3D打印金尾礦砂超高性能混凝土的力學性能研究

朱春紅 周 凱 何 磊

(1.南寧市武鳴區市場檢驗檢測服務中心,廣西 南寧 530199;2.廣西大學土木建筑工程學院,廣西 南寧 530004;3.中國建筑第二工程局有限公司,湖北 武漢 430070)

作為增材制造手段的3D打印技術采用自下而上的制造方法,通過逐層打印將數字模型轉化成實體。3D打印混凝土比傳統的混凝土施工更加自動化和智能化,整個3D打印過程由計算機程序控制,不需要任何模具,從而提高了施工效率,減少了繁瑣的施工工序,節約了人工成本[1-3]。同時,3D打印混凝土技術可以打印復雜的異型構件,不僅豐富了建筑的美觀性,而且符合社會經濟效益[4-8]。超高性能混凝土(UHPC)是一種兼具超高強度、優異韌性、高耐久性和良好動態性能的新型水泥基材料[9-13],制備3D打印超高性能混凝土材料可有效推進該技術的工程化發展,而3D打印混凝土需具備黏塑性賓漢姆流體特性,賓漢姆流體特性是在新拌狀態且在外力作用下的黏塑性漿體的流動性,因此為滿足這一特性,需要對3D打印混凝土的可打印性和流變性進行深入研究。

隨著工業的發展和城市化的推進,一方面建筑業對骨料的需求量越來越大,而滿足建筑要求的天然資源卻越來越少,另一方面產生了越來越多的建筑固體廢物和工業固體廢物。為了減少天然骨料的開發利用,工業和建筑固體廢棄物的再利用是必然趨勢[14-15]。目前,許多學者嘗試將金尾礦砂替代細骨料用來制備混凝土,以緩解自然資源匱乏所帶來的問題。李志強等[16]選取水灰比、金尾礦砂取代率、再生粗骨料取代率和粉煤灰摻量為變量,得到了金尾礦砂再生混凝土抗壓強度、抗拉強度兩種性能指標,并基于力學性能進行了配比優化組合研究。劉競怡等[17]通過改性劑對金尾礦砂進行了表面涂覆改性,將改性后的金尾礦砂取代部分河砂作為全集料進行了混凝土試配試驗。結果表明,金礦尾礦砂粒度過細,泥塊含量超標,棱角尖銳,直接作為集料對混凝土性能不利,通過改性劑涂覆可有效降低金尾礦砂顆粒間的黏聚力和內摩擦角。

本文擬采用金尾礦砂替代部分細骨料,利用3D打印技術制備成金尾礦砂超高性能混凝土。在金尾礦砂替代率分別為0%、10%、20%、30%和40%條件下,對其可打印性、流變性、可建造性和抗壓強度、抗彎強度等力學性能進行了研究。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

金尾礦砂:表觀密度為2 814 kg/m3,堆積密度為1 145 kg/m3,含泥量為3.8%,顆粒粒徑小于0.1 mm含量約為10.4%,0.1～0.5 mm含量約為70.2%,大于0.5 mm含量約為19.4%,細度模數為1.8,屬于細砂。金尾礦砂化學成分分析結果見表1。

表1 金尾礦砂化學成分分析結果Table 1 Chemical composition analysis results of gold tailings sand %

河沙:表觀密度為2 751 kg/m3,堆積密度為1 672 kg/m3,吸水率為2.3%。河砂化學成分分析結果見表2。

表2 河沙化學成分分析結果Table 2 Chemical composition analysis results of river sand %

水泥:P·O 52.5普通硅酸鹽水泥,28 d抗壓強度為54.5 MPa,28 d抗折強度為8.3 MPa。水泥化學成分分析結果如表3所示。

表3 水泥化學成分分析結果Table 3 Chemical composition analysis results of cement %

粉煤灰:Ⅰ級粉煤灰,表觀密度為1.94 g/cm3,CaO質量分數為18.9%。

減水劑:高效引氣減水劑,減水率大于25%。

硅灰:SiO2質量分數為95%。

鋼纖維:鍍銅圓直鋼纖維,長13.0 mm,直徑0.2 mm,長徑比為65,抗拉強度為1 100 MPa。

1.2 配合比設計

3D打印金尾礦砂UHPC的配合比如表4所示,金尾礦砂的替代率分別為0%、10%、20%、30%和40%,制備好的UHPC養護28 d后進行試驗。UHPC的水膠比為0.2,砂膠比為1.1,鋼纖維體積摻量為2%。

表4 混凝土的配比Table 4 Concrete mix proportioning

1.3 試驗方法

3D打印金尾礦砂UHPC的凝結時間按照JGJ/T 70—2009中的貫入阻力法測定[18],流動度和坍落度測試依據GB/T 2419—2005測定[19],可打印性通過凝結時間、流動度和坍落度來表征。流變性是研究水泥基材料在不同剪切速率下抵抗剪切流動的能力,其中的流變參數分別為靜態屈服應力、動態屈服應力和塑性黏度,使膠凝材料開始流動的最大剪應力為靜態屈服應力,維持材料流動的剪應力為動態屈服應力。剪切速率在60 s內從0增加到100 s-1,然后在60 s內降低為0,測得3D打印金尾礦砂UHPC的靜態屈服應力、塑性黏度和動態屈服應力。可建造性可通過結構變形率來表征。

抗壓強度和抗彎強度測試根據GB/T 50081—2019進行[20],抗壓強度試件采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件,抗彎強度試件采用40 mm×40 mm×160 mm,抗壓強度和抗彎強度測試分別在養護齡期3、7、14 d和28 d進行測試。

2 試驗結果與討論

2.1 可打印性

2.1.1 凝結時間

圖1為金尾礦砂摻量對3D打印UHPC凝結時間的影響。

圖1 金尾礦砂摻量對凝結時間的影響Fig.1 Effect of gold tailings sand mixing amount on setting time

從圖1可以看出,初凝時間和終凝時間隨著金尾礦砂摻量的增加呈現逐漸減小的趨勢,這可能是因為在水灰比不變的情況下,金尾礦砂摻量的增加,提高了UHPC基體的黏度,金尾礦砂的摻入延緩了膠凝材料的水化過程,更容易形成致密的空間網絡體系。

2.1.2 流動度與坍落度

圖2為金尾礦砂摻量對3D打印UHPC流動度和坍落度的影響。

圖2 金尾礦砂摻量對流動度和坍落度的影響Fig.2 Effect of gold tailings sand mixing amount on fluidity and slump

從圖2可以看出,隨著金尾礦砂摻量的增加,3D打印UHPC的流動度和坍落度顯著降低。用金尾礦砂代替河沙來制備3D打印UHPC可以降低UHPC基體的流動性,這是由于金尾礦砂的顆粒與天然砂相比更小,當金尾礦砂替代率超過40%時,UHPC基體的可擠出性變差,孔隙率變高。相關文獻研究表明3D打印混凝土的工作性能與塑性黏度和屈服應力密切相關[21]。

2.2 流變性

2.2.1 剪切應力、屈服應力與塑性黏度

圖3為不同金尾礦砂摻量的3D打印UHPC剪切應力與時間之間的變化曲線。

圖3 金尾礦砂摻量對剪切應力的影響Fig.3 Effect of gold tailings sand mixing amount on shear stress

從圖3可以發現,剪切應力隨剪切時間的延長先增大,然后逐漸減小至一個穩定值,剪切應力曲線的峰值代表靜態屈服應力。UHPC的靜態屈服應力隨著金尾礦砂摻量的增加而顯著增加,當金尾礦砂摻量大于30%時,游離水含量和水化過程中顆粒的絮凝對UHPC的靜態屈服應力有很大影響。一方面,金尾礦砂可以填充顆粒之間的微孔,從而增加UHPC基體中顆粒之間碰撞的可能性。因此,UHPC流動所需的剪切應力增加。另一方面,金尾礦砂由于其較高的比表面積而需要大量的水來潤濕表面,這減少了UHPC基體中游離水的含量并增加了顆粒之間的摩擦。另外,金尾礦砂的摻入會引起膠凝材料的絮凝,有利于增加UHPC基體中的內摩擦力。雖然金尾礦砂的摻加可以阻礙膠凝材料的水化,但其對UHPC的靜態屈服應力的影響甚微。

表5為3D打印UHPC的動態屈服應力和塑性黏度。金尾礦砂的摻入提高了UHPC的動態屈服應力和塑性黏度。金尾礦砂摻量越高,UHPC的動態屈服應力和塑性黏度越高。此外,UHPC的流動性與其動態屈服應力和塑性黏度密切相關,UHPC的流動性隨著動態屈服應力和塑性黏度的增加而降低,這可以從圖2所示的金尾礦砂摻量對UHPC流動性的影響中得到證實。與未摻加金尾礦砂的G0組相比,G40組的動態屈服應力和塑性黏度分別提高了53.6%和120.1%。動態屈服應力和塑性黏度的增加主要是由于UHPC砂漿中更多的顆粒團聚導致的游離水的減少,這意味著需要更高的剪切力來維持UHPC基體的流動性。此外,動態屈服應力和塑性黏度的增加也表明金尾礦砂的摻入可以改善水泥砂漿的黏聚力。

表5 金尾礦砂摻量對動態屈服應力與塑性黏度的影響Table 5 Effect of gold tailings sand mixing amount on dynamic yield stress and plastic viscosity

2.2.2 可建造性

可建造性是指3D打印UHPC在上層自重逐漸增大的情況下保持分層形狀的能力,結構變形率是評價3D打印混凝土實用性的重要指標之一,金尾礦砂摻量對3D打印UHPC的結構變形率的影響如圖4所示。

圖4 金尾礦砂摻量對結構變形率的影響Fig.4 Effect of gold tailings sand mixing amount on structural deformation rate

從圖4可以看出,金尾礦砂摻量的增加可以減小結構變形。當金尾礦砂摻量為40%時,3D打印UHPC的結構變形率降低到4.5%。此外,3D打印UHPC的結構變形與基體本身承受自重的能力和噴嘴的連續擠出有關,流變參數對其也有顯著影響。由于金尾礦砂的體積密度比天然河沙低,試驗中需要克服的自重也隨著金尾礦摻量的增加而逐漸減小。因此,金尾礦砂的摻入不僅可以提高UHPC的靜態屈服應力和動態屈服應力,還可以保持基體的連續擠出。此時,較高的靜態屈服應力可以提高3D打印UHPC的可建造性。

圖5、圖6為3D打印UHPC的結構變形率與動態屈服應力和塑性黏度的相關性。結構變形率與動態屈服應力和塑性黏度具有良好的相關性。隨著動態屈服應力的增加,3D打印UHPC的結構變形率顯著減小。試驗結果進一步證明了一定的動態屈服應力和良好的塑性黏度可以抵抗3D打印金尾礦砂UHPC基體的變形。

圖5 結構變形率與動態屈服應力之間的關系Fig.5 Relationship between structural deformation rate and dynamic yield stress

圖6 結構變形率與塑性黏度之間的關系Fig.6 Relationship between structural deformation rate and plastic viscosity

2.3 力學性能

圖7、圖8為3D打印UHPC在3、7、14、28 d養護齡期時的抗壓強度和抗彎強度。養護齡期為3 d和7 d時,金尾礦砂的摻量對UHPC的抗壓強度沒有顯著影響,摻加金尾礦砂的UHPC的抗壓強度略低于G0組的抗壓強度,這主要是因為金尾礦砂的摻入延緩了膠凝材料的水化過程,從而降低了UHPC的抗壓強度。養護齡期為14 d和28 d時,當金尾礦砂摻量低于20%,金尾礦砂的摻入提高了UHPC的抗壓強度,金尾礦砂摻量為20%時,UHPC在14 d和28 d的抗壓強度分別為104 MPa和119 MPa,G20組的抗壓強度較G0組分別提高了10.6%和13.3%。金尾礦砂的表面較為粗糙,顆粒之間的機械咬合力可以在UHPC基體中產生更好的黏附作用,從而增加UHPC的抗壓強度。當金尾礦砂的替代率超過20%時,UHPC的抗壓強度呈下降趨勢,因為金尾礦砂的力學性能較差,比天然河沙更容易被破壞。

圖7 金尾礦砂摻量對抗壓強度的影響Fig.7 Effect of gold tailings sand mixing amount on compressive strength

圖8 金尾礦砂摻量對抗彎強度的影響Fig.8 Effect of gold tailings sand mixing amount on bending strength

從3D打印金尾礦砂UHPC的抗彎強度圖中可以看出,抗彎強度測試結果與抗壓強度變化規律大致相同。在28 d時,G10組的抗彎強度低于G0組,但當金尾礦砂替代率為20%時,UHPC的抗彎強度最高。研究認為,適當比例的金尾礦砂替代天然河沙可以與波特蘭水泥形成致密的固體基質,有利于UHPC抗彎強度的提高。

3 結 論

(1)金尾礦砂摻量的增加,延緩了膠凝材料的水化過程,提高了3D打印UHPC基體的黏度,更易形成致密的空間網絡體系。隨著金尾礦砂摻量的增加,3D打印UHPC的流動度和坍落度顯著降低。

(2)金尾礦砂摻量越高,靜態屈服應力、動態屈服應力和塑性黏度越高,結構變形越小,一定的動態屈服應力和良好的塑性黏度可以抵抗3D打印金尾礦砂UHPC基體的變形。

(3)當金尾礦砂摻量為20%時,3D打印UHPC的抗壓強度和抗彎強度最高,金尾礦砂摻量大于20%時,UHPC的抗壓強度和抗彎強度呈下降趨勢。