低水泥用量3D打印混凝土流變性能及打印性能研究

王天恒,王 勝,陳 旭,崔維久,,2,*,王 猛

(1.青島理工大學 a.土木工程學院;b.智能建造實驗室,青島 266525;2.青建集團股份公司,青島 266071)

3D打印技術又稱增材制造技術[1],是一種新型的快速建造技術,具有自動化程度高、效率高、材料成本低等特點。該技術不僅在工業(yè)設計、醫(yī)療、航空航天、制造業(yè)等領域[2]中廣泛應用,也為建筑行業(yè)帶來新的挑戰(zhàn)和機遇。水泥基打印材料雖在不斷改進優(yōu)化,但水泥用量過高的問題仍然存在,且對礦物摻合料的品質要求過高。此類原材料特點不符合國家雙碳發(fā)展理念,也制約了3D打印混凝土(3DPC)規(guī)模化應用。因此,除對3D打印材料性能進行研究,還需結合建筑業(yè)綠色發(fā)展要求進一步探索如何減少3DPC中水泥用量。

3DPC對混凝土性能提出了更高的要求[3],準確的性能預評價及適宜的測試手段[4]是3D打印混凝土成功的關鍵所在。目前大多數(shù)研究者通常采用跳桌擴展度[5]、擠出一致性[6]、最大建造層數(shù)[7]等測試方法對3DPC進行性能評價,此類方法雖直觀簡單,但缺乏機理分析。流變性能是決定混凝土工作性能的本質因素,足夠的剪切應力可以抵抗由于打印層自重及其上層重量而引起的變形[8]。流變性能的引入可提高3DPC性能評價的準確性[9],MOHAN等[10]認為動態(tài)屈服應力和塑性黏度可較好地評價打印材料的可擠出性,PANDA等[11]利用靜態(tài)屈服應力大小來評價3DPC的可建造性。綜上可看出,研究材料的流動性能及流變性能變化規(guī)律是檢驗材料能否3D打印的必經(jīng)之路。

本文考慮3D打印混凝土綠色化發(fā)展需要,共設計6組低水泥用量的混凝土材料,分別探究其流動性能、流變性能變化規(guī)律,并建立3DPC流變性能與打印性能的相關關系,獲取可打印流變參數(shù)范圍。以期推動3DPC可打印性能的評價發(fā)展,為3DPC綠色化應用提供參考建議。

1 試驗

1.1 原材料及配合比

本試驗主要原材料包括:普通硅酸鹽水泥P·O 52.5,比表面積為410 m2/kg;砂,水洗機制砂,最大粒徑≤3 mm,含水量為 0%;減水劑為聚羧酸高效減水劑,固含量為25%,減水率≥30%;羥丙基甲基纖維素醚(HPMC),乳白色顆粒狀粉末,黏度為4000 Pa·s,密度為1.37 g/mL;礦粉,含水量為0.2%;硅灰采用微硅粉,較一般硅灰品質低,其性能指標如表1所示。

表1 硅灰的主要技術性能

根據(jù)文獻調研結果[12-14],本研究選取青島地區(qū)常用摻合料粉煤灰、礦粉、微硅粉作為主要水泥基材替代組分,水泥替代量設置為40%,50%兩組別。根據(jù)調研,所研究的3D打印混凝土強度設置在C30-C40,將水膠比設置為0.30,0.35。通過前期試驗結果發(fā)現(xiàn),膠砂比為1∶1.0,1∶1.5時所設計的材料打印性能良好。此外,前期試驗中通過擠出性和建造性調試,確定HPMC含量為0.1%～0.2%,確定減水劑為0.5%～2.0%。最終,選取6組具有代表性的配合比,如表2所示。其中,減水劑、HPMC用量為膠凝材料的質量分數(shù)。

表2 3D打印混凝土配合比

1.2 試驗方法

1.2.1 流動性能測試

流動性能測試參照《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T 2419-2005)進行,流動性能由跳桌擴展度表征,如圖1所示。將測試試樣放置于截圓錐模中,表面刮平,移除截圓錐模(圖1(a)),均勻跳動25次,待其穩(wěn)定后記錄擴展度,如圖1(b)所示。

圖1 流動性能測試

1.2.2 流變性能測試

流變試驗采用的是德國史萊賓格公司的eBT-V混凝土流變儀,如圖2所示。該流變儀為同軸圓筒型流變儀,由裝料筒、電機和葉片組成。測試時主要是通過電機帶動葉片旋轉獲取轉速及扭矩,并利用藍牙功能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苁謾C上,再根據(jù)假定的流變模型,計算得到流變參數(shù)。

圖2 eBT-V流變儀

根據(jù)相關文獻[15]及前期測試經(jīng)驗,以恒定低轉速0.5 r/min進行持續(xù)剪切180 s,當測得扭矩達到最大值時,進而轉換為應力值,得到靜態(tài)屈服應力。動態(tài)屈服應力測試時采用如圖3所示階梯段方式進行設置,剪切時間總長為80 s,預剪切20 s,測試時最大剪切轉速設定為30 r/min,最小剪切轉速設定為3 r/min,各測試點均勻遞減,每個測試點的測量間隔為10 s,進行持續(xù)剪切。

圖3 動態(tài)屈服應力設置方式

1.2.3 打印性能測試

打印試驗采用自主研發(fā)的3D打印框架機,如圖4所示,幾何尺寸為2 m×2 m×2 m(X,Y,Z)。該3D打印機由打印機系統(tǒng)和附屬部分組成。打印機系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、步進裝置、打印頭組成,打印頭直徑為20 m。附屬部分由打印平臺、整體框架等組成。該打印系統(tǒng)中擠出螺旋轉速為1 mm/s,打印噴嘴行走速度為35 mm/s,另外打印單次提升高度為10 mm。

圖4 3D打印框架機整體架構

3D打印試驗包括可擠出性和可建造性測試。可擠出性以擠出條帶表觀質量及擠出連續(xù)性為主要衡量指標,如圖5(a)所示,而可建造性則以混凝土可打印的最大層數(shù)作為衡量指標,如圖5(b)所示。

圖5 打印性能測試

2 試驗結果分析與討論

2.1 流動性能與流變性能變化規(guī)律

2.1.1 流動性能變化規(guī)律

不同組別混凝土跳桌擴展度如圖6所示,藍色和綠色分別代表水泥含量為50%,60%組別。由圖6易得,B2組別的跳桌擴展度最小,為150 mm,而B4組別的跳桌擴展度最大,為200 mm。相對水泥占60%組別來說,水泥占50%組別流動度整體偏大,但這不能說明跳桌擴展度受水泥含量影響。造成此現(xiàn)象的原因主要有2個方面:①粉煤灰能夠發(fā)揮“滾珠效應”,提高流動性;②較多減水劑可釋放水分促進流動性,且過少或過高HPMC用量都會造成增稠效果差的問題。綜上可得,降低水泥用量不影響混凝土的跳桌擴展度,可借助跳桌擴展度進行低水泥用量混凝土打印性能的簡單評價。

2.1.2 流變性能變化規(guī)律

不同配合比混凝土靜態(tài)屈服應力隨時間增長趨勢如圖7所示。由圖7易得,各組別混凝土靜態(tài)屈服應力均隨時間增長而增大。其中,B2組的靜態(tài)屈服應力最大,初始值為3674.15 Pa,45 min時增長為4712 Pa,主要原因是硅粉[16]可提高混凝土的致密性、結構重建速率,從而提高屈服應力和塑性黏度,另外較低的水灰比、較高的膠砂比可提高屈服應力的發(fā)展,對可建造性更為有利。B4組的靜態(tài)屈服應力最小,初始值為648.14 Pa,且隨時間發(fā)展較慢,45 min時僅為763.2 Pa,主要原因:①粉煤灰過多,研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰[17]起到“滾珠效應”,可提高混凝土的流動性,降低屈服應力及延緩屈服應力的發(fā)展;②較少的HPMC用量不能起到增稠作用。

不同配合比混凝土動態(tài)屈服應力及塑性黏度如圖8所示。B4表現(xiàn)出最低的動態(tài)屈服應力,主要因為粉煤灰可提高流動性,且過多外加劑用量導致黏結性差、建造性差。B2表現(xiàn)出最大的動態(tài)屈服應力和塑性黏度,主要原因是硅灰可提高混凝土的屈服應力,且膠砂比較大可提高建造性。上述規(guī)律揭示屈服應力和塑性黏度呈正相關,當屈服應力變大時,塑性黏度也會變大。

2.1.3 流變性能與流動性能相關關系

測試混凝土的跳桌擴展度與靜態(tài)、動態(tài)屈服應力相關關系如圖9所示。由圖9易得,隨著跳桌擴展度的增大,靜態(tài)屈服應力和動態(tài)屈服應力均呈現(xiàn)下降的趨勢,說明跳桌擴展度與靜態(tài)、動態(tài)屈服應力成反比關系。當跳桌擴展度為150 mm時,靜態(tài)屈服應力、動態(tài)屈服應力分別達到3674.15,486.4 Pa。而當跳桌擴展度達到200 mm時,靜態(tài)屈服應力、動態(tài)屈服應力僅分別達到648.14,161.43 Pa。上述規(guī)律進一步表明,在流動性評價的基礎上,將靜態(tài)、動態(tài)屈服應力納入評價體系可以提高3DPC性能評價的準確性。

2.2 打印性能影響分析

2.2.1 跳桌擴展度對打印性的影響

測試混凝土的跳桌擴展度與最大打印層數(shù)關系如圖10所示。由圖10易得,隨著跳桌擴展度的增大,可打印層數(shù)先增加后減少。當跳桌擴展度在200 mm時,打印層數(shù)僅為5層,高含量粉煤灰大幅度提高混凝土流動度,導致可建造性降低。當跳桌擴展度在150 mm時,打印層數(shù)為7層,混凝土流動性過差導致可擠出性差。當跳桌擴展度為160 mm時,打印層數(shù)可達到26層。結果發(fā)現(xiàn),當跳桌擴展度在160～200 mm,打印層數(shù)呈現(xiàn)逐次下降的趨勢,其中跳桌擴展度在160～180 mm時打印性能更優(yōu)。

圖10 跳桌擴展度與打印層數(shù)的關系

2.2.2 靜態(tài)屈服應力對打印性能的影響

混凝土靜態(tài)屈服應力大小與實際打印層數(shù)的對應關系如圖11所示。由圖11易得,混凝土可打印層數(shù)隨靜態(tài)屈服應力增加而增加,但增加到一定數(shù)值后出現(xiàn)銳減。B4組的靜態(tài)屈服應力最低,打印層數(shù)亦最低,僅為5層。B2組的靜態(tài)屈服應力達到最高,而打印層數(shù)僅為7層。主要原因是過高靜態(tài)屈服應力使混凝土難以擠出,從而導致建造性差,出現(xiàn)局部斷裂。另外,B3,B1,B5,B6組的打印層數(shù)分別達到26,25,20,17層,對應的靜態(tài)屈服應力分別為2413.0,2248.2,2079.8,1445.5 Pa。此規(guī)律證明當靜態(tài)屈服應力達到(2300±200) Pa時,3DPC具有較好的打印性能,并且在可連續(xù)擠出的前提下,打印層數(shù)越高打印性能越好。

2.2.3 動態(tài)屈服應力對打印性能的影響

混凝土動態(tài)屈服應力大小與實際打印層數(shù)的關系如圖12所示。由圖12易得,打印層數(shù)隨動態(tài)屈服應力增長而增加,增加到一定數(shù)值后出現(xiàn)銳減。B4組的動態(tài)屈服應力最低,打印層數(shù)亦最低,僅為5層。而B2組的動態(tài)屈服應力達到最高,而打印層數(shù)僅為7層。主要原因是動態(tài)屈服應力過高對混凝土可擠出性有較大影響。試驗結果表明:當動態(tài)屈服應力達到341.2 Pa時,打印層數(shù)最高可達26層。當動態(tài)屈服應力分別為307.1,275.3 Pa時,打印層數(shù)分別可達20,17層。這同時證明當動態(tài)屈服應力在(310±30) Pa時,3DPC具有較好的打印效果。

綜上所述,流動性能從宏觀表現(xiàn)評價混凝土3D打印性能,流變參數(shù)從內在機理層面描述混凝土的3D打印性能。這兩者中前者測試簡單,后者學術機理明確,利用流動性能、流變性能及打印性能的相關關系為指導后續(xù)打印性能提供準確評價。

3 結論

本文研究了低水泥用量混凝土的流動性能、流變性能變化規(guī)律,并對其打印性能進行評價,主要結論如下:

1) 依據(jù)本研究的實際打印效果分析,在可連續(xù)擠出的前提下,打印層數(shù)越高打印性能越好。對于B3組(水泥50%+粉煤灰15%+礦粉30%+硅灰5%),膠砂比為1∶1時,打印層數(shù)最高可達26層,說明所設計低水泥用量膠凝材料滿足3D打印要求。

2) 跳桌擴展度在160～180 mm,靜態(tài)屈服應力在(2300±200) Pa,動態(tài)屈服應力在(310±30) Pa時,3D打印混凝土具有較優(yōu)的打印性能。

3) 研究發(fā)現(xiàn)流動性能與流變性能具有較好的關聯(lián)性,可綜合運用兩者進行3D打印混凝土性能評價。