60%,質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的MPC混合物，配合比如表2所示。其中，水與固體的質(zhì)量比m(W) ∶m(C)=0.18，磷酸鹽與(MgO與MK之和)的質(zhì)量比m(P) ∶m(M+MK)=0.7，硼砂(B)用量為MgO與MK質(zhì)量之和的5%，HGM摻量為固體體積的40%，以此條件制備MPC試樣。

表2 磷酸鎂水泥配合比Table 2 Mixing proportions of MPC

為防止反應(yīng)不完全以及MPC提前凝結(jié)硬化，制備過程分為兩步進(jìn)行：(1)將水、磷酸二氫鉀、減水劑和硼砂混合攪拌3 min，得到攪拌均勻的混合物;(2)將MgO、MK、FA加入繼續(xù)攪拌30 s。

噴射3D打印示意圖如圖1所示。一個噴口直徑為4 mm的噴槍連接在3D打印機械臂上，材料由拌料倉中的轉(zhuǎn)軸勻速旋轉(zhuǎn)擠壓泵送，通過輸料管輸送至噴口，空氣壓縮機提供的氣壓將材料持續(xù)噴射擠壓到打印面上。機械臂按照設(shè)定打印路徑移動使材料打印層層堆疊成型至設(shè)定結(jié)構(gòu)。其中空氣壓縮機壓力值設(shè)定為70 kPa，機械臂移動速度設(shè)定為5 cm/s，輸料管半徑為30 mm，長度為6 m，噴口與垂直打印面間距為7 cm，層間時間間隔為30 s。

圖1 噴射3D打印示意圖Fig.1 Schematic diagram of spray-based 3D printing

1.2.1 材料性能測試

根據(jù)GB/T 1346—2019《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》采用維卡儀測試各組MPC砂漿的凝結(jié)時間。采用德國史萊賓格Viskomat NT砂漿水泥漿流變儀測定每組MPC砂漿的流變性能，將新拌砂漿放入標(biāo)準(zhǔn)尺寸容器中，按照預(yù)定加載速率對新拌砂漿樣品進(jìn)行流變試驗，每組試樣進(jìn)行3次測試，根據(jù)新拌砂漿剪切速率的變化確定其屈服應(yīng)力和塑性粘度等。根據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》分別測量試樣3 d和7 d齡期的抗壓強度與抗折強度，每組包含5個試樣，試樣誤差率控制在5%以內(nèi)。

1.2.2 打印效果測試

為選出最優(yōu)的一組打印材料，通過噴射打印和澆筑兩種方式在抗壓強度為42.5 MPa的普通硅酸鹽水泥基板上制備試樣，在試驗前將水泥基板表面灰塵和多余顆粒清理干凈，并噴水潤濕。制備的試樣尺寸為40 mm×40 mm，如圖2(a)所示。養(yǎng)護3 d后將拉銷與MPC通過環(huán)氧樹脂結(jié)合進(jìn)行拉拔測試，拉脫力(P)作用在拉銷上與粘結(jié)面垂直，拉伸粘結(jié)強度由P的最大數(shù)值除以界面粘結(jié)面積計算界面粘結(jié)強度。同時將MPC材料進(jìn)行多層噴射，取尺寸為40 mm×40 mm的多層試樣上下用環(huán)氧樹脂固定，測定MPC層間粘結(jié)強度，為保證被測試樣在界面處斷開，在多層試樣中部層間界面處制備面積為38 mm×38 mm的薄弱層如圖2(b)所示，為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，準(zhǔn)備并測試了5個試樣。根據(jù)GB 50367—2006《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行界面粘結(jié)強度測試及計算，隨后通過掃描電鏡進(jìn)行微觀性能測試。綜合評價各組材料性能及打印效果，選取一組最優(yōu)材料進(jìn)行多層噴射3D打印如圖1所示，并測量打印寬度、厚度以評價其最終打印效果。

圖2 界面粘結(jié)測試試樣制備及測試方法Fig.2 Preparation of interfacial bonding test specimens and test method for interface bonding properties

2 結(jié)果與討論

2.1 凝結(jié)時間和水化熱

圖3為MPC試樣的凝結(jié)時間。如圖3所示，隨著MK摻量的增加，凝結(jié)時間得到顯著延長，在沒有加入MK時，MPC初凝時間為9 min，終凝時間為14 min，時間不足以進(jìn)行噴射3D打印中材料的輸送和噴射；在MK摻量為30%時，初凝時間提高至21 min，終凝時間提高至29 min，但繼續(xù)提高M(jìn)K摻量后，盡管終凝時間繼續(xù)提高至37 min，但初凝時間并沒有明顯提高。當(dāng)材料初凝后，噴射3D打印同樣無法進(jìn)行材料的輸送及噴射過程，而材料的初凝時間和終凝時間間隔較短可以使材料在噴射后快速凝結(jié)，有利于提升建造穩(wěn)定性。因此MK摻量為30%時初凝時間較長，終凝時間與初凝時間間隔較短，最適用于噴射3D打印。而FA活性較低，在常溫下MgO和FA之間并不存在膠凝硬化反應(yīng)，對于凝結(jié)時間的影響很小。

圖3 磷酸鎂水泥的凝結(jié)時間Fig.3 Setting time of MPC

圖4(a)為MK摻量對MPC的水化熱反應(yīng)影響。由圖4(a)可知，在未加入MK時，放熱峰出現(xiàn)很早且峰值較大，在用不同比例MK替換MgO后，放熱峰出現(xiàn)時間后移，且峰值較小，放熱更平緩，可見MK的加入使MPC的凝結(jié)硬化進(jìn)度放緩，反應(yīng)激烈程度下降。圖4(b)展示了FA摻量對MPC的水化熱反應(yīng)影響。四組試驗放熱峰出現(xiàn)時間接近，且峰值大小并無明顯的規(guī)律性，可見FA的摻加對MPC的水化放熱速率并無顯著影響。因此，在噴射3D打印中，MK摻量為30%的MPC最能滿足噴射3D打印對其凝結(jié)時間的要求。

圖4 偏高嶺土和粉煤灰的水化熱測試Fig.4 Hydration heat tests of metakaolin and fly ash

2.2 力學(xué)性能

MPC試樣的抗折強度如圖5所示。由圖5可知，各組試樣在3 d均已獲得較高抗折強度，且強度隨時間增加而增加，7 d抗折強度相較3 d抗折強度平均提高28.4%。當(dāng)MK摻量提高至30%時，抗折強度顯著增加，3 d抗折強度提高21.6%，7 d抗折強度提高2.8%。但當(dāng)摻量提高至45%時，3 d強度相比未加入MK MPC試樣下降9.8%，7 d抗折強度相比未加入MK的MPC試樣下降18.8%。這是由于在MK摻量低于30%時，MK的填充效應(yīng)使試樣內(nèi)部更加密實，而摻量繼續(xù)增加時，MK大量取代MgO，降低了MPC的水化程度，致使水化產(chǎn)物數(shù)量降低，造成抗折強度明顯降低。在MK摻量為30%的基礎(chǔ)上加入FA后，MPC的7 d抗折強度顯著提高，15%FA摻量下7 d抗折強度提高18.2%，30%FA摻量下7 d抗折強度提高44.2%，這是由于FA中的惰性物質(zhì)降低了MgO的密度，使其早期反應(yīng)速率降低，延緩了抗折強度的提升，后期MgO和KH2PO4反應(yīng)完全后，F(xiàn)A進(jìn)一步填充MPC內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其后期抗折強度得到提升。

圖5 磷酸鎂水泥的抗折強度Fig.5 Flexural strength of MPC

MPC試樣的抗壓強度如圖6所示。由圖6可知，MPC試樣的7 d抗壓強度相比于3 d抗壓強度均有明顯提升，其中，相比于未加入MK的試樣，摻加15%～30%MK后MPC抗壓強度提高效果最明顯，當(dāng)FA摻量為15%時，3 d抗壓強度降低11.9%，然而7 d抗壓強度反而提高4.5%。因為FA的低活性導(dǎo)致其在前期無法生成大量水化產(chǎn)物，而原本的微集料填充效應(yīng)由于孔隙已經(jīng)被MK填充而無法充分發(fā)揮。但隨著水化反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，F(xiàn)A火山灰反應(yīng)生成部分水化產(chǎn)物，降低因MPC水化產(chǎn)物鳥糞石(KMgPO4·6H2O)含量減少帶來的不利影響，從而提升MPC試樣的抗壓強度。

圖6 磷酸鎂水泥的抗壓強度Fig.6 Compressive strength of MPC

通過抗壓和抗折強度試驗，證明30%摻量MK可有效提升MPC力學(xué)性能，15%～30%摻量FA不會對MPC力學(xué)性能造成明顯負(fù)面影響，并有效提升MPC后期抗折與抗壓強度。

2.3 流變性能

噴射3D打印和常規(guī)擠出式3D打印相同，要求材料在運輸過程中具有良好可泵送性，即不發(fā)生堵管或流動不均勻等現(xiàn)象，同時需要材料在噴射后能夠穩(wěn)定建造，不垮塌或發(fā)生明顯變形。靜態(tài)屈服應(yīng)力指水泥砂漿由固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)時的受力臨界值[23]，在噴射3D打印中，建造性可以通過靜態(tài)屈服應(yīng)力表征，靜態(tài)屈服應(yīng)力越大，3D打印試樣建造越穩(wěn)定。動態(tài)屈服應(yīng)力和塑性粘度可較好地表征水泥漿體在泵送過程中所受阻力大小，較低動態(tài)屈服應(yīng)力和塑性粘度的水泥漿體具有更好的泵送性能。

試驗剪切應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系通過式(1)所示的Bingham模型進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 靜態(tài)屈服應(yīng)力、動態(tài)屈服應(yīng)力與塑性粘度Fig.7 Static yield stress, dynamic yield stressand plastic viscosity

τ=τ0+μ·Γ

(1)

式中：τ為剪切應(yīng)力，Pa；τ0為屈服應(yīng)力，Pa；μ為塑性粘度，Pa·s；Γ為剪切速率，s-1。

礦物摻合料對靜態(tài)屈服應(yīng)力影響如圖7所示。隨著MK摻量增加，靜態(tài)屈服應(yīng)力逐步增加，30%摻量MK的試樣靜態(tài)屈服應(yīng)力為277.92 Pa，可顯著提升噴射3D打印MPC的可建造性。但同時動態(tài)屈服應(yīng)力也明顯提升，且塑性粘度始終保持較高水平，高塑性粘度導(dǎo)致MPC無法進(jìn)行正常泵送和噴射，可泵送性和可噴射性較差。在30%摻量MK的MPC試樣中加入FA后，靜態(tài)屈服應(yīng)力基本保持在260～300 Pa區(qū)間內(nèi)，維持穩(wěn)定的可建造性水平。而FA的加入顯著降低了MPC塑性粘度，與A30B0相比，15%～30%FA摻量的試樣塑性粘度降低29.3%～41.1%。但同時動態(tài)屈服應(yīng)力隨FA摻量的增加逐漸提高，F(xiàn)A摻量為15%～30%時，MPC的塑性粘度和動態(tài)屈服應(yīng)力均滿足噴射要求，具有良好的可泵送性和可噴射性。這是由于FA是一種近似圓球狀且表面光滑的顆粒，在MPC中發(fā)揮“滾珠效應(yīng)”，降低了MPC的塑性粘度[24]。

因此，綜合考慮流變性能對噴射3D打印可泵送性、可噴射性和建造性能的影響，A30B15和A30B30試樣為最優(yōu)選項，此時靜態(tài)屈服應(yīng)力為290～310 Pa，動態(tài)屈服應(yīng)力為165～183 Pa，塑性粘度為4.7～5.1 Pa·s。

2.4 打印性能評價

針對選取的A30B15試樣進(jìn)行了噴射3D打印測試。在制備好的混凝土板上，以5 cm/s的移動速度，距離混凝土板7 cm處進(jìn)行噴射3D打印，每層打印結(jié)束后間隔30 s進(jìn)行下一層打印。最多打印8層，并測量不同打印層數(shù)下的寬度厚度，以衡量打印效果及穩(wěn)定性，效果如圖8所示。

圖8中可以看出，由于MPC凝結(jié)速度較快以及噴射過程中水分迅速散失，在每層打印結(jié)束后30 s內(nèi)打印砂漿會迅速凝結(jié)失去流動性，利于噴射3D打印在多角度方向的進(jìn)行。因此盡管是在立面上進(jìn)行打印，并沒有出現(xiàn)明顯的坍落現(xiàn)象，寬度方向分布地較均勻。但是噴射的不穩(wěn)定性造成打印條邊界處較不均勻，且在打印層數(shù)較高時，有輕微的波紋狀圖案，在噴射過程中會在兩側(cè)出現(xiàn)輕微濺射，且隨著厚度越厚，濺射積累越明顯。側(cè)立圖可見各層之間無明顯肉眼可見的分層，粘結(jié)效果良好。

圖8 不同層數(shù)噴射3D打印MPC(1至8層)Fig.8 Spray-based 3D printing MPC with different layers (layers 1 to 8)

圖9展示了不同打印層數(shù)下的MPC試樣寬度、厚度的變化規(guī)律。由圖9可知，噴射3D打印的A30B15試樣寬度比較穩(wěn)定，在打印8層以下基本保持在2.5 cm左右，并未因?qū)訑?shù)變多導(dǎo)致寬度變寬。打印厚度方面，從1～8層持續(xù)穩(wěn)定線性提升，說明MPC作為一種噴射3D打印材料可進(jìn)行穩(wěn)定堆積，但在7～8層時，測量厚度誤差較大，原因是波紋導(dǎo)致的厚度不均勻。在后續(xù)研究中，可尋找有效措施減少打印層表面波紋，從而提升打印穩(wěn)定性。

圖9 不同層數(shù)噴射3D打印MPC寬度和厚度Fig.9 Widths and thicknesses of different layersfor spray-based 3D printing MPC

2.5 界面粘結(jié)性能

圖10展示了A30B15和A30B30試樣通過澆筑(P)和噴射(S)兩種方式進(jìn)行的粘結(jié)強度測試結(jié)果，并分別統(tǒng)計了3 d和7 d的測試數(shù)據(jù)。從圖10(a)可見，粘結(jié)強度隨著養(yǎng)護時間延長而提高，平均提高約21.0%，而且A30B15粘結(jié)強度較A30B30提高了62.0%，噴射組比澆筑組粘結(jié)強度明顯提升，對比于澆筑試樣(A30B15-P)，噴射3D打印試樣(A30B15-S)3 d和7 d界面粘結(jié)強度分別提升37.5%和21.0%。對比澆筑試樣(A30B30-P)，噴射3D打印試樣(A30B30-S)的3 d和7 d界面粘結(jié)強度分別提高16.7%、30.7%。噴射組MPC層間粘結(jié)強度也比澆筑組有明顯提升。對比圖10(a)、(b)可知，相比MPC-OPC界面，A30B15噴射層間3 d和7 d粘結(jié)強度分別提升41.3%和33.7%。并且從圖10可以看出，MPC與混凝土界面均為混凝土斷裂破壞，說明MPC與混凝土有良好的界面粘結(jié)性。噴射3D打印MPC層間界面拔斷破壞，MPC層間界面粗糙不平，說明界面粘結(jié)密實，界面處并無明顯薄弱現(xiàn)象。

圖10 A30B15和A30B30試樣通過澆筑(P)和噴射(S)的拉伸粘結(jié)強度Fig.10 Tensile bond strength of A30B15 and A30B30 samples by casting (P) and spraying (S)

摻量30%的FA對于粘結(jié)強度有明顯的負(fù)面作用，這是由于FA加入后，MPC生成具有粘性的磷酸鋁相膠凝物質(zhì)密度降低，而FA活性較低，反應(yīng)生成的膠凝物質(zhì)過少，無法對粘結(jié)強度產(chǎn)生正面作用，因此A30B15試樣的粘結(jié)強度明顯低于A30B30。同時相較于澆筑，噴射打印也能夠顯著提升粘結(jié)強度，因為噴射壓力的作用可以提升砂漿與打印面之間的貼合效果，使其充分接觸。同時，在噴射過程中砂漿在空氣中霧化，自由水分會有部分散失，噴射在打印面后水灰比降低，進(jìn)而提升界面粘結(jié)強度。噴射過程也會使材料中各組分的混合更加充分，對強度也有一定提升效果。從2.4節(jié)中圖8可見，噴射MPC層間并無肉眼可見分界面，各層結(jié)合情況優(yōu)秀，且每層材料均為MPC，材料間相容性更好，因此具有比MPC-OPC更好的界面粘結(jié)強度。

2.6 微觀性能

2.6.1 SEM分析

圖11為不同施工方式MPC的SEM照片。由圖11可知，噴射3D打印MPC成均勻膠狀，結(jié)構(gòu)較為密實，而澆筑為棒狀，結(jié)構(gòu)相對比較稀疏。因為噴射3D打印過程中，高壓氣將MPC在噴出后霧化，使材料間接觸更加充分，進(jìn)一步提升水化作用，噴壓提高層間界面粘結(jié)性能，進(jìn)而提高界面粘結(jié)強度。

圖11 不同施工方式MPC的SEM照片F(xiàn)ig.11 SEM images of MPC with pouring and spraying

2.6.2 界面間SEM分析

圖12為觀察A30B15試樣通過噴射和澆筑兩種方式施工時，MPC與打印面界面以及打印層間界面的SEM照片。從圖12中可以看出，噴射打印下MPC與混凝土的界面更加致密，圖12(a)下部界面具有明顯的氣泡，中部具有明顯裂縫，澆筑界面間有明顯開裂現(xiàn)象，MPC與打印面連接不夠平滑，而圖12(b)顯示在噴射打印面界面上，打印面和MPC之間連接更加緊密，在界面上MPC生成更多水化產(chǎn)物和磷酸鋁相絮狀物質(zhì)[25]。而圖12(c)展示的各打印層間界面非常密實，SEM照片中無明顯分界現(xiàn)象，界面處無顯著氣泡或者開裂分層，粘結(jié)效果良好，顯著提升了其層間強度。

圖12 不同界面間MPC的SEM照片F(xiàn)ig.12 SEM images of MPC with different interfaces

綜上所述，噴射3D打印可以使界面處孔隙減少，與打印面之間連接更加致密，裂縫降低，同時MPC在打印面上生成的水化產(chǎn)物被MK與磷酸根離子反應(yīng)生成的具有粘性的膠凝物質(zhì)包裹[26]，界面粘結(jié)效果優(yōu)秀。常規(guī)擠出式3D打印存在層間界面薄弱的問題[3]，噴射3D打印MPC在力學(xué)性能和微觀表現(xiàn)方面均具有良好的界面粘結(jié)密實效果。

3 結(jié)論與展望

通過在MPC中加入FA、MK等礦物摻合料，調(diào)節(jié)凝結(jié)時間、流變特性等，制備出一種適用于噴射3D打印的MPC，通過力學(xué)性能試驗、微觀結(jié)構(gòu)表征等研究方法，探究了MPC的可噴射3D打印性，以及噴射3D打印MPC與混凝土界面的粘結(jié)性能。主要結(jié)論如下：

(1)MK的存在延長了MPC砂漿的凝結(jié)時間。由于MK的摻加減少了MgO含量，且延遲了MPC水化放熱的時間與程度，在MK摻量為30%時，初凝時間從9 min提高至21 min，終凝時間從14 min提高至29 min，為噴射3D打印提供了充足的打印窗口時間。

(2)通過FA滾珠狀微觀形貌降低了MPC各組分間摩擦力，可調(diào)節(jié)MPC的流變特性，在30%MK摻量基礎(chǔ)上，15%～30%FA摻量可將MPC的靜態(tài)屈服應(yīng)力提高至290～310 Pa，動態(tài)屈服應(yīng)力降低至165～183 Pa，塑性粘度降低至4.7～5.1 Pa·s，使MPC滿足噴射3D打印對于流變參數(shù)的要求。

(3)測試結(jié)果表明，30%MK和15%FA摻量的MPC具有良好的可泵送性和可建造性，同時界面粘結(jié)效果好，微觀界面密實，可應(yīng)用于噴射3D打印技術(shù)。今后的研究應(yīng)側(cè)重于優(yōu)化MPC噴射3D打印效果，如每層厚度、寬度的調(diào)節(jié)，以及利用MPC特性提升噴射3D打印力學(xué)性能，將噴射3D打印MPC應(yīng)用于實際結(jié)構(gòu)加固修復(fù)工程中。