晏 娟,戴興健,劉維勝,王 歡,車玉君,楊華山

(貴州師范大學(xué) 材料與建筑工程學(xué)院,貴州 貴陽 550025)

0 引言

3D打印，又稱“增材制造”，是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，逐層打印構(gòu)造三維實(shí)體的一種新興技術(shù)，常用于制造模型及一些產(chǎn)品的直接制造[1-3]。以水泥基材料的3D打印技術(shù)也是其中一種，該技術(shù)在建造過程中不需要模板、振搗，可減少35%～60%的施工成本，能顯著提高施工速度。如，防疫智能測控方艙的建造技術(shù)，打印材料運(yùn)用了特配水泥基材料作為填充材料，構(gòu)件的設(shè)計(jì)、打印、安裝共花費(fèi)了11 d，而打印和安裝只花費(fèi)了1.5 d?？梢?，3D打印技術(shù)在一定程度上能節(jié)約建造時(shí)間及成本[4]。此外，建筑3D打印技術(shù)還可以對復(fù)雜建筑、復(fù)雜造型景觀部件進(jìn)行打印，能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化[5-6]。

隨著建筑市場的不斷發(fā)展，建筑材料的再次回收利用將成為一種常態(tài)，尤其是再生骨料(廢棄混凝骨料、碎磚骨料、陶瓷骨料等)的回收利用[7]。劉音等[8]研究顯示，對再生骨料進(jìn)行處理可得到再生骨料微粉，其摻量的大小對水泥基材料的強(qiáng)度有一定程度的影響，在微粉摻量達(dá)到10%時(shí)，可以適量降低水泥用量。此外，高效減水劑、纖維素等外加劑對水泥基材料的強(qiáng)度亦有較大影響。Sctlnitz等[9]研究顯示，纖維素具有一定的引氣效果，能產(chǎn)生大量的微觀氣孔，可導(dǎo)致表觀密度減小、抗壓強(qiáng)度降低?？梢姡O(shè)計(jì)合適的配合比，再生骨料微粉水泥基材料才能達(dá)到理想的工作性能和力學(xué)性能。

鑒于此，筆者用不同摻量的再生骨料微粉替代等量的普通硅酸鹽水泥，研究其對3D打印水泥基材料力學(xué)性能的影響，以期為再生骨料微粉在3D打印水泥基材料中的應(yīng)用提供參考與借鑒。

1 原材料與試驗(yàn)方法

水泥采用普通硅酸鹽水泥(P.O 42.5)，其XRD和激光粒度分析結(jié)果見圖1和圖2。從圖1中可以觀察到石膏、水泥熟料和碳酸鈣的衍射峰。

圖1 水泥的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of cement

從圖2中可以看出，大部分水泥顆粒的粒徑集中在35～100 μm之間。拌合水采用自來水。標(biāo)準(zhǔn)砂、聚羧酸減水劑和羥丙基甲基纖維素均為市購。

圖2 水泥粒度的粒度分布Fig.2 Particle size distribution of cement

再生骨料微粉為再生骨料加工過程中收集的粒徑小于0.08 mm的細(xì)粉，其背散射電子像見圖3。由圖3可見，再生骨料微粉主要由未水化的水泥顆粒、水化產(chǎn)物和孔隙組成。再生骨料微粉的XRD分析結(jié)果見圖4，由圖4可見，再生骨料微粉的主要礦物為鈣礬石、氫氧化鈣和碳酸鈣。

圖3 再生骨料微粉的BSE圖Fig.3 BSE image of recycled aggregate powder

圖4 再生骨料微粉的XRD圖譜Fig.4 XRD pattern of recycled aggregate powder

試驗(yàn)研究用配合比見表1。水膠比為0.35，膠砂比為1∶2.5，改變聚羧酸減水劑的摻量以使各個試樣的流動度基本保持相同。樣品打印后置于水泥混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)至規(guī)定的齡期，然后切割成40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件，測試其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。同時(shí)，采用試模成型了40 mm×40 mm×160 mm棱柱體試件和打印試件同條件養(yǎng)護(hù)至規(guī)定的齡期，并測試其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。3D打印試件的成型和測試方法參照文獻(xiàn)[10]。

表1 試驗(yàn)研究用配合比Tab.1 Mixture proportion

2 結(jié)果與分析

2.1 強(qiáng)度

由圖5(a)～(b)可知：3D打印試件和試模澆筑試件的3 d齡期的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均隨著再生骨料微粉摻量的增大呈先增大后減小的變化趨勢，在摻量為8%時(shí)，兩者均達(dá)到了最大值；隨著再生骨料微粉摻量的繼續(xù)增大，3D打印試件和試模澆筑試件的強(qiáng)度均呈下降趨勢。因此，再生骨料微粉的摻量建議在8%左右。其次，當(dāng)再生骨料微粉的摻量小于等于8%時(shí)，3D打印試件3 d齡期的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均超過了基準(zhǔn)樣。其中，再生骨料微粉的摻量在8%時(shí)，3D打印試件3 d齡期的抗折強(qiáng)度超過了基準(zhǔn)樣4.6%，抗壓強(qiáng)度超過了基準(zhǔn)樣5.5%。3 d齡期時(shí)強(qiáng)度的增大可歸因于再生骨料微粉在早齡期的加速效應(yīng)[11]，即，再生骨料微粉的存在可以使水泥水化過程的成核位壘降低，從而加速水泥的水化反應(yīng)，提高水泥基材料的早期強(qiáng)度。周長順等[12]研究顯示，再生骨料微粉對水泥基材料的抗壓強(qiáng)度增長具有一定的促進(jìn)作用。但是，受到再生骨料微粉活性的影響，水泥基材料的強(qiáng)度會隨著再生骨料微粉摻量的增加呈下降趨勢，而抗壓強(qiáng)度則在小摻量范圍內(nèi)與基準(zhǔn)樣的強(qiáng)度相近，這與張修勤等[13]、趙穎等[14]、劉音等[8]研究結(jié)果類似。此外，從圖5中還可知，再生骨料微粉摻量相同時(shí)，3D打印試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均低于澆筑試件。如再生骨料微粉的摻量為8%時(shí)，3D打印試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別低于試模澆筑試件8.9%和51.4%。相對于試模澆筑試件，3D打印試件強(qiáng)度的降低可歸因于試件的成型方法以及由此導(dǎo)致試件內(nèi)部的宏觀缺陷。

圖5 再生骨料微粉摻量對3D打印水泥基材料3 d齡期強(qiáng)度的影響Fig.5 Influence of recycled aggregate powder on the 3-days strength of 3D printing cementitious materials.(a) flexural strength, (b) compressive strength

由圖6(a)～(b)可知：再生骨料微粉對28 d齡期強(qiáng)度的影響規(guī)律與3 d齡期類似，即，3D打印試件和試模澆筑試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均隨著微粉摻量的增大先增大后減小，在摻量為8%時(shí)，兩者均達(dá)到了最大值。因此，再生骨料微粉的摻量宜在8%左右，過大的摻量可能導(dǎo)致水泥基材料強(qiáng)度的降低。其次，當(dāng)再生骨料微粉的摻量小于等于8%時(shí)，3D打印試件28 d齡期的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度也超過了基準(zhǔn)樣。如再生骨料微粉的摻量在8%時(shí)，3D打印試件28 d齡期的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別高于基準(zhǔn)樣15.2%和14.5%。這說明，適當(dāng)摻量的再生骨料微粉在28 d之后也能提高水泥基材料的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。其原因是再生骨料微粉中含有部分未水化水泥顆粒(見圖3)，再生骨料微粉中的CaCO3，能夠促進(jìn)未水化水泥顆粒中C3S和C3A的水化反應(yīng)[15]，它們的繼續(xù)水化可生成額外的水化產(chǎn)物并填充水泥基材料的孔隙，從而提高了材料的后期強(qiáng)度。比較3D打印試件和試模澆筑試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，28 d齡期時(shí)3D打印試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度仍然低于試模澆筑試件。如再生骨料微粉的摻量為8%時(shí)，3D打印試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別低于試模澆筑試件4.6%和41.7%。

圖6 再生骨料微粉摻量對3D打印水泥基材料28d齡期強(qiáng)度的影響Fig.6 Influence of recycled aggregate powder on the 28-days strength of 3D printing cementitious materials. (a) flexural strength, (b) compressive strength

2.2 宏觀缺陷分析

由圖7可知：打印試件斷面上的孔隙大多呈不規(guī)則的長條狀，且具有尖銳的棱角。而試模澆筑試件斷面上的孔隙大多呈圓形或橢圓形。若存在外在荷載，宏觀缺陷的存在將導(dǎo)致孔隙的進(jìn)一步發(fā)展，直至水泥基材料表面出現(xiàn)明顯的裂縫，致使材料的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)[16-18]。若宏觀缺陷的形貌如圖7(a)所示極不規(guī)則，則其尖銳的棱角處極易引起應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致水泥基材料在荷載作用下迅速破壞。其次，制備3D打印混凝土是通過逐層堆積的方法來實(shí)現(xiàn)，層與層之間的界面比較薄弱，也容易形成冷縫和孔隙，導(dǎo)致3D打印混凝土強(qiáng)度降低[19]，而試模澆筑試件中孔隙的棱角較少，因此其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均高于3D打印的試件[20]。再次，試模澆筑成型的試件在振實(shí)過程中也能排出部分較大的氣泡，材料的結(jié)構(gòu)較為致密，這也是其強(qiáng)度較高的主要原因。

(a)3D打印試件斷面 (b)試模澆筑試件斷面圖7 典型的3D打印試件斷面和試模澆筑試件斷面Fig.7 Typical section of 3D printing specimen and mold casting specimen

3 結(jié)論

1)8%左右的再生骨料微粉可提高3D打印水泥基材料的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度。

2)再生骨料微粉的加速效應(yīng)提高了3D打印水泥基材料的早期強(qiáng)度，在水化后期，再生骨料微粉中未水化水泥顆粒的繼續(xù)水化亦可提高水泥基材料的強(qiáng)度。

3)3D打印試件內(nèi)部宏觀缺陷的形貌特征和密實(shí)性是其強(qiáng)度低于試模澆筑試件強(qiáng)度的主要原因。