3D打印再生砂漿的早期性能

肖建莊，秦 飛，丁 陶，段珍華

（同濟大學 土木工程學院，上海 200092）

自上世紀末以來，針對3D打印混凝土材料和結構的研究逐漸趨于成熟［1-2］.一方面，建筑3D打印混凝土的施工工藝與傳統工藝存在明顯區別［3］；另一方面，目前建筑垃圾資源化利用主要是針對再生粗骨料，對于廢混凝土破碎產生的細骨料尚未得到充分應用［4-5］，因此再生砂作為3D打印砂漿中的細骨料，是利用的重要途徑之一.

3D打印砂漿需要具有良好的形狀保持能力，且其早期強度發展對砂漿的配合比設計與優化調控至關重要.研究發現，礦物摻和料和外加劑能夠調節3D打印砂漿的早期流動性，進而提高其可建造性［6-7］，而短纖維的摻入可以適應砂漿的可打印性要求并提高其形狀保持能力［8］.本文通過單軸壓縮試驗，測試了3D打印再生砂漿的早期力學性能，研究了不同再生砂取代率、纖維摻量對3D打印砂漿早期強度發展的影響，尋求再生砂取代天然砂應用于3D打印混凝土建筑的可能性.

1 試驗

1.1 原材料

普通3D打印砂漿的原料包括：P·O 42.5普通硅酸鹽水泥（C）、天然河砂（NS）、羥丙基甲基纖維素（HPMC）、納米黏土、葡萄糖酸鈉等材料.將強度不低于C40的廢棄混凝土破碎得到的再生砂（RS）代替天然河砂加入砂漿混合料中，設定再生砂取代率wRS=0%、50%、100%（質量分數，文中涉及的取代率、摻量、水灰比等均為質量分數或質量比）.再生砂和天然砂的最大粒徑均控制在0.9 mm以下，其基本物理參數見表1.

表1 再生砂和天然砂的基本物理參數Table 1 Basic physical parameters of NS and RS

測得再生砂吸水率為15%，因此在配合比設計中增加了附加水用量.3D打印砂漿混合料中的水灰比為0.35，超高分子量聚乙烯（HMPE）纖維的長度為6 mm，其摻量wf=0%、0.25%、0.50%、1.00%、1.50%.3D打印再生砂漿的配合比見表2.當打印條寬度為30 mm，高度為15 mm時，3D打印再生砂漿單次打印層數可維持在10層以上（見圖1）.

表2 3D打印再生砂漿的配合比Table 2 Mix proportions of 3D printing recycled mortars

圖1 3D打印再生砂漿的可建造性Fig.1 Buildability of 3D printing recycled mortar

1.2 試件制備

根 據ASTM D2166《Standard test method for unconfined compressive strength of cohesive soil》，在圓柱形鋼模中澆筑φ75×150 mm的圓柱體試件，鋼模內部粘貼特氟龍片以降低摩擦力.制作流程如下：將再生砂/天然砂、水泥混合攪拌3 min，得到均勻的干粉拌和物；接著加入預先配制的添加劑，攪拌2 min至均勻狀態；然后將水倒入拌和物，攪拌2 min；最后將充分攪拌好的砂漿倒入模具中，振動并放置不同的時間.

1.3 測試方法

采用單軸無側限壓縮試驗分別對砂漿擠出后齡期t=30、45、60、90、120、150 min的試件進行加載，研究其早期強度的發展，采用位移加載，加載速率為25 mm/min.試驗時在試件上下放置2層特氟龍薄膜，以減少試件與試驗裝置之間的摩擦；為減少加載時間對試驗結果的影響，每次測試在2～3 min內完成.試件破壞時將發生明顯的豎向變形和橫向變形，在計算應力時，為考慮橫向變形的影響，在加載期間拍攝固定時間間隔的照片，記錄試件在不同位移時刻的橫向變形，并采用圖像分析方法對橫向變形進行分析，進一步通過定積分方法對試件的瞬時截面積進行修正.

2 結果與分析

2.1 試件的破壞模式

試件的破壞模式見圖2.由圖2可見，試件有2種典型的破壞模式.第1種破壞模式的特征是橫向變形顯著增加，在豎向位移作用下，中部首先出現裂縫，形成少量具有一定間距的豎向裂縫，試件逐漸出現壓縮破壞，未形成明顯的剪切破壞面.這種失效模式主要發生在齡期為30～60 min的試件.對于再生砂取代率不同的砂漿試件，其破壞模式沒有明顯差異，這表明再生砂對試件破壞形態的影響有限.第2種破壞模式的特征是破壞面明顯，橫向變形相對較小，試件首先出現少量的斜向裂縫，隨后裂縫貫穿，外部砂漿剝落.這種破壞模式主要發生在齡期為90～150 min的試件，且再生砂取代率越高，剪切裂縫出現的時間越早，剪切面角度更大，說明再生砂的摻入對試件的早期強度發展有明顯的促進作用.

圖2 試件的破壞模式Fig.2 Failure pattern of specimens

未摻纖維和摻纖維試件的破壞模式見圖3.由圖3可見，摻入纖維的試件同樣符合上述2種破壞模式；與未摻纖維試件相比，摻纖維試件的主裂縫間距小，分布更均勻.

圖3 未摻纖維和摻纖維試件的破壞模式Fig.3 Failure pattern of specimens with fiber and without fiber

2.2 豎向荷載-位移曲線

豎向荷載-位移曲線可以反映材料擠出后30～150 min在壓力作用下的強度發展過程.不同再生砂取代率下試件的豎向荷載-位移曲線見圖4.由圖4可見：再生砂的摻入對同齡期下最大荷載較高試件的豎向荷載-位移曲線影響非常明顯；再生砂的摻入提高了3D打印再生砂漿的早期強度；當無再生砂摻入時，3D打印砂漿的豎向荷載-位移曲線無明顯下降段；試件R50的豎向荷載-位移曲線在齡期為120 min時呈下降趨勢，試件R100的豎向荷載-位移曲線在齡期為90 min時出現下降段.由此可見，再生砂取代率越高，3D打印再生砂漿強度發展越迅速.

圖4 不同再生砂取代率下試件的豎向荷載-位移曲線Fig.4 Vertical load-displacement curves of specimens with different wRS

由圖4還可見：在齡期為30 min時，wRS=50%、100%的3D打印再生砂漿的豎向荷載-位移曲線變化趨勢相近，相同位移下試件R50、R100的豎向荷載均高于試件R0，這說明再生砂的摻入提高了3D打印再生砂漿的強度；當齡期為90 min時，試件R100的豎向荷載增長非常明顯，材料表現出明顯的固體特性，豎向荷載-位移曲線出現下降段；當齡期達到150 min時，試件R50的豎向荷載從塑性逐漸向固體材料發展，而試件R0的豎向荷載-位移曲線仍有平臺期，表現出塑性特征.由此可見，再生砂的摻入對3D打印再生砂漿后期強度的發展有顯著影響，且取代率越高，促進作用越強.

有研究指出，3D打印再生砂漿的吸水率和孔隙率隨再生砂取代率的增加而增加，且其有效含水率是影響再生砂漿早期性能的關鍵因素之一［9］.有效含水率等于砂漿中水的總量減去砂吸收的水量.一般來說，再生砂粒徑越小，其吸水系數越高，水泥漿體附著力越大.因此，本文研究的3D打印再生砂漿中，新水泥漿體和再生砂之間可能發生水轉移.Fourmentin等［10］研究表明，具有足夠孔隙率的多孔介質能快速地從漿體中吸收大量的水，拌和后再生砂快速吸水，砂漿流動性降低，分子間黏聚力增大；此后，在水化過程中，多孔介質中水分逐漸釋放到水泥漿體中.根據本文試驗的觀察，早期出現的水分轉移現象改變了3D打印再生砂漿早期強度的發展.

不同纖維摻量下試件的豎向荷載-位移曲線見圖5.由圖5可見：各試件的豎向荷載-位移曲線均無峰值荷載和下降段的出現，且不同纖維摻量對3D打印再生砂漿荷載增長的作用不同；纖維的摻入對3D打印再生砂漿的早期強度有一定影響，當纖維摻量為0.25%、0.50%和1.00%時，試件早期豎向荷載發展與未摻纖維試件R50（見圖4（b））沒有顯著差異，強度相差在30%以內，其中試件R50F3強度增大的程度最高，在90、150 min時，其極限荷載分別是試件R50的1.1、1.4倍；對于試件R50F4，其強度明顯小于試件R50，不同齡期下的強度僅為試件R50的20%～50%，且其極限荷載較試件R50有所降低，在90、150 min時，其極限荷載僅為試件R50的0.4、0.5倍，這說明過量纖維的摻入減緩了砂漿強度的增長；未摻纖維試件在90 min時，豎向荷載-位移曲線開始出現下降段，而對于所有摻纖維的試件，直至150 min時，均無下降段的出現，說明纖維的摻入增強了試件在大變形下的承載力，減緩了破壞.

圖5 不同纖維摻量下試件的豎向荷載-位移曲線Fig.5 Vertical load-displacement curves of specimens with different wf

綜上，纖維的摻入對3D打印再生砂漿早期強度的影響不明顯.一方面，纖維分散在砂漿中對其抵抗變形的能力和強度的增加有一定提高作用；另一方面，本研究所用超高分子量聚乙烯纖維親水性較差，纖維也會在一定程度上阻礙砂漿內部水分的轉移，降低砂漿強度的增長速率.這兩種因素耦合可能使砂漿強度產生不規律的變化，當纖維摻入過量時，將降低3D打印再生砂漿早期強度的增長速率.

2.3 橫向變形

對試件截面積進行處理，得到試件在試驗過程中某時刻的平均直徑.取每個試件從開始到加載結束共5個時刻的平均直徑，用以表征試件橫向變形的程度，結果見圖6.由圖6可見：對于再生砂取代率高的試件R100，試件平均直徑明顯比無再生砂試件R0小，這是由于再生砂促進了砂漿強度和試件剛度的增長，在豎向荷載作用時，含再生砂的試件橫向變形小；纖維摻量對試件平均直徑的影響不明顯，各試件的平均直徑基本穩定在7.5～8.3 cm.

圖6 試件的平均直徑Fig.6 Mean diameter of specimens

2.4 濕坯強度

對于豎向荷載-位移曲線無明顯峰值荷載和下降段的試件，當應變達到33%時，整個試件已經嚴重破壞，此時的應變視為破壞極限應變；對于曲線有峰值荷載的試件，當應力達到峰值或應變達到破壞極限應變時，試件視為損傷.取具有峰值荷載的峰值應力或應變為33%時的應力作為濕坯強度.對試件的橫向變形進行處理后，可以得到考慮截面橫向變形的濕坯強度σf.

試件的濕坯強度見圖7.由圖7（a）可見：在試驗齡期范圍內，試件的濕坯強度隨齡期的變化總體符合線性規律；試件R0在齡期30 min時的濕坯強度為3.2 kPa，90、150 min的濕坯強度分別增加了約0.2、0.6倍；試件R50在30 min時的濕坯強度為14.0 k Pa，90、150 min下的濕坯強度分別提高了約0.3、0.6倍；試件R100在30 min時的濕坯強度為11.0 k Pa，90、150 min的濕坯強度分別提高了約1.6、3.3倍；50%、100%再生砂取代率的3D打印再生砂漿的濕坯強度增長速率分別為無再生砂砂漿的3.2、16.7倍.由此可見，試驗后期再生砂的摻入明顯提高了試件的濕坯強度.

R0、R50、R100的濕坯強度σf，0、σf，50、σf，100與齡期t的關系可擬合為：

由圖7（b）可見：當纖維摻量為0.25%、0.50%時，150 min時試件的濕坯強度僅為30 min時的1.3、1.5倍，而此時未摻纖維試件R50的強度為其30 min時的1.6倍，這說明纖維摻量對砂漿早期濕坯強度的增長效果微乎其微；當纖維摻量增大到1.00%時，從30 min到150 min，R50F3的濕坯強度大約增長了1.1倍，纖維的摻入加速了其早期強度的增長；當纖維摻量達到1.50%時，濕坯強度的發展卻處于十分低的水平，遠低于試件R50的同期濕坯強度，這說明過量纖維的摻入降低了3D打印再生砂漿早期濕坯強度的增長速率.

圖7 試件的濕坯強度Fig.7 σf of specimens

2.5 討論

開放時間為新拌砂漿保持可擠出性的時間范圍，對于3D打印砂漿具有重要意義.如果開放時間過短，材料會變硬導致流速和打印速率變慢，甚至造成堵塞；而如果開放時間過長，3D打印砂漿在堆積過程中會產生過大的變形，將對其可建造性產生不利影響.本文通過摻入不同取代率的再生砂從而獲得了不同開放時間的3D打印再生砂漿.由前文可知，在前30 min內，再生砂的作用不明顯，而隨著時間的推移，再生砂會促進材料的硬化，提高打印結構的可建造性.

實際3D打印施工過程可能持續數小時而不間斷.當打印結構因3D打印施工超過一定高度時，底部材料可能已經被擠壓超過90 min.若摻入再生砂，能提高底層砂漿的強度，有助于提高打印高度.但再生砂的摻入減小了3D打印再生砂漿的開放時間，也會導致諸如泵送過程中管道流動不連續等問題.因此，在實際使用中，有必要根據需求和實際情況，合理調整配合比和再生砂取代率.

3 結論

（1）3D打印再生砂漿典型的破壞模式有2種，齡期為30～60 min的試件表現為試件截面顯著增大，但未形成明顯的剪切破壞面；齡期為90～150 min的試件則破壞面明顯，出現了剪切裂縫，且橫向變形較小.

（2）在相同齡期下，隨著再生砂取代率的增加，試件的極限荷載和濕坯強度均增大，濕坯強度的大小與齡期基本呈線性關系，50%、100%再生砂取代率的砂漿濕坯強度增長速率分別是無再生砂砂漿的3.2、16.7倍.再生砂的摻入顯著促進了3D打印砂漿早期強度的增長，再生砂與水泥漿體之間的水分轉移改變了濕坯強度的增長速率.

（3）適量纖維的摻入對3D打印再生砂漿早期強度的影響不明顯，當纖維摻量在0.25%～1.00%時，試件濕坯強度與未摻纖維試件相比或高或低，差距基本在30%以內；當纖維摻量為1.50%時，試件濕坯強度僅相當于未摻纖維試件的50%左右，說明過量纖維的摻入將降低3D打印再生砂漿早期強度的增長速率.

（4）本文對3D打印再生砂漿的早期強度發展做了探討，并分析了再生砂對其強度發展的影響，但是試驗材料中未引入粗骨料，如何用粗骨料或再生粗骨料制作3D打印建筑材料是未來需要解決的新問題.