3D打印配筋砌體墻承載力試驗研究

葛 杰， 白 潔， 楊 燕， 田 偉

(中國建筑第八工程局有限公司， 上海 200122)

3D打印技術是近年來國內外重點研究的快速成形技術．該技術綜合了數值建模、機電控制、信息技術、材料科學和化學等諸多領域的前沿技術，是被譽為“第三次工業革命”的核心技術[1]．美國、歐洲和日本都站在制造業競爭的戰略高度，對該技術進行了大量研究，使3D打印技術在機械制造領域得到了迅速發展．目前，3D打印技術也逐步走入了房屋建造領域．美國南加利福尼亞大學的工業與系統工程教授貝洛克·霍什內維斯研發了建筑3D打印的輪廓工藝[2]；英國拉夫堡大學的索爾教授也在進行類似的研究[3]；意大利米蘭設計周的Hacked lab實驗室則展示了一幢打印組裝的房屋[3]．

與傳統建筑技術相比，3D打印建筑技術的優勢在于速度快，不需要使用模板，可以大幅節約成本，且具有低碳、綠色、環保的特點；不需要數量龐大的建筑工人，大大提高了生產效率；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；可以打印出強度更高、質量更輕的混凝土建筑物[4-7]．因此，3D打印技術在建筑領域中的應用將是未來建筑業發展的方向，但同時也面臨著很多技術難題，比如與3D打印材料和工藝相匹配的構件形式、結構體系和受力性能研究等[8-9]．構件的承載力是保證結構安全的前提，本文以新研發的構件——3D打印配筋砌體墻為研究對象，對其承載力進行研究，為3D打印配筋砌體墻替代普通砌塊配筋砌體墻的可行性提供理論計算基礎和設計依據．

1 試驗概況

1.1 試件設計

試驗設計了5片3D打印配筋砌體墻，試件編號為3DQ1～3DQ5．墻體試件的外形尺寸為 200mm ×800mm×1600mm．3D打印材料由水泥、纖維、有機黏合劑等構成，并添加礦渣、粉煤灰等工業廢棄物，制成牙膏狀“油墨”，簡稱水泥基“油墨”．打印設備為門架式3D打印機，包含打印系統、控制系統和供料系統．水泥基“油墨”打印材料經3D打印噴頭擠出后，形成寬40mm、厚20mm的條狀材料；連續打印后，條狀材料層層疊加形成殼體空腔．

在3D打印形成的殼體空腔內插入豎向鋼筋并灌注混凝土，形成密實的3D打印配筋砌體墻．同時，試驗還設計了3片普通砌塊配筋砌體墻，其外形尺寸與3D打印配筋砌體墻一致；試件編號為Q1～Q3．8片試件的設計參數見表1，試件橫截面設計圖和試件制作過程如圖1、2所示．試件內部澆筑混凝土后需養護28d．

表1 試件設計參數

圖1 墻體試件橫截面設計Fig.1 Section design of specimens(size:mm)

圖2 試件制作過程圖Fig.2 Production process of specimens

1.2 加載裝置與加載制度

試驗在同濟大學試驗中心進行，加載采用 5000kN 長柱試驗機．為防止試件端部混凝土在加載時局部壓碎，在試件兩端各放置1塊鋼板，鋼板尺寸為350mm×1190mm×20mm．在試件縱筋上下端和中間位置粘貼應變片，編號為G1～G9，測量鋼筋應變；在墻體上下端前后表面位置粘貼應變片，編號為S1～S10，測量墻體應變．加載裝置和應變片布置如圖3所示．

采用單調豎向加載，加載過程保持平穩連續．正式加載前，先對試件幾何對中，然后預加載．預加載分3級進行，每級取預估破壞荷載的5%，然后分2級卸載．加(卸)1級，持續1min，待各儀表監測的變形和荷載的關系趨于平穩后可以正式加載．正式加載時每級荷載為預估荷載的5%，當達到預估破壞荷載的70%后，每級荷載取預估荷載的2%．每級荷載持續時間不少于 1min，直到該級荷載作用下的變形基本穩定后再施加下一級荷載．荷載從零開始一直分級加到試件破壞為止．

圖3 加載裝置和應變片布置Fig.3 Loading setup and arrangement of strain gauges

2 材性試驗

2.1 混凝土和3D打印材料

依據GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，留置3個150mm×150mm× 150mm 混凝土立方體試塊，3個同樣尺寸的3D打印材料立方體試塊，以確定材料的強度等級；6個100mm×100mm×300mm混凝土棱柱體試塊，6個同樣尺寸的3D打印材料棱柱體試塊，以確定材料的軸心抗壓強度和彈性模量．材料強度(28d)試驗結果見表2．

表2 C30混凝土和3D打印材料的力學性能指標

2.2 鋼筋

依據GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，在同濟大學建筑結構試驗室對3D打印配筋砌體墻中插入的豎向鋼筋和普通砌塊配筋砌體墻灌漿孔內插入的豎向鋼筋進行材料性能測試，包括屈服強度、極限強度和彈性模量測試，結果見表3．

表3 鋼筋材料力學性能指標

2.3 混凝土空心砌塊

普通砌塊配筋砌體墻試件采用的是普通混凝土小型空心砌塊，該砌塊長390mm，寬190mm，高190mm，壁厚30mm，空洞率49%．根據GB/T 4111—1997《混凝土小型空心砌塊試驗方法》，選取5個砌塊進行材性測試，其28d抗壓強度(fg)見表4．

表4 混凝土空心砌塊28d抗壓強度

3 試驗現象與分析

3.1 試驗現象

3.1.1破壞模式

圖4、5為典型3D打印配筋砌體墻和典型普通砌塊配筋砌體墻的破壞圖．

圖4 典型3D打印配筋砌體墻破壞圖Fig.4 Typical damage of 3D printing reinforced masonry wall

圖5 典型普通砌塊配筋砌體墻破壞圖Fig.5 Typical damage of common block reinforced masonry wall

試件3DQ1：加載過程中，荷載達到1200kN之前，試件無明顯變形，表面無裂縫產生；加載至 1200kN 時，墻面正中(軸壓力的正下方)出現裂縫，并隨著加載過程的進行逐漸擴展，形成約300mm長的豎向裂縫；加載至2000kN左右時，試件破壞，荷載下降．破壞后的試件無大面積塊體壓碎或脫落，裂縫相對較少，沿橫截面大致分布較均勻，主要裂縫基本沿著高度方向貫通，正反面豎向裂縫皆細小而較長，側部和轉角的裂縫較寬．

試件3DQ2：在加載至1500kN前，試件無明顯變化；加載至1500kN時，受拉側底部的3D打印外殼與混凝土加載梁間出現裂縫，裂縫產生后長度和寬度并無明顯變化；加載至2200kN時產生豎向裂縫，并隨荷載增加而擴展；加載至 2650kN 左右時，墻體正面和邊角出現大塊體脫落，試件破壞．試件豎向裂縫較多、較長，部分裂縫沿高度方向基本貫通，受壓側分布略多于受拉側；橫向裂縫相對較少，主要集中于3D打印外殼的“接縫處”，間距為 200mm 或 400mm；基本沒有斜向發展的裂縫．

試件3DQ3：在加載至1400kN前，試件無明顯變化；加載至1400kN時，受拉側邊角沿3D打印外殼的層間出現橫向微小裂縫，之后裂縫的寬度和長度并不隨荷載增加而變化；加載至2300kN左右時，突然出現較大的豎向裂縫，伴隨輕微的劈裂聲，高度中部的受壓側邊角和截面上部的近加載梁部位壓潰，3D打印外殼大塊脫落，試件破壞．試件豎向裂縫多而長，集中于受壓側；橫向裂縫相對較少，分布均勻，基本沿著3D打印外殼的層間出現和發展．

試件3DQ4：在加載至1000kN前，試件無明顯變化；加載至1000kN時，受壓側邊角出現微小裂縫，此后裂縫并不隨著荷載增加而變化；加載至 1800kN 時，墻面中央出現豎向微小裂縫，且隨著荷載增加而發展，達到2000kN左右時發展為長約300mm的上下貫通的豎向裂縫；加載至2600kN左右時，試件發生脆性破壞，邊角部出現大塊壓碎與脫落．試件的豎向裂縫較長，集中于受壓側；橫向裂縫相對較少，分布均勻．在豎向裂縫與橫向裂縫之間有很少的局部斜向裂縫出現．

試件3DQ5：在加載至900kN前，試件無明顯變化；加載至900kN時，截面中部出現微小裂縫，此后裂縫隨著荷載增加而發展，主要表現為長度擴展，寬度基本無明顯變化，也無新裂縫出現；加載至 1800kN 時，墻面出現數條新的微小裂縫，最初的微裂縫基本形成全高度上下貫通；加載至2100kN左右時，邊角處出現較寬的大裂縫，試件發生破壞．考慮到試驗安全，出現較寬裂縫時即停止加載，因此試件外表面并無明顯脫落和壓碎．試件整體裂縫較少，豎向裂縫上下貫通．

試件Q1：試件加載到950kN前，無明顯裂縫出現；加載至950kN左右時，沿砌筑的灰縫方向出現較大的豎向裂縫，并迅速發展，最終砌塊在受壓的邊角處被壓碎，試件破壞．在試件的中下部，軸壓力正下方有1～2條豎向裂縫．橫向裂縫很少，沿著砌筑的灰縫發展．

試件Q2：試件加載到1100kN前，無明顯裂縫出現；加載至1100kN左右時，首先沿砌筑的灰縫方向出現較大的豎向裂縫，然后迅速發展并斜切開砌塊，最終砌塊在受壓側高度中部處被壓碎，試件破壞．整個過程出現2～3條豎向裂縫，最終向著受壓側斜向發展．橫向裂縫很少，沿著砌筑的灰縫發展．

試件Q3：試件加載到1100kN前，無明顯裂縫出現；加載至1100kN左右時，沿砌筑的灰縫方向出現較大的豎向裂縫，并迅速發展，最終砌塊在受壓的邊角處被壓碎，試件破壞．試件裂縫較少，橫向裂縫很少，沿著砌筑的灰縫發展．受壓側出現1條接近上下貫通的豎向裂縫．

3.1.2墻體豎向相對位移

對墻體試件在荷載作用下的豎向位移進行了監測．從測試數據看，在豎向加載下，處于近荷載端的墻體截面豎向相對位移較大，一般為2～3mm；處于遠荷載端的墻體截面也基本表現為受壓，且相對位移較小，小于1mm．

3.2 試驗結果分析

3.2.1試件截面分析

3D打印配筋砌體墻的截面面積為160000mm2，其中3D打印部分(尺寸見圖1(a))橫截面面積為109592mm2，占總面積的68.5%，應填充的混凝土截面面積為50408mm2．普通砌塊配筋砌體墻的截面面積為160000mm2，其中砌塊和砌筑砂漿面積為87382mm2，占總面積的54.6%，應填充的混凝土截面面積為72618mm2．

試驗完成后，將墻體中下部橫斷面敲開后發現，試件3DQ1、3DQ3和3DQ5中的混凝土填充不夠密實，有部分空心，而試件3DQ2、3DQ4中的混凝土填充較為密實；普通砌塊配筋砌體墻Q1、Q3邊角和Q2墻體截面中部存在不同程度的“空心”現象．經統計的試件填充率見表5，此處“填充率”表示實測混凝土截面面積占應填充混凝土總面積的比值，以觀察到的截面最大空心部分測量計算．由表5可知，3D打印配筋砌體墻的填充率波動較大，這是3D打印配筋砌體墻層層打印形成的水平紋路導致其內壁不夠光滑，影響了混凝土澆筑的密實度所致．

表5 試件填充率統計

3.2.2承載力分析

3.2.2.1 3D打印配筋砌體墻

從2組系列試件(3DQ系列與Q系列)的結構形式來看，3D打印配筋砌體墻與混凝土剪力墻結構接近，其承載能力由3D打印砌體墻和后灌混凝土兩部分提供.但考慮到本次試驗中后灌混凝土填充并不密實，因此在估算承載力時忽略其共同工作效應，只考慮3D打印外殼的承壓.承載力按照如下公式進行計算．

(1)軸心受壓時．鋼筋混凝土軸心受壓構件的正截面受壓承載力N應按下列公式計算：

(1)

(2)偏心受壓時．本次試驗構件長邊方向受偏壓，需考慮“二階效應”影響．引入偏心距增大系數η是偏心受壓構件受力性能分析時考慮“二階效應”影響的有效方法：

(2)

ζ1=0.5fcA/Nc

(3)

ζ2=1.15-0.01·l0/h

(4)

若ζ1>1，取ζ1=1；當l0/h<15時，取ζ1=1．

偏心受壓承載力N按照以下公式計算：

(5)

(6)

上述式中的符號含義與公式詳見GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》．

3.2.2.2 普通砌塊配筋砌體墻

普通砌塊承載力按GB 50003—2011《砌體結構設計規范》進行計算．

(1)軸心受壓時．鋼筋混凝土軸心受壓構件的正截面受壓承載力應按下列公式計算：

(7)

式中：φ0g為軸心受壓構件的穩定系數；fg為灌漿砌體的強度設計值；其他符號含義與公式詳見GB 50003—2011．

(2)偏心受壓時．其承載力計算式為：

(8)

(9)

式中符號含義與公式詳見GB 50003—2011．

表6給出了各試件承載力的實測值和計算值．由表6可知，除試件3DQ1由于填充率低導致其承載力實測值與計算值差異較大之外，其余3D打印試件的承載力實測值與計算值均較為接近．

表6 試件承載力預估值與實測值對比

表7 3D打印試件承載力影響率

4 結論

(1)加載后期，3D打印配筋砌體墻墻體表面會出現較多的豎向裂縫，且裂縫較長，大多集中在受壓端，橫向和斜向裂縫較少，最終表現為脆性破壞．

(2)普通砌塊配筋砌體墻在加載過程中裂縫主要沿砌筑的灰縫方向發展，橫向和豎向裂縫均有，且發展迅速，最終在受壓邊角處因砌塊壓碎導致試件破壞．

(3)加載過程中，3D打印配筋砌體墻和普通砌塊配筋砌體墻基本上是全截面受壓，充分利用了材料的抗壓強度，而豎向插筋數量有限，試驗過程中鋼筋處于彈性受壓狀態，應變、應力較小，對于承受荷載作用有限．

(4)根據本文建議的3D打印配筋砌體墻承載力計算公式所得到的計算結果與試驗數據較為吻合，可作為進行3D打印配筋砌體墻承載力計算的理論依據．

(5)本次試驗中，3D打印配筋砌體墻與普通砌塊配筋砌體墻相比，沒有豎向的施工縫，整體性更好，盡管部分試件中混凝土灌心并不密實，但承載能力仍是同等受力條件下普通砌塊配筋砌體墻的2倍左右，因此采用3D打印配筋砌體墻替代普通砌塊配筋砌體墻是可行的．