擠出形狀/尺寸對(duì)3D打印混凝土力學(xué)性能的影響

孫曉燕, 樂(lè)凱笛, 王海龍, 張治成, 陳 龍

(1.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 浙江 杭州 310058；2.中駿集團(tuán)東南區(qū)域公司， 上海 201805)

3D打印作為一種依托三維數(shù)據(jù)信息，直接生成結(jié)構(gòu)模型的方法，被成功應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域[1-3].其具有智能、無(wú)模、快速和精細(xì)化成型等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用于建筑工程建設(shè).3D打印混凝土深受打印形狀、尺寸、路徑等參數(shù)影響，呈現(xiàn)空間各向異性，其力學(xué)性能演變規(guī)律異于普通混凝土.現(xiàn)階段，打印參數(shù)對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響成為研究熱點(diǎn)[4-6].Paul等[7]研究表明：基體材料在打印過(guò)程中擠壓成型，可減少孔隙，有望實(shí)現(xiàn)更高的強(qiáng)度；圓形打印噴嘴可在不同旋轉(zhuǎn)角度下適應(yīng)打印工序，但成型材料間隙顯著增大；矩形噴嘴對(duì)打印工序的空間轉(zhuǎn)動(dòng)適應(yīng)不良，但成型材料間隙很少，結(jié)構(gòu)比較致密.Revelo等[8]針對(duì)3D打印陶瓷黏土在圓柱形打印噴嘴的擠出流變學(xué)和顆粒分布效應(yīng)開展了研究，認(rèn)為擠出流量與噴嘴直徑呈反比.Perrot等[9]研究證實(shí)了打印擠出形狀對(duì)成型材料力學(xué)強(qiáng)度有所影響.Geert等[10]提出打印時(shí)間間隔和界面影響因素，認(rèn)為3D打印的層/條界面質(zhì)量取決于擠出形狀和泵出速度.現(xiàn)階段常用的混凝土打印噴頭尺寸形狀多變，從7.0mm×15.0mm的矩形、直徑為30.0mm的圓形到38.1mm×25.4mm的矩形不一而足[11-13]，但鮮有針對(duì)尺寸形狀進(jìn)行系統(tǒng)研究的報(bào)道.Wolfs等[14]曾針對(duì)小口徑方噴嘴，對(duì)比研究了擠出尺寸對(duì)打印結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，但由于試驗(yàn)趨勢(shì)不穩(wěn)定，并未得到兩者間的關(guān)系.Feng等[15]和Ma等[16]對(duì)圓口徑打印混凝土進(jìn)行了28d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測(cè)試，但并未對(duì)不同出料形狀和尺寸予以對(duì)比.目前，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范將混凝土視為均質(zhì)材料，而3D打印混凝土由于打印工藝導(dǎo)致混凝土孔隙、界面分布均呈現(xiàn)空間各向異性，因此原有力學(xué)分析方法不再適用，3D打印混凝土的空間力學(xué)性能評(píng)估和設(shè)計(jì)計(jì)算面臨新的挑戰(zhàn)[17-18].但也提供了一個(gè)新的研究思路，即通過(guò)控制擠出形狀和尺寸來(lái)探究3D打印混凝土的孔隙空間分布規(guī)律，以探尋其宏觀力學(xué)性能與微細(xì)觀孔隙分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系[18-20]，從而研究擠出形狀和尺寸等參數(shù)對(duì)3D打印結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響機(jī)制.

鑒于此，本文開展了同擠出流量下不同擠出形狀成型、同擠出形狀下不同擠出尺寸成型、同擠出形狀和同尺寸下不同打印條排列成型混凝土斷面形態(tài)、力學(xué)性能和孔隙空間分布的研究，探討擠出形狀/尺寸對(duì)3D打印成型混凝土性能的影響規(guī)律.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

3D打印混凝土由水泥(42.5快硬早強(qiáng)型硫鋁酸鹽水泥)、礦粉(S95級(jí))、硅灰、石英砂、聚乙烯醇(PVA)纖維、減水劑和緩凝劑組成.3D打印混凝土中m(水泥)∶m(礦粉)∶m(硅灰)=5∶4∶1，石英砂中m(中粗砂)∶m(細(xì)砂)=5∶1，砂膠比1)0.3，水膠比0.16，PVA纖維摻量(體積分?jǐn)?shù))0.9%.

1.2 試件制作

利用LCT-19桌面砂漿打印機(jī)，先一次性打印出尺寸為400.0mm×400.0mm×200.0mm的大試塊，然后切割為70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方體試件和40.0mm×40.0mm×160.0mm的棱柱體試件.打印試件切割示意圖如圖1所示.將上述2種試件在(20±2)℃和相對(duì)濕度≥95%的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期(1、3、7、14、28d)，分別進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn).

圖1 打印試件切割示意圖Fig.1 Printing specimen cutting sketch(size:mm)

1)文中涉及的砂膠比、水膠比等除特別注明外均為質(zhì)量比.

本文考慮同擠出流量條件下3種擠出形狀(等邊三角形(邊長(zhǎng)30.0mm、面積389.7mm2)、正方形(邊長(zhǎng)19.6mm、面積384.2mm2)、圓形(直徑(d)22.2mm、面積387.1mm2))，同擠出形狀(圓形)條件下3種擠出尺寸(直徑分別為15、20、25mm)和同擠出形狀、同尺寸條件下打印條排列方式(對(duì)齊、錯(cuò)列)的影響，制作120個(gè)試件開展力學(xué)性能試驗(yàn)研究.打印口形狀/尺寸及打印條排列方式如圖2所示.

圖2 打印口形狀/尺寸及打印條排列方式Fig.2 Extrusion shapes, dimensions and printing array method

圖3給出了不同打印條件下試件的斷面形態(tài).由圖3可見(jiàn)，打印口形狀/尺寸及打印條排列方式對(duì)試件層/條間缺陷分布有較為明顯的影響.

圖3 斷面形態(tài)隨擠出形狀/尺寸及打印條排列方式的變化Fig.3 Specimen sections of different extrusion shapes dimension and array of printing strip

2 力學(xué)性能變化規(guī)律

3D打印混凝土的力學(xué)性能與打印方向、加載方向息息相關(guān)[21].本文試驗(yàn)加載方向如圖4所示.在加載過(guò)程中，觀察裂縫開展和分布情況，并測(cè)試各齡期打印試件的力學(xué)性能參數(shù)，取3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件的平均值作為代表值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

圖4 力學(xué)試驗(yàn)加載方向示意圖Fig.4 Schematic diagram of loading direction of mechanical test

圖5為不同擠出形狀打印試件各齡期的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度.由圖5可見(jiàn)：打印試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均按三角形、方形和圓形擠出形狀的順序依次降低；在打印試件截面積相同的情況下，采用三角形打印口打印的混凝土試件抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均為最佳.

圖5 不同擠出形狀打印試件各齡期的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度Fig.5 Compressive strength and flexural strength of printing specimens with different extrusion shapes and ages

圖6為相同擠出形狀(圓形)、不同擠出尺寸條件下打印試件各齡期的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度.由圖6可見(jiàn)，擠出尺寸越大，打印試件的力學(xué)性能越高，但均低于模具成型試件.

圖6 相同擠出形狀(圓形)、不同擠出尺寸條件下打印試件各齡期抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度Fig.6 Compressive strength and flexural strength of printing specimens with same extrusion shape(round) and different extrusion diameters and ages

由于采用了擠出打印工藝，層疊壓力作用方向與層間接觸面相垂直，因此條間缺陷的分布會(huì)直接影響打印試件的抗壓承載性能和變形能力.圖7為抗壓試件的破壞模式.由圖7可見(jiàn)：由于添加了PVA纖維，與普通混凝土相比，3D打印混凝土破壞時(shí)并無(wú)明顯的表面裂縫；極限荷載時(shí)的裂縫條數(shù)和寬度按照三角形、方形和圓形的擠出形狀順序呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì).

由于逐條擠出、層疊打印的制作工藝導(dǎo)致打印混凝土材料孔隙分布呈現(xiàn)各向異性，與各向同性的模具制作普通混凝土相比，其宏觀力學(xué)性能會(huì)受層/條形狀和疊制方式影響.圖8為抗折試件的破壞模式.由圖8可見(jiàn)：各試件的裂縫均出現(xiàn)在試件中部，且垂直貫穿于層間和條間缺陷處；圓形擠出形狀相對(duì)于方形和三角形擠出形狀，其層間和條間缺陷更加顯著，導(dǎo)致試件抗折強(qiáng)度顯著下降(見(jiàn)圖5).

層條錯(cuò)位并未改變同擠出形狀下的層條缺陷數(shù)量，但改變了層條缺陷的空間分布.當(dāng)破壞面上的層條缺陷貫通路徑變長(zhǎng)，同條件下達(dá)到破壞的耗能增加，其力學(xué)性能增加.抗折性能的加載方向?qū)訔l錯(cuò)位較為敏感.圖9為層條錯(cuò)位對(duì)打印試件力學(xué)性能的影響.由圖9可見(jiàn)，錯(cuò)位效應(yīng)可有效提升抗折強(qiáng)度，其強(qiáng)度提升率為13%～47%.

圖7 抗壓試件的破壞模式Fig.7 Failure mode of compressive specimens

圖8 抗折試件的破壞模式Fig.8 Failure mode of flexural specimens

圖9 層條錯(cuò)位對(duì)打印試件力學(xué)性能的提升Fig.9 Improvement of dislocation arrangement on mechanical performance of printing specimens

3 微觀形態(tài)分析

取打印切割后的試件進(jìn)行高精度工業(yè)X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描成像(XCT)掃描，根據(jù)圖像像素和試件面積，利用VG(volume graphics)軟件分析得到孔隙尺寸、空間分布和孔隙率(φ)等指標(biāo).對(duì)于不同擠出形狀的打印試件，由于擠出和疊制工藝導(dǎo)致孔隙分布各向異性，因此分析時(shí)除考慮試件的整體孔隙外，還應(yīng)考慮條帶內(nèi)、條間、非條間、層間和非層間5種局部區(qū)域的孔隙，如圖10所示.由于模具成型試件整體較為均勻，因此只分析其整體孔隙率.

圖11顯示了三角形打印試件的掃描、微觀三維結(jié)構(gòu)模型重構(gòu)及統(tǒng)計(jì)分析過(guò)程.其余試件的掃描分析過(guò)程與此相同.各打印試件掃描得到的孔隙率結(jié)果如表1所示.由表1可見(jiàn)，模具成型試件的孔隙率為4.92%，遠(yuǎn)小于打印試件的孔隙率(三角形打印口打印試件為6.78%，方形打印口打印試件為7.42%，圓形打印口打印試件為7.90%).混凝土試件力學(xué)性能通常與其孔隙率及缺陷形態(tài)直接相關(guān).圖12給出了擠出形狀層條的缺陷分布示意.由圖12可見(jiàn)，打印試件具有較大的孔隙率和原始缺陷，其宏觀力學(xué)性能也有顯著降低，且降低率與孔隙率有較明顯的相關(guān)性.盡管由于打印層條缺陷使得打印試件整體孔隙率高于模具成型試件，但是打印條帶內(nèi)的材料孔隙率均低于模具成型20%左右，且孔隙絕對(duì)尺寸更小.這主要是因?yàn)榇蛴∵^(guò)程中的錐形出料口和打印擠壓力對(duì)材料有一定的壓實(shí)作用.因此，3D打印結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)存在于條間和層間的連接處.由于打印過(guò)程中的上層結(jié)構(gòu)對(duì)下層未硬化結(jié)構(gòu)的重力擠壓作用可改善層間缺陷，因此層間孔隙率小于條帶間孔隙率.

圖10 空間孔隙分布分析區(qū)域Fig.10 Analysis region of spatial micro-defects distribution

圖11 三角打印口打印試件掃描分析Fig.11 Scanning analysis of triangle extruded specimen

表1 擠出形狀對(duì)空間孔隙率分布影響

圖12 擠出形狀層條的缺陷示意圖Fig.12 Defect diagram of extrusion shape interface between layers and strips

由表1還可見(jiàn)：圓形擠出形狀由于出料流暢，其條帶內(nèi)孔隙率最低，但因?yàn)闂l帶層間接觸面積小，其條層間的孔隙率最大；三角形和方形擠出條帶的接觸面積較大，且由于三角形擠出條帶將其上覆層的重力分配向條間，使得其條間缺陷最小，而且非條間孔隙率(3.66%)和非層間孔隙率(4.00%)均小于模具組孔隙率(4.92%)，接近條帶內(nèi)的孔隙率；此外，鋸齒狀的層條空間咬合增加了連接強(qiáng)度，導(dǎo)致同體積的三角形打印體宏觀力學(xué)性能高于圓形和方形；正方形基礎(chǔ)形狀可以更好地傳遞上層結(jié)構(gòu)的重力擠壓作用，因此具有最好的層間密實(shí)度.

由于當(dāng)下打印設(shè)備的擠出形狀多為圓形，因此本文研究了圓形出料口直徑對(duì)打印試件性能的影響，兩者間的關(guān)系曲線見(jiàn)圖13.由圖13可見(jiàn)，大直徑出料口意味著相同體積的打印試件具有較少的層間和條間，缺陷數(shù)量的降低必然帶來(lái)力學(xué)性能的提升；隨著打印出料口直徑的增大，混凝土試件孔隙率減小、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度增大.由于本研究所采用的打印口直徑均大于內(nèi)摻纖維的長(zhǎng)度，因此試件打印導(dǎo)致的纖維定向分布不太明顯.圖14為打印試件力學(xué)性能與整體孔隙率的關(guān)系.由圖14可見(jiàn)，打印試件的基本力學(xué)性能與整體孔隙率近似線性相關(guān)，隨著整體孔隙率的增大，試件強(qiáng)度逐漸減小；打印試件的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度與整體孔隙率均呈現(xiàn)良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系.綜合考慮擠出形狀和尺寸的影響，打印成型混凝土的力學(xué)性能隨著整體孔隙率的增加呈近似線性下降趨勢(shì)，抗折強(qiáng)度下降更為顯著.

圖13 打印試件性能與擠出尺寸的關(guān)系Fig.13 Effects of material property of printed specimens on extrusion diameters

圖14 打印試件力學(xué)性能與整體孔隙率的關(guān)系Fig.14 Effects of mechanical performance of printed specimens on intergrit porosity

4 結(jié)論

(1)在擠出流量一定的情況下，三角形擠出條帶可將上覆層的重力分配向條間，其條間缺陷最小.此外鋸齒狀交錯(cuò)排列增加了空間咬合和連接強(qiáng)度，使得與其他擠出形狀相比，三角形擠出打印成型混凝土試件在力學(xué)性能上具有顯著優(yōu)勢(shì).

(2)相同擠出形狀和尺寸條件下，錯(cuò)位排列打印可提升打印試件力學(xué)性能13%～47%.

(3)相同擠出形狀條件下，擠出尺寸大的出料口意味著相同體積的打印試件具有較少的層間和條間，缺陷數(shù)量的降低使得打印試件的力學(xué)性能得以提升.

(4)綜合考慮擠出形狀和尺寸的影響，3D打印成型混凝土的力學(xué)性能隨著整體孔隙率的增加，呈近似線性下降趨勢(shì)，其中抗折強(qiáng)度下降更為顯著.