郭曉潞,李樹昊

1. 同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201804;2. 先進(jìn)土木工程材料教育部重點實驗室(同濟(jì)大學(xué)),上海 201804

建筑3D 打印技術(shù),是將3D 打印與建筑施工有機(jī)結(jié)合起來的一種新型建筑技術(shù)[1-7]。 與傳統(tǒng)建筑技術(shù)相比,該技術(shù)速度快、不需要模板、不需要數(shù)量龐大的建筑工人,可以節(jié)省人力成本、提高建造效率,且可以非常容易地打印出其他方式很難建造的高成本曲線建筑[8-9]。 但是,3D 打印試件與傳統(tǒng)澆筑混凝土結(jié)構(gòu)試件存在較大差別,如各個方向力學(xué)性能不均、層與層之間黏結(jié)性能較差、耐久性較差等。 地聚合物是一類高性能的無機(jī)聚合物材料,在堿激發(fā)膠凝材料中具有較大的應(yīng)用潛能和應(yīng)用前景。 相比于傳統(tǒng)硅酸鹽水泥,學(xué)者對低碳膠凝材料的探研興趣越來越濃,這也促進(jìn)了地聚合物的研發(fā)[10-13]。 近年來,不少學(xué)者研究3D 打印地聚合物材料,希望能將3D 打印智能化建造技術(shù)與固廢利用結(jié)合起來,為傳統(tǒng)建筑行業(yè)的發(fā)展帶來新方向。 Panda 等[14]利用粉煤灰和專用外加劑確定了3D 打印地聚合物材料的合適配比,研究了其各向異性,研究發(fā)現(xiàn),3D 打印地聚合物材料的力學(xué)性能主要取決于加載方向等。 Nematollahi 等[15]在3D打印地聚合物中引入了聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯(PP)和聚苯并二惡唑(PBO)纖維,以提高基于擠出成型的3D 打印地聚合物的層間黏結(jié)強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。 目前,國內(nèi)外的研究中對3D 打印地聚合物試件的各向異性已有涉及,但評價指標(biāo)較為單一,且對層間黏結(jié)強(qiáng)度的研究也有待深入。

本文基于3D 打印粉煤灰地聚合物前期研究[16-17],針對3D 打印出粉煤灰基地聚合物試件,通過力學(xué)性能、 超聲波速( Ultrasonic Pulse Velocity,UPV)及波形分析[18-19]表征其力學(xué)各向異性性能,比較了打印試件層間黏結(jié)強(qiáng)度與成型試件抗拉強(qiáng)度的差異。

1 試驗原材料及試驗方法

1.1 原材料

本試驗采用的粉煤灰、礦粉均從中國鄭州恒諾濾料有限公司采購,其化學(xué)組成見表1;無水硅酸鈉粉末(Na2SiO3)作為固體堿性激發(fā)劑,其模數(shù)[M =n(SiO2)/n(Na2O)]為1.4;骨料采用石英砂,粒徑40～80 目;羥丙基纖維素醚外加劑(HPMC)來自上海欽和化工有限公司;硅酸鎂鋁外加劑來自德國巴斯夫公司生產(chǎn)的ATTAGEL-50 型觸變增稠劑,平均粒徑為0.1 μm,主要成分為硅酸鎂鋁(3MgO·15AlO3·8SiO2·9H2O)。

表1 主要原材料的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of main raw materials %

1.2 試驗方法

以粉煤灰、石英砂為主要原材料,無水硅酸鈉為堿激發(fā)劑,礦粉為輔助性膠凝材料,硅酸鎂鋁為專用外加劑,3D 打印地聚合物砂漿的配合比設(shè)計見表2。

表2 粉煤灰基3D 打印地聚合物配合比設(shè)計Table 2 Mix proportions of fly ash based geopolymer for 3D printing g

1.2.1 粉煤灰基3D 打印地聚合物的制備及打印過程

將粉煤灰、礦粉、堿激發(fā)劑、石英砂倒入攪拌鍋,低速攪拌1 min,以確保固體混合物混合均勻,然后緩慢添加水與硅酸鎂鋁外加劑的混合溶液,低速攪拌1 min,最后將混合料高速攪拌2 ～3 min,以保證混合料充分拌合。 硅酸鎂鋁外加劑需要提前與水混合,攪拌1min 至水中無明顯沉淀,得到外加劑與水的混合溶液,再加入粉料中攪拌。 將拌合好的粉煤灰基地聚合物砂漿倒入3D 打印設(shè)備料口中,根據(jù)3D 打印設(shè)備中已設(shè)定好的程序,調(diào)試其可打印性能和打印效果。

1.2.2 粉煤灰基3D 打印地聚合物的層間黏結(jié)強(qiáng)度測試方法

(1) 層間黏結(jié)強(qiáng)度測試。 3D 打印設(shè)備分層打印砂漿,程序設(shè)置打印的單層砂漿長、寬、高尺寸分別為200 mm、30 mm 和15 mm。 按上述尺寸打印2層和5 層砂漿,待砂漿硬化后移入養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。 養(yǎng)護(hù)完成后,從達(dá)到測試齡期的3D 打印柱體試件中切割出長(A)約50 mm、寬(B)約30 mm、高(H)約15 mm 的試件,取樣方式如圖1 所示。

圖1 3D 打印地聚合物試件層間作用力取樣方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling method for interlayer force of 3D printed geopolymer component

將切割取出的試件上下兩底打磨平整,在試件上下兩面均勻涂抹上約2 mm 厚的建筑結(jié)構(gòu)膠等高強(qiáng)度黏合劑,將拉拔頭與試件上下兩底粘結(jié)起來。 測試示意圖如圖2 所示。 待其固化24 h 后,在CMT 萬能試驗機(jī)(型號4204)上測試試件打印層被拉拔斷開時的最大拉力F,并測量斷面的兩邊長度與兩側(cè)寬度,分別以其算術(shù)平均值作為斷面的平均長度A0和平均寬度B0,精確至0.1 mm。 3D打印試件的層間黏結(jié)強(qiáng)度按式(1)計算。

圖2 層間作用力的測試示意圖Fig.2 Schematic diagram of testing method and device of interlayer force

式中,P 為3D 打印建筑試件的層間黏結(jié)強(qiáng)度,MPa;F 為試件打印層被拉拔斷開時的最大拉力,N;A0為斷面的平均長度,mm;B0為斷面的平均寬度,mm。

(2) 地聚合物抗拉強(qiáng)度測試。 將拌合好的地聚合物砂漿倒入“狗骨形”模具中(圖3),在振實臺上振實,每次振動25 下,共振動2 次,用金屬直尺刮平試模,將樣品在自然條件下養(yǎng)護(hù)24 h 后拆模,然后放于自然環(huán)境下養(yǎng)護(hù)到對應(yīng)齡期。 采用CMT(型號4204)萬能試驗機(jī),測量“狗骨形”試件斷裂時抗拉強(qiáng)度。

圖3 “狗骨形”試樣的尺寸大小及模具Fig.3 Size and die of “dog bone” sample

1.2.3 粉煤灰基3D 打印地聚合物的各向異性測試方法

(1) 力學(xué)性能測試。 采用3D 打印設(shè)備分層打印砂漿,程序設(shè)置打印3 列5 層的試件,整個3D 打印試件的長、寬、高分別為1 000 mm、90 mm 和75 mm,待砂漿硬化后移入養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。 養(yǎng)護(hù)完成后,從達(dá)到測試齡期的3D 打印柱體試件中切割出邊長約50 mm 的立方體試件。 因打印時正常坍落及硬化高度損失,在整個打印柱體試件中取樣時確保切割出的立方體包含了3 列3 層砂漿,打磨后將試件表面的粉末清理掉,測量其尺寸,精確至0.1 mm[圖4(a)]。 試件的抗壓加載方向分別沿X、Y 和Z 軸[圖4(b)],試件的抗壓強(qiáng)度按式(2)計算。

圖4 各向異性力學(xué)性能取樣及加載方式示意圖及實物Fig.4 Real figure and schematic diagram of sampling and loading method of anisotropic mechanical properties

式中,fc為試件某一加載方向的抗壓強(qiáng)度,MPa;Fc為試件破壞時所加載的力,N;S 為試件的受力面積,mm2。

(2)超聲波速測試。 采用超聲試驗法檢測建筑結(jié)構(gòu)中的損傷程度、損傷位置等,這是一種有效且無損的檢測手段。 3D 打印試件中層間銜接處可以認(rèn)為是一種特殊的微裂縫。 本試驗采用的儀器是ZBL-U520 型非金屬超聲波檢測儀。 超聲波換能器直徑為1. 0 cm,采樣周期為0.2 μs,發(fā)射電壓為500 V,發(fā)射脈寬為0.04 ms。 采用超聲試驗法對3D 打印地聚合物試件的各個方向的超聲波速進(jìn)行了測試,分析了3D 打印試件的各向異性。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰基地聚合物3D 打印試件的層間黏結(jié)強(qiáng)度

圖5 所示為澆筑成型的狗骨形試件的抗拉強(qiáng)度和不同打印層數(shù)的打印試件層間黏結(jié)強(qiáng)度值。狗骨形試件的抗拉強(qiáng)度代表地聚合物材料在澆筑條件下的抗拉強(qiáng)度,即材料本身的抗拉強(qiáng)度。從圖5 可以看出,2 層打印試件的層間黏結(jié)強(qiáng)度值隨著齡期的增加不斷增長,其強(qiáng)度值大約是材料本身抗拉強(qiáng)度的60% ～75% ,隨著齡期的增加,層間黏結(jié)強(qiáng)度值與材料本身的抗拉強(qiáng)度的差距不斷縮小,層與層之間的黏結(jié)作用在不斷增強(qiáng);5 層打印試件的層間黏結(jié)強(qiáng)度值也隨著齡期的增加不斷增長,其強(qiáng)度值大約是材料本身抗拉強(qiáng)度的50% ～70% ,隨著齡期的增加,層與層之間的黏結(jié)作用也在不斷增強(qiáng)。 分析比較2 層與5層打印試件的層間黏結(jié)強(qiáng)度值發(fā)現(xiàn),打印層數(shù)增加,層間黏結(jié)強(qiáng)度值有所減小。 在試驗中還發(fā)現(xiàn),5 層打印試件的斷裂截面一般在第四層,少數(shù)在第三層,幾乎沒有底層斷裂的情況,可能的原因是,隨著打印層數(shù)的增加,砂漿接近初凝時間,導(dǎo)致砂漿擠出性能降低且打印層表面略有凝結(jié),層與層之間的黏結(jié)性能降低。

圖5 狗骨形試件抗拉強(qiáng)度與不同打印層數(shù)的打印試件的層間黏結(jié)強(qiáng)度值Fig.5 Tensile strength of dog-bone components and interlayer bonding strength values of printed components with different printing layers

2.2 粉煤灰基地聚合物3D 打印試件的各向異性

3D 打印地聚合物試件由于工藝的不同,與澆筑成型的試件在力學(xué)性能上有著明顯的區(qū)別,其各個方向上的抗壓強(qiáng)度可能會隨著方向的改變而有所變化,呈現(xiàn)出一定差異。

2.2.1 力學(xué)性能各向異性

3D 打印試件在X、Y、Z 方向上的抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如圖6 所示。 從試驗結(jié)果可知,與X 軸方向和Z 軸方向相比,Y 軸方向的地聚合物有更高的抗壓強(qiáng)度,但都低于澆筑成型的地聚合物試件。 從試件表面的形貌可以很好地解釋這個現(xiàn)象,平行于打印方向的荷載可以承受更高的力,而Z 軸方向上,打印層最多,結(jié)構(gòu)缺陷也越多,因此抗壓強(qiáng)度最低?？傮w來說,打印成型試件的抗壓強(qiáng)度接近澆筑成型的試件,在養(yǎng)護(hù)齡期28 d 時,Y 軸方向的抗壓強(qiáng)度最高,達(dá)到澆筑成型試件抗壓強(qiáng)度的95.6% ;Z 軸方向的抗壓強(qiáng)度最低,達(dá)到澆筑成型試件抗壓強(qiáng)度的84.5% 。

圖6 試件不同方向的抗壓強(qiáng)度Fig.6 Compressive strength of members in different directions

2.2.2 超聲波速各向異性

采用超聲儀檢測試件各個方向上的超聲波速(UPV)來表征試塊的各向異性。 由于超聲波在空氣中的傳播速度明顯小于在固體和水中的傳播速度,因此當(dāng)試塊產(chǎn)生裂縫或缺陷時,UPV 會明顯降低。 一般而言,UPV 的減小程度與試塊的內(nèi)部損傷程度成正比,而打印層與層之間也可以看作是一種特殊的裂紋。 沿試件X 軸與Z 軸方向時,超聲波將垂直穿過多層打印層,也就存在著多條特殊意義上的“微裂紋”或“弱面”;而沿試塊Y 軸方向時,超聲波平行于打印層間縫,優(yōu)先從試件中傳播,“微裂紋”對超聲波在固體試件中的傳播影響很小。 利用超聲波檢測儀測試在不同齡期、不同方向上試件的UPV,以UPV 的變化表征各向異性。 同時根據(jù)前期研究[20],地聚合物的UPV 也可以通過相應(yīng)函數(shù)關(guān)系反映地聚合物的抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能。

測試了3D 打印試塊在X、Y、Z 方向上的超聲波速,并對比了打印成型的試塊與模具澆筑成型的試塊的超聲波速(vd/vc)。 圖7 所示試塊在3 d、7 d和28 d 不同方向的UPV。 研究表明,與力學(xué)性能相似,與X 軸和Z 軸方向相比,Y 軸方向的地聚合物有更高的UPV,但都低于澆筑成型的地聚合物試塊。 總的來說,打印成型的試塊的UPV 接近澆筑成型的試塊,在養(yǎng)護(hù)齡期28 d 時,Y 軸方向的超聲波速最高,和澆筑成型試塊的超聲波速達(dá)到一致,Z 軸方向的超聲波速最低,達(dá)到澆筑成型試塊超聲波速的93.1% 。

圖7 切割試塊不同方向的超聲波速Fig.7 UPV in different directions of cutting test block

圖8 所示為3 種不同情況下的超聲波圖譜和波形。 眾所周知,當(dāng)試塊內(nèi)部存在裂縫或者空腔時,超聲波測試儀的波形會產(chǎn)生明顯變化;當(dāng)試塊內(nèi)部勻質(zhì)性良好,波形則均勻穩(wěn)定。 圖8(a)是未工作狀態(tài)下的超聲波圖譜,即2 個超聲波探頭均未接觸試塊表面,此狀態(tài)下無明顯波形;圖8(b)是沿試塊Y 軸方向測得的超聲波圖譜,該方向超聲波傳播方向平行于打印層間縫,優(yōu)先從試件中傳播,層間縫對超聲波傳播產(chǎn)生的影響很小,此時波形均勻穩(wěn)定,波幅平穩(wěn);圖8(c)是沿X 軸或Z 軸測得的典型超聲波圖譜,因超聲波垂直穿過多層打印層,此時波形雜亂無章,且后半段波幅逐漸減小。 通過波幅變化也可以看出,沿著Y 軸方向試塊密實性較好,Z 軸及X 軸方向的砂漿存在著裂縫。 因此,通過波形可直觀地判斷3D 打印砂漿的各向異性。

圖8 不同狀態(tài)下的超聲圖譜和波形Fig.8 Ultrasonic spectrum in different states

比較兩種各向異性測試方法可知,兩種測試方法得到的打印試塊各方向性能與澆筑試塊的性能之比(fd/fc、vd/vc)相似,都處于80% ～100% 區(qū)間內(nèi)。 這說明使用超聲波速也可以很好地評價打印試塊的各向異性,這為傳統(tǒng)評價方法打開了一條新的思路。 同時,采用超聲波速測各向異性是屬于無損檢測的一種,對于一些不易制作的試塊,超聲波速測各向異性更具有實際意義。

3 結(jié) 論

(1) 3D 打印地聚合物的層間黏結(jié)試驗中,2層和5 層打印試件的抗拉應(yīng)力值都隨著齡期的增加不斷增長,抗拉應(yīng)力值與材料本身的抗拉強(qiáng)度的差距不斷縮小,層與層之間的黏結(jié)作用在不斷增強(qiáng);2 層和5 層打印試件抗拉應(yīng)力值分別在材料本身抗拉強(qiáng)度的60% ～75% 和50% ～70% 。 打印層數(shù)增加,抗拉應(yīng)力值有所減小。

(2) 3D 打印試件在X、Y、Z 方向上的抗壓強(qiáng)度接近澆筑成型的試件。 在養(yǎng)護(hù)齡期28 d 時,Y軸方向的抗壓強(qiáng)度最高,達(dá)到澆筑成型試件抗壓強(qiáng)度的95.6% ,Z 軸方向抗壓強(qiáng)度最低,達(dá)到澆筑成型試件抗壓強(qiáng)度的84.5% 。

(3) 3D 打印試件在X、Y、Z 方向上的超聲波速接近澆筑成型的試塊。 在養(yǎng)護(hù)齡期28 d 時,Y軸方向的超聲波速最高,與澆筑成型試塊超聲波速達(dá)到一致,Z 軸方向的超聲波速最低,達(dá)到澆筑成型試塊超聲波速的93.1% 。

(4) 兩種各向異性測試方法得到的打印試塊各方向性能與澆筑成型試塊的性能之比相似,說明使用超聲波速也可以很好地評價打印試塊的各向異性。