3D打印對(duì)裝配式混凝土路面板可循環(huán)性的影響研究

張守祺，昂 源，李 苗，辛鵬浩，杜仕朝，路振寶

(1.中路高科交通檢測(cè)檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司，交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，北京 100088； 2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；3.中交路橋建設(shè)有限公司，北京 101107)

0 引 言

走資源節(jié)約型發(fā)展道路已成為基礎(chǔ)設(shè)施可持續(xù)發(fā)展的必然，這就需要持續(xù)提高綠色施工水平[1]。綠色施工[2]是指在建筑的全壽命周期內(nèi)，最大限度節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境和減少污染，提供健康、適用和高效的使用空間，與自然和諧共生的過程。美國等西方發(fā)達(dá)國家提出了以“LEED評(píng)價(jià)體系”[3]等為代表的綠色施工評(píng)價(jià)體系，以規(guī)范施工行為。相比西方發(fā)達(dá)國家，國內(nèi)關(guān)于綠色施工研究起步較晚，建筑施工長期存在“高能耗、高污染和高排放”等問題[4]。2014年，住建部參照國外標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合國情，頒布施行《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50378—2014)，其中“施工管理”對(duì)“降塵”“廢棄物減量化”提出明確要求。

可循環(huán)裝配式路面應(yīng)用于施工臨時(shí)道路，既可降低揚(yáng)塵污染,減少車輪污跡和節(jié)能減排，亦可資源循環(huán)利用,減少固廢排放，符合綠色施工的核心思想[5]。目前，可循環(huán)裝配式路面有鋼板路面和預(yù)制混凝土路面兩種，但均存在諸多問題。可循環(huán)裝配式鋼板路面的主要問題如下：(1)鋼板表面摩擦系數(shù)低，車輛易滑移造成事故；(2)鋼材易銹蝕；(3)鋼板路面成本高，工程應(yīng)用性價(jià)比低[6]。裝配式混凝土路面存在的主要問題如下：(1)采用常規(guī)混凝土材料，路面板自重大，拆裝再利用困難,再利用經(jīng)濟(jì)性差；(2)采用模板澆筑成型的常規(guī)預(yù)制工藝，異形板制造成本高,再利用率低，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性差。

路面材料抗彎拉強(qiáng)度是決定路面板厚度的主要因素。普通混凝土的抗彎拉強(qiáng)度較低，需要較大厚度方可滿足施工車輛荷載要求。在此情況下，若采用大尺寸路面板，則需要大噸位運(yùn)輸、吊裝車輛。同時(shí)，吊運(yùn)中板底彎拉應(yīng)力大，易出現(xiàn)裂縫。若小尺寸路面板，將增加路面接縫數(shù)量，增加拼裝量,降低施工效率，并易產(chǎn)生接縫損壞、錯(cuò)臺(tái)等病害。RPC是在20 世紀(jì)90 年代由法國研究者開發(fā)的一種新型超高性能水泥基復(fù)合材料[7]。相比常規(guī)混凝土，RPC具備更優(yōu)異的力學(xué)性能[8]，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)200～800 MPa，抗拉強(qiáng)度可達(dá)20～50 MPa。除超高強(qiáng)度之外，RPC還具備高韌性、高耐久性及體積穩(wěn)定等特點(diǎn)[9-10]，具備在同等交通載荷下降低可循環(huán)裝配式路面板厚度以降低自重、便于裝配的潛力。

區(qū)別于傳統(tǒng)的減材制造工藝，輪廓式3D打印技術(shù)通過物理層疊工藝，逐層增加材料，以成型三維實(shí)體，稱為增材制造(Additive Manufacturing，AM)[11]。將3D打印技術(shù)應(yīng)用到基礎(chǔ)設(shè)施建造領(lǐng)域，具備以下優(yōu)勢(shì)[12-13]：數(shù)字建造-產(chǎn)業(yè)升級(jí),降維建造-化繁為簡(jiǎn),降序建造-工藝簡(jiǎn)化,快速建造-提高效率,增材制造-減少浪費(fèi),精密建造-提高質(zhì)量,減員建造-減少事故,綠色建造-降低污染。

為實(shí)現(xiàn)臨時(shí)裝配式混凝土路面板的可循環(huán)利用，以減少交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中固體廢棄物排放，本文將RPC與3D打印成型相結(jié)合，探索可循環(huán)臨時(shí)裝配式混凝土路面板適宜材料與工藝。開展鋼纖維摻量、打印填充方式對(duì)試件力學(xué)性能的影響規(guī)律研究，并利用有限元模擬，分析其對(duì)臨時(shí)裝配式混凝土路面板可循環(huán)性的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)用水泥為P·I型基準(zhǔn)水泥，其礦物組成、化學(xué)組成及物理性能分別見表1～表3；石英砂為20～70目石英砂；減水劑為聚羧酸系高性能減水劑；鋼纖維采用鍍銅光面平直鋼纖維，長度為10 mm。

表1 基準(zhǔn)水泥熟料礦物組成Table 1 Mineral composition of cement /%

表2 基準(zhǔn)水泥化學(xué)組成Table 2 Chemical composition of cement /wt%

表3 基準(zhǔn)水泥物理性能Table 3 Physical performance of cement

試驗(yàn)用RPC配合比如表4所示。

表4 RPC配合比Table 4 Mix ratio of RPC

試驗(yàn)考察了不同鋼纖維摻量(0%、1%、2%、3%)和填充方式(平行、交錯(cuò))對(duì)3D打印RPC材料力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)分組及調(diào)節(jié)因素見表5。

表5 3D打印試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 5 Experiments design of 3D printing

1.2 成型、養(yǎng)護(hù)及試件制備方法

圖1 3D打印機(jī)及打印過程Fig.1 Diagram of 3D printer and print process

3D打印RPC材料攪拌時(shí)首先預(yù)混2 min，加水后攪拌6 min出機(jī)，加入3D打印機(jī)(自主開發(fā)，見圖1)，通過預(yù)設(shè)的模型開展打印。打印試塊尺寸為700 mm×540 mm×180 mm，打印完成后在溫度為20 ℃，濕度為80%環(huán)境下覆蓋保鮮膜養(yǎng)護(hù)1 d，然后移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至第6 d進(jìn)行切割(見圖2)，至標(biāo)準(zhǔn)尺寸后轉(zhuǎn)移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，齡期28 d時(shí)進(jìn)行測(cè)試。試塊澆筑成型后在溫度為20 ℃，濕度為80%環(huán)境下養(yǎng)護(hù)1 d，然后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d時(shí)，測(cè)試力學(xué)性能。

1.3 試驗(yàn)方法

抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度試件制備時(shí)，首先打印大型試塊(尺寸為700 mm×540 mm×180 mm)，后切割至標(biāo)準(zhǔn)尺寸，經(jīng)養(yǎng)護(hù)至一定齡期后進(jìn)行測(cè)試。

(1)抗壓強(qiáng)度采用150 mm×150 mm×150 mm立方體標(biāo)準(zhǔn)試件，測(cè)試依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)，測(cè)試齡期為28 d。

(2)抗彎拉強(qiáng)度采用150 mm×150 mm×550 mm棱柱體標(biāo)準(zhǔn)試件，測(cè)試依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30—2005)，測(cè)試齡期為28 d。

2 結(jié)果與討論

2.1 填充方式對(duì)試件力學(xué)性能的影響

3D打印過程中，打印噴頭會(huì)按照預(yù)定路徑填充結(jié)構(gòu)，因此不同填充方式會(huì)影響3D打印制品性能，典型的兩種填充模式為交錯(cuò)填充和平行填充。

由于路面荷載主要來自Z方向，而抗壓強(qiáng)度測(cè)試試件為立方體，因此不存在因切割導(dǎo)致的取向問題。而抗彎拉強(qiáng)度測(cè)試用試件為棱柱體，不同填充模式下，切割方向的變化會(huì)產(chǎn)生影響：交錯(cuò)填充模式下，X和Y方向受力情況一致，如圖2所示；而平行填充時(shí)，當(dāng)沿X方向和Y方向切割試件時(shí)，鋼纖維分布及荷載傳遞路徑上的界面情況均不一樣，試件力學(xué)性能(抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度)將存在差異，見圖3。

圖2 交錯(cuò)填充模式下切割方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of cutting mode in crisscross filling pattern

圖3 平行填充模式下切割方式示意圖Fig.3 Schematic diagram of cutting mode in parallel filling pattern

當(dāng)鋼纖維摻量為2%時(shí)，填充方式對(duì)試件力學(xué)性能的影響如圖4所示。

圖4 填充方式對(duì)3D打印RPC試件力學(xué)性能的影響Fig.4 Influence of filling pattern on the mechanical properties of 3D printing RPC specimen

圖5 3D打印RPC試件X-Z剖面圖Fig.5 X-Z cross section of 3D printing RPC specimen

從圖4(a)可知，交錯(cuò)填充模式下，Z方向抗壓強(qiáng)度高于X/Y方向，為X/Y方向抗壓強(qiáng)度的123.08%，這與3D打印建造方式難以形成Z方向鋼纖維有關(guān)，打印噴頭的攪拌、擠出作用及拖拽式堆疊方式促使大部分鋼纖維取向與打印方向一致，因而鋼纖維主要分布在X-Y平面，如圖5所示，試件X-Z剖面中白色反光點(diǎn)均為切斷的鋼纖維，虛線框中鋼纖維分布密集，為層狀堆疊的RPC材料，當(dāng)荷載施加于X/Y方向時(shí)，Z方向上起到增強(qiáng)作用的鋼纖維較少，所以抗壓強(qiáng)度較低。

在平行填充模式下，X方向抗壓強(qiáng)度略高于Z方向，Y方向最低，與文獻(xiàn)[14]規(guī)律一致。

交錯(cuò)填充模式Y(jié)、Z方向抗壓強(qiáng)度高于平行填充模式，分別為平行填充模式的122.49%和125.17%，X方向略低于平行模式，為平行模式的94.95%。

由圖4(b)可知，平行填充模式下，沿X方向切割時(shí)，試件抗彎拉強(qiáng)度顯著高于沿Y方向，為Y方向的135.64%。這是由于鋼纖維被打印機(jī)沿著打印方向(X方向)排布，當(dāng)沿X方向切割后測(cè)試抗彎拉強(qiáng)度時(shí)，荷載傳遞方向上無垂直界面且與大部分鋼纖維方向平行，大量鋼纖維提高了此方向上的強(qiáng)度[15]，而沿Y方向切割后試件進(jìn)行抗彎拉測(cè)試時(shí)，荷載傳遞方向上存在大量垂直界面，因而X方向抗彎拉強(qiáng)度顯著高于Y方向。

在交錯(cuò)填充模式下，鋼纖維被排布于X和Y二個(gè)方向上，分布均勻。此模式下，沿X或Y方向切割后，抗彎拉測(cè)試時(shí)，起到增強(qiáng)作用的鋼纖維數(shù)量少于平行填充模式下X方向且荷載傳遞方向上存在一部分垂直界，因此抗彎拉強(qiáng)度低于平行填充模式下X方向。同時(shí)，相對(duì)于平行模式下Y方向，試件中荷載傳遞方向上的垂直界更少且存在更多起到增強(qiáng)作用的鋼纖維，因而交錯(cuò)填充模式下試件抗彎拉強(qiáng)度介于平行填充模式下X、Y方向之間。

綜上所述，交錯(cuò)填充模式下試件力學(xué)性能相對(duì)全面，更適合作為裝配式混凝土路面板的打印工藝。

2.2 鋼纖維摻量對(duì)試件力學(xué)性能的影響

交錯(cuò)填充模式下，鋼纖維摻量對(duì)試件力學(xué)性能的影響如圖6所示。

圖6 鋼纖維摻量對(duì)3D打印RPC試件力學(xué)性能的影響Fig.6 Influence of steel fiber content on the mechanical properties of 3D printing RPC specimen

由圖6(a)可以看出，隨著鋼纖維的摻量從0%增加到2%，試件Z方向抗壓強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)鋼纖維摻量增加到3%時(shí)，抗壓強(qiáng)度略有下降，相較于2%摻量抗壓強(qiáng)度降低0.49 MPa。與傳統(tǒng)澆筑成型RPC呈現(xiàn)的規(guī)律不一致，這可能由于鋼纖維的加入增加了材料團(tuán)聚的傾向，當(dāng)鋼纖維摻量增加到一定程度后，3D打印過程中，RPC表面不再平整，出現(xiàn)缺陷，增加了試件整體缺陷數(shù)量，降低了抗壓強(qiáng)度。在X/Y方向，隨著鋼纖維摻量的增加，呈現(xiàn)與Z方向同樣的規(guī)律。

當(dāng)纖維摻量相同時(shí)，X/Y方向抗壓強(qiáng)度均低于Z方向，分別降低4.70%、11.76%、18.75%和21.71%。當(dāng)施加荷載方向?yàn)閆方向時(shí)，由于交錯(cuò)填充，Z方向受壓，在X/Y方向均存在著混凝土和鋼纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)；而X/Y方向受壓時(shí)，由于3D打印時(shí)鋼纖維的取向性，導(dǎo)致在Z方向上層與層之間很少有穿越兩層的Z向鋼纖維存在，受壓時(shí)Z方向上鋼纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用較小，強(qiáng)度較低。

從圖6(b)中可以看出，與傳統(tǒng)澆筑RPC規(guī)律一致[16]，鋼纖維的加入顯著提高了試件抗彎拉強(qiáng)度，且隨著鋼纖維摻量的提高，抗彎拉強(qiáng)度逐漸增加。當(dāng)鋼纖維摻量為2%時(shí)，抗彎拉強(qiáng)度為10.53 MPa，顯著高于普通混凝土抗彎拉強(qiáng)度值。

3 有限元分析

3.1 有限元模型

本文基于Midas FEA，建立施工便道混凝土路面板及其下基層的三維實(shí)體有限元模型，對(duì)路面板在荷載作用下板件應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬分析，考察3D打印試件與C40混凝土制備的可循環(huán)施工便道路面板的應(yīng)用性能。

根據(jù)施工便道寬度和施工車輛車輪間距，單塊路面板平面尺寸統(tǒng)一采用目前較為常見的1.5 m×1.0 m；路面板根據(jù)材料的不同，分為C40混凝土路面板和3D打印RPC路面板，其參數(shù)見表6。模型中基層和壓實(shí)土基可作為彈性材料，其尺寸、力學(xué)參數(shù)如表7所示。

表6 3D打印RPC路面板計(jì)算參數(shù)Table 6 Calculation parameters of 3D printing RPC pavement slab

表7 道路基層參數(shù)Table 7 Parameters of road base

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，施工車輛最大軸載200 kN(單軸重20 t)，車輪荷載簡(jiǎn)化為D=30 cm當(dāng)量圓形均布荷載，荷載當(dāng)量圓與接縫相切，最大接觸壓力P=1.4 MPa。路面板橫向接縫和縱向接縫的存在，破壞了路面結(jié)構(gòu)的整體性。當(dāng)車輪荷載作用在長邊接縫邊緣位置時(shí)，路面板結(jié)構(gòu)和其下基層會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，該處路面板最易發(fā)生破壞。因此，將路面板長邊接縫邊緣位置，作為臨界荷位進(jìn)行加載分析。

項(xiàng)目所處位置自然區(qū)劃Ⅱ區(qū)，最大溫度梯度標(biāo)準(zhǔn)值T=88 ℃/m。根據(jù)《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D40—2011)和材料力學(xué)特性，經(jīng)計(jì)算，作為對(duì)比的C40水泥混凝土路面板板厚取為24 cm；3D打印RPC路面板取10 cm，同時(shí)為增加富余系數(shù)，另外，取14 cm和18 cm厚3D打印RPC路面板，進(jìn)行力學(xué)分析和對(duì)比，確定最優(yōu)厚度。路面結(jié)構(gòu)有限元模型如圖7所示。路面板長邊接縫邊緣應(yīng)力如圖8所示。

圖7 路面結(jié)構(gòu)有限元模型圖Fig.7 Finite element model of pavement structure

圖8 路面板長邊接縫邊緣應(yīng)力Fig.8 Edge stress of long side joint of pavement slab

3.2 路面板類型對(duì)板底應(yīng)力的影響

在施工車輛作用下，不同類型路面板對(duì)板底應(yīng)力的影響見圖9。

圖9 不同類型路面板應(yīng)力剖分圖(單位：MPa)Fig.9 Stress profile of different types of pavement slabs (unit: MPa)

由圖9路面板應(yīng)力剖分圖可知，等效車輪荷載作用在長邊接縫邊緣位置時(shí)，接縫處板底彎拉應(yīng)力最大，且呈現(xiàn)板底彎拉應(yīng)力隨板厚的增加而逐漸減小的趨勢(shì)。24 cm厚C40混凝土路面板底彎拉應(yīng)力最大值為4.17 MPa，小于普通混凝土彎拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值5.0 MPa；10 cm、14 cm和18 cm厚3D打印RPC路面板底彎拉應(yīng)力最大值分別為9.12 MPa、7.90 MPa和7.14 MPa，均小于RPC彎拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值10.53 MPa，滿足規(guī)范要求。

3.3 可循環(huán)性評(píng)價(jià)

由有限元分析可知，可循環(huán)施工便道混凝土路面板底存在較大的彎拉應(yīng)力，但小于路面板混凝土的靜力抗彎拉強(qiáng)度。然而，結(jié)構(gòu)材料在重復(fù)荷載的作用下，可能會(huì)發(fā)生低于靜載強(qiáng)度的疲勞破壞。因此，重復(fù)荷載下的疲勞壽命是評(píng)價(jià)施工便道混凝土路面板可循環(huán)性能的重要參數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)[17]和文獻(xiàn)[18]，C40混凝土和RPC疲勞方程分別為lgS=0.036 9-0.032 4lgN和S=0.996 2-0.046 8lgN。對(duì)C40混凝土和不同厚度3D打印RPC構(gòu)件的疲勞壽命N進(jìn)行預(yù)測(cè)，計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 不同路面板疲勞壽命Table 8 Fatigue life of different pavement slabs

在此基礎(chǔ)上，不同類型路面板綜合對(duì)比見表9。

表9 不同路面板綜合對(duì)比Table 9 Comprehensive comparison of different pavement slabs

由表8和表9可知，與C40混凝土路面板相比，14 cm和18 cm厚的3D打印RPC路面板具有更高的彎拉強(qiáng)度和顯著更高的疲勞壽命次數(shù)，疲勞壽命系數(shù)分別為41.69倍和1 445.49倍，表明14 cm和18 cm厚的3D打印RPC路面板將具有更高的周轉(zhuǎn)次數(shù)。同時(shí)，14 cm和18 cm厚的3D打印RPC路面板質(zhì)量更輕，分別比24 cm厚C40混凝土路面板減重42%和24%，對(duì)吊裝、運(yùn)輸?shù)仍O(shè)備要求相應(yīng)降低；厚度更小，占地面積小，提高了周轉(zhuǎn)效率。此外，3D打印RPC材料具有高耐久性的特點(diǎn)，因而，3D打印RPC制備可循環(huán)施工便道混凝土路面板可以將二者優(yōu)勢(shì)融合，將對(duì)綠色施工及基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)技術(shù)升級(jí)大有裨益。

4 結(jié) 論

(1)交錯(cuò)填充模式下，Y、Z方向抗壓強(qiáng)度高于平行填充模式，X方向略低于平行模式，抗彎拉強(qiáng)度介于平行填充模式下X方向和Y方向之間。交錯(cuò)填充模式下試件力學(xué)性能相對(duì)全面，更適合作為裝配式混凝土路面板的打印工藝。

(2)隨著鋼纖維摻量增加，試件抗彎拉強(qiáng)度逐漸增大；試件三個(gè)方向抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增加后降低的規(guī)律，Z方向抗壓強(qiáng)度均高于X/Y方向，且X/Y方向和Z方向抗壓強(qiáng)度差異隨鋼纖維摻量增加逐漸擴(kuò)大。

(3)有限元計(jì)算及S-N曲線分析表明，與傳統(tǒng)24 cm厚C40混凝土路面板相比，14 cm和18 cm厚3D打印RPC路面板具有更高的疲勞壽命，分別達(dá)41.69倍和1 445.49倍。同時(shí)，自重更輕，分別減小路面板自重達(dá)42%和24%，降低吊裝、運(yùn)輸設(shè)備要求，提高周轉(zhuǎn)效率。