王天恒,王 勝,陳 旭,崔維久,,2,*,王 猛

(1.青島理工大學(xué) a.土木工程學(xué)院;b.智能建造實驗室,青島 266525;2.青建集團股份公司,青島 266071)

3D打印技術(shù)又稱增材制造技術(shù)[1],是一種新型的快速建造技術(shù),具有自動化程度高、效率高、材料成本低等特點。該技術(shù)不僅在工業(yè)設(shè)計、醫(yī)療、航空航天、制造業(yè)等領(lǐng)域[2]中廣泛應(yīng)用,也為建筑行業(yè)帶來新的挑戰(zhàn)和機遇。水泥基打印材料雖在不斷改進優(yōu)化,但水泥用量過高的問題仍然存在,且對礦物摻合料的品質(zhì)要求過高。此類原材料特點不符合國家雙碳發(fā)展理念,也制約了3D打印混凝土(3DPC)規(guī)?；瘧?yīng)用。因此,除對3D打印材料性能進行研究,還需結(jié)合建筑業(yè)綠色發(fā)展要求進一步探索如何減少3DPC中水泥用量。

3DPC對混凝土性能提出了更高的要求[3],準(zhǔn)確的性能預(yù)評價及適宜的測試手段[4]是3D打印混凝土成功的關(guān)鍵所在。目前大多數(shù)研究者通常采用跳桌擴展度[5]、擠出一致性[6]、最大建造層數(shù)[7]等測試方法對3DPC進行性能評價,此類方法雖直觀簡單,但缺乏機理分析。流變性能是決定混凝土工作性能的本質(zhì)因素,足夠的剪切應(yīng)力可以抵抗由于打印層自重及其上層重量而引起的變形[8]。流變性能的引入可提高3DPC性能評價的準(zhǔn)確性[9],MOHAN等[10]認為動態(tài)屈服應(yīng)力和塑性黏度可較好地評價打印材料的可擠出性,PANDA等[11]利用靜態(tài)屈服應(yīng)力大小來評價3DPC的可建造性。綜上可看出,研究材料的流動性能及流變性能變化規(guī)律是檢驗材料能否3D打印的必經(jīng)之路。

本文考慮3D打印混凝土綠色化發(fā)展需要,共設(shè)計6組低水泥用量的混凝土材料,分別探究其流動性能、流變性能變化規(guī)律,并建立3DPC流變性能與打印性能的相關(guān)關(guān)系,獲取可打印流變參數(shù)范圍。以期推動3DPC可打印性能的評價發(fā)展,為3DPC綠色化應(yīng)用提供參考建議。

1 試驗

1.1 原材料及配合比

本試驗主要原材料包括:普通硅酸鹽水泥P·O 52.5,比表面積為410 m2/kg;砂,水洗機制砂,最大粒徑≤3 mm,含水量為 0%;減水劑為聚羧酸高效減水劑,固含量為25%,減水率≥30%;羥丙基甲基纖維素醚(HPMC),乳白色顆粒狀粉末,黏度為4000 Pa·s,密度為1.37 g/mL;礦粉,含水量為0.2%;硅灰采用微硅粉,較一般硅灰品質(zhì)低,其性能指標(biāo)如表1所示。

表1 硅灰的主要技術(shù)性能

根據(jù)文獻調(diào)研結(jié)果[12-14],本研究選取青島地區(qū)常用摻合料粉煤灰、礦粉、微硅粉作為主要水泥基材替代組分,水泥替代量設(shè)置為40%,50%兩組別。根據(jù)調(diào)研,所研究的3D打印混凝土強度設(shè)置在C30-C40,將水膠比設(shè)置為0.30,0.35。通過前期試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),膠砂比為1∶1.0,1∶1.5時所設(shè)計的材料打印性能良好。此外,前期試驗中通過擠出性和建造性調(diào)試,確定HPMC含量為0.1%～0.2%,確定減水劑為0.5%～2.0%。最終,選取6組具有代表性的配合比,如表2所示。其中,減水劑、HPMC用量為膠凝材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表2 3D打印混凝土配合比

1.2 試驗方法

1.2.1 流動性能測試

流動性能測試參照《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T 2419-2005)進行,流動性能由跳桌擴展度表征,如圖1所示。將測試試樣放置于截圓錐模中,表面刮平,移除截圓錐模(圖1(a)),均勻跳動25次,待其穩(wěn)定后記錄擴展度,如圖1(b)所示。

圖1 流動性能測試

1.2.2 流變性能測試

流變試驗采用的是德國史萊賓格公司的eBT-V混凝土流變儀,如圖2所示。該流變儀為同軸圓筒型流變儀,由裝料筒、電機和葉片組成。測試時主要是通過電機帶動葉片旋轉(zhuǎn)獲取轉(zhuǎn)速及扭矩,并利用藍牙功能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苁謾C上,再根據(jù)假定的流變模型,計算得到流變參數(shù)。

圖2 eBT-V流變儀

根據(jù)相關(guān)文獻[15]及前期測試經(jīng)驗,以恒定低轉(zhuǎn)速0.5 r/min進行持續(xù)剪切180 s,當(dāng)測得扭矩達到最大值時,進而轉(zhuǎn)換為應(yīng)力值,得到靜態(tài)屈服應(yīng)力。動態(tài)屈服應(yīng)力測試時采用如圖3所示階梯段方式進行設(shè)置,剪切時間總長為80 s,預(yù)剪切20 s,測試時最大剪切轉(zhuǎn)速設(shè)定為30 r/min,最小剪切轉(zhuǎn)速設(shè)定為3 r/min,各測試點均勻遞減,每個測試點的測量間隔為10 s,進行持續(xù)剪切。

圖3 動態(tài)屈服應(yīng)力設(shè)置方式

1.2.3 打印性能測試

打印試驗采用自主研發(fā)的3D打印框架機,如圖4所示,幾何尺寸為2 m×2 m×2 m(X,Y,Z)。該3D打印機由打印機系統(tǒng)和附屬部分組成。打印機系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、步進裝置、打印頭組成,打印頭直徑為20 m。附屬部分由打印平臺、整體框架等組成。該打印系統(tǒng)中擠出螺旋轉(zhuǎn)速為1 mm/s,打印噴嘴行走速度為35 mm/s,另外打印單次提升高度為10 mm。

圖4 3D打印框架機整體架構(gòu)

3D打印試驗包括可擠出性和可建造性測試。可擠出性以擠出條帶表觀質(zhì)量及擠出連續(xù)性為主要衡量指標(biāo),如圖5(a)所示,而可建造性則以混凝土可打印的最大層數(shù)作為衡量指標(biāo),如圖5(b)所示。

圖5 打印性能測試

2 試驗結(jié)果分析與討論

2.1 流動性能與流變性能變化規(guī)律

2.1.1 流動性能變化規(guī)律

不同組別混凝土跳桌擴展度如圖6所示,藍色和綠色分別代表水泥含量為50%,60%組別。由圖6易得,B2組別的跳桌擴展度最小,為150 mm,而B4組別的跳桌擴展度最大,為200 mm。相對水泥占60%組別來說,水泥占50%組別流動度整體偏大,但這不能說明跳桌擴展度受水泥含量影響。造成此現(xiàn)象的原因主要有2個方面:①粉煤灰能夠發(fā)揮“滾珠效應(yīng)”,提高流動性;②較多減水劑可釋放水分促進流動性,且過少或過高HPMC用量都會造成增稠效果差的問題。綜上可得,降低水泥用量不影響混凝土的跳桌擴展度,可借助跳桌擴展度進行低水泥用量混凝土打印性能的簡單評價。

2.1.2 流變性能變化規(guī)律

不同配合比混凝土靜態(tài)屈服應(yīng)力隨時間增長趨勢如圖7所示。由圖7易得,各組別混凝土靜態(tài)屈服應(yīng)力均隨時間增長而增大。其中,B2組的靜態(tài)屈服應(yīng)力最大,初始值為3674.15 Pa,45 min時增長為4712 Pa,主要原因是硅粉[16]可提高混凝土的致密性、結(jié)構(gòu)重建速率,從而提高屈服應(yīng)力和塑性黏度,另外較低的水灰比、較高的膠砂比可提高屈服應(yīng)力的發(fā)展,對可建造性更為有利。B4組的靜態(tài)屈服應(yīng)力最小,初始值為648.14 Pa,且隨時間發(fā)展較慢,45 min時僅為763.2 Pa,主要原因:①粉煤灰過多,研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰[17]起到“滾珠效應(yīng)”,可提高混凝土的流動性,降低屈服應(yīng)力及延緩屈服應(yīng)力的發(fā)展;②較少的HPMC用量不能起到增稠作用。

不同配合比混凝土動態(tài)屈服應(yīng)力及塑性黏度如圖8所示。B4表現(xiàn)出最低的動態(tài)屈服應(yīng)力,主要因為粉煤灰可提高流動性,且過多外加劑用量導(dǎo)致黏結(jié)性差、建造性差。B2表現(xiàn)出最大的動態(tài)屈服應(yīng)力和塑性黏度,主要原因是硅灰可提高混凝土的屈服應(yīng)力,且膠砂比較大可提高建造性。上述規(guī)律揭示屈服應(yīng)力和塑性黏度呈正相關(guān),當(dāng)屈服應(yīng)力變大時,塑性黏度也會變大。

2.1.3 流變性能與流動性能相關(guān)關(guān)系

測試混凝土的跳桌擴展度與靜態(tài)、動態(tài)屈服應(yīng)力相關(guān)關(guān)系如圖9所示。由圖9易得,隨著跳桌擴展度的增大,靜態(tài)屈服應(yīng)力和動態(tài)屈服應(yīng)力均呈現(xiàn)下降的趨勢,說明跳桌擴展度與靜態(tài)、動態(tài)屈服應(yīng)力成反比關(guān)系。當(dāng)跳桌擴展度為150 mm時,靜態(tài)屈服應(yīng)力、動態(tài)屈服應(yīng)力分別達到3674.15,486.4 Pa。而當(dāng)跳桌擴展度達到200 mm時,靜態(tài)屈服應(yīng)力、動態(tài)屈服應(yīng)力僅分別達到648.14,161.43 Pa。上述規(guī)律進一步表明,在流動性評價的基礎(chǔ)上,將靜態(tài)、動態(tài)屈服應(yīng)力納入評價體系可以提高3DPC性能評價的準(zhǔn)確性。

2.2 打印性能影響分析

2.2.1 跳桌擴展度對打印性的影響

測試混凝土的跳桌擴展度與最大打印層數(shù)關(guān)系如圖10所示。由圖10易得,隨著跳桌擴展度的增大,可打印層數(shù)先增加后減少。當(dāng)跳桌擴展度在200 mm時,打印層數(shù)僅為5層,高含量粉煤灰大幅度提高混凝土流動度,導(dǎo)致可建造性降低。當(dāng)跳桌擴展度在150 mm時,打印層數(shù)為7層,混凝土流動性過差導(dǎo)致可擠出性差。當(dāng)跳桌擴展度為160 mm時,打印層數(shù)可達到26層。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)跳桌擴展度在160～200 mm,打印層數(shù)呈現(xiàn)逐次下降的趨勢,其中跳桌擴展度在160～180 mm時打印性能更優(yōu)。

圖10 跳桌擴展度與打印層數(shù)的關(guān)系

2.2.2 靜態(tài)屈服應(yīng)力對打印性能的影響

混凝土靜態(tài)屈服應(yīng)力大小與實際打印層數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如圖11所示。由圖11易得,混凝土可打印層數(shù)隨靜態(tài)屈服應(yīng)力增加而增加,但增加到一定數(shù)值后出現(xiàn)銳減。B4組的靜態(tài)屈服應(yīng)力最低,打印層數(shù)亦最低,僅為5層。B2組的靜態(tài)屈服應(yīng)力達到最高,而打印層數(shù)僅為7層。主要原因是過高靜態(tài)屈服應(yīng)力使混凝土難以擠出,從而導(dǎo)致建造性差,出現(xiàn)局部斷裂。另外,B3,B1,B5,B6組的打印層數(shù)分別達到26,25,20,17層,對應(yīng)的靜態(tài)屈服應(yīng)力分別為2413.0,2248.2,2079.8,1445.5 Pa。此規(guī)律證明當(dāng)靜態(tài)屈服應(yīng)力達到(2300±200) Pa時,3DPC具有較好的打印性能,并且在可連續(xù)擠出的前提下,打印層數(shù)越高打印性能越好。

2.2.3 動態(tài)屈服應(yīng)力對打印性能的影響

混凝土動態(tài)屈服應(yīng)力大小與實際打印層數(shù)的關(guān)系如圖12所示。由圖12易得,打印層數(shù)隨動態(tài)屈服應(yīng)力增長而增加,增加到一定數(shù)值后出現(xiàn)銳減。B4組的動態(tài)屈服應(yīng)力最低,打印層數(shù)亦最低,僅為5層。而B2組的動態(tài)屈服應(yīng)力達到最高,而打印層數(shù)僅為7層。主要原因是動態(tài)屈服應(yīng)力過高對混凝土可擠出性有較大影響。試驗結(jié)果表明:當(dāng)動態(tài)屈服應(yīng)力達到341.2 Pa時,打印層數(shù)最高可達26層。當(dāng)動態(tài)屈服應(yīng)力分別為307.1,275.3 Pa時,打印層數(shù)分別可達20,17層。這同時證明當(dāng)動態(tài)屈服應(yīng)力在(310±30) Pa時,3DPC具有較好的打印效果。

綜上所述,流動性能從宏觀表現(xiàn)評價混凝土3D打印性能,流變參數(shù)從內(nèi)在機理層面描述混凝土的3D打印性能。這兩者中前者測試簡單,后者學(xué)術(shù)機理明確,利用流動性能、流變性能及打印性能的相關(guān)關(guān)系為指導(dǎo)后續(xù)打印性能提供準(zhǔn)確評價。

3 結(jié)論

本文研究了低水泥用量混凝土的流動性能、流變性能變化規(guī)律,并對其打印性能進行評價,主要結(jié)論如下:

1) 依據(jù)本研究的實際打印效果分析,在可連續(xù)擠出的前提下,打印層數(shù)越高打印性能越好。對于B3組(水泥50%+粉煤灰15%+礦粉30%+硅灰5%),膠砂比為1∶1時,打印層數(shù)最高可達26層,說明所設(shè)計低水泥用量膠凝材料滿足3D打印要求。

2) 跳桌擴展度在160～180 mm,靜態(tài)屈服應(yīng)力在(2300±200) Pa,動態(tài)屈服應(yīng)力在(310±30) Pa時,3D打印混凝土具有較優(yōu)的打印性能。

3) 研究發(fā)現(xiàn)流動性能與流變性能具有較好的關(guān)聯(lián)性,可綜合運用兩者進行3D打印混凝土性能評價。