3D打印沙漠砂混凝土的可行性研究

孫曉燕，葉柏興，王海龍，陳龍

（浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058）

0 引言

2013年4 月，我國首次在《國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃》和《國家科技支撐計劃制造領(lǐng)域2014年度備選項目征集指南》中提出以3D打印技術(shù)推動制造業(yè)轉(zhuǎn)型；2015年2月，《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015-2016年）》將3D打印正式升格為國家戰(zhàn)略，全方位推進制造產(chǎn)業(yè)升級；2016年8月，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部下發(fā)了《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》對3D打印技術(shù)積極開展設(shè)備、材料研發(fā)，結(jié)合BIM技術(shù)應(yīng)用，探索建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)，實施應(yīng)用技術(shù)。基于傳統(tǒng)建材發(fā)展3D打印混凝土結(jié)構(gòu)，是土建行業(yè)建造智能化發(fā)展的迫切需求，可以有效解決傳統(tǒng)建筑施工手工作業(yè)多、模板用量大、復(fù)雜造型難以實現(xiàn)等問題，在建筑個性化設(shè)計、信息化建模、智能化建造方面具有顯著優(yōu)勢。

近年來，國內(nèi)外研究者在3D打印混凝土工作性能研究方面取得了一些成果[1-4]，3D打印混凝土的可打印性、可建造性和力學(xué)強度均已滿足智能建造需求。為緩解建筑用砂不足和綠色可持續(xù)發(fā)展，馬國偉等[5-6]評估了基于3D打印工藝的以替代物分別為銅尾礦和陶砂的膠凝材料的工作性能，結(jié)果表明，銅尾礦打印混凝土的流動性隨著銅尾礦替代率的增加而增大，可建造性則相反；中陶砂更適于作為3D打印陶砂混凝土材料。李騰[7]研發(fā)了用再生細骨料配制3D打印材料的配合比，研究發(fā)現(xiàn)，再生骨料替代率與抗折強度整體負相關(guān)。Ding等[8]研究了3D打印再生細骨料混凝土的早期強度，試驗得出，再生細骨料對打印混凝土的早期強度發(fā)展起到加速作用，可提供更好的可建造性。Rahul和Santhanam[9]探索了含有輕質(zhì)膨脹黏土骨料制備混凝土的可打印性，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輕質(zhì)膨脹黏土骨料替代率超過30%時易導(dǎo)致打印噴嘴的堵塞。盡管如此，在現(xiàn)有的條件下，對滿足3D打印工藝的新型骨料的探索仍具有重要意義。

沙漠砂是地表巖層風(fēng)化過程的產(chǎn)物，由沙漠砂部分或者全部替代建筑用砂制備而成的混凝土叫作沙漠砂混凝土。目前，中國[10]、阿曼[11]、毛里塔尼亞[12]、利比亞[13]等多地已經(jīng)在建筑方面開始了使用沙漠砂混凝土的嘗試。為了合理利用資源和緩解沙漠化問題，本文探討與論證以沙漠砂為細骨料應(yīng)用于3D打印混凝土的可行性，為3D打印新材料的研發(fā)提供借鑒。

1 適用性研究

1.1 建筑用砂的現(xiàn)狀

隨著全國各地基建項目的快速發(fā)展，各種建構(gòu)筑物的建設(shè)對混凝土的需求量不斷增加，導(dǎo)致河砂的需求量也與日俱增。河砂屬于嚴重短缺的不可再生資源，大規(guī)模開采河砂可能會對動植物群造成嚴重的負面影響，隨著我國加強河湖采砂綜治整理，科學(xué)合理的采砂和嚴厲打擊非法采砂的推進，導(dǎo)致現(xiàn)階段河砂的開采量大幅減少，供不應(yīng)求，這種強烈的供不應(yīng)求的情況促使河砂價格飛漲，進口河砂地區(qū)快速蔓延，工程建設(shè)成本不斷增加。

1.2 沙漠砂的現(xiàn)狀

全球沙漠面積約為6100萬km2，占地近41%的地球陸地和影響世界人口大約38%[14]，第五次《中國荒漠和沙化狀況公報》監(jiān)測結(jié)果表明，我國沙化土地面積達172.12萬km2[15]，新疆、青海等地的沙漠砂資源豐富，但是利用率極低。沙漠砂本身是由松散母巖風(fēng)化而成，自身強度略低于機制中砂[16]。與河砂相比，沙漠砂具有細度模數(shù)較小，吸水率高，強度、硬度不足等特點。過量摻入沙漠砂的混凝土?xí)黾铀嘤昧浚档涂箟簭姸龋炔唤?jīng)濟，也不安全。如表1所示，沙漠砂的細度模數(shù)相對較小，因此，按一定質(zhì)量比將沙漠砂和普通天然中、粗砂混合使用，可填充混凝土骨料之間的微小空隙，對混凝土的抗壓強度有一定的提高[17]。

表1 各地沙漠砂的性能參數(shù)

1.3 材料的匹配度

3D打印混凝土為了適應(yīng)泵送擠出、輪廓成型工藝等工作性能，而取消了粗骨料。目前，3D打印水泥基復(fù)合材料所用的骨料最大粒徑一般小于2 mm[22-24]，相對而言，沙漠砂的粒徑極小，使用沙漠砂替代部分骨料可填充打印材料內(nèi)部的微小空隙，使打印材料更加均勻和密實，提高打印材料的工作性能和力學(xué)性能。此外，隨著建筑用砂供需關(guān)系矛盾的加大，尋求一種新骨料代替建筑用砂的重要性日益凸顯。我國沙漠砂資源豐富，沙漠砂的工程性質(zhì)與混凝土中的細集料具有相似的特點[25]，是沙漠砂應(yīng)用于3D打印材料的重要前提。

2 安全性研究

2.1 沙漠砂混凝土的研究現(xiàn)狀

2.1.1 力學(xué)性能

為探究沙漠砂混凝土替代普通混凝土的可行性，生兆亮等[26]對比了以沙漠砂和石英砂分別為骨料的混凝土力學(xué)性能，結(jié)果表明：相對于石英砂混凝土，沙漠砂混凝土的軸心抗壓強度和立方體抗壓強度分別降低了17.42%和3.86%，但劈裂抗拉強度和抗折強度分別提高了1.49%和11.53%。李志強等[27-30]研究了不同沙漠砂替代率的混凝土的力學(xué)性能，結(jié)果表明：當(dāng)沙漠砂替代率在40%以內(nèi)時，混凝土立方體的抗壓強度、和易性均隨著沙漠砂替代率的增加而逐漸增加；隨著沙漠砂替代率的增加，混凝土的彈性模量、能量耗散能力和延性呈先增大后減小的趨勢。陳美美等[31]和李帥雄等[32]通過研究不同材料及其摻量，綜合考慮抗壓強度和工作性，發(fā)現(xiàn)沙漠砂替代率為25%～30%時沙漠砂混凝土的工作性能較好。Luo等[11，20]改變水灰比和沙漠砂替代率對沙漠砂混凝土進行了研究，證明了適當(dāng)控制水灰比可使砂漠砂替代混凝土中的細骨料而不造成不利影響。上述研究中各種沙漠砂制備的混凝土抗壓強度如表2所示，沙漠砂混凝土的抗壓強度隨沙漠砂替代率等因素的變化而變化，其強度可以滿足不同工程的要求。

表2 沙漠砂混凝土的抗壓強度

為探究最佳的沙漠砂替代率，李志強等[27]、劉海峰等[30]、Benabed等[21]和Al-Harthy等[11]分別采用古爾班通古特沙漠砂、毛烏素沙漠砂、阿爾及利亞南部沙漠砂、阿曼東部沙漠砂，研究了不同沙漠砂替代率對混凝土抗壓強度的影響，結(jié)果如圖1所示，對比文獻中的相對抗壓強度（即不同沙漠砂替代率的混凝土與普通混凝土的28 d抗壓強度之比）可知，隨著沙漠砂種類和替代率的不同，沙漠砂混凝土的抗壓強度最多降低了19%，但控制沙漠砂的摻量可以使沙漠砂混凝土的抗壓強度損失減小到5%以內(nèi)，甚至使其抗壓強度有所提高。

圖1 不同沙漠砂替代率混凝土的相對抗壓強度

2.1.2 耐久性能

耐久性能是研究混凝土材料在工程應(yīng)用中的重要保障，隨著沙漠砂混凝土的發(fā)展，許多學(xué)者對其耐久性能進行了研究。王娜和李斌[12]調(diào)整混合料級配、水灰比和減水劑用量，制備了和易性好、抗裂性能強、抗硫酸鹽侵蝕性能優(yōu)異的C50高強沙漠砂混凝土。馬荷姣等[33]通過改變不同材料及其摻量的抗碳化試驗，發(fā)現(xiàn)沙漠砂替代率對混凝土的抗?jié)B性能影響較小。楊浩等[34]的研究發(fā)現(xiàn)，沙漠砂粒徑較小有利于混凝土內(nèi)部的密實性，但由于其并不參與混凝土內(nèi)部的反應(yīng)，因此其影響較小。杜勇剛等[35]研究了不同粉煤灰摻量和沙漠砂替代率對沙漠砂混凝土抗凍性能的影響，結(jié)果表明，保持粉煤灰摻量不變，隨著沙漠砂替代率的增加，不同凍融循環(huán)次數(shù)后沙漠砂混凝土的質(zhì)量損失率遞增，相對動彈性模量先增加后減小，相比于普通混凝土，沙漠砂混凝土的抗凍性能較差。馬映昌等[18]探討了低溫作用對不同沙漠砂替代率混凝土強度的影響，研究發(fā)現(xiàn)，低溫下與低溫后2種工況下，沙漠砂混凝土的抗壓強度隨著沙漠砂替代率的增加呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢，級配良好的沙漠砂混凝土在低溫下的工作性能優(yōu)于普通混凝土。崔壯等[17]對現(xiàn)有研究進行進行總結(jié)發(fā)現(xiàn)，完全采用沙漠砂配制的混凝土耐久性較差，可采用摻入適量的礦物摻合料、不同長度和不同種類的纖維和部分替代天然砂的方法來提高沙漠砂混凝土的耐久性能。

2.1.3 其它性能

除了混凝土力學(xué)性能與耐久性能之外，建筑結(jié)構(gòu)對混凝土的其它性能也有一定的要求。針對沙漠砂混凝土的其它性能，王國慶等[29]對比了普通混凝土和普通砂取代率為50%的沙漠砂混凝土抗震性能，結(jié)果表明，沙漠砂混凝土的消耗地震能力較強，抗震性能和試件延性較好。李志強等[36]研究了沙漠砂替代率變化對耗能能力和剛度衰減等性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，隨著沙漠砂替代率的增加，沙漠砂混凝土的彈性模量、能量耗散能力和延性都呈先增加后降低的趨勢。李志強等[37]和董存等[38]研究了沙漠砂混凝土梁的抗彎承載力，結(jié)果表明，沙漠砂混凝土梁的破壞形式和破壞機理與普通混凝土基本相同，均符合平截面假定。

2.2 性能的匹配度

現(xiàn)有研究驗證了沙漠砂作為替代材料進行工程建造的可行性，并對耐久性和結(jié)構(gòu)性能進行了一些技術(shù)探索。在強度方面，沙漠砂混凝土的抗壓強度為32.9～81.7 MPa，適宜的沙漠砂替代率能使混凝土的強度損失率在5%以內(nèi)，甚至有所提高，可滿足一般工程的要求。在耐久性方面，沙漠砂混凝土在低溫作用下的工作性能較好，抗凍性能較差，抗?jié)B和抗碳化性能與普通砂混凝土相近，但可以通過改變沙漠砂摻量、加入纖維等方式來提高沙漠砂混凝土的耐久性能。在結(jié)構(gòu)受力方面，沙漠砂混凝土的抗震性能較好，抗彎性能與普通砂混凝土相近。沙漠砂混凝土的力學(xué)性能、耐久性能和結(jié)構(gòu)性能均可滿足大部分工程的要求，為沙漠砂應(yīng)用于3D打印材料提供了重要保證。

3 經(jīng)濟性和環(huán)保性研究

3.1 經(jīng)濟性

目前，河砂的供應(yīng)量不足，機制砂需大型機器加工、綠色發(fā)展水平低，海砂的淡化成本高。沙漠砂資源豐富，開采方便，無需大型機器和淡化成本，對降低工程造價具有重要意義。黃強等[39]總結(jié)了沙漠砂的特征及效益，發(fā)現(xiàn)不計治沙效益，單選沙漠砂在經(jīng)濟上也基本可行。朱騰明等[10]證明了沙漠砂混凝土在工程應(yīng)用上良好的經(jīng)濟效益。王娜和李斌[12]研究發(fā)現(xiàn)，使用沙漠砂混凝土既能縮短工期，又能將每平方米混凝土的成本降低8.7%。Al-Harthy等[11]的研究表明，當(dāng)其它骨料變得不經(jīng)濟時可采用沙漠砂代替。

3.2 環(huán)保性

采用沙漠砂替代河砂，能大大減小河砂的需求量，防止過度開采河砂而導(dǎo)致生態(tài)平衡的破壞。沙漠砂開采可以起到防沙治沙的作用，減緩沙漠化造成的污染[18]，對保護自然環(huán)境和合理開發(fā)利用自然資源具有深遠的影響。

4 結(jié)語

綠色化、低碳化和高效化是未來發(fā)展的趨勢，混凝土3D打印已逐漸成為當(dāng)下研究熱點，但目前建筑用砂已供不應(yīng)求，河砂等建筑用砂的過度開采易導(dǎo)致生態(tài)破壞等連鎖反應(yīng)，資源豐富但利用率極低的沙漠砂或可成為打印混凝土骨料的新選擇。在工程性質(zhì)方面，沙漠砂與3D打印混凝土細集料的細度和強度相近；在強度與耐久性方面，與普通混凝土相比，隨著沙漠砂替代率的變化，沙漠砂混凝土的強度損失可減小到5%以內(nèi)，其抗碳化性能、抗?jié)B性能和低溫工作性能等耐久性方面無顯著降低；從經(jīng)濟環(huán)保方面，結(jié)合使用沙漠砂作為3D打印材料的骨料，可改善建筑用砂不足的困境、縮短工期、降低造價和緩解沙漠化造成的污染。沙漠砂與3D打印技術(shù)的結(jié)合滿足綠色低碳建筑化和建筑工業(yè)化的發(fā)展要求，但目前對此的研究仍是寥寥無幾，亟待研發(fā)適用于3D打印工藝的沙漠砂混凝土材料。