肖建莊，秦 飛，丁 陶，段珍華

（同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092）

自上世紀(jì)末以來，針對3D打印混凝土材料和結(jié)構(gòu)的研究逐漸趨于成熟［1-2］.一方面，建筑3D打印混凝土的施工工藝與傳統(tǒng)工藝存在明顯區(qū)別［3］；另一方面，目前建筑垃圾資源化利用主要是針對再生粗骨料，對于廢混凝土破碎產(chǎn)生的細(xì)骨料尚未得到充分應(yīng)用［4-5］，因此再生砂作為3D打印砂漿中的細(xì)骨料，是利用的重要途徑之一.

3D打印砂漿需要具有良好的形狀保持能力，且其早期強(qiáng)度發(fā)展對砂漿的配合比設(shè)計(jì)與優(yōu)化調(diào)控至關(guān)重要.研究發(fā)現(xiàn)，礦物摻和料和外加劑能夠調(diào)節(jié)3D打印砂漿的早期流動性，進(jìn)而提高其可建造性［6-7］，而短纖維的摻入可以適應(yīng)砂漿的可打印性要求并提高其形狀保持能力［8］.本文通過單軸壓縮試驗(yàn)，測試了3D打印再生砂漿的早期力學(xué)性能，研究了不同再生砂取代率、纖維摻量對3D打印砂漿早期強(qiáng)度發(fā)展的影響，尋求再生砂取代天然砂應(yīng)用于3D打印混凝土建筑的可能性.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

普通3D打印砂漿的原料包括：P·O 42.5普通硅酸鹽水泥（C）、天然河砂（NS）、羥丙基甲基纖維素（HPMC）、納米黏土、葡萄糖酸鈉等材料.將強(qiáng)度不低于C40的廢棄混凝土破碎得到的再生砂（RS）代替天然河砂加入砂漿混合料中，設(shè)定再生砂取代率wRS=0%、50%、100%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的取代率、摻量、水灰比等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比）.再生砂和天然砂的最大粒徑均控制在0.9 mm以下，其基本物理參數(shù)見表1.

表1 再生砂和天然砂的基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of NS and RS

測得再生砂吸水率為15%，因此在配合比設(shè)計(jì)中增加了附加水用量.3D打印砂漿混合料中的水灰比為0.35，超高分子量聚乙烯（HMPE）纖維的長度為6 mm，其摻量wf=0%、0.25%、0.50%、1.00%、1.50%.3D打印再生砂漿的配合比見表2.當(dāng)打印條寬度為30 mm，高度為15 mm時，3D打印再生砂漿單次打印層數(shù)可維持在10層以上（見圖1）.

表2 3D打印再生砂漿的配合比Table 2 Mix proportions of 3D printing recycled mortars

圖1 3D打印再生砂漿的可建造性Fig.1 Buildability of 3D printing recycled mortar

1.2 試件制備

根 據(jù)ASTM D2166《Standard test method for unconfined compressive strength of cohesive soil》，在圓柱形鋼模中澆筑φ75×150 mm的圓柱體試件，鋼模內(nèi)部粘貼特氟龍片以降低摩擦力.制作流程如下：將再生砂/天然砂、水泥混合攪拌3 min，得到均勻的干粉拌和物；接著加入預(yù)先配制的添加劑，攪拌2 min至均勻狀態(tài)；然后將水倒入拌和物，攪拌2 min；最后將充分?jǐn)嚢韬玫纳皾{倒入模具中，振動并放置不同的時間.

1.3 測試方法

采用單軸無側(cè)限壓縮試驗(yàn)分別對砂漿擠出后齡期t=30、45、60、90、120、150 min的試件進(jìn)行加載，研究其早期強(qiáng)度的發(fā)展，采用位移加載，加載速率為25 mm/min.試驗(yàn)時在試件上下放置2層特氟龍薄膜，以減少試件與試驗(yàn)裝置之間的摩擦；為減少加載時間對試驗(yàn)結(jié)果的影響，每次測試在2～3 min內(nèi)完成.試件破壞時將發(fā)生明顯的豎向變形和橫向變形，在計(jì)算應(yīng)力時，為考慮橫向變形的影響，在加載期間拍攝固定時間間隔的照片，記錄試件在不同位移時刻的橫向變形，并采用圖像分析方法對橫向變形進(jìn)行分析，進(jìn)一步通過定積分方法對試件的瞬時截面積進(jìn)行修正.

2 結(jié)果與分析

2.1 試件的破壞模式

試件的破壞模式見圖2.由圖2可見，試件有2種典型的破壞模式.第1種破壞模式的特征是橫向變形顯著增加，在豎向位移作用下，中部首先出現(xiàn)裂縫，形成少量具有一定間距的豎向裂縫，試件逐漸出現(xiàn)壓縮破壞，未形成明顯的剪切破壞面.這種失效模式主要發(fā)生在齡期為30～60 min的試件.對于再生砂取代率不同的砂漿試件，其破壞模式?jīng)]有明顯差異，這表明再生砂對試件破壞形態(tài)的影響有限.第2種破壞模式的特征是破壞面明顯，橫向變形相對較小，試件首先出現(xiàn)少量的斜向裂縫，隨后裂縫貫穿，外部砂漿剝落.這種破壞模式主要發(fā)生在齡期為90～150 min的試件，且再生砂取代率越高，剪切裂縫出現(xiàn)的時間越早，剪切面角度更大，說明再生砂的摻入對試件的早期強(qiáng)度發(fā)展有明顯的促進(jìn)作用.

圖2 試件的破壞模式Fig.2 Failure pattern of specimens

未摻纖維和摻纖維試件的破壞模式見圖3.由圖3可見，摻入纖維的試件同樣符合上述2種破壞模式；與未摻纖維試件相比，摻纖維試件的主裂縫間距小，分布更均勻.

圖3 未摻纖維和摻纖維試件的破壞模式Fig.3 Failure pattern of specimens with fiber and without fiber

2.2 豎向荷載-位移曲線

豎向荷載-位移曲線可以反映材料擠出后30～150 min在壓力作用下的強(qiáng)度發(fā)展過程.不同再生砂取代率下試件的豎向荷載-位移曲線見圖4.由圖4可見：再生砂的摻入對同齡期下最大荷載較高試件的豎向荷載-位移曲線影響非常明顯；再生砂的摻入提高了3D打印再生砂漿的早期強(qiáng)度；當(dāng)無再生砂摻入時，3D打印砂漿的豎向荷載-位移曲線無明顯下降段；試件R50的豎向荷載-位移曲線在齡期為120 min時呈下降趨勢，試件R100的豎向荷載-位移曲線在齡期為90 min時出現(xiàn)下降段.由此可見，再生砂取代率越高，3D打印再生砂漿強(qiáng)度發(fā)展越迅速.

圖4 不同再生砂取代率下試件的豎向荷載-位移曲線Fig.4 Vertical load-displacement curves of specimens with different wRS

由圖4還可見：在齡期為30 min時，wRS=50%、100%的3D打印再生砂漿的豎向荷載-位移曲線變化趨勢相近，相同位移下試件R50、R100的豎向荷載均高于試件R0，這說明再生砂的摻入提高了3D打印再生砂漿的強(qiáng)度；當(dāng)齡期為90 min時，試件R100的豎向荷載增長非常明顯，材料表現(xiàn)出明顯的固體特性，豎向荷載-位移曲線出現(xiàn)下降段；當(dāng)齡期達(dá)到150 min時，試件R50的豎向荷載從塑性逐漸向固體材料發(fā)展，而試件R0的豎向荷載-位移曲線仍有平臺期，表現(xiàn)出塑性特征.由此可見，再生砂的摻入對3D打印再生砂漿后期強(qiáng)度的發(fā)展有顯著影響，且取代率越高，促進(jìn)作用越強(qiáng).

有研究指出，3D打印再生砂漿的吸水率和孔隙率隨再生砂取代率的增加而增加，且其有效含水率是影響再生砂漿早期性能的關(guān)鍵因素之一［9］.有效含水率等于砂漿中水的總量減去砂吸收的水量.一般來說，再生砂粒徑越小，其吸水系數(shù)越高，水泥漿體附著力越大.因此，本文研究的3D打印再生砂漿中，新水泥漿體和再生砂之間可能發(fā)生水轉(zhuǎn)移.Fourmentin等［10］研究表明，具有足夠孔隙率的多孔介質(zhì)能快速地從漿體中吸收大量的水，拌和后再生砂快速吸水，砂漿流動性降低，分子間黏聚力增大；此后，在水化過程中，多孔介質(zhì)中水分逐漸釋放到水泥漿體中.根據(jù)本文試驗(yàn)的觀察，早期出現(xiàn)的水分轉(zhuǎn)移現(xiàn)象改變了3D打印再生砂漿早期強(qiáng)度的發(fā)展.

不同纖維摻量下試件的豎向荷載-位移曲線見圖5.由圖5可見：各試件的豎向荷載-位移曲線均無峰值荷載和下降段的出現(xiàn)，且不同纖維摻量對3D打印再生砂漿荷載增長的作用不同；纖維的摻入對3D打印再生砂漿的早期強(qiáng)度有一定影響，當(dāng)纖維摻量為0.25%、0.50%和1.00%時，試件早期豎向荷載發(fā)展與未摻纖維試件R50（見圖4（b））沒有顯著差異，強(qiáng)度相差在30%以內(nèi)，其中試件R50F3強(qiáng)度增大的程度最高，在90、150 min時，其極限荷載分別是試件R50的1.1、1.4倍；對于試件R50F4，其強(qiáng)度明顯小于試件R50，不同齡期下的強(qiáng)度僅為試件R50的20%～50%，且其極限荷載較試件R50有所降低，在90、150 min時，其極限荷載僅為試件R50的0.4、0.5倍，這說明過量纖維的摻入減緩了砂漿強(qiáng)度的增長；未摻纖維試件在90 min時，豎向荷載-位移曲線開始出現(xiàn)下降段，而對于所有摻纖維的試件，直至150 min時，均無下降段的出現(xiàn)，說明纖維的摻入增強(qiáng)了試件在大變形下的承載力，減緩了破壞.

圖5 不同纖維摻量下試件的豎向荷載-位移曲線Fig.5 Vertical load-displacement curves of specimens with different wf

綜上，纖維的摻入對3D打印再生砂漿早期強(qiáng)度的影響不明顯.一方面，纖維分散在砂漿中對其抵抗變形的能力和強(qiáng)度的增加有一定提高作用；另一方面，本研究所用超高分子量聚乙烯纖維親水性較差，纖維也會在一定程度上阻礙砂漿內(nèi)部水分的轉(zhuǎn)移，降低砂漿強(qiáng)度的增長速率.這兩種因素耦合可能使砂漿強(qiáng)度產(chǎn)生不規(guī)律的變化，當(dāng)纖維摻入過量時，將降低3D打印再生砂漿早期強(qiáng)度的增長速率.

2.3 橫向變形

對試件截面積進(jìn)行處理，得到試件在試驗(yàn)過程中某時刻的平均直徑.取每個試件從開始到加載結(jié)束共5個時刻的平均直徑，用以表征試件橫向變形的程度，結(jié)果見圖6.由圖6可見：對于再生砂取代率高的試件R100，試件平均直徑明顯比無再生砂試件R0小，這是由于再生砂促進(jìn)了砂漿強(qiáng)度和試件剛度的增長，在豎向荷載作用時，含再生砂的試件橫向變形小；纖維摻量對試件平均直徑的影響不明顯，各試件的平均直徑基本穩(wěn)定在7.5～8.3 cm.

圖6 試件的平均直徑Fig.6 Mean diameter of specimens

2.4 濕坯強(qiáng)度

對于豎向荷載-位移曲線無明顯峰值荷載和下降段的試件，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到33%時，整個試件已經(jīng)嚴(yán)重破壞，此時的應(yīng)變視為破壞極限應(yīng)變；對于曲線有峰值荷載的試件，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值或應(yīng)變達(dá)到破壞極限應(yīng)變時，試件視為損傷.取具有峰值荷載的峰值應(yīng)力或應(yīng)變?yōu)?3%時的應(yīng)力作為濕坯強(qiáng)度.對試件的橫向變形進(jìn)行處理后，可以得到考慮截面橫向變形的濕坯強(qiáng)度σf.

試件的濕坯強(qiáng)度見圖7.由圖7（a）可見：在試驗(yàn)齡期范圍內(nèi)，試件的濕坯強(qiáng)度隨齡期的變化總體符合線性規(guī)律；試件R0在齡期30 min時的濕坯強(qiáng)度為3.2 kPa，90、150 min的濕坯強(qiáng)度分別增加了約0.2、0.6倍；試件R50在30 min時的濕坯強(qiáng)度為14.0 k Pa，90、150 min下的濕坯強(qiáng)度分別提高了約0.3、0.6倍；試件R100在30 min時的濕坯強(qiáng)度為11.0 k Pa，90、150 min的濕坯強(qiáng)度分別提高了約1.6、3.3倍；50%、100%再生砂取代率的3D打印再生砂漿的濕坯強(qiáng)度增長速率分別為無再生砂砂漿的3.2、16.7倍.由此可見，試驗(yàn)后期再生砂的摻入明顯提高了試件的濕坯強(qiáng)度.

R0、R50、R100的濕坯強(qiáng)度σf，0、σf，50、σf，100與齡期t的關(guān)系可擬合為：

由圖7（b）可見：當(dāng)纖維摻量為0.25%、0.50%時，150 min時試件的濕坯強(qiáng)度僅為30 min時的1.3、1.5倍，而此時未摻纖維試件R50的強(qiáng)度為其30 min時的1.6倍，這說明纖維摻量對砂漿早期濕坯強(qiáng)度的增長效果微乎其微；當(dāng)纖維摻量增大到1.00%時，從30 min到150 min，R50F3的濕坯強(qiáng)度大約增長了1.1倍，纖維的摻入加速了其早期強(qiáng)度的增長；當(dāng)纖維摻量達(dá)到1.50%時，濕坯強(qiáng)度的發(fā)展卻處于十分低的水平，遠(yuǎn)低于試件R50的同期濕坯強(qiáng)度，這說明過量纖維的摻入降低了3D打印再生砂漿早期濕坯強(qiáng)度的增長速率.

圖7 試件的濕坯強(qiáng)度Fig.7 σf of specimens

2.5 討論

開放時間為新拌砂漿保持可擠出性的時間范圍，對于3D打印砂漿具有重要意義.如果開放時間過短，材料會變硬導(dǎo)致流速和打印速率變慢，甚至造成堵塞；而如果開放時間過長，3D打印砂漿在堆積過程中會產(chǎn)生過大的變形，將對其可建造性產(chǎn)生不利影響.本文通過摻入不同取代率的再生砂從而獲得了不同開放時間的3D打印再生砂漿.由前文可知，在前30 min內(nèi)，再生砂的作用不明顯，而隨著時間的推移，再生砂會促進(jìn)材料的硬化，提高打印結(jié)構(gòu)的可建造性.

實(shí)際3D打印施工過程可能持續(xù)數(shù)小時而不間斷.當(dāng)打印結(jié)構(gòu)因3D打印施工超過一定高度時，底部材料可能已經(jīng)被擠壓超過90 min.若摻入再生砂，能提高底層砂漿的強(qiáng)度，有助于提高打印高度.但再生砂的摻入減小了3D打印再生砂漿的開放時間，也會導(dǎo)致諸如泵送過程中管道流動不連續(xù)等問題.因此，在實(shí)際使用中，有必要根據(jù)需求和實(shí)際情況，合理調(diào)整配合比和再生砂取代率.

3 結(jié)論

（1）3D打印再生砂漿典型的破壞模式有2種，齡期為30～60 min的試件表現(xiàn)為試件截面顯著增大，但未形成明顯的剪切破壞面；齡期為90～150 min的試件則破壞面明顯，出現(xiàn)了剪切裂縫，且橫向變形較小.

（2）在相同齡期下，隨著再生砂取代率的增加，試件的極限荷載和濕坯強(qiáng)度均增大，濕坯強(qiáng)度的大小與齡期基本呈線性關(guān)系，50%、100%再生砂取代率的砂漿濕坯強(qiáng)度增長速率分別是無再生砂砂漿的3.2、16.7倍.再生砂的摻入顯著促進(jìn)了3D打印砂漿早期強(qiáng)度的增長，再生砂與水泥漿體之間的水分轉(zhuǎn)移改變了濕坯強(qiáng)度的增長速率.

（3）適量纖維的摻入對3D打印再生砂漿早期強(qiáng)度的影響不明顯，當(dāng)纖維摻量在0.25%～1.00%時，試件濕坯強(qiáng)度與未摻纖維試件相比或高或低，差距基本在30%以內(nèi)；當(dāng)纖維摻量為1.50%時，試件濕坯強(qiáng)度僅相當(dāng)于未摻纖維試件的50%左右，說明過量纖維的摻入將降低3D打印再生砂漿早期強(qiáng)度的增長速率.

（4）本文對3D打印再生砂漿的早期強(qiáng)度發(fā)展做了探討，并分析了再生砂對其強(qiáng)度發(fā)展的影響，但是試驗(yàn)材料中未引入粗骨料，如何用粗骨料或再生粗骨料制作3D打印建筑材料是未來需要解決的新問題.