樁基工程3D打印混凝土材料工程性質研究

田秀豐

摘要： 3D打印技術有著普通施工技術不可比擬的優勢，使其得到了迅速發展。從80年代的初步了解，到90年代的熟知，3D打印技術經歷了從天馬行空到掀起研究熱潮的歷程，目前已被廣泛應用于建筑領域、生物醫學、藝術設計、工業生產等多個領域。本文通過開展樁基工程3D打印混凝土材料工程性質試驗研究，并且通過一系列的室內試驗，制備出一種適用于樁基工程3D打印的新型混凝土材料。

關鍵詞： 樁基礎；3D打印；混凝土；外加劑

1 樁基工程3D打印原理

3D打印技術又稱為增材制造技術，是快速成型技術中的一種，是通過程序控制一層一層打印堆積形成的三維結構，也即遵循加法原則。從原理上來分，一般分為兩類：一類是選擇性沉積打印，打印機噴頭擠出膠凝性或粉末性材料，再按設計軌跡逐層疊加起來（圖3）；另一類是選擇性黏合打印，通過黏合劑將材料黏成三維實體結構。采用這種打印機理與建筑所用材料性質是分不開的，并且此類技術工藝采用全自動、現場制造，更加快速、高效，所耗費的成本低，經過精確計算所需用的數量，可以避免材料浪費，貫徹落實十三五規劃綠色發展理念，改善生態環境質量，實現建筑行業的可持續發展。

2 試驗材料

2.1 水泥

本試驗選用42.5R快硬硫鋁酸鹽水泥（和其它品種水泥相比較，具有明顯的快硬、早強的特性，又有堿度低、膨脹率小，穩定快，干縮不變形的優點）。

2.2 骨料

細骨料選用粒徑小于0.5mm的建筑干砂，粗骨料采用粒徑2～3mm的石子。1.3外加劑減水劑和緩凝劑選用葡萄糖酸鈉緩凝劑和聚羧酸減水劑。

3 試驗內容

3.1 樁基3D打印混凝土的流動性控制和配比選擇

本文研究目的是研發出適用于3D打印的混凝土建筑材料，因此材料本身的流動性必須能滿足打印要求，否則會導致噴口處材料的凝結堵塞從而影響打印進程。基于這個要求，通過坍落度試驗，對比各個不同配比下混凝土的流動性，并且通過由針孔和針筒組成的噴頭來進行模擬擠出過程，從而選擇出最優配比的混凝土材料。由于坍落度試驗結果的離散性較大，所以該試驗總共重復3次，取平均值作為試驗結果。首先通過控制變量法保證砂率不變，改變水灰比，得到水灰比對流動性的影響。隨后選擇固定水灰比為0.39，改變砂率，得到砂率對流動性的影響。分析以上兩表可知，水灰比和砂率對坍落度有較大的影響，對凝結時間影響甚微。其它因素保持不變，水灰比越大，坍落度越大；水灰比保持不變，砂率越大，坍落度先降低后增大。因此，在綜合考慮了水灰比和砂率的影響之后，選定了以水灰比為0.39，砂率為0.536的混凝土配比，進行下一步材料強度測試試驗。

3.2 樁基3D打印混凝土的力學強度試驗

本試驗主要考慮到樁基3D打印后樁身強度特性，由于研究的3D打印材料是以硅酸鹽水泥和砂石組成的混凝土材料為主，此種混凝土材料在組成和配比上進行改進，旨在提高3D打印混凝土材料的抗壓強度，使抗壓強度指標達到預計的要求。本文開展了3D打印混凝土材料混凝土的抗壓強度測定試驗，通過壓力試驗機，測定了三組同樣配比和材料組成的齡期為28d的標準混凝土試塊的抗壓強度。

4 結果與分析

4.1 樁基3D打印混凝土流動性與水灰比及砂率的關系特征

對坍落度數據進行分析，取平均值，得到相應的水灰比與流動性的關系，以及砂率與流動性的關系曲線。分析以上兩圖可知，水灰比和砂率對坍落度有很大的影響；其它因素保持不變，水灰比越大，坍落度越大，因為水過多導致整體不密實，強度降低；其它因素保持不變，砂率越大，坍落度先降低后增大，因為砂子與水泥漿組成的砂漿在粗骨料間起到潤滑和輥珠作用，可以減小粗骨料間的摩擦力，所以在一定范圍內，隨砂率增大，混凝土流動性增大。另一方面，由于砂子的比表面積比粗骨料大，隨著砂率增加，粗細骨料的總表積增大，在水泥漿用量一定的條件下，骨料表面包裹的漿量減小，潤滑作用下降，使混凝土流動性降低，所以砂率超過一定范圍，流動性隨砂率增加而下降。

4.2 水灰比和砂率對樁基3D打印混凝土的影響

混凝土強度主要取決于水泥水化后漿體硬化的強度以及骨料與水泥漿體間黏結的黏結強度，但在拌制混凝土時，在為了獲得一定的流動性條件下，一般會添加較多的水量，這就導致在混凝土拌合后，一些未參加水化反應的水分會殘留在拌和物中，使得混凝土容易產生一些孔隙和細微裂縫，對其強度產生影響[1]。當水灰比越大時，殘留的水量就越多，使得混凝土中孔隙和裂縫增多，導致混凝土體積增大，密度減小，強度也隨之降低。然而，當水灰比過小，水量不足，混凝土拌和后流動性不足，使得拌和物過于干硬，混凝土難以振搗密實，其強度反而下降。因此，在正常水灰比范圍內，選用較小的水灰比有利于提高混凝土強度，同時也不降低其流動性。混凝土砂率的選擇也同樣要適宜[2]。砂率過小，會導致混凝土里砂石量不足，不能保證水泥與砂石間的黏結潤滑要求，降低拌和物流動性，致使混凝土出現離析和流漿現象，密實度下降，強度降低；砂率過大，砂量過多，石子量不足，會導致拌和物中水泥與石粒的機械咬合作用下降，層間剪切力下降，使得混凝土的強度下降。因此，砂率盡量選用靠近合理砂率的比例，有利于增大混凝土密實性，提高其強度。

4.3 外加劑對樁基3D打印混凝土的影響

葡萄糖酸鈉緩凝劑的影響機理主要表現在以下三個方面：（1）由于其作為表面活性劑，吸附在未水化的水泥顆粒上，能夠顯著降低水的表面能，從而抑制水化作用，產生緩凝作用；（2）緩凝劑分子與水泥中Ca2+離子發生絡合反應，生成附著在水泥顆粒表面的絡合物層，產生緩凝作用；（3）緩凝劑附著在Ca（OH）2上，抑制其繼續生長，產生緩凝作用。聚羧酸鹽高性能減水劑的影響機理主要表現在以下兩個方面：（1）水泥與水攪拌，發生水化反應，出現的絮凝狀結構包裹較多拌和水，加入減水劑可以將這些水釋放出來，減少用水量；（2）羧酸類分子附著在水泥顆粒表面上，產生相同符號的電荷，使得水泥分子相互排斥，最終水泥與水易于結合[3]。

5 結論：

5.1 選用42.5R快硬硫鋁酸鹽水泥，占比15.89%，在與其它材料進行拌和后，有利于樁基3D打印混凝土快速凝結，以便于3D打印時能快速形成所制的樁基礎；樁基3D打印混凝土的強度測試結果表明，其具有較高的強度。

5.2 當材料配比中水占比6.2%，水灰比為0.39，砂和石選用粒徑小于0.5mm的建筑干砂和粒徑2～3mm的石子，占比分別為41.14%和35.58%時，能保證材料有較好的強度；試驗選用砂率靠近合理砂率，有利于提高混凝土密實性，提高其強度；同時小粒徑砂石的選擇避免了打印過程中發生噴口堵塞，便于打印過程的進行。

5.3 采用葡萄糖酸鈉緩凝劑，占比0.71%，有利于較好地控制拌和后的混凝土的凝結時間，避免凝結時間的不合適導致打印過程的中斷產生不良的影響；采用聚羧酸減水劑，占比0.48%，能夠增強材料的塑形，有利于較好地控制混凝土的流動性，能夠在混凝土配比較低的情況下提供較好的流動性，從而獲得較高的抗壓強度，以達到所需的強度要求。

參考文獻

[1]藺喜強，張濤，霍亮，張楠，李國友，戢文占，王寶華.快硬早強混凝土3D打印施工方法及應用[J].混凝土，2018（07）：141-144+152.

[2]雷斌，馬勇，熊悅辰，胡小榮.3D打印混凝土材料制備方法研究[J].混凝土，2018（02）：145-149+153.

[3]丁烈云，徐捷，覃亞偉.建筑3D打印數字建造技術研究應用綜述[J].土木工程與管理學報，2015，32（03）：1-10.