方 媛， 何克澤， 郭耀祥， 周 宇， 溫志偉， 王傲軒， 殷小紅

(1. 深圳大學 土木與交通工程學院，廣東 深圳 518060；2. 廣東省濱海土木工程耐久性重點實驗室，廣東 深圳 518060)

0 引 言

近年來，3D打印技術(shù)在建筑領域顯示出巨大的潛力，這為建筑物的建造提供了新的方法。隨之，3D打印混凝土技術(shù)應運而生，顯示出一些明顯的優(yōu)勢，包括大量節(jié)能，減少排放和提高建筑效率[1-3]。開發(fā)3D打印混凝土面臨的最大挑戰(zhàn)之一是開發(fā)合適的3D可打印材料。

地聚合物通常被理解為堿激發(fā)鋁硅酸鹽，它是一種以固體硅鋁酸鹽礦物為原料，在常溫或高溫環(huán)境下與堿性溶液(如水玻璃、氫氧化鈉、氫氧化鉀等)反應形成的堿金屬硅鋁酸鹽材料[4]。地聚合物的固體原料，也稱為氧化鋁和二氧化硅源，主要來自工業(yè)副產(chǎn)品和經(jīng)低溫處理的礦物，包括粉煤灰，礦渣，硅粉，偏高嶺土，三水鋁石，赤泥，底灰等[5]。地聚合物被認為是一種綠色的、可持續(xù)的膠凝材料，有替代普通水泥的潛力，可將各種廢物流轉(zhuǎn)化為有用的副產(chǎn)品。

目前，研究人員已經(jīng)進行了一些關于地聚合物在3D打印構(gòu)造中的應用的研究。Panda等人[6-7]通過檢查印刷的地聚合物的新鮮性能和力學性能，評估了粉煤灰基的地聚合物水泥在3D打印中的潛力，測量了碎玻璃增強的3D打印的粉煤灰的地聚合物的各向異性力學性能。Al-Qutaifi等人[8]評估了纖維、層間時間間隔以及分層模式對結(jié)構(gòu)可建性和硬化機械性能的影響，表明纖維增加了抗彎強度，而最小的時間間隔產(chǎn)生了最高的抗彎強度結(jié)果。Nematollahi等人[9]研究了聚丙烯(PP)纖維對3D打印的粉煤灰地聚合物砂漿的新鮮和硬化性能的影響，纖維的添加通過改善形狀保持能力并提高壓縮和彎曲強度，同時層間粘結(jié)強度略有降低，改善了新鮮狀態(tài)和硬化狀態(tài)，從而滿足3D打印的必要性能。Alghamdi等[10]制備了3D打印粉煤灰地質(zhì)聚合物，并補充了細石灰石、礦渣或硅酸鹽水泥。基于在不同時間測得的剪切屈服應力和同時進行的長絲打印，建立適用于所選打印參數(shù)的可打印性和屈服應力界限。Bong等[11]考慮了氫氧化物和硅酸鹽類型、質(zhì)量比等因素對不同地質(zhì)聚合物混合物的和易性、擠壓性、保形性和力學性能的影響，優(yōu)化了地質(zhì)聚合物混合物。

但是，上述文獻中的各種可打印地質(zhì)聚合物均是通過添加粘度調(diào)節(jié)劑來制備的。在基于擠壓的3D打印實踐的基礎上，對粉煤灰-爐渣二元系統(tǒng)地聚合物進行3D打印開發(fā)研究。

1 實 驗

1.1 材 料

使用礦粉和粉煤灰作為制備地聚物的含硅鋁酸鹽原材料，使用定制的硅酸鈉水溶液作為堿激發(fā)劑(模數(shù)為2，固體含量為40.1%)。

1.2 地聚合物漿體制備

以粉煤灰、礦渣、水玻璃和去離子水為主要原料，以不同的粉煤灰、礦渣含量和水灰比配制成地高聚物漿料。原料的配合比如表1所示。

表1 地聚合物凈漿配合比

1.3 凝結(jié)時間測試

參照GB/T 1346-2011《水泥標準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》，使用維卡針型儀器測量漿體凝結(jié)時間。

1.4 3D打印試塊制備

如圖1所示，使用龍門式3D打印機進行3D打印。將原材料充分攪拌混合后，將漿體投入3D打印機料倉中，通過電腦控制，根據(jù)預先設計好的模型將糊料擠出并堆積。打印的線速度為30mm/s。使用的圓口打印噴頭的內(nèi)徑為30mm，外徑為37mm。

圖1 3D打印機

2 結(jié)果與分析

2.1 最小水灰比

3D打印材料的連續(xù)打印和堆疊特性要求材料具有低流動性。為了最大程度地減少不含減水劑等添加劑的地聚合物材料的流動性，并達到保持其形狀不塌陷的目的，使用最低的水灰比來測量粉煤灰和礦渣復合漿料的流動性。如圖2(a)所示，當水灰比過低時，漿料缺乏流動性，不能用于擠壓打印形成。圖2(b)為具有一定流動性和體積穩(wěn)定性的漿料，可用于3D打印。圖2(c)為不同粉煤灰含量的最小水灰比，可見滿足打印要求的最低水灰比隨著粉煤灰含量的提高而降低。

(a)

2.2 凝結(jié)時間

凝結(jié)時間表示可操作的時間。一般情況下，混合料的可擠出性會在初凝時間到達前降低[12]。一旦漿體達到初凝時間后，將無法通過擠壓的方式擠出，從而形成堵塞。這意味著漿料應該在初始凝結(jié)時間之前進行打印，且必須在初始凝結(jié)時間之后盡快從擠出機中取出，以避免在管子和噴嘴中硬化。圖3為隨著粉煤灰含量的降低，初凝時間和終凝時間的變化情況。在粉煤灰含量從100%降低到80%的過程中，漿體凝結(jié)時間也隨之明顯縮短(從55min降低到24min); 粉煤灰含量從80%降低到70%，凝結(jié)時間基本不變。這說明漿體的凝結(jié)時間并不總是隨著粉煤灰用量的減少而降低，且粉煤灰低于90%的漿料應在20min之內(nèi)完成打印。

圖3 不同粉煤灰含量3D打印地聚物凝結(jié)時間

2.3 水灰比對可擠出性及形狀的影響

水灰比是影響3D打印地質(zhì)聚合物可擠性和保形性的關鍵參數(shù)。故進行了打印材料的打印，檢測其可擠性和保形性。圖4顯示了水灰比為0.19到0.22的FA100地聚物的打印層。對于水灰比為0.19和0.20的FA100地聚物(圖4(a)和(b))，由于混合物缺乏流動性，無法很好地打印，打印質(zhì)量不理想；當水灰比提升到0.21，如圖4(c)，打印出的漿料顯示了令人滿意的質(zhì)量和足夠的形狀耐久性；當水灰比增加到0.22時，單層漿料產(chǎn)生了流動變形，這意味著打印層不能很好地保持其形狀(圖4(d))。圖5和圖6顯示了由各種粉煤灰和礦渣含量組成的地聚合物具有滿意的形狀保持能力的打印層。從圖5可以看出，水灰比值為0.21和0.22的FA90地聚物能夠保持其形狀。通過觀察可知粉煤灰-礦渣復摻的地聚物比純粉煤灰地聚物具有更大的水灰比值選擇范圍且打印漿體成型更好。

(a)水灰比0.19

(a)水灰比0.21

(a)水灰比0.22

2.4 層間間隔時間對可建造性的影響

無添加任何外加劑的礦粉-粉煤灰地聚物膠凝材料進行打印堆疊實驗，分別采用連續(xù)打印和間隔打印兩種方式，間隔時間設置為0～20min。0min表示打印完一層后，后續(xù)的層將不間斷打印。20min表示在完成一層打印后，暫停20min后才進行下一層的打印。其中20min的間隙時間是根據(jù)圖3中測量的初始凝結(jié)時間進行設置的。從圖7可以看出，在沒有間隙時間的情況下，連續(xù)一層一層地打印混合物時，打印出來的多層樣品發(fā)生坍塌。當間隙時間增加到20min時，可以建立具有多層膜的打印樣品，并保持其形狀，間隔打印與連續(xù)打印相比具有令人滿意的可建造性。

(a1)FA100

3 結(jié) 論

1)滿足打印要求的最低水灰比隨著粉煤灰含量的提高而降低。漿體的凝結(jié)時間并不總是隨著粉煤灰用量的減少而降低，粉煤灰低于90%的漿料應在20min之內(nèi)完成打印。

2)粉煤灰-礦渣地聚物比純粉煤灰地聚物具有更大的水灰比選擇范圍且成型更好。

3)漿體打印的層間間隔時間為20min時，可以建立多層打印樣品，并保持其形狀，間隔打印與連續(xù)打印相比具有令人滿意的可建造性。