薛博宇

（科之杰新材料集團(tuán)有限公司）

0 引言

3D 打印混凝土是近10 年發(fā)展起來的高新技術(shù)，經(jīng)過數(shù)年的技術(shù)積累，已經(jīng)發(fā)展出了不少實(shí)際上的用途和工法。但受限于國內(nèi)機(jī)械設(shè)備的發(fā)展水平，現(xiàn)階段國內(nèi)的3D 打印混凝土生產(chǎn)廠家還是以預(yù)制生產(chǎn)搭配現(xiàn)場組裝澆筑的形式為主實(shí)現(xiàn)其在工程上的應(yīng)用。類似于使用三軸式的混凝土3D 打印設(shè)備生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件，制作時(shí)留好外露鋼筋，在廠內(nèi)養(yǎng)護(hù)。出貨后經(jīng)過轉(zhuǎn)運(yùn)，通過起重吊裝設(shè)備安裝在施工場地的指定位置后對未預(yù)制的連接部分進(jìn)行支模澆筑，拆模后形成3D 打印混凝土建筑的整體。為了凸顯3D 打印在結(jié)構(gòu)塑造精細(xì)程度上的優(yōu)勢，大部分生產(chǎn)廠家又選擇放棄使用粗骨料的材料配方，用更小的噴頭以擠壓或泵出的方式層疊打印構(gòu)件。這里就涉及到3D 打印混凝土流動(dòng)性的問題：流動(dòng)性太好，則拌合物無法在不變形的前提下完成堆疊；流動(dòng)性太差，則拌合物難以擠壓或泵送進(jìn)入噴頭，再加上3D 打印混凝土對于縮短拌合物的凝結(jié)時(shí)間提出了較高的要求，故掌握不好拌合物的流動(dòng)性和稠度的情況下很容易導(dǎo)致拌合物在噴頭內(nèi)堵塞凝固。

在現(xiàn)有規(guī)程《混凝土3D打印技術(shù)規(guī)程》（T∕CECS786-2020）中對于骨料最大粒徑小于5mm的3D打印混凝土拌合物并沒有細(xì)化規(guī)定為砂漿，但因?yàn)榘韬衔镄阅芤笈c砂漿更為接近、實(shí)際應(yīng)用上又多采用5mm 以下的細(xì)骨料，故在流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間等方面仍采用砂漿檢測方法。

本文固定3D 打印混凝土配合比，按不同用水量，分別對聚羧酸減水劑摻量進(jìn)行梯度實(shí)驗(yàn)，研究不同摻量的聚羧酸減水劑對于3D 打印混凝土流變性能的影響，并基于試驗(yàn)結(jié)果分析相同3D 混凝土配比在不同加水量和減水劑摻量下的流動(dòng)性能，以期為3D 打印混凝土的配合比設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)方向及依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1原材料

水泥：春馳P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料：細(xì)度模數(shù)為2.6 的機(jī)制砂，屬于中砂；粉煤灰:II 級灰；硫鋁酸鹽水泥：使用北極熊牌42.5 快硬硫鋁酸鹽水泥；減水劑：由聚羧酸高性能減水劑粉劑復(fù)配，減水率約為25%；纖維：廈門建涂堡聚丙烯纖維；纖維素醚：廈門易仕高貿(mào)易有限公司羥丙基甲基纖維素醚；膠粉：寶辰聯(lián)合可分散乳膠粉。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于聚羧酸減水劑的減水率會根據(jù)不同復(fù)配廠家的復(fù)配配方及情況變化，所以將水劑樣品烘干至恒重測試樣品含固量，以配比中實(shí)際添加聚羧酸減水劑含固有效成分的摻量作為基本單位（可視作加聚羧酸減水劑粉劑）進(jìn)行下述試驗(yàn)以保證進(jìn)行測試時(shí)的復(fù)現(xiàn)性。

在保證配合比不變的情況下，改變用水量和減水劑摻量進(jìn)行正交試驗(yàn)。根據(jù)前期試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)機(jī)測試制定配合比：干料采用0.55 膠砂比，以保證拌合物漿體的粘聚性達(dá)到打印過程中不拉斷線條的要求；硫鋁酸鹽水泥采用內(nèi)摻法摻量為0.1，能保證拌合物在加水時(shí)間后的20 分鐘內(nèi)失去流動(dòng)性，防止3D 打印混凝土的線條在上層線條的擠壓下垮塌、變形；粉煤灰摻量按內(nèi)摻法內(nèi)摻0.15；膠粉和纖維素醚按膠材為基準(zhǔn)摻量分別為3‰及1.5‰、聚丙烯纖維用量2‰以保證拌合物的塑性和變形能力；變量中減水劑采用聚羧酸系高性能減水劑，以折固摻量（計(jì)算方法：有效成分質(zhì)量/膠凝材料總量）0.4%、0.5%、0.6%為梯度；用水量以水膠比設(shè)定，分別為0.27、0.30、0.33為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。

1.3試驗(yàn)配合比

依據(jù)上述設(shè)計(jì)，確定基礎(chǔ)參數(shù)并設(shè)計(jì)干料配比、引入變量進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案如表1。

表1 正交試驗(yàn)方案

1.4試驗(yàn)方法

配制的砂漿測試指標(biāo)包括砂漿流動(dòng)度、稠度、流變性指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)方法及設(shè)備如下：

⑴砂漿流動(dòng)度：參照GB/T2419-2016《水泥膠砂流動(dòng)度測定方法》規(guī)定的方法測定；

⑵稠度：參照J(rèn)GJ/T 70-2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測定；

⑶流變性：使用ICAR 流變儀進(jìn)行測定。由于本試驗(yàn)使用流變儀，所以試拌量較大，為了讓聚丙烯纖維、纖維素醚和膠粉在砂漿中分散，本試驗(yàn)采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)。砂漿拌合物試配過程：首先將聚丙烯纖維、纖維素醚、膠粉、膠材、砂等干材料混合加入干拌60s；將減水劑融入已根據(jù)用水量稱好的待加的水中手動(dòng)攪拌，手動(dòng)攪拌均勻后一起加入混合好的干料中通過強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌。由于3D 打印混凝土對于加水新拌后的稠度值有一定要求，所以用水量控制相對嚴(yán)格、濕拌是攪拌均勻的難度較高。故采用攪拌120s 后靜置20s 讓物料滑落混合，再進(jìn)行180s 的攪拌的方法，讓外加劑充分反應(yīng)。

2 結(jié)果與討論

2.1試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，按照確定的試驗(yàn)方法測得下述9 組不同聚羧酸搭配不同用水量的流動(dòng)度、稠度、屈服應(yīng)力和塑性黏度的數(shù)據(jù)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2。

表2 3D打印混凝土流動(dòng)性能試驗(yàn)結(jié)果（MPa）

本試驗(yàn)利用直觀分析法分析減水劑與用水量對3D打印混凝土流變性能的影響，通過極差的大小來判定各因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響。直觀分析的計(jì)算結(jié)果如表3。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果的直觀分析表

2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1主次要因素分析

就A2～3B2～3討論，流動(dòng)度、稠度、塑性黏度幾項(xiàng)參數(shù)RB＞RA，即用水量是主要的影響因素，而在屈服應(yīng)力這項(xiàng)參數(shù)中RA＞RB，減水劑是較大的影響因素。

就A1B2～3、A2～3B1討論：屈服應(yīng)力方面RB＞RA，流動(dòng)度、稠度、塑性黏度幾項(xiàng)參數(shù)結(jié)論與A2～3B2～3相同為RB＞RA。

綜合考慮RB＞RA，即用水量為最主要因素。

2.2.2不同因素對3D打印混凝土擴(kuò)展度的影響

由于無法測出A1B1項(xiàng)的數(shù)據(jù)，以A(外加劑摻量)為變量時(shí)對AiB2和AiB3進(jìn)行對比；同理，以B(用水量)為變量時(shí)對A2Bi與A3Bi進(jìn)行對比。

如圖1 所示，變量為減水劑摻量時(shí)，隨著減水劑摻量的提高，拌合物流動(dòng)度呈上升趨勢。變量為用水量時(shí)，隨著用水量的增加，拌合物流動(dòng)度也成上升趨勢。根據(jù)結(jié)果分析，參數(shù)B2增加到B3用水量時(shí)(即水膠比0.3～0.33 區(qū)間)流動(dòng)度/用水量圖線的斜率相較于B1～B2的斜率更高；即隨著用水量的增加，對砂漿流動(dòng)度的影響更大。所以就對流動(dòng)度的影響來說，宜將用水量控制在0.27～0.3 水膠比之間，有利于控制住流動(dòng)度。

圖1 不同因素對流動(dòng)度的影響

2.2.3不同因素對3D打印混凝土稠度的影響

同樣以A(外加劑摻量)為變量時(shí)對AiB2和AiB3進(jìn)行對比；以B(用水量)為變量時(shí)對A2Bi與A3Bi進(jìn)行對比。

如圖2 所示A1B2～3、A2B2～3和A3B2～3對比的結(jié)果上顯示外加劑摻量對3D 打印混凝土的稠度變化影響不大?？梢哉J(rèn)為，改變外加劑的摻量在實(shí)際生產(chǎn)中并不會對3D 打印混凝土新拌拌合物產(chǎn)生稠度變化的影響。隨著用水量的增加，稠度儀平均示值變高，即稠度變小、水的用量的變化對3D 打印混凝土的稠度影響明顯，水加得越多拌合物越為松散。

圖2 不同因素對稠度的影響

觀察表2 的原始數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，外加劑摻量高的A3B2與A3B3的數(shù)據(jù)兩者之間的差值大于外加劑摻量小一個(gè)等級的A2B2與A2B3的差值，外加劑對大流動(dòng)性的漿體稠度還是能在一定程度上進(jìn)行降低的，但遠(yuǎn)不及調(diào)節(jié)纖維素醚和膠粉的用量有效。

2.2.4不同因素對3D打印混凝土屈服應(yīng)力的影響

同上方法進(jìn)行對比。如圖3 所示，變量為減水劑摻量時(shí)，隨著減水劑摻量的提高，屈服應(yīng)力呈下降趨勢，即漿體的流動(dòng)性在變好。變量為用水量時(shí)，隨著用水量的增加，屈服應(yīng)力呈先陡降后緩慢降低的趨勢。

圖3 不同因素對屈服應(yīng)力的影響

因?yàn)樵?.27 水膠比時(shí)漿體的過于“干燥”，沒有足夠的水來在漿體中起潤滑效果影響了拌合物的流動(dòng)性，導(dǎo)致了A2～3B2組的樣品屈服應(yīng)力過高。這在3D打印材料擠壓成型的過程中對線條的塑形是不利的。流動(dòng)性過于差的拌合物將難以被擠出出料口，導(dǎo)致電機(jī)負(fù)荷過大乃至堵管。同時(shí)用水量的降低也會影響凝結(jié)時(shí)間，實(shí)際生產(chǎn)難以配合生產(chǎn)速度調(diào)整凝結(jié)時(shí)間。而A2～3B3的屈服應(yīng)力則太低了，不利于塑形，如果是不附帶加熱的3D 打印混凝土生產(chǎn)工藝流程，有可能因?yàn)榱鲃?dòng)性過強(qiáng)導(dǎo)致3D 打印混凝土結(jié)構(gòu)在堆疊的時(shí)候坍塌或者造成線條擴(kuò)散，破壞成品3D打印混凝土構(gòu)件的外觀。

2.2.5不同因素對3D打印混凝土塑性黏度的影響

同上方法進(jìn)行對比。如圖4 所示，觀察數(shù)值發(fā)現(xiàn)，就A2～3B1到A2～3B3的整個(gè)區(qū)間來說，塑形黏度的圖線斜率在用水量提高的過程中逐步變小。證明隨著用水量的增加，漿體的粘性下降屬于先多后少的趨勢，總體上來說還是處于下降趨勢，趨勢與屈服應(yīng)力圖像相近。

圖4 不同因素對塑性黏度的影響

到了A2～3B2到A2～3B3區(qū)間，塑性黏度緩步減小，圖像斜率上的變化說明了塑形黏度的可減小空間在逐漸縮減，塑性黏度接近在減少減水劑摻量的過程中所能達(dá)到的最低值。

過低的塑性黏度會影響材料的連續(xù)性，實(shí)際生產(chǎn)由于拌合物缺乏粘聚自身的能力，導(dǎo)致打印過程中線條出現(xiàn)斷點(diǎn)。而太高的塑性黏度也會導(dǎo)致工藝過程中打印線條的斷裂。可以通過調(diào)節(jié)纖維素醚和膠粉的摻量來調(diào)整材料的塑性黏度以達(dá)到合適的值從而改善產(chǎn)品的成品率和外觀。

3 結(jié)論

⑴隨著聚羧酸減水劑摻量的增加，砂漿流動(dòng)度上升，稠度小幅度浮動(dòng)但無明顯增減，屈服應(yīng)力和塑性黏度呈反曲線式的緩步下降，實(shí)機(jī)使用時(shí)應(yīng)主要參考流動(dòng)度因素，實(shí)測為160～180mm時(shí)效果最優(yōu)，故采用A2即0.5%含固摻量。

⑵隨著用水量的增加，砂漿流動(dòng)度上升，與聚羧酸減水劑不同的是，稠度值也存在明顯上升(粘聚性降低)，屈服應(yīng)力和塑性黏度陡降。實(shí)機(jī)使用時(shí)應(yīng)主要參考屈服應(yīng)力和稠度值，實(shí)測稠度值范圍在65～80 為宜，故采用B2即30%水膠比。