涂層對速凝3D打印水泥砂漿力學性能的影響

向憶寒，陳旭浩，鄧永杰，包亦望，李維紅

(1.大連大學建筑工程學院，大連 116000；2.中國建筑材料科學研究總院，北京 100024)

0 引 言

混凝土3D打印，也稱為混凝土“增材建造”，是一種建立在三維建筑模型上的快速成型技術，具有快速化、靈活化、自動化、低碳化等諸多建造優勢[1-2]。與傳統施工方式相比，可減少30%～60%的建筑垃圾，縮短50%～70%的生產時間，節約50%～80%的人工成本[3-4]。然而，現階段混凝土3D打印是一種無筋建造工藝，并且具有層層打印的技術特點，所以存在層間界面粘結弱、抗折強度低和脆性破壞的材料缺陷，導致其在建筑工程中的應用和發展受限。

目前，3D打印混凝土(3D printing concrete, 3DPC)結構主要以高強度高模量的短細纖維和連續筋、線、繩材等材料進行增強[5]。Panda等[6]采用0.25%～1%(體積分數)摻量的玻璃纖維增強3DPC，發現摻量為1%的玻璃纖維對其抗折強度和抗拉強度的提升效果最明顯。Ma等[7]研究發現，摻0.5%(質量分數)的玄武巖纖維能夠有效提高3DPC的抗折強度，在Z方向及Y方向上的提升率分別為56.1%和20.6%。張超等[8]發現，摻0.1%(體積分數)的聚丙烯纖維在X、Y、Z三個方向上對3DPC抗壓強度的提升率介于19.0%與23.3%之間，而摻0.1%(體積分數)的劍麻纖維在Z方向及Y方向上對3DPC抗折強度的提升率分別為30.6%和35.8%。Marchment等[9]通過在豎直方向疊加放置6 mm×6 mm的鋼筋網片，將打印構件的抗彎強度提高了170%～290%。Perrot等[10]從打印混凝土上方以不同角度向下植入鋼釘以增強打印混凝土的抗折強度。Bos等[11]研制了一種裝置在打印過程中將增韌細絲直接嵌入混凝土中，顯著改善了打印構件的抗彎性能和變形性能。Wang等[12]研究發現摻8%(質量分數)的環氧樹脂可有效增強3DPC界面的拉伸粘結強度，提升率達到222%～277%，同時其剪切粘結強度比未摻環氧樹脂時高187%～220%。上述對3DPC結構增強的方法均取得了良好效果，但纖維的非連續分布對結構整體受力和抗震性能不利，而筋、線、纜等增強材料布置在層條缺陷區域會導致結構的受力性能略有不足，同時還存在與打印工藝適應性欠佳等問題。

近年來，一種類似于鋼化玻璃預應力分布的高強度高損傷容限復合陶瓷的預應力設計產生了良好的效果[13-14]，實際上只要能實現，這種方法可以運用到任何脆性材料中。因此，本研究將表層預壓應力設計進行構件強化這一思路引入到3D打印砂漿之中，通過涂覆硫鋁酸鹽水泥與膨脹劑混合而成的微膨脹涂層于速凝3D打印砂漿表面，利用涂層與基體之間收縮率的差異形成表層壓應力，用以減小外荷載引起的拉應力，從而提升抗折強度。同時，將此涂層作為層間結合劑涂覆于3D打印砂漿的層間，以增強打印試件的界面粘結性能，進而提升其抗折及抗壓強度。以此為3DPC整體及層間力學性能的增強提供一種簡單經濟的新思路與新方法。

1 實 驗

1.1 原材料

細骨料：粒徑分別為0.850～0.425 mm、0.425～0.212 mm、0.212～0.125 mm的石英砂。

水泥：速凝3D打印砂漿中的水泥選用42.5復合快硬硫鋁酸鹽水泥(SAC 42.5),涂層中的水泥選用42.5硫鋁酸鹽水泥(CSA 42.5)，主要化學組成如表1所示。

表1 水泥的主要化學組成Table 1 Main chemical composition of cement

摻合料：粉煤灰(fly ash, FA)采用Ⅰ級粉煤灰，細度為11.6%(45 μm方孔篩篩余)，燒失量為1.23%；硅灰(silica fume, SF)的比表面積為15 000 m2/kg，燒失量為2.2%。

外加劑：減水劑(superplasticizer, SP)采用聚羧酸系高性能減水劑(粉劑)，減水率大于25%；增稠劑(thickener, TK)采用羥丙基甲基纖維素HPMC(10萬粘度)；觸變劑(thixotropic agent, TA)采用凹凸棒石黏土；促凝劑(setting accelerator, SA)選用碳酸鋰；涂層中的膨脹劑選用氧化鈣-硫鋁酸鈣復合膨脹劑(HME?-Ⅳ)。

纖維：長度為6 mm的玄武巖纖維(basalt fiber, BF)，抗拉強度為3 900 MPa，彈性模量為100 GPa。

1.2 配合比

速凝3D打印砂漿試件分為無纖維砂漿試件與摻0.5%(體積分數)玄武巖纖維砂漿試件，其配合比見表2，該配合比打印的砂漿具有良好的工作性能。涂層均由硫鋁酸鹽水泥與6%(質量分數)膨脹劑組成，水灰比為0.5。

表2 速凝3D打印砂漿配合比Table 2 Mix proportions of rapid setting 3D printing mortar

1.3 試驗方法

1.3.1 速凝3D打印砂漿的制備

本研究使用的打印設備是如圖1(a)所示的小龍門攪拌擠出一體式混凝土3D打印機，主要由機床本體、傳動系統、電氣系統、計算機數控(computer numerical control, CNC)裝置、打印系統、輔助裝置六部分組成。與目前市面上常規打印設備的區別在于，該設備無泵送裝置，直接在打印系統(如圖1(b)所示)中攪拌干粉并擠出成型，因此可以實現速凝打印材料的打印。砂漿的打印參數為：主軸轉速600 r/min，打印速度2 000 mm/min，打印頭出料口為直徑18.5 mm的圓形截面，每層高度12 mm，共打印4層，在20 min之內即可完成整體試件的打印。圖2為砂漿的打印路徑，打印完成后采用保鮮膜覆蓋密封，待硬化2 h后切割、打磨成尺寸為40 mm×40 mm×160 mm(用于抗折強度測試)及40 mm×40 mm×20 mm(用于層間界面粘結強度測試，取中間兩層)的試件。

圖1 3D打印機及打印系統示意圖Fig.1 3D printer and schematic diagram of printing system

圖2 打印路徑Fig.2 Printing path

1.3.2 涂層的施加方式

涂層的位置分為三類：僅位于層間、僅位于表面、位于層間及表面。層間涂層在每層砂漿打印結束后立即采用噴壺進行噴涂，共涂覆三個層間界面；表面涂層在砂漿經過切割、打磨后，將表面清理并潤濕，再采用刷子進行刷涂，共涂覆試件長度方向的四個面。具體試驗方案如表3所示，圖3為不同位置涂層與基體結構示意圖。

表3 試驗方案Table 3 Test scheme

圖3 涂層與基體結構示意圖Fig.3 Schematic diagrams of coating and substrate configurations

1.3.3 力學性能測試

采用標準養護至預定齡期(抗折強度、抗壓強度齡期為7 d和28 d，層間界面粘結強度齡期為28 d)后的3D打印砂漿試件，依據《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)測定其抗折強度、抗壓強度，測試方向均為打印方向(X方向)；層間界面粘結強度測試參照Arunothayan等[15]采用的方法，首先將試件從層界面的邊緣切5 mm深的豁口，以增加界面失效的可能性，再用高強環氧膠結劑將試樣上下兩面與自制T型金屬夾具粘結，待膠結劑完全固化后，使用萬能試驗機沿垂直于層界面的方向進行拉拔測試(如圖4所示)，加載速率為1 mm/min。以每組三個試件層間界面粘結強度測試結果的平均值作為試驗結果。

圖4 界面粘結強度測試Fig.4 Interfacial bond strength test

圖5 層間界面粘結強度測試結果Fig.5 Test results of interlayer interfacial bond strength

2 結果與討論

2.1 層間界面粘結強度

速凝3D打印砂漿試件的28 d層間界面粘結強度測試結果如圖5所示，由圖5可知，相比于無涂層試件(A0、B0)，涂覆了層間涂層試件(A2、B2)的界面粘結強度均呈上升的趨勢。其中:涂覆層間涂層的無纖維試件提升效果更為顯著，相比于無涂層無纖維試件，其界面粘結強度提升率為21.4%；而涂覆層間涂層的摻纖維試件相比于無涂層摻纖維試件，其界面粘結強度提升了12.2%。相比于無涂層無纖維砂漿試件，摻0.5%纖維無涂層試件的層間界面粘結強度呈下降趨勢，分析產生這一現象的原因，可能是纖維的摻入會使打印材料的工作性能變差，從而導致砂漿層間界面粘結強度降低[16]。

2.2 抗折強度、抗壓強度

圖6、圖7分別為不同位置涂覆了涂層的無纖維與摻0.5%纖維速凝3D打印砂漿的7 d和28 d抗折強度、抗壓強度測試結果。

圖6 不同位置涂層對3D打印砂漿抗折強度的影響Fig.6 Effect of coating at different positions on flexural strength of 3D printing mortar

圖7 不同位置涂層對3D打印砂漿抗壓強度的影響Fig.7 Effect of coating at different positions on compressive strength of 3D printing mortar

由圖6可知，無論是不摻纖維組(A0～A3)還是摻0.5%纖維組(B0～B3)，相比于無涂層的3D打印砂漿試件，僅涂覆表面涂層、僅涂覆層間涂層以及同時涂覆表面和層間涂層均對試件的抗折強度有不同程度的提升，且涂層對不摻纖維試件的提升效果優于摻0.5%纖維試件。此外，不摻纖維組與摻纖維組呈現出基本一致的抗折強度提升規律：僅涂覆表面涂層與僅涂覆層間涂層對3D打印砂漿抗折強度的提升效果相當；而涂覆表面及層間涂層對砂漿抗折強度的提升效果最顯著，與各組無涂層試件(A0、B0)相比，強度提升率最高分別達到44.2%、23.2%。這說明本試驗采用的涂層可顯著提升打印砂漿的抗折強度，且以表面與層間同時施加的方式為最優。通過進一步對比圖6(a)與(b)還可發現，采用涂覆涂層來提升3D打印砂漿抗折強度的方法，優于通過摻加0.5%玄武巖纖維來提升其抗折強度的方法，而且前者具有成本低、操作簡單、不影響打印工藝靈活性等優點。

根據圖7所示結果可知，在不同位置涂覆涂層對3D打印砂漿的抗壓強度也有提升作用，但從總體上來看，對抗壓強度的提升效果不如抗折強度顯著。其中：僅涂覆表面涂層對不摻纖維與摻纖維試件的抗壓強度無明顯提升，這說明表面涂層的作用主要是產生表層壓應力以提升試件的抗折強度；而僅涂覆層間涂層對3D打印砂漿的抗壓強度提升效果最顯著，不摻纖維組中最大提升率為15.3%，摻0.5%纖維組中最大提升率為24.4%。由此可以說明，涂覆層間涂層增大打印砂漿界面粘結強度的同時，可進一步提升基體的抗壓強度。

3 機理分析與討論

3D打印砂漿的抗折強度通過三點彎曲試驗來確定，當試件受外荷載作用時，底部處于受拉狀態。本研究采用的涂層為硫鋁酸鹽水泥與膨脹劑混合而成的微膨脹水泥漿，將其涂覆于打印砂漿表面后，砂漿在硬化過程中的收縮會使微膨脹涂層中產生預壓應力，這種表層預壓應力可以抵消部分由外荷載引起的拉應力，從而提升打印砂漿的抗折強度。

圖8為速凝3D打印砂漿試件破壞后的橫截面。A0、B0為涂覆層間涂層前的層間界面結合情況，可以看出，由于3D打印具有逐層打印的技術特點，打印砂漿出現層間粘結弱的問題，會產生如圖8中A0、B0所示的層間空隙；而涂覆了層間涂層砂漿試件(A2、B2)層間結合較好，界面結構較為密實，說明層間涂層可以較好地填充打印砂漿的層間空隙，進而改善界面密實度。此外，摻膨脹劑的水泥漿作為一種常用的界面劑，可優化打印砂漿層間界面孔結構，增大鄰層砂漿之間微觀層面上的機械咬合作用[17]。因此，采用涂覆膨脹水泥漿涂層于打印砂漿層間的方法，有助于提升砂漿的層間界面粘結強度。

圖8 速凝3D打印砂漿試件橫截面Fig.8 Cross section of rapid setting 3D printing mortar specimens

進一步地，通過結合表層預壓應力設計原理與2.1節中層間界面粘結強度測試結果，對不同位置涂覆涂層砂漿試件的抗折強度、抗壓強度試驗結果做出以下分析：表面涂層與基體之間收縮率的差異會形成表層壓應力，從而提升了3D打印砂漿的抗折強度，而摻入纖維使得砂漿基體收縮率降低，進而導致產生的表層壓應力相應減小，所以出現了表面涂層對無纖維砂漿抗折強度提升效果更佳的試驗結果；層間涂層的作用主要是增大3D打印砂漿的層間界面粘結強度，使得打印砂漿界面處與基體中粘結性能的差距縮小，從而提高打印構件的整體性和結構使用性能，打印砂漿的抗折及抗壓強度等力學性能也隨之增強；同時涂覆表面涂層與層間涂層的砂漿試件，其抗折強度的提升效果最佳則是由表層壓應力的產生與界面粘結強度的增大共同作用所致。

4 結 論

(1)采用涂覆涂層于無纖維與摻0.5%纖維3D打印砂漿層間的方法，對兩種砂漿的層間界面粘結強度均有不同程度提升，強度提升率分別為21.4%、12.2%。

(2)涂覆涂層于3D打印砂漿的表面、層間、表面及層間，均可提升試件的抗折強度，但總體上對無纖維砂漿基體提升效果優于摻0.5%纖維砂漿基體。這是因為纖維的摻入一方面會抑制砂漿基體的收縮，造成表層壓應力相應減小，而另一方面則是纖維的摻入會使打印砂漿的工作性能變差，導致界面粘結強度的提升效果減弱，這兩種結果均會降低涂層對砂漿抗折強度的提升作用。

(3)將涂層同時涂覆于表面及層間，是提升無纖維與摻纖維3D打印砂漿試件抗折強度的一種最佳方法，提升效果最顯著，抗折強度提升率分別達到44.2%、23.2%；僅涂覆表面涂層與僅涂覆層間涂層對3D打印砂漿的抗折強度提升效果相當。

(4)僅涂覆層間涂層對3D打印砂漿抗壓強度也有一定的提升作用，不摻纖維組中最大提升率為15.3%，摻0.5%纖維組中最大提升率為24.4%，這主要與其對層間界面密實度的改善及層間界面粘結強度的增強作用有關。