3D打印粗骨料混凝土力学性能.pdf
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1、第 51 卷第 11 期2023 年 11 月同济 大 学 学报(自然科学版)JOURNAL OF TONGJI UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)Vol.51 No.11Nov.2023论文拓展介绍3D打印粗骨料混凝土力学性能汲广超,肖建庄(同济大学 土木工程学院,上海200092)摘要:研发了一种可以连续、稳定的打印最大粒径10 mm的粗骨料混凝土3D打印系统。对比测试了3D打印粗骨料混凝土与浇筑混凝土的力学性能,发现3D打印粗骨料混凝土抗压强度呈现细微的各向异性特征(差异在5%以内),而抗折强度呈现显著的各向异性特征(差异在20%25%之间);与浇筑混凝土相比其抗压强
2、度降低10%15%,垂直于打印方向的抗折强度(Fy与Fz)降低10%15%,平行于打印方向的抗折强度(Fx)降低30%35%。通过微观结构分析发现,3D打印粗骨料混凝土的总孔隙率与浇筑混凝土总孔隙率相近,但3D打印粗骨料混凝土存在明显的层间薄弱区,其灰度值比平均灰度值低25%,说明在层间薄弱区的孔隙分布更加密集,3D打印混凝土中体积在10 mm3以上的大孔隙率较浇筑混凝土高出10.6%。特有的层间结构和较高的大孔隙率导致3D打印混凝土力学性能的各向异性特征和强度的降低。对比发现,3D打印粗骨料混凝土的水泥用量比以往研究中3D打印砂浆的水泥用量减少17.8%49.6%。关键词:3D打印粗骨料混凝
3、土;3D打印系统;力学性能;微观结构;孔隙率中图分类号:TU528文献标志码:AMechanical Properties of 3D Printed Concrete with Coarse AggregatesJI Guangchao,XIAO Jianzhuang(College of Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)Abstract:This paper developed a 3D printing system which could continuously and stably print co
4、ncrete with an aggregate size up to 10 mm.Then,it tested and compared the mechanical properties of 3D printed concrete and cast concrete.It is found that the compressive strength of 3D printed concrete is slightly anisotropic with a difference of 5%.The flexural strength shows significant anisotropy
5、 with a difference of 20%25%.Compared with the cast concrete,the compressive strength of 3D printed concrete is reduced by 10%15%,the flexural strength perpendicular to the printing direction(Fy and Fz)is reduced by 10%15%,and the flexural strength parallel to the printing direction(Fx)is reduced by
6、 30%35%.The microstructure analysis indicates that there is little difference between the total porosity of 3D printed concrete and the total porosity of cast one,but there are obvious interlayers in 3D printed concrete,where the gray value is about 25%lower than the average gray value,indicating th
7、at the pore distribution of the interlayer is denser.Therefore,the proportion of pores with a volume bigger than 10 mm3 in 3D printed concrete is 10.6%higher than that of cast specimen,which explains the reduction of the compressive strength and flexural strength of 3D printed concrete.It is conclud
8、ed that the cement content of 3D printing coarse aggregate concrete is 17.8%49.6%lower than that of 3D printing mortar in the previous study.Key words:3D printed concrete with coarse aggregates;3D printing system;mechanical properties;microstructure;porosity 建筑3D打印是一种基于计算机数字模型的增材成型技术,主要通过逐层打印建筑材料的方式
9、来快速成型,具有效率高、成本低、环保等建造优势1-3。水泥基材料由于其硬化快、来源广等特点被认为是最适合的建筑3D打印材料之一,目前已经得到了广泛的研究 4-6。2004年,Khoshnevis7首次提出将增材制造工艺应用于建筑自动化施工,并采用轮廓工艺打印水泥基材料形成建筑构件。以往开展的3D打印细骨料混凝土材料的性能研究与配合比优化主要是在实验室条件下完成的8-11。Le等12采用砂浆材料连续打印 61 层 0.8 m 高的试件,实现了 110 文章编号:0253374X(2023)11-1711-08DOIDOI:10.11908/j.issn.0253-374x.22172收稿日期:2
10、022-04-15基金项目:国家自然科学基金(52078358)第一作者:汲广超(1988),男,博士生,主要研究方向为3D打印混凝土技术。E-mail:通信作者:肖建庄(1968),男,教授,博士生导师,工学博士,主要研究方向为再生混凝土材料与结构。E-mail:同 济 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 51 卷MPa高性能细骨料混凝土的3D打印;Malaeb等13也成功打印出10 cm高、抗压强度接近42 MPa的水泥砂浆试件;Panda等14测试了3D打印试件不同加载方向的抗压和抗折强度,结果表明,3D打印试件力学性能受打印方向的影响。目前已有砂浆3D打印建筑项目落地,如同济大学使
11、用再生砂浆作为3D打印材料实现了一个尺寸为2.5 m2.5 m3.0 m的椭圆形建筑的整体打印15;东南大学采用3D打印砂浆构件在南京实现了装配式建筑的施工16;河北工业大学通过3D打印模板与浇筑工艺结合的方式实现了模仿赵州桥3D打印17。Han等18对砂浆3D打印技术进行了综述与分析,发现3D打印砂浆中的水泥用量比传统施工的水泥用量多25%以上,在碳排放和材料成本上都没有明显优势。虽然Ding等19研究了再生砂替代天然砂作为3D打印骨料的方法,但是仍然没有解决水泥用量高、塑性收缩严重等问题。与砂浆3D打印材料相比,粗骨料混凝土具有低收缩、低成本、低水泥用量等优点。Mechtcherine等2
12、0在实验室条件下采用小型3D打印设备实现了最大粒径8 mm的粗骨料混凝土的打印。Rahul等21打印了最大粒径10 mm的轻质粗骨料混凝土,并测试了材料0420 min的早期力学性能与可挤出性,其研究表明轻质粗骨料体积率为30%时可以同时满足3D打印混凝土的可挤出性和可建造性。刘化威等22-23研究了高粗骨料掺量3D打印混凝土的孔隙缺陷特性对其力学性能的影响,并提出了“多重分区界面模型”来揭示这一影响机理。此外,3D打印再生粗骨料混凝土的可打印性也正在被研究和优化24。到目前为止,关于3D打印粗骨料混凝土技术的研究仍然很少,导致其研究进展缓慢的原因主要有两点:一是粗骨料混凝土在打印头中挤出难度
13、较大,传统的螺杆泵容易堵塞,难以实现连续稳定的挤出;二是粗骨料混凝土需要较高的流动性满足可挤出性以及较高的早期强度满足可建造性,目前的3D打印系统难以实现对打印头中新拌粗骨料混凝土的实时监测与调节。虽然各类新型材料3D打印机的研发如火如荼,例如纤维混凝土打印机25-26、地聚物材料打印机27、偏高岭土材料打印机28等,但是这些新型建筑3D打印材料与粗骨料混凝土相比,从可打印性、经济性到商业化量产都没有明显的优势。因此,对粗骨料混凝土3D打印系统及力学性能的研究迫在眉睫。1 3D打印粗骨料混凝土系统 1.13D打印机及运行流程自主研发的粗骨料混凝土3D打印机为立柱式机械结构,其结构和应用如图1所
14、示。3D打印机分为几个部分:x轴轨道、y轴轨道、z轴立柱轨道、打印头以及顶部环形拉结稳固系统。其中x轴和y轴轨道可以控制打印头水平方向的运行,z轴轨道控制垂直方向的升降,从而满足打印头在x、y、z 3个方向的运行,打印头可以在xyz轴的空间内运行到任意位置。此立柱式建筑3D打印机x轴尺寸为15 m、y轴尺寸为9 m,z轴尺寸为9 m,打印头在x、y轴方向最大打印速度为200 mm s1,z轴最大提升速度为20 mm s1,单层打印高度为4060 mm,打印宽度为100 mm,可以现场整体打印13 m8 m8 m的房屋。在3D打印粗骨料混凝土试件的制备中,单层打印高度为40 mm,x、y轴运行速
15、度为50 mm s1,z轴提升速度为20 mm s1。该立柱式粗骨料混凝土3D打印机通过伺服反馈系统实现了粗骨料混凝土连续、稳定的挤出以及打印轴精确的控制。如图2所示,该打印系统的运行流程如下:建立建筑三维模型并通过切片软件图 1立柱式粗骨料混凝土3D打印机结构与应用Fig.1Structure and application of column style 3D printer for coarse aggregate concrete1712第 11 期汲广超,等:3D打印粗骨料混凝土力学性能生成打印路径(g代码);将g代码输入3D打印伺服反馈总控制端,控制端分别向打印头系统和xyz轴自动
16、检测系统发出检测信号;打印头检测粗骨料混凝土是否满足打印条件并将信息反馈给总控制端,xyz轴自动检测系统检查电机状态是否良好并将信息反馈给总控制端;若混凝土可打印条件和xyz轴可运行条件同时满足,则总控制端发出打印信号,3D打印机开始打印。该伺服反馈系统实现了闭环控制,保证了混凝土3D打印的连续性,准确性和安全性。1.2打印头设计与构造粗骨料混凝土连续、均匀地挤出是3D打印研究难点,因此打印头的设计尤其重要。传统的定子转子螺杆动力系统难以实现5 mm粒径以上的粗骨料混凝土打印29。本文设计的打印头采用活塞式挤出动力系统,打印喷嘴的尺寸为100 mm,可以挤出10 mm粒径以下的粗骨料混凝土,动
17、力系统最大扭矩为50 Nm,进料速度为01.5 L min1,其构造如图3所示。打印头工作原理如下:粗骨料混凝土先从进料口进入混凝土料仓,料仓内的扭矩测试电机测试范围为0100 Nm,电机前端连接70 mm直径,25 mm螺距,120 mm长度的螺旋叶片,固定扭矩电机转速为0.5 r s1,通过实时测试螺旋叶片在粗骨料混凝土中的扭矩以及图4中扭矩与坍落度之间测试关系,可以得出粗骨料混凝土是否满足该系统打印的优选区间;如不满足,外加剂注入系统加入适量外加剂直到粗骨料混凝土满足可打印性,然后打开自动阀门,通过活塞动力系统挤出混凝土,同时采用自动刮板系统进行3D打印墙体的平整工作。众所周知,混凝土的
18、储存、运输和供料过程会改变其工作性能,给3D打印挤出过程带来不确定的变化。因此,在打印头内对即将挤出的混凝土进行测试和调节可以使料仓内的混凝土满足可挤出性和可建造性。图3中的扭矩电机检测系统可以实时检测搅拌叶片在混凝土中的扭矩,通过反复试验,得出了混凝土扭矩与坍落度的关系,试验过程和结果如图4所示。105115 mm坍落度为粗骨料混凝土的可打印性优选区间,通过流变仪测试其动态屈服应力区间为649783 Pa。因此,通过扭矩电机反馈的数据可以计算出混凝土对应的坍落度,如不满足可打印性,可以通过外加剂定量注入系统每次注入0.10.4 mL减水剂或速凝剂,从而调整混凝土的流变性能。之后循环检测和调节
19、过程,直到电机的扭矩在优选区间范围,最后开始挤出和打印粗骨料混凝土。2 力学性能试验 2.1油墨配合比3D打印领域中大多数材料为热熔材料,遇冷直接凝固,不仅成型容易而且连续打印难度低,无需考图 23D打印粗骨料混凝土伺服反馈系统 Fig.23D printing servo feedback system for concrete with coarse aggregates图3打印头结构构造Fig.3Structure details of print head图 4粗骨料混凝土扭矩与坍落度的关系Fig.4Relationship between torque and slump of co
20、arse aggregate concrete1713同 济 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 51 卷虑下层强度。而建筑3D打印系统在打印过程中,如果使用粗骨料混凝土作为油墨材料,需要较强的早期强度来满足其可建造性,同时需要较高的流动性来满足其可挤出性。因此,本研究使用了聚羧酸超塑化剂(SP)、纤维素醚(HPMC)、铝酸盐速凝剂(Ac)作为外加剂;OPC42.5 水泥(Cem)和粉煤 灰(FA)作为胶凝材料;05 mm粒径的天然河沙,以及510 mm粒径的天然砾石作为骨料。同时,配比中加入了适量的硅粉(SF)来提高混凝土的流动性、可建造性以及力学性能。3D打印粗骨料混凝土油墨配合比如表
21、1所示。2.2力学性能测试方法已有研究表明,层层堆叠的3D打印工艺会造成打印构件力学性能的各向异性30-32。因此,在力学性能测试中需要定义加载方向,水平打印平面定义为 xy轴,垂直打印方向定义为z轴,xyz轴方向与图1中设备的xyz轴方向相同,具体测试方法如图5及图6所示。本文测试了3D打印粗骨料混凝土试件在不同加载方向下的抗压强度和抗折强度,在抗压强度测试中,分别对垂直方向抗压强度(Pv)和水平方向抗压强度(Pp)进行了加载测试。在抗折强度测试中,分别对x方向抗折强度(Fx)、y方向抗折强度(Fy)和z方向抗折强度(Fz)进行了加载测试。单层打印高度为40 mm,打印试件的层数为11层(4
22、40 mm),长度 1 m,宽度 100 mm,并在温度为(202),相对湿度为(955)%环境下养护28 d。抗压试件尺寸为 100 mm100 mm100 mm 的立方体,抗折试件为100 mm100 mm400 mm的棱柱体,均为在硬化后的打印试件上切割而成,如图5所示。抗压和抗折强度测试均采用100 kN min1的加载速率。此外,在同一配比下对浇筑试件抗压和抗折强度进行了测试,每组分别取6个试样做测试并取平均值。2.3微观结构分析为深入分析3D打印工艺对粗骨料混凝土力学性能的影响机理,使用NIKON XTH 225/320 LC型设备对试件进行CT扫描,测量微观孔隙结构的孔隙尺寸以及
23、空间分布,CT扫描设备及图像如图7所示。该CT扫描设备具有2 0002 000像素的高分辨率探测器,可放置最大样品质量为100 kg,放射源最大管电压为320 kV。CT扫描后,将每个样品的原始投影数据集加载到基于反投影算法的CTPro软件中,在进一步分析表 13D打印混凝土配合比Tab.1Proportion of 3D printing concrete材料配合比/(kgm-3)Cem444水210FA96.6砂870粗骨料588SF41.4SP0.200.53HPMC1.11Ac0.40.8 图 53D打印粗骨料混凝土不同加载方向抗压与抗折测试(单位:mm)Fig.5Compressiv
24、e and flexural tests of 3D printed coarse aggregate concrete in different loading directions(unit:mm)图 6抗压及抗折强度测试Fig.6Tests of compressive and flexural strengths1714第 11 期汲广超,等:3D打印粗骨料混凝土力学性能之前生成许多灰度图像,并通过手动控制来调节光束硬化、噪音以及环形伪影。然后,图像集被加载到VG Studio MAX 3.1软件中进行微观结构分析。XCT测试的体素尺寸为30 m。用于CT扫描的混凝土浇筑试件和3D打印
25、试件为100 mm100 mm100 mm的立方体,扫描的3D打印试件与2.2节中的抗压强度试件尺寸和获取方式相同,本试验单层打印高度为40 mm,100 mm高度可以包含2个打印层间。本文通过3D微观图像计算总的孔隙率,孔隙按照体积大小不同被分为 3 类:小孔隙(1040.1 mm3);中等孔隙(0.110 mm3);大孔隙(10 mm3)。其中,CT扫描仪可识别的最小孔隙体积为104 mm3。通过计算不同孔隙尺寸所占的比例,可以有效地对比模具浇筑与3D打印粗骨料混凝土的孔隙分布。3 试验结果与分析 3.1抗压及抗折强度浇筑试件和3D打印混凝土试件的抗压和抗折强度如图8a和8b所示。可以看出
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