柏美巖，肖建莊，高 琦，沈劍羽，侯逸青，王浩通，馬亞輝

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；2.許昌金科資源再生股份有限公司，河南 許昌 461001）

據(jù)2017年《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告》提供的數(shù)據(jù)估算，中國現(xiàn)每年約有（18～20）×108t的棄土產(chǎn)生［1-2］。工程棄土主要來源于房地產(chǎn)開發(fā)、地鐵工程、城中村改造、市政建設(shè)等，各類來源的棄土約占年建筑垃圾產(chǎn)生總量的50%，主要的處置途徑為回填、堆山造景等，但總體利用率較低，浪費嚴(yán)重。存量如此巨大的工程棄土若可用作建筑材料來填補(bǔ)日益匱乏的自然資源，將給經(jīng)濟(jì)和生態(tài)等方面帶來可觀的收益［3-6］。隨著擠出成型3D打印工藝逐漸應(yīng)用在建筑工程領(lǐng)域［7-10］，該工藝可滿足定制化產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)，且結(jié)構(gòu)形式越復(fù)雜，其優(yōu)勢越明顯［11］。Silveira等［12］將桌面3D打印過程和微型螺桿噴頭擠出工藝相結(jié)合，李耀剛等［13］以擠出方式進(jìn)行陶瓷漿料的3D打印，克服了陶瓷材料難以通過傳統(tǒng)制造方法成型的缺陷，以上均驗證了以擠出成型方式進(jìn)行不同材料3D打印的可行性，也為工程棄土以螺桿擠出方式進(jìn)行3D打印和棄土的高效再利用提供了新思路。

以建筑渣土作為原材料可高效生產(chǎn)能滿足不同工況需求的均質(zhì)生態(tài)磚［14］。已有學(xué)者利用造紙廠污泥［15］、粒狀高爐礦渣［16］、工業(yè)陶瓷污泥［17］、煤矸石［18］等廢棄物來制備燒結(jié)磚，但是利用工程棄土制備生態(tài)磚的案例并不多見［19］，其一是工程棄土來源廣泛，不同地區(qū)土樣的工程性質(zhì)差別較大，粉質(zhì)類型棄土的可塑性較差；二是工程棄土作為生態(tài)磚的復(fù)配比例不易控制，導(dǎo)致棄土利用率低，成品率不高。為改善 部 分 土 體 的 工 程 性 質(zhì)，Polito等［20］和Thevanayagam等［21］通過砂土復(fù)配試驗表明土體中細(xì)粒含量對砂土力學(xué)性質(zhì)影響較大，陳永健等［22］通過試驗表明砂土黏聚力隨著黏粒含量的增加而增加。黎亮等［23］通過擊實特性試驗發(fā)現(xiàn)隨著黏土摻量的增加，砂土的壓實度也隨之增加，且摻量越大越明顯。Schmitz等［24］通過等效層間距的概念來解釋黏土可塑性的形成機(jī)制，增加黏粒的含量，可提高土體的可塑性。賀智強(qiáng)等［25］和張建偉等［26］通過在粉質(zhì)砂土中摻入木質(zhì)素粉末來提升土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，且存在最優(yōu)摻量。

因此，本文設(shè)計了13種不同配合比的復(fù)配棄土，通過室內(nèi)擠出成型3D打印試驗、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗和直剪試驗，研究了黏質(zhì)土摻量和不同摻料對工程棄土螺桿擠出3D打印過程中可擠出性和力學(xué)性能的影響，同時分析了不同摻料對土樣黏聚力的內(nèi)在作用，探討了河砂和再生粉作為工程棄土摻料的可行性。并通過實體建模，驗證了不同摻料對工程棄土擠出打印過程中的應(yīng)力分布影響規(guī)律，以期為工程棄土的資源化利用提供一定的應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 試驗過程

1.1 材料物理性能指標(biāo)

試驗所用工程棄土取自河南省許昌市不同工地開挖基坑，分別為被標(biāo)記為XCY、XCB，后綴Y代表取自粉質(zhì)砂性土層，B代表取自黏質(zhì)土層，將土樣風(fēng)干碾碎過1 mm篩備用。由于工程棄土成分復(fù)雜，可能會摻雜不同的砂石或建筑廢棄物，因此考慮將河砂和再生粉作為取代物［27］。其中河砂為普通細(xì)砂，細(xì)度模數(shù)1.97，再生粉由含紅磚及混凝土的建筑垃圾破碎、篩分、風(fēng)選后得到，飽和吸水率為10%～12%。所用材料如圖1所示，圖2為再生粉和河砂的顆粒級配。表1和表2為所用棄土和不同摻料的基本物理特性指標(biāo)，表3為所取粉質(zhì)砂性土和黏質(zhì)土的礦物成分含量。

表1 不同土樣基本物理指標(biāo)Tab.1 Basic physical indexes of different spoil

表2 不同摻料基本物理指標(biāo)Tab.2 Basic physical indexes of different admixtures

表3 不同來源棄土礦物成分含量Tab.3 Mineral composition of spoil from different sources

圖1 試驗用原材料Fig.1 Raw materials

圖2 再生粉和河砂的顆粒級配Fig.2 Size distribution of recycled powder and river sand

1.2 配合比設(shè)計

表4為棄土復(fù)配的配合比設(shè)計，M 1～M5是將XCY作為基底，摻入質(zhì)量取代率分別為90%、70%、50%、30%、10%的XCB復(fù)配制成。同時，將M3作為未添加摻料對照組，AS1～AS4和AR1～AR4分別為將河砂和含紅磚再生粉作為摻料對粉質(zhì)土進(jìn)行取代，質(zhì)量取代率分別為5%、10%、15%、20%。由于試驗主要探討?zhàn)ね梁筒煌瑩搅蠈壨翑D出打印過程的影響，所以復(fù)配過程中用水量將根據(jù)M3對照組的最佳含水率來確定。

表4 棄土復(fù)配配合比設(shè)計Tab.4 Mix design of admixture

1.3 試驗方案

1.3.1 工程棄土打印過程控制

工程棄土擠出成型打印過程由PCCER型打印系統(tǒng)完成，該系統(tǒng)由控制器、送料倉、擠出螺桿、受壓密實段和可定制化的擠出頭組成。打印過程設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速為15 r·min－1，棄土擠出速度為2 mm·s－1，擠出頭部位可根據(jù)不同的磚外形進(jìn)行定制，本試驗棄土磚擠出規(guī)格分別為147 mm×28 mm×17 mm的無孔實心磚和147 mm×48 mm×26 mm的雙孔磚，分別用前綴M和A表示。圖3為棄土復(fù)配擠出打印流程圖，首先將所有原料分別進(jìn)行干燥，研磨和篩分，用機(jī)械攪拌器將粉末混合物攪拌30 min以確保均勻，再分批加水直至滿足土樣塑限指標(biāo)，經(jīng)過練泥和密封陳化3 d后置入打印系統(tǒng)送料倉進(jìn)行棄土磚的擠出打印，經(jīng)打印成型后再用鋼絲線切割即可完成固定規(guī)格棄土磚的制備。

圖3 棄土復(fù)配擠出打印過程Fig.3 Extrusion process of construction spoil

1.3.2 土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是反映土體改良效果的重要指標(biāo)［28］，試驗按照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430—2020）［29］中的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法進(jìn)行。將經(jīng)烘干過篩后的棄土土樣和不同摻入比的添加料混合，在攪拌過程中分批加水至土樣的最佳含水率，裝入密封塑料袋靜置24 h后分別進(jìn)行擊實處理和擠出處理，再利用切土盤將土樣切為直徑61.8 mm，高100.0 mm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)無側(cè)限抗壓試樣，每種復(fù)配比例的試樣分別制備3個平行試樣，將同組試樣的算術(shù)平均值作為該組的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。試驗加載速率為1 mm·min－1，當(dāng)試驗的壓力-位移曲線出現(xiàn)峰值和明顯下降段時即可停止試驗，將記錄的峰值壓力按式（1）進(jìn)行計算，最終得到工程棄土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變關(guān)系。

式中：fcu為棄土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；P為受壓破壞后的最大荷載；A為試樣的橫截面積。

1.3.3 土樣直剪試驗

棄土的直剪試驗按照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430—2020）中的室內(nèi)快速剪切試驗方法進(jìn)行，用環(huán)刀對擊實和擠出處理后的圓柱土樣切割成直徑61.8 mm，高20.0 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，每組預(yù)留4個平行試樣，置入應(yīng)變控制式直剪儀中進(jìn)行試驗，使試樣以0.8～1.2 mm·min－1的速率剪切直至破壞。

1.3.4 掃描電鏡（SEM）試驗

選取M3和AR1作為對比試樣進(jìn)行掃描電鏡試驗，將擠出后棄土磚經(jīng)自然風(fēng)干后分別用液氮（－190℃）對斷面1 cm2大小的試樣做急速冷凍處理，再抽真空24 h以保證試樣微觀結(jié)構(gòu)不會發(fā)生改變，然后選擇有代表性的棄土磚斷面噴金處理后進(jìn)行SEM試驗，從微觀上分析再生粉摻料對棄土工程性質(zhì)的影響機(jī)理。

1.3.5 擠出成型打印過程數(shù)值仿真

根據(jù)螺桿擠岀式3D打印成型設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點和成型過程，利用COMSOL多物理場耦合優(yōu)勢對泥料的擠出打印過程實施仿真分析。在忽略絞刀重力及慣性力影響情況下，分別對流場穩(wěn)定及低雷諾層流進(jìn)行假設(shè)，根據(jù)不同材料屬性輸入?yún)?shù)。鉸刀及筒壁均為鋼結(jié)構(gòu)，密度7 850 kg·m－3，楊氏模量200×109Pa，泊松比為0.3。泥料的屬性參數(shù)主要包括泥料密度和動力黏度，泥料密度為1 905 kg·m－3，動力黏度為1 310 Pa·s。網(wǎng)格劃分采用自由四面體網(wǎng)格，如圖4所示。

圖4 擠出機(jī)結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分示意圖Fig.4 Extrusion morphology of spoil with different mixing ratio

2 試驗結(jié)果分析

2.1 不同復(fù)配比例對工程棄土打印過程可擠出性的影響

圖5為不同黏土摻配比例棄土磚的打印形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)，土樣M3即黏質(zhì)棄土的摻配比例達(dá)到50%時，打印棄土磚表面光滑平整，無明顯裂縫出現(xiàn)。而土樣M4邊角部位有較多毛刺出現(xiàn)，M5則在擠出邊角處出現(xiàn)較多寬度為3～5 mm不等的橫向裂縫。黏質(zhì)棄土摻入含量低則可擠出性較差，說明黏土顆粒可改善粉質(zhì)砂土顆粒之間松散不成型、黏聚力差的缺陷，進(jìn)而有效改良工程棄土的打印效果。摻入河砂的棄土磚AS1～AS4擠出打印形態(tài)良好，表面均平滑無明顯裂縫，而摻入再生粉的棄土磚AR1～AR4打印形態(tài)則受摻量影響較大，且隨著再生粉摻量的增加，打印效果變差。當(dāng)再生粉摻量為5%時，其打印形態(tài)良好，當(dāng)再生粉摻量達(dá)到10%時，有明顯裂縫出現(xiàn)，且隨著再生粉摻量的增加，橫向貫穿裂縫越明顯。

圖5 不同復(fù)配比例下棄土打印形態(tài)Fig.5 Extrusion morphology of spoil with different mixing ratio

吸水率是影響土體可塑性的重要指標(biāo)，當(dāng)土體含水率在液塑限之間且適宜時，才具有較高的可塑性，便于棄土的擠出成型［30-31］。圖6為不同摻料摻入質(zhì)量和土樣達(dá)到塑限所需用水量的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)隨著河砂摻量的增大，土樣用水量呈下降趨勢，摻再生粉的棄土試樣達(dá)到塑限所需用水量則隨著再生粉摻量的增大而增大。說明當(dāng)用水量固定時，河砂的摻入會分出部分自由水，而黏土顆粒粒度較細(xì)，比表面積大，這些自由水和黏土顆粒結(jié)合，減小了顆粒表面摩擦系數(shù)，增大了土樣的塑性指數(shù)，進(jìn)而影響了棄土打印過程。而摻入再生粉時，因為再生粉的高吸水性，會吸收部分的自由水，導(dǎo)致棄土組份的相對含水量降低，進(jìn)而降低了棄土的可塑性，出現(xiàn)擠出開裂現(xiàn)象。

圖6 不同摻料土樣達(dá)到塑限所需用水量（以3 kg土樣計算）Fig.6 Water required for spoil with different amount of admixture to reach plastic limit(calculated by 3kg spoil)

2.2 不同復(fù)配比例對工程棄土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖7 為不同復(fù)配土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗典型破壞形態(tài)，后綴C代表擊實處理土樣，E為擠出處理土樣。從圖7可以看出，不同復(fù)配棄土試樣受壓均呈塑性剪切破壞，沿試樣受壓側(cè)面出現(xiàn)從上至下明顯的貫穿斜裂縫。和擊實試樣相比，經(jīng)擠出處理的試樣密實度明顯更高，顆粒間距被壓縮使得土顆粒和摻料之間有更好的聚攏效果。

圖7 不同土樣無側(cè)限受壓破壞典型形態(tài)Fig.7 Typical failure modes of different spoil samples under unconfined compression

圖8為不同復(fù)配棄土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度-應(yīng)變曲線，圖9為不同摻料摻量對棄土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)合圖8和圖9可以看出，土樣破壞經(jīng)過壓密階段、彈性變形階段、屈服階段和變形破壞階段。壓實度對工程棄土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響非常顯著，在同等摻量下，摻入河砂和再生粉的棄土試樣經(jīng)擠出處理后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均比擊實處理后的試樣強(qiáng)度更高。土體顆粒摩擦較大程度上決定了棄土試樣的抗變形破壞能力［32］，當(dāng)棄土受豎向荷載作用時，土顆粒和摻料顆粒之間的摩擦力起到了阻止土體變形的作用。隨著棄土試樣土體密度的増大，土顆粒之間的間距縮短，孔隙體積減少，土顆粒之間接觸點增多，排列更為緊密，在外荷載的作用下，土顆粒移動減弱，破裂變形逐漸被削弱，抵抗變形破壞的能力逐漸増強(qiáng)，所以經(jīng)擠出處理后的棄土應(yīng)力峰值得到提升。對不同摻料而言，河砂的摻入會降低土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，且不同的處理方式對摻入河砂棄土的無側(cè)限強(qiáng)度的影響規(guī)律大致相同，由上一節(jié)可知，當(dāng)摻入比例為10%時，土樣吸水率存在一個最大值，所以會暫時提升土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，當(dāng)摻入比例高于10%時，其強(qiáng)度逐漸降低。再生粉的摻入則會對棄土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有一定的提升效果，當(dāng)再生粉摻量為15%時，棄土土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高，較同等工況下未摻再生粉棄土強(qiáng)度相比提升了39.6%，但是此摻量下的棄土可擠出性較差，在保證改良工程棄土強(qiáng)度和可擠出性的前提下建議再生粉摻量為5%。當(dāng)再生粉摻量達(dá)到20%時，擠出處理后的棄土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低幅度較大，這是因為再生粉的高吸水性導(dǎo)致棄土組份相對含水量減少，而顆粒之間缺少維持土體塑性的自由水，棄土試樣整體黏聚性迅速降低，在受到荷載作用早期便會崩解破壞。

圖8 不同復(fù)配棄土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度-應(yīng)變曲線Fig.8 Strain curves of unconfined compressive strength under different admixtures

圖9 不同摻量對棄土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Fig.9 Effect of admixture content on unconfined compressive strength of spoil

圖10為不同試樣在達(dá)到無側(cè)限抗壓強(qiáng)度峰值時所對應(yīng)的應(yīng)變值隨河沙、再生粉摻量的變化趨勢。從圖10可以看出，摻河砂和再生粉試樣在達(dá)到無側(cè)限抗壓強(qiáng)度峰值時所對應(yīng)的應(yīng)變值變化趨勢和擊實或擠出的前處理方式關(guān)系不大，不同方式處理的摻河砂試樣在達(dá)到無側(cè)限抗壓強(qiáng)度峰值時所對應(yīng)的應(yīng)變值隨著河砂摻量的增加呈先減小再增大的趨勢，而摻再生粉試樣在達(dá)到無側(cè)限抗壓強(qiáng)度峰值時所對應(yīng)的應(yīng)變值均隨著再生粉含量的增加而逐漸減小。

圖10 不同試樣在達(dá)到峰值強(qiáng)度時所對應(yīng)的應(yīng)變值變化Fig.10 Changes of strain value of different specimens when reach the peak strength

2.3 不同復(fù)配比例對工程棄土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

圖11 為不同處理方式和摻料摻量對棄土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響曲線。從圖11可以看出，與擊實試樣相比，擠出處理后的試樣黏聚力和內(nèi)摩擦角相對較大，這是因為壓實度越大，土顆粒以及顆粒集聚體之間接觸更加緊密，孔隙體積則越小，試樣抵抗變形的能力越強(qiáng)，土體強(qiáng)度越高。隨著再生粉摻量的增大，摻再生粉試樣的黏聚力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，說明過多的再生粉會導(dǎo)致土體的相對含水量減少，黏聚力降低，這與不同摻料影響棄土擠出成型效果的結(jié)論一致。摻入再生粉時，經(jīng)不同方式處理后的試樣，內(nèi)摩擦角均隨著再生粉摻量的增加而逐漸增大，而隨著河砂的摻入，棄土內(nèi)摩擦角隨摻量的增大呈先增大后減小的趨勢。

圖11 不同處理方式和摻量下棄土黏聚力和內(nèi)摩擦角變化Fig.11 Changes of cohesive force and the angle of internal friction of spoil with different treatment methods and admixture

2.4 河砂和再生粉作為棄土摻料可行性分析

圖12 為不同摻量下?lián)搅蠈壨猎嚇訌椥阅Ａ康挠绊懬€，可以明顯看出，摻入河砂會降低土體彈性模量，經(jīng)擊實和擠出方式處理后土樣的彈性模量最大降低幅度分別達(dá)45.8%和35.3%。而再生粉的摻入可以顯著提升土體的彈性模量，經(jīng)擊實和擠出處理方式處理后土樣彈性模量最大增幅分別達(dá)209.1%和429.4%。同時結(jié)合圖7可知，當(dāng)再生粉摻量達(dá)20%時，棄土的彈性階段維持時間最短，經(jīng)擠出方式處理后的試樣受壓軸向應(yīng)變達(dá)到5%左右便會發(fā)生破壞，而摻入河砂后的棄土試樣在受壓變形時彈性階段持續(xù)時間均較長。說明河砂的摻入對棄土的改良效果較差，而適宜摻量的再生粉可以有效改善棄土的工程性質(zhì)。

圖12 不同摻量對棄土試樣彈性模量的影響曲線Fig.12 Influence curve of different admixtures on elastic modulus of spoil

圖13分別顯示了在1 000倍放大倍數(shù)下M3與AR1的擠出棄土磚燒結(jié)后微觀結(jié)構(gòu)，即再生粉摻量分別為0和5%。從圖13可以看出，未摻再生粉試樣的顆粒感明顯，骨架外輪廓較為清晰，顆粒未被完全包裹，且顆粒間鑲嵌孔隙較多，連接效果不好，局部位置發(fā)生團(tuán)聚效應(yīng)。當(dāng)再生粉摻入后，再生粉填充在顆?？紫短?，使得孔隙明顯減少，顆粒感不再明顯，附著在顆粒表面的類膠結(jié)物質(zhì)含量較高，將不同的骨架顆粒黏結(jié)在一起形成一個整體，在宏觀上表現(xiàn)出復(fù)配棄土強(qiáng)度的增強(qiáng)。進(jìn)而結(jié)合課題組先前對再生粉的相關(guān)研究可以說明［33-35］，具有足夠細(xì)度的再生微粉在工程棄土復(fù)配中可產(chǎn)生微集料效應(yīng)，且具備一定的火山灰活性，作為摻料填充土顆粒間孔隙提升土體結(jié)構(gòu)密實度的同時，部分結(jié)合水也激發(fā)了再生粉活性，從而提升了棄土的力學(xué)性能。

圖13 不同配比的擠出棄土磚SEM圖像Fig.13 SEM images of extruded spoil bricks with different proportions

2.5 棄土擠出成型打印過程的數(shù)值仿真

圖14 和圖15分別為M3試樣打印過程擠出口應(yīng)力分布圖和不同摻料擠出過程最大應(yīng)力影響曲線。以無孔實心磚為例可以看出，筒壁和擠出口交界處筒壁所受擠出應(yīng)力較大，摻入河砂和再生粉對擠出口應(yīng)力分布和單位質(zhì)量下達(dá)到塑限所需用水量趨勢相似，這是因為棄土在擠出打印過程中不斷向狹窄出口處匯集，螺桿的旋轉(zhuǎn)也對棄土起到了擠壓作用，隨著出口處的棄土不斷被擠出，其壓力又得到了釋放。當(dāng)再生粉摻入后試樣的內(nèi)摩擦角增大，不同顆粒間摩擦系數(shù)增大，進(jìn)而導(dǎo)致棄土在擠出過程中壓力增大，筒壁所受應(yīng)力也相應(yīng)增大。而隨著河砂摻量的逐漸增加，擠出口部位應(yīng)力逐漸減小，這是因為河砂的摻入使得土體相對含水量增大，棄土黏聚力增大，內(nèi)摩擦角減小，進(jìn)而使得交界處擠出壓力減小，筒壁所受應(yīng)力也相應(yīng)減小，與試驗結(jié)果吻合較好。

圖14 M3擠出過程應(yīng)力分布圖Fig.14 Stress distribution in M3 extrusion process

圖15 不同摻料對棄土擠出應(yīng)力影響曲線Fig.15 Extrusion stress distribution curve of spoil with different content

3 結(jié)論

（1）以擠出成型3D打印技術(shù)生產(chǎn)滿足不同工況要求的工程棄土磚是可行的，黏質(zhì)土可有效改善打印過程中粉質(zhì)砂土顆粒之間松散不成型，黏聚力差的缺陷，其摻配比例會影響復(fù)配棄土的擠出打印效果。當(dāng)黏質(zhì)土摻配比例達(dá)50%時，打印效果良好，優(yōu)化棄土復(fù)配比例有利于改善棄土工程性質(zhì)。在棄土復(fù)配中摻入0～20%的河砂后，打印棄土磚表面均無明顯裂縫。而再生粉的摻入則存在最優(yōu)摻量，當(dāng)再生粉摻量高于5%時則會降低工程棄土的可擠出性，出現(xiàn)明顯開裂現(xiàn)象，且摻量越高可擠出性越差。

（2）在棄土復(fù)配過程中加入合適范圍的再生粉可以提高土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和彈性模量，不同的處理方式也會對棄土的工程性質(zhì)產(chǎn)生影響。當(dāng)再生粉摻量為5%時，經(jīng)擊實和擠出方式處理后棄土的彈性模量增幅分別達(dá)17.0%和104.1%。棄土經(jīng)擠出處理后的壓實度更大，土顆粒以及摻料顆粒之間接觸更加緊密，試樣抵抗變形的能力增強(qiáng)。但是再生粉含量過高會導(dǎo)致棄土磚打印形態(tài)較差，棄土彈性變形階段維持時間減少，在保證工程棄土強(qiáng)度改良效果和滿足可擠出性的前提下，建議再生粉摻量為5%。

（3）河砂的摻入對棄土工程性質(zhì)改良效果較差，摻入河砂會降低土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和彈性模量，呈逆骨架效應(yīng)，經(jīng)擊實和擠出方式處理后棄土的彈性模量最大降低幅度分別達(dá)45.8%和35.3%。摻入河砂后的棄土試樣在受壓變形時彈性階段持續(xù)時間較長，無側(cè)限抗壓強(qiáng)峰值時所對應(yīng)的應(yīng)變值隨著河砂摻量的增加呈先減小再增大的趨勢。

（4）再生粉可作為摻料在一定范圍內(nèi)有效改善棄土的工程性質(zhì)。再生粉比表面積較大，在工程棄土復(fù)配中可作為一種微集料填充在土顆粒間孔隙處，提升土體結(jié)構(gòu)密實程度。同時，再生粉與水結(jié)合也激發(fā)了再生粉的部分火山灰活性，形成附著在顆粒表面的類膠結(jié)物質(zhì)，將不同的骨架顆粒黏結(jié)在一起形成整體，進(jìn)而提升復(fù)配棄土強(qiáng)度。

（5）棄土螺桿擠出3D打印模擬中，筒壁和擠出口交界處所受應(yīng)力較大。河砂的摻入使得土體相對含水量增大，使得棄土黏聚力增大，內(nèi)摩擦角減小，進(jìn)而使得擠出口部位壓力減小，出口部分筒壁所受應(yīng)力減小，而再生粉摻入會導(dǎo)致土體顆粒間摩擦系數(shù)增大，導(dǎo)致棄土在打印過程中壓力增大，筒壁所受應(yīng)力也相應(yīng)增大，與試驗結(jié)果吻合較好。

作者貢獻(xiàn)聲明：

柏美巖：試驗，數(shù)據(jù)收集與處理，分析與撰寫論文。

肖建莊：提出研究思路，指導(dǎo)研究方案和論文撰寫，審閱及修訂論文。

高 琦：數(shù)據(jù)收集與處理，審閱及修訂論文。

沈劍羽：試驗，數(shù)據(jù)收集與處理，審閱及修訂論文。

侯逸青：試驗，數(shù)據(jù)收集與處理。

王浩通：數(shù)據(jù)收集與處理。

馬亞輝：數(shù)據(jù)收集與處理。