PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的3D 打印力學性能研究

李 波 廖碧海

(1.廣西現代物流集團有限公司,廣西 南寧 530299;2.華中科技大學土木與水利工程學院,湖北 武漢 430074)

3D 打印建筑技術本質上屬于一種增材制造工藝,因其在建筑和結構設計中的突出靈活性,無模板特性而成為預制結構中一種先進的制造技術,將數字化設計模型輸入建筑打印機中,轉化為打印指令,機器就會按照設計要求,將特殊材料一層層疊加成特定形狀的建筑部件,3D 打印建筑在效率提升和可持續發展方面具有明顯優勢[1-2]。因此,3D 打印技術正廣泛應用于建筑材料與結構行業[3-6]。盡管3D 打印技術被認為是一種很有前途的技術,但仍有一些不確定因素影響著3D 打印混凝土性能。例如,3D 打印性能依賴于混凝土的流變特性,打印速度、打印高度、打印層間間隔時間和擠出速率等因素[3-8],上述因素也影響了3D 打印混凝土的力學性能。因此,研究3D打印混凝土結構的可建造性和硬化混凝土的力學性能具有重要意義。

由于3D 打印混凝土技術在施工過程中無需使用模板,混凝土材料中的水分蒸發嚴重,因此混凝土結構易受到塑性收縮開裂的影響,為解決3D 打印混凝土材料延性差、易開裂等問題,部分學者通過摻加纖維能有效抑制混凝土早期硬化過程中微裂縫的萌生和發展,提高混凝土的抗拉、抗彎和抗裂性能。其中聚乙烯醇纖維等合成纖維因其耐酸堿性強、與水泥基體結合強度高、成本低等優點受到了人們的廣泛關注。沈才華等[9]研究了纖維摻量對于混凝土破壞形態、峰值應力、峰值應變、抗折強度以及折壓比的影響;王海龍等[10]基于PVA 纖維混凝土配合比針對3D 打印施工特點進行改進,在材料流動性、凝結時間、抗壓強度和抗折強度等方面進行優化設計,提高了混凝土的早期強度和總體力學性能。

另外,鐵尾礦的廣泛應用將有助于資源的可持續發展,對鐵尾礦砂的再生利用成為目前亟待解決的問題。例如,呂紹偉等[11]發現鐵尾礦砂的粒徑分布是決定尾礦壩穩定及鐵尾礦砂再生利用的主要因素之一,細粒含量、干密度、含水率等因素對鐵尾礦砂動力特性有一定影響;黃正均等[12]用鐵尾礦砂作為細骨料加入混凝土配比中,當鐵尾礦砂占總體細骨料的比例為20%時,混凝土的和易性、凝結時間最優,塊體密度最大,耐久性最好。

綜上所述,本項目用鐵尾礦砂替代細骨料,摻加不同摻量的PVA 纖維增強增韌,制成了PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土,研究其3D 打印的流動度,可建造性及其抗壓、抗彎等力學性能,同時制備了同等膠凝材料體系下的鑄模混凝土試件作對比試驗,為PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的工程建設提供參考。

1 材料與試驗方法

1.1 原材料

試驗采用的水泥為P·O42.5R 普通硅酸鹽水泥,細度1.5%,燒失量1.2%,水泥的主要化學成分如表1所示。硅灰,燒失量2.1%,SiO2含量為95%;鐵尾礦砂,采用遷安鐵尾礦砂,表觀密度2 911 kg/m3,堆積密度1 549 kg/m3,含水量2.04%,含泥量0.9%,粒徑5～25 mm,連續級配,其主要化學成分如表2所示。聚乙烯醇(PVA)纖維,采用圓截面直鋼纖維,長度8 mm,直徑0.03 mm,密度1 200 kg/m3,抗拉強度1 350 MPa,彈性模量40 GPa,體積摻量分別為0%、0.25%、0.5%、0.75%、1%;減水劑為聚羧酸高效引氣減水劑,減水率為20%。

表1 水泥的主要化學成分Table 1 Main chemical components of cement %

表2 鐵尾礦砂的主要化學成分Table 2 Main chemical components of iron tailings sand%

1.2 PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的制備

PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土依據2 種不同水膠比(0.20、0.24),5 種不同PVA 纖維摻量(0%、0.25%、0.5%、0.75%、1%),尋求最佳的3D 打印混凝土配合比,鐵尾礦砂全部替代普通河砂,制備過程先將膠凝材料,細骨料和PVA 纖維在攪拌機中均勻攪拌7 min,再倒入水和減水劑混合物的一半,充分攪拌4 min,最后將剩余的水和減水劑混合物倒入攪拌機,攪拌4 min,制備成的PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土配合比如表3所示。表3 中,W20-0 表示水膠比為0.2、PVA 纖維摻量為0%的對照組;W20-0.25 表示水膠比為0.2、PVA 纖維摻量為0.25%的試驗組,其他類推。

表3 PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的配合比Table 3 Mix ratio of PVA fiber reinforced iron tailings sand concrete

1.3 打印參數與測試方法

3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的流動度測試可以按照《GB/T 2419—2005 水泥膠砂流動度測定方法》[13]中的跳桌試驗進行測定,在錐形模具中均勻地裝滿新拌合的砂漿,用刀將泥漿表面抹平,并修至與模具上部齊平。將模具四周跳桌表面擦干凈,尤其要將從模具邊緣滲出的水擦掉。垂直提起模具,用抹刀將留在模具內的泥漿刮下,使跳桌在15 s 內均勻跳動25 次。流動度為相互垂直的2 個方向上測量砂漿的平均直徑,每組配合比均測試3 次,取平均值。

評估可建造性的模型尺寸長度×寬度為600 mm×80 mm,平行于長度方向打印,堆疊25 層,觀測該模型是否保持穩定狀態和模型的變形能力,以及打印模型的總體高度來評判模型的可建造性。

試驗中的打印頭形狀為圓形,打印頭直徑為20 mm,打印層高為10 mm,打印速度為40 mm/s,預計打印20 層,打印模型尺寸為500 mm×200 mm×200 mm,然后放置在溫度為(20 ± 2)℃,相對濕度為95%的環境下養護28 d,再切割打印模型,抗壓強度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,抗彎強度試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm,同時制備了同等膠凝材料體系下的鑄模混凝土試件作對比試驗,力學性能試驗在萬能試驗機上進行,按照《GB/T 50081—2019混凝土物理力學性能試驗方法標準》[14]進行測試。

2 結果與討論

2.1 流動度和可建造性測試

圖1為3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的流動度。從3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的纖維摻量方面來看,經過多組數據對比,PVA 纖維摻量為0.5%時,混凝土流動度最小,W20-0.50和W24-0.50 組的流動度分別為159、165 mm;PVA 纖維摻量為1%時,W20-1 混凝土流動度最大,W20-1和W24-1 組的流動度分別為176、170 mm。3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的流動度與纖維摻量無明顯相關性,但各組流動度均在159～176 mm 的目標值范圍內,達到了3D 打印混凝土要求的和易性。從3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的水膠比方面來看,PVA 纖維摻量為0%～0.5%時,水膠比越大的混凝土流動度越大,PVA 纖維摻量為0.75%～1%時,水膠比越大的混凝土流動度越小。

圖1 3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的流動度Fig.1 The fluidity of 3D printed PVA fiber-reinforced iron tailings sand concrete

圖2為3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的打印模型總高度。3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的打印模型總高度隨水膠比的增大而增大,隨PVA 纖維摻量的增加而減小,尤其體現在PVA 纖維摻量為0.5%～1%時,其原因是高纖維摻量時,鐵尾礦砂混凝土的流動度過高,從而導致打印高度的較大降低。3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的模型總高度在238～249 mm 范圍內略有波動,究其原因,混凝土的流動只造成打印高度的邊界降低。總體而言,無論PVA 纖維摻量大小,當流動度較高時,模型打印高度通常較小,反之亦然。例如,流動度為176 mm 的W20-1 組的打印總高度僅為238 mm,而流動度為163 mm 的W20-0 組的打印總高度僅為246 mm。因此,準確控制3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的打印總高度對混凝土的可建造性影響較為關鍵。

圖2 3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的打印模型總高度Fig.2 Total height of the printed model of 3D printed PVA fiber reinforced iron tailing sand concrete

2.2 抗壓強度測試

圖3為3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的抗壓強度。由圖3 可知,鑄模混凝土試樣的抗壓強度在94～121 MPa 之間,均大于90 MPa,而3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土試樣的抗壓強度在79～105 MPa 之間,均大于75 MPa,3D 打印試件的抗壓強度在明顯低于同等膠凝材料體系下的鑄模試件。在纖維摻量一定的情況下,隨著水膠比從0.20 上升到0.24,3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的抗壓強度也逐漸下降,但在一定的水膠比下,抗壓強度隨纖維摻量的增加呈現顯著降低趨勢,這種現象與其他研究的規律一致[15],水膠比是影響水泥基材料抗壓強度的主要因素[16]。3D 打印試件的抗壓強度隨水膠比和纖維摻量的變化規律與鑄模試件相同,因此,除了3D 打印引起的抗壓強度降低外,3D 打印和鑄模試件具有相似的抗壓特性。

圖3 3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的抗壓強度Fig.3 Compressive strength of 3D printed PVA fiber reinforced iron tailings sand concrete

2.3 抗彎強度測試

圖4為3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的抗彎強度。從圖4 中可以看出,鑄模試件的抗彎強度在7.5～9.4 MPa 之間變化。3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的抗彎強度在較低水膠比時普遍較高,隨著纖維摻量從0%增加到1%時,抗彎強度先增加,此后隨著纖維摻量的進一步提高,抗彎強度增加變緩,甚至下降。抗彎強度降低的原因與抗壓強度降低的原因相同,也能體現出水膠比的影響是意料之中的。其根本原因是,當PVA 纖維摻量較小時,摻入的PVA 纖維具有提高鐵尾礦砂混凝土抗拉強度的裂紋橋接作用,而當PVA 纖維摻量較大時,纖維與水泥砂漿的混合不易充分,導致纖維抱團,纖維分散性差,利用率低,從而降低了鐵尾礦砂混凝土的抗彎強度[17]。

圖4 3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的抗彎強度Fig.4 Flexural strength of 3D printed PVA fiber reinforced iron tailings sand concrete

另一方面,從圖4 中還可以看出,3D 打印試件的抗彎強度為7.2 ～9.2 MPa,略低于同等膠凝材料體系下的鑄模試件。類似鑄模試件,3D 打印試件的抗彎強度隨水膠比的增大而減小,并隨纖維摻量的增大而變化,PVA 纖維摻量從0%增大到1%時,3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的抗彎強度先是顯著增大,此后隨著纖維摻量的增大,彎曲強度增加變緩,甚至下降。因此,3D 打印試件的抗彎強度隨水膠比和纖維摻量的變化規律與鑄模試件相同。除了由于3D 打印而使抗彎強度降低之外,3D 打印試件的抗彎性能與同等膠凝材料體系下的鑄模試件的抗彎性能基本相似。

2.4 灰色預測模型

灰色模型(Grey models)簡稱GM 模型,是通過少量的、不完全的信息,建立灰色微分預測模型,對事物發展規律作出規律性的長期描述。為了研究3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的流動度和打印高度對抗壓強度、抗彎強度的影響,將各參數與抗壓強度和抗彎強度進行灰色預測分析,具體步驟如下:

流動度和打印高度為主序列xi,抗壓強度和抗彎強度為參考序列yj。

主序列xi和參考序列yj的初始值:

主序列與參考序列之差的絕對值:

序列差的最大值N與最小值n:

關聯系數:

關聯度:

式中,P為序列數。

表4為3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的主序列與參考序列數據表。根據式(1)可計算得出各序列初值像(表5),再根據式(2)計算主序列與參考序列差的絕對值(表6),由式(3)和式(4)可以計算各序列關聯系數,如表7所示,最后由式(5)得出各序列關聯度(表8)。

表4 主序列與參考序列Table 4 Main sequence and reference sequence

表5 各序列初值像Table 5 Initial image of each sequence

表6 主序列與參考序列差的絕對值Table 6 Absolute value of difference between main sequence and subsequence

表7 各序列的關聯系數Table 7 Correlation coefficient of each sequence

表8 各序列關聯度Table 8 Correlation degree of each sequence

根據3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土主序列與各參考序列之差的絕對值可知,最大值為0.24,最小值為0,由式(4)進而可以計算3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的各序列關聯系數。

由表4～表8 可知,3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的流動度對抗彎強度的影響大于抗壓強度,3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的打印高度對抗壓強度的影響大于抗彎強度。

3 結 論

(1)PVA 纖維摻量為0.75%～1%時,水膠比越大的3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土流動度越小,其打印模型總高度隨水膠比的增大而增大,隨PVA 纖維摻量的增加而減小。

(2)在纖維摻量一定的情況下,隨著水膠比從0.20 上升到0.24,3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的抗壓強度也逐漸下降,但在一定的水膠比下,抗壓強度隨纖維摻量的增加呈現顯著降低趨勢。

(3)隨著纖維摻量從0%增加到1%時,3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的抗彎強度先增大后減小。其抗彎強度隨水膠比的增大而減小。

(4)3D 打印PVA 纖維增強鐵尾礦砂混凝土的流動度對抗彎強度的影響大于抗壓強度,3D 打印PVA纖維增強鐵尾礦砂混凝土的打印高度對抗壓強度的影響大于抗彎強度。