基于化學外加劑的3D打印建筑砂漿材料性能研究

李艷玲

(陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000)

3D打印技術屬于新型制造技術，已實現了在機械加工設計與航天航空等多領域的廣泛應用，發展前景廣闊。作為多學科交叉的綜合性技術，3D打印技術涉及多個前沿技術知識體系，即數字建模、機電控制、材料科學與化學等。不同于傳統加工制造技術，3D打印技術設計制造靈活性高，無需模板，制作速度快，原料損耗低，已成為制造行業主要的發展方向。當前，3D打印技術以其技術優勢開始逐步應用于建筑領域，即通過3D打印機直接生成房屋或建筑零構件，就是所謂的3D打印建筑技術。3D打印建筑技術的打印材料為水泥基材料，無需熔融、加熱，通過泵送并擠出之后，便可逐層堆疊構成實體；無需支撐模板，可以迅速打印建筑物，節約了時間，降低了成本，減少了工人勞動量，自動化與智能化水平較高，可就預設指令，精確打印建筑物，節能環保。3D打印建筑技術的建筑成型方法不同于既有澆筑成型方法，打印層間力學性能好壞與打印建筑物穩定性、可靠性緊密聯系[1]，所以對科學有效測試3D打印建筑砂漿的材料力學性能十分關鍵。

1 實驗準備

1.1 原 料

本文選用的3D建筑砂漿原料如下：南京小野田P·Ⅱ52.5水泥，與《通用硅酸鹽水泥》要求相符；選擇主成分為檸檬酸鈉的緩凝劑；巴斯夫中國有限公司生產的聚羥酸高效減水劑，減水率控制在20%以內； 70～100目石英砂為骨料[2]；黏度為100 Pa·S的保塑機，成分包括纖維素醚與木質纖維等；乙烯/醋酸乙烯酯共聚物為可再分散乳膠粉；成分為淀粉醚與觸變潤滑劑的自制塑化劑。

1.2 制 備

根據配方量取水泥、礦物超細粉、膨脹劑，混合2～5 min，以獲取混合物；基于配合比，量取減水劑、消泡劑、水，與上述混合物均勻混合，以獲取新混合物；就配合比量取石英砂與新混合物均勻混合，并添加配方量的速凝劑與早強劑，混合1～2 min，從而完成3D打印建筑砂漿材料制備。

3D打印建筑砂漿材料的基材配合使用可促使砂漿具備良好可泵性、密實性、后期強度等，同時配合使用膨脹劑與纖維，可強化砂漿抗拉性與黏結性，且顯著抑制早期與長期收縮，有效防止原始裂縫發生與擴大；速凝劑的添加，可進一步優化砂漿的低收縮性、凝結時間可控性、強度、可泵性。以3D打印砂漿打印成型的零構件，凝結時間可控性良好，收縮較小，抗壓強度突出；基于原料特性有序制備砂漿材料，可保證砂漿混合均勻度，性能穩定，工藝簡潔，便捷實用[3]。

1.3 方 法

以旋轉黏度計測試3D打印建筑砂漿材料流變參數，設定其剪切速度由6.8 s-1逐步轉變到40.5 s-1，以評估建筑砂漿表觀年度、剪切應力、塑性年度、屈服應力的實時變化規律。以滯后環法[4]測試建筑砂漿材料觸變性能，以月牙形滯后環代表砂漿材料觸變性，其所圍成的面積越大，則砂漿材料觸變性越大。

2 實驗結果

2.1 基于化學外加劑——減水劑的建筑砂漿材料流變性能

在實驗過程中，固定水灰比即0.42，砂灰比即1.51，保塑劑、可再分散乳膠粉、塑化劑、緩凝劑等摻量設定即0.5%、0.05%、0.2%、0.06%。在此基礎上，在不同減水劑摻量下，3D打印建筑砂漿材料的表觀黏度[4]具體如表1所示。

表1 不同減水劑摻量下3D打印建筑砂漿的表觀黏度 Pa·s-1

由表1可知，在剪切速率快速增大時，3D打印建筑砂漿材料表觀黏度呈現先下降，隨后逐漸趨向穩定的狀態(數據仍是下降趨勢)；隨著減水劑摻量的增加，剪切速率小于20時，砂漿材料表觀黏度持續下降；而在剪切速率大于20時，砂漿材料表觀黏度的變化幅度明顯縮小。這主要是由于減水劑摻量不斷增多，同時還會帶入一些微小氣泡，其與水泥顆粒之間出現電性斥力，在高效減水劑吸附分散作用下，致使水泥顆粒之間出現越來越明顯的滑動，從而使得砂漿表觀黏度迅速下降。在剪切速率逐漸增大的趨勢下，砂漿漿體剪切變得稀疏，分散速率對于漿體造成的影響明顯超出了減水劑對于絮凝體的分散性影響，促使各個體系保持于穩定形態，具體表征即不同減水劑摻量下，砂漿材料表觀黏度相接近。

不同減水劑摻量下，3D打印建筑砂漿材料的流變性能[5]如表2所示。由表2可知，在減水劑摻量相對偏低工況下，3D打印建筑砂漿材料觸變性能最為突顯；一旦減水劑摻量增加，砂漿材料的觸變性能便會快速下降，而不斷增加減水劑摻量，砂漿材料的觸變性能則表現為基本保持不變的狀態。在減水劑摻量相對較低的時候，3D打印建筑砂漿材料中存有并未破損的結構強度較大的絮凝體，在剪切應力作用下，發生了明顯的塑性變形。在減水劑摻量處于飽和狀態的時候，減水劑摻量對于3D打印建筑砂漿材料的觸變性能影響相對偏小。

表2 不同減水劑摻量下3D打印建筑砂漿的觸變性能 Pa

在不同減水劑摻量下，3D打印建筑砂漿材料的觸變性能[6]具體如表3所示。

表3 不同減水劑摻量下3D打印建筑砂漿的流變性能 Pa

由表3可知，在減水劑摻量逐步增加的趨勢下，建筑砂漿材料的塑性黏度呈現先下降后上升的趨勢，屈服應力則一直保持下降狀態。在摻量達到0.30%時，塑性黏度最低，屈服應力也明顯降低，而減水劑摻量持續增加時，3D打印建筑砂漿材料的塑性黏度開始增大。這主要是因為高效減水劑具有一定的吸附分散作用，導致砂漿材料塑性黏度與屈服應力有所下降，但是在減水劑摻量處于飽和狀態之后，砂漿材料流變參數便會降低到最小狀態，而繼續增加減水劑摻量，砂漿材料的塑性黏度表征為稍稍回升形態。

2.2 基于化學外加劑——緩凝劑的建筑砂漿材料流變性能

在實驗過程中，固定水灰比即0.42，砂灰比即1.51，保塑劑、可再分散乳膠粉、塑化劑、緩凝劑等摻量設定即0.5%、0.05%、0.2%、0.3%。在此基礎上，在不同緩凝劑摻量下，3D打印建筑砂漿材料的表觀黏度[7]具體如表4所示。

表4 不同緩凝劑摻量下3D打印建筑砂漿的表觀黏度 Pa·s-1

由表4可知，在緩凝劑摻量不斷增加的形勢下，建筑砂漿材料表觀黏度呈現遞增狀態，并且不摻加緩凝劑的建筑砂漿材料表觀黏度明顯更小，剪切速率為22時，緩凝劑摻量持續增加對于建筑砂漿材料表觀黏度的影響非常小。這主要是由于緩凝劑帶有增加黏度的作用，但是又可在一定程度上限制水泥發生水化作用生成絮凝結構，在剪切速率繼續變大時，水泥水化生成絮凝結構大體受剪切應力作用被損壞，因此在剪切速率超出22時，3D打印建筑砂漿材料呈現出表觀黏度基本相一致的狀態。

在不同緩凝劑摻量下，3D打印建筑砂漿材料的觸變性能[8]具體如表5所示。

表5 不同緩凝劑摻量下3D打印建筑砂漿的觸變性能 Pa

由表5可知，在緩凝劑摻量逐漸增多時，建筑砂漿材料觸變性能變化并不顯著，直到摻量達到0.12%，砂漿材料觸變性能快速變大，這就說明在緩凝劑摻量相對偏低的時候，并未嚴重影響建筑砂漿材料內結構的穩定性，但是在摻量超出既定界限之后，極易導致砂漿材料內結構失穩。

在不同緩凝劑摻量下，3D打印建筑砂漿材料的流變性能[9]具體如表6所示。

表6 不同緩凝劑摻量下3D打印建筑砂漿的流變性能 Pa

由表6可知，在緩凝劑摻量逐漸增加時，3D打印建筑砂漿材料的塑性黏度呈現為先增加再降低的狀態，而屈服應力表征為不斷遞增的形勢。在緩凝劑摻量從0不斷增加，直到0.03%時，砂漿材料的塑性黏度顯著增大，屈服應力也明顯增大，而持續增加緩凝劑摻量，砂漿材料的塑性黏度有所下降，而屈服應力卻依舊保持不斷增大的趨勢。這主要是因為緩凝劑自身帶有增加黏度的良好作用，在摻加較少緩凝劑的時候，其對建筑砂漿材料內部結構的影響并不顯著，呈現為砂漿材料塑性黏度與屈服應力都增加的形態，但是在緩凝劑摻量繼續不斷增加的時候，緩凝劑在很大程度可減緩水泥漿體的水化放熱與水化產物形成，導致建筑砂漿材料內部結構失穩，呈現為隨緩凝劑摻量增加，砂漿材料塑性黏度卻有所下降的趨勢。緩凝劑自身具備增加黏度的作用，以及對水泥水化的影響對流變性能屬于雙重作用，水泥早期水化生成絮凝結構，也很容易在剪切應力作用下被破壞，也就是建筑砂漿材料流變性能同時受多作用限制，在緩凝劑摻量與剪切速率變化的影響下會發生各種不同表現。

3 結 論

綜上所述，通過基于化學外加劑的3D打印建筑砂漿材料性能分析研究，得出結論，3D打印建筑砂漿降低了不能振搗夯實材料所造成的收縮變形，且凝結時間可控，可擠出性能與力學性能較好；隨著減水劑摻量增加，3D打印建筑砂漿材料的表觀黏度并未發生顯著變化，觸變性能呈現先降低并逐步趨向不變化的狀態，塑性黏度表征為先下降后上升的趨勢，屈服應力則保持持續降低的形態；隨著緩凝劑摻量的增加，3D打印建筑砂漿材料的表觀黏度呈現遞增狀態，觸變性能變化并不明顯，塑性黏度表現為先上升后下降的趨勢，屈服應力則表征為遞增形態；高效減水劑具備良好吸附分散作用，可加大水泥顆粒之間滑動性，最佳摻量可改善材料流變性能；緩凝劑具備良好增加黏度效果，但是又會在一定程度上阻礙水泥水化生成的絮凝結構，最佳摻量可提高材料流變性能。