添加劑對3D打印輕骨料混凝土流變性和可打印性的影響

王亞坤, 楊錢榮

(同濟大學 材料科學與工程學院, 上海 201804)

3D打印又被稱為增材制造,可指任何打印三維物體的過程[1],而3D打印混凝土技術是指將3D打印技術與水泥混凝土等建筑材料相結合的一種適用于建筑施工方面的新技術[2-3].可打印性是指混凝土從打印機的噴嘴中擠出,沉積后能夠保持形狀,并能在連續多層的情況下不坍塌,是3D打印混凝土最基本的性能.而擠出性和可建造性作為評價混凝土可打印性的2個重要參考指標,要受混凝土本身屈服應力的影響：當混凝土屈服應力較低時,其擠出性較好但可建造性較差;當屈服應力過高時,混凝土將不能順利擠出,從而不能進行打印[4-5].除了混凝土中的膠凝材料外,骨料的類型和細度也影響著混凝土本身的流變性,從而影響其擠出性和可建造性能[6-7].Panda等[8-10]對地聚合物材料進行了深入的研究,并制備出了可用于3D打印的地聚合物砂漿;劉巧玲[11]、趙宗志[12]研究了膠凝材料、聚合物以及外加劑等對3D打印砂漿流變性能、工作性能和力學性能的影響,并成功制備出了綜合性能良好的陸上和水下水泥基3D打印砂漿.但由于3D打印混凝土目前仍處于研究和發展階段,相關研究針對的主要是普通3D打印混凝土,而對于3D打印輕骨料混凝土的流變性能、可打印性等研究很少.

輕骨料混凝土具有質輕、保溫和耐火等優點[13],若將其作為3D打印材料應用于構件和房屋建筑等,可以減輕結構自重、節約材料用量、提高構件運輸和吊裝效率、減少地基荷載及改善建筑物功能等.配合開發輕質高強的3D打印混凝土,實現建筑建造過程中的機械自動化,這也是未來智慧建造的一個發展趨勢[14].

由于輕骨料混凝土中加入了大量的輕質骨料,其工作性能和流變性能與普通混凝土相差很大.對3D打印混凝土而言,加入輕骨料后,其可打印性將會發生很大變化.本文主要研究了骨料(石英砂、玻化微珠)和聚合物(保塑劑、塑化劑、乳膠粉)對3D打印輕骨料混凝土的流變性能、擠出性、堆積性能以及容重的影響,以期為3D打印輕骨料混凝土的制備及成型提供依據和參考.

1 試驗

1.1 原材料

P·Ⅱ 52.5硅酸鹽水泥,由太倉海螺水泥有限公司生產,其3d抗折強度、抗壓強度分別為5.6、29.2MPa;28d抗折強度、抗壓強度分別為8.8、56.6MPa;摻和料由硅灰和超細礦粉復合制成;保塑劑(HMC)由纖維素醚、木質纖維等組分復配而成;塑化劑(KHC)由淀粉醚、觸變潤滑劑等組分復配而成;乳膠粉(FX)為醋酸乙烯酯/乙烯共聚可再分散乳膠粉;減水劑為巴斯夫Melflux系列聚羧酸系減水劑;石英砂粒徑為0.150～0.212mm;玻化微珠(VB)為白色中空球體,其性能指標見表1.

表1 玻化微珠性能指標

1.2 試驗方法

采用RVDV-2型數字式旋轉黏度計測試3D打印輕骨料混凝土的流變參數.

3D打印輕骨料混凝土擠出性和堆積性能的測試方法參照文獻[15-16],并結合前期試驗工作進行了相應的改進.測試前先將攪拌泵漏斗和輸料軟管通水潤濕2～3min,待水完全排盡后,再將攪拌均勻的輕骨料混凝土裝入圖1所示的3D打印機給料漏斗中,啟動攪拌泵,泵送速率調至80r/min,使輕骨料混凝土經輸送管道(輸送管內徑為18mm,管長為800mm)從打印噴頭中均勻、連續地擠出.

圖1 實驗室3D打印機Fig.1 Lab 3D printer

3D打印輕骨料混凝土的擠出性采用90s內從打印噴頭中擠出的輕骨料混凝土質量M(精確至1g)來表征.

3D打印輕骨料混凝土的堆積性能是評價其可建造性的重要指標,可以通過有效打印高度來表征,有效打印高度越高,堆積性能越好.根據測試程序,3D打印機打印第1層輕骨料混凝土時，打印噴頭距離打印平臺的高度(h)為h0;當打印長度為200mm單線條后,提升h值,打印第2層輕骨料混凝土;以此循環,直至最終堆積的打印構件坍塌為止.記錄最終坍塌時打印構件的打印層數n,并在此基礎上,重新開始打印,堆積至n-2層即可.

打印構件的有效打印高度評價方法如下：(1)根據打印n-2層時的打印構件最低高度h1和最高高度h2,取兩者的算術平均值作為實際打印高度hS,即hS=(h1+h2)/2;(2)計算理論打印高度hL,hL=h0+h(n-3);(3)計算|hL-hS|/hL,若該值小于或等于15%,則hS值即為有效打印高度,否則該值無效,即有效打印高度為0.重復打印3次,以3次測試結果的平均值作為該打印構件的有效打印高度,精確至1mm.

3D打印輕骨料混凝土的容重測定參照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》.

1.3 試驗方案

已有研究表明,保塑劑(HMC)、塑化劑(KHC)和乳膠粉(FX)對3D打印混凝土的擠出性和可建造性影響較大[11-12].本文在前期研究基礎上[17],通過改變骨料(石英砂、玻化微珠)、HMC、KHC及FX等組分的質量分數,研究不同配比下3D打印輕骨料混凝土的流變性能、可打印性和容重的變化規律.試驗配比(質量分數，外摻)見表2.

表2 3D打印輕骨料混凝土配比

2 試驗結果與討論

2.1 骨料的影響

A0組打印混凝土的骨料為石英砂;A1組打印混凝土用玻化微珠取代一半體積的石英砂;A2組打印混凝土用玻化微珠取代全部體積的石英砂.骨料類型對3D打印輕骨料混凝土流變性能(表觀黏度、觸變性、屈服應力)、擠出性、堆積性能和容重的影響如圖2～6所示.可以看出,相同水膠比條件下,隨著玻化微珠取代量的增加,3D打印混凝土的表觀黏度、觸變性、屈服應力、擠出性、堆積性能和容重均呈下降趨勢.由圖2可以看出,隨著剪切速率的加快,3組打印混凝土的表觀黏度變化趨勢相似,先迅速降低,當降低到一定程度后降速趨緩;相較于A0組打印混凝土,A1組和A2組打印混凝土的表觀黏度有較大幅度的下降.觸變性(S)是指漿體在外力剪切作用下由黏稠狀態變為流動性較大的狀態,在剪切作用取消后,滯后一段時間又恢復到原來狀態的性能,適宜的觸變性能夠保障3D打印混凝土具有良好的擠出性和可建造性[18].觸變性的大小由觸變環的面積來表征,由圖3可以看出,3組打印混凝土的觸變性分別為2165.67、1150.36、480.46Pa/s,即隨著玻化微珠取代量的增加,3D打印輕骨料混凝土的觸變性顯著降低.圖4是以賓漢姆流體模型為基礎擬合求得的屈服應力.由圖4可見,3組打印混凝土的屈服應力分別為88.31、47.89、42.67Pa,即隨著玻化微珠取代量的增加,3D打印輕骨料混凝土的屈服應力明顯減小.由圖5可以看出,隨著玻化微珠取代量的增加,3D打印輕骨料混凝土的擠出性和堆積性能均顯著降低,原因是當混凝土的黏度、觸變性和屈服應力過小時,會在泵送時因擠壓而離析,導致其均勻性變差;同時導致其在打印堆積時的抗下垂能力降低,塑性變形增大.由圖6可以看出,隨著玻化微珠取代量的增加,3D打印輕骨料混凝土的容重明顯降低.

圖2 骨料類型對3D打印輕骨料混凝土表觀黏度的影響Fig.2 Effect of aggregate on apparent viscosity of 3DPLAC

圖3 骨料類型對3D打印輕骨料混凝土觸變性的影響Fig.3 Effect of aggregate on thixotropy of 3DPLAC

圖4 骨料類型對3D打印輕骨料混凝土流變性能的影響Fig.4 Effect of aggregate on rheological property of 3DPLAC

圖5 骨料類型對3D打印輕骨料混凝土擠出性和堆積性能的影響Fig.5 Effect of aggregate on extrudability and stacking performance of 3DPLAC

圖6 骨料類型對3D打印輕骨料混凝土容重的影響Fig.6 Effect of aggregate on bulk density of 3DPLAC

2.2 保塑劑(HMC)的影響

根據前面的結果,為了進一步降低3D打印輕骨料混凝土的容重,不再摻加石英砂,同時增大玻化微珠的摻量至其與膠凝材料的質量比(骨膠比)為0.45.以R0組為基準,研究同水膠比條件下保塑劑摻量(wHMC為0.1%、0.4%、0.7%、1.0%，分別對應C1、R0、C2、C3組打印輕骨料混凝土)對3D打印輕骨料混凝土流變性能、擠出性、堆積性能和容重的影響,結果見圖7～11.由圖7～9可以看出,隨著保塑劑摻量的增加,3D打印輕骨料混凝土的表觀黏度、觸變性和屈服應力均逐漸增大.這是因為保塑劑的主要成分是纖維素醚,而纖維素醚具有優良的增稠增黏能力[19],因此3D打印輕骨料混凝土的表觀黏度、觸變性和屈服應力均隨著保塑劑摻量的增加而增加.保塑劑摻量分別為0.1%、0.4%、0.7%和1.0%時,混凝土的觸變性分別為175.64、2448.57、2916.63、4035.84Pa/s,屈服應力分別為24.93、202.46、488.10、494.50Pa.由圖10可以看出,當保塑劑摻量為0.1%時,由于3D打印輕骨料混凝土的黏聚性和均勻性較差,難以順利從打印機中擠出,致使其可堆積高度為零;隨著保塑劑摻量的增加,3D打印輕骨料混凝土的均勻性和黏聚性得到改善,其擠出性和堆積性能顯著提高;當保塑劑摻量為0.4%時,3D打印輕骨料混凝土的擠出性和堆積性能達到最大值;隨著保塑劑摻量的繼續增加,3D打印輕骨料混凝土的屈服應力和觸變性隨之增大,泵送阻力也隨之增加,致使其擠出性和堆積性能呈現出降低的趨勢.由圖11可以看出,隨著保塑劑摻量的增加,3D打印輕骨料混凝土的容重明顯降低,這是因為纖維素醚具有引氣作用,在混凝土制備過程中會引入大量微小的氣泡,從而使其容重顯著降低[20].當保塑劑摻量為0.4%時,3D打印輕骨料混凝土的容重下降明顯,流變性能也得到了顯著改善,擠出性以及堆積性能均達到最佳.

圖7 保塑劑對3D打印輕骨料混凝土表觀黏度的影響Fig.7 Effect of HMC on apparent viscosity of 3DPLAC

圖8 保塑劑對3D打印輕骨料混凝土觸變性的影響Fig.8 Effect of HMC on thixotropy of 3DPLAC

圖9 保塑劑對3D打印輕骨料混凝土流變性能的影響Fig.9 Effect of HMC on rheological property of 3DPLAC

圖10 保塑劑對3D打印輕骨料混凝土擠出性和堆積性能的影響Fig.10 Effect of HMC on extrudability and stacking performance of 3DPLAC

圖11 保塑劑對3D打印輕骨料混凝土容重的影響Fig.11 Effect of HMC on bulk density of 3DPLAC

2.3 塑化劑(KHC)的影響

在R0組配比的基礎上,研究同水膠比條件下塑化劑摻量(wKHC為0%、0.025%、0.075%、0.125%，分別對應D1、R0、D2、D3組打印輕骨料混凝土)對3D打印輕骨料混凝土流變性能、擠出性、堆積性能以及容重的影響,結果見圖12～16.由圖12～14可以看出,隨著塑化劑摻量的增加,3D打印輕骨料混凝土的表觀黏度呈上升趨勢,觸變性和屈服應力均有明顯增加.塑化劑摻量分別為0%、0.025%、0.075%和0.125%時,混凝土的觸變性分別為1910.77、2448.57、2864.82、3156.39Pa/s,屈服應力分別為191.78、202.46、286.57、305.39Pa.由圖15可以看出,隨著塑化劑摻量的增加,3D打印輕骨料混凝土的擠出性呈降低趨勢,而堆積性能呈先增后減趨勢.當塑化劑摻量達到0.025%時,3D打印輕骨料混凝土的塑性變形性能得到顯著改善,其堆積性能達到最大值.研究表明[12],3D打印混凝土在一定的流變參數范圍內才具有較好的擠出性和堆積性能,若屈服應力過小,則打印材料易流動,對其堆積性能不利;若屈服應力過大,則打印材料泵送阻力顯著增加,也不利于其形成有效堆積;若觸變性過大,打印材料泵送阻力增加,致使其難以擠出,堆積性能也較差.當塑化劑摻量進一步增加后,會造成3D打印輕骨料混凝土的屈服應力和觸變性過大,泵送阻力進一步增加,從而使其擠出性持續下降,堆積性能明顯降低.由圖16可以看出,隨著塑化劑摻量的增加,3D打印輕骨料混凝土的黏聚性增大,攪拌引入的氣泡減少,容重略有增加.當塑化劑摻量為0.025%時,3D打印輕骨料混凝土具有適宜的流變性能以及最佳的堆積性能,且容重變化不明顯.

圖12 塑化劑對3D打印輕骨料混凝土表觀黏度的影響Fig.12 Effect of KHC on apparent viscosity of 3DPLAC

圖13 塑化劑對3D打印輕骨料混凝土觸變性的影響Fig.13 Effect of KHC on thixotropy of 3DPLAC

圖14 塑化劑對3D打印輕骨料混凝土流變性的影響Fig.14 Effect of KHC on rheological property of 3DPLAC

圖15 塑化劑對3D打印輕骨料混凝土擠出性和堆積性能的影響Fig.15 Effect of KHC on extrudability and stacking performance of 3DPLAC

圖16 塑化劑對3D打印輕骨料混凝土容重的影響Fig.16 Effect of KHC on bulk density of 3DPLAC

2.4 乳膠粉(FX)的影響

在R0組配比的基礎上,在同水膠比條件下,研究乳膠粉摻量(wFX為0%、0.5%、1.0%、1.5%，分別對應E1、R0、E2、E3組打印輕骨料混凝土)對3D打印輕骨料混凝土流變性能、擠出性、堆積性能和容重的影響,結果見圖17～21.由圖17～19可以看出,隨著乳膠粉摻量的增加,3D打印輕骨料混凝土的表觀黏度、觸變性和屈服應力的變化趨勢均是先減小再增大.乳膠粉摻量分別為0%、0.5%、1.0%和1.5%時,混凝土的觸變性分別為3909.24、2448.57、1824.46、2160.17Pa/s,屈服應力分別為309.74、202.46、244.03、288.17Pa.另外，當乳膠粉摻量為0%時,由于3D打印輕骨料混凝土的表觀黏度、屈服應力和觸變性均很大,材料呈團聚狀,均勻性和分散性較差,致使其不能從打印機中擠出，而摻加乳膠粉后,3D打印輕骨料混凝土的擠出性和堆積性能得到了顯著改善.由圖20可見，當乳膠粉摻量為0.5%時,3D打印輕骨料混凝土的擠出性達到最大值;隨著乳膠粉摻量的繼續增加,3D打印輕骨料混凝土的擠出性又出現下降的趨勢；當乳膠粉摻量為0%時,由于輕骨料混凝土不能從打印機中擠出,所以其堆積高度為零;隨著乳膠粉摻量的增加,3D打印輕骨料混凝土的堆積性能逐漸提高;當乳膠粉摻量為1.0%時,3D打印輕骨料混凝土的堆積性能達到最大值;隨著乳膠粉摻量的繼續增加,3D打印輕骨料混凝土的堆積性能又出現下降的趨勢.這是由于乳膠粉顆粒之間的潤滑效應,使得摻加乳膠粉的混凝土組分能夠單獨流動;同時乳膠粉對空氣有誘導效應,能賦予混凝土可壓縮性,改善混凝土工作性,因此在適當摻量下能明顯提高輕骨料混凝土的擠出性和堆積性能.但是,當乳膠粉摻量過大時,又會增大混凝土的觸變性和屈服應力,導致其擠出性和堆積性能又有所降低[21-22].由圖21可以看出,隨著乳膠粉摻量的增加,在乳膠粉的引氣作用下,3D打印輕骨料混凝土的容重有減小的趨勢.乳膠粉摻量為1.0%時,3D打印輕骨料混凝土的流變性能得到進一步改善,在堆積性能達到最佳的同時,也獲得了較低的容重.

圖17 乳膠粉對3D打印輕骨料混凝土表觀黏度的影響Fig.17 Effect of FX on apparent viscosity of 3DPLAC

圖18 乳膠粉對3D打印輕骨料混凝土觸變性的影響Fig.18 Effect of FX on thixotropy of 3DPLAC

圖19 乳膠粉對3D打印輕骨料混凝土流變性的影響Fig.19 Effect of FX on rheological property of 3DPLAC

圖20 乳膠粉對3D打印輕骨料混凝土擠出性和堆積性能的影響Fig.20 Effect of FX on extrudability and stacking performance of 3DPLAC

圖21 乳膠粉對3D打印輕骨料混凝土容重的影響Fig.21 Effect of FX on bulk density of 3DPLAC

3 結論

(1)在摻加玻化微珠后,3D打印輕骨料混凝土的表觀黏度、觸變性和屈服應力明顯下降;隨著玻化微珠取代量的增加,3D打印輕骨料混凝土的擠出性和堆積性能均降低,容重顯著下降.

(2)摻加適量的保塑劑可顯著改善3D打印輕骨料混凝土的擠出性和堆積性能,降低材料容重;當保塑劑摻量過低時,3D打印輕骨料混凝土的黏聚性較差,不能順利完成打印;而當保塑劑摻量過高時,3D打印輕骨料混凝土的黏聚性、觸變性和屈服應力也會隨之增大,使得材料的擠出性下降,堆積性能降低.

(3)摻加適量的塑化劑,3D打印輕骨料混凝土可獲得較好的擠出性和堆積性能;塑化劑對材料容重影響較小;塑化劑摻量過大時會顯著增大3D打印輕骨料混凝土的表觀黏度、觸變性和屈服應力,降低材料的擠出性,從而導致其堆積性能變差.

(4)摻加適量的乳膠粉,可明顯改善3D打印輕骨料混凝土的擠出性和堆積性能并降低其容重;不摻乳膠粉時,3D打印輕骨料混凝土的均勻性和黏聚性較差,不能順利完成擠出打印;而乳膠粉摻量過高時,3D打印輕骨料混凝土的表觀黏度、觸變性和屈服應力較大,導致其擠出性和堆積性能有所降低.

(5)當水膠比定為0.625、骨膠比為0.45后,保塑劑摻量為0.4%,塑化劑摻量為0.025%,且乳膠粉摻量為1.0%時,本文試驗的3D打印輕骨料混凝土具有合適的流變性能,良好的可打印性,以及較低的容重.