層間水膜對3D打印混凝土界面性能的影響

芮遨宇,王 里,馬國偉

(河北工業(yè)大學土木與交通學院,天津 300401)

0 引 言

混凝土3D打印是一種典型的智能建造技術,具有無模化、靈活化、智能化等優(yōu)點,在土木建筑領域有著廣泛的應用前景。在混凝土材料的可打印性能優(yōu)化調控[1]、收縮開裂的削弱抑制[2]、力學各向異性的量化分析[3]以及加筋增韌的探索研究[4]等方面,國內外學者開展了大量系統的研究工作,使3D打印混凝土技術逐漸趨于成熟[5-6]。目前3D打印混凝土結構化發(fā)展迅速,已經在數百個大型項目中應用,對材料的要求也趨向于高性能化[7-8]。

3D打印逐層堆積的固有建造工藝使材料層間界面的力學性能和耐久性能薄弱。試驗結果[9-10]表明,層間界面黏結強度隨著層間間隔時間的增長而降低。Keita等[11]發(fā)現層間黏結強度降低的原因是層間表面干燥,這避免了層間水分蒸發(fā)試件的層間黏結強度在100 min內損失超過20%,而處于風洞干燥環(huán)境的試件層間黏結強度降低了約50%。Moelich等[12]根據在泌水、蒸發(fā)的影響下表面水分隨時間的變化情況,準確地預測了層間黏結強度可降低30%～50%。相關研究證明界面水分含量直接影響層間界面黏結強度。

泵送擠壓力以及擠出成型過程會使打印條帶表面泌水,進而形成水分含量相對較高的區(qū)域,即水膜,這是連接上下打印層的過渡區(qū)域。Wolfs等[13]通過覆蓋的方法降低水分散失,發(fā)現與具有相同層間間隔時間的覆蓋試件相比,未覆蓋試件具有更高的孔隙率。Keita等[11]研究發(fā)現,當在風洞中的干燥時間從2 h增長到24 h時,層間處高孔隙率區(qū)域的厚度提高了約400%。因此,材料界面處水膜狀態(tài)直接影響著3D打印混凝土材料界面孔隙特征,進而影響材料的力學性能和耐久性能。

基于上述分析,3D打印混凝土材料性能與層間界面的水分狀態(tài)密切相關。然而,對于水膜與界面孔隙特征的關系尚缺少系統性闡述,并且層間間隔時間、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度等因素會直接導致打印條帶表面水分狀態(tài)發(fā)生改變。因此,量化表征3D打印混凝土界面處的水分狀態(tài),以及探究其對3D打印混凝土界面孔隙特征的影響,對提升3D打印混凝土材料與結構的力學性能具有重要的意義。

1 混凝土界面水分含量演變機制

1.1 界面水分含量初始狀態(tài)

為保證良好的擠出性和流動性,在配制3D打印混凝土時所采用的水膠比往往高于澆筑成型的混凝土水膠比,受擠壓作用時更易使水分向外泌出,因而在泵送輸送或者擠出成型的過程中,混凝土會在鄰近管道壁或打印頭的區(qū)域形成一層潤滑水膜,以便材料的流動。該水膜的存在使層間界面處混凝土含水率較高,并且水膜厚度會隨泵送壓力、擠出壓力的增加而增加,這是在打印完成時的初始界面水分狀態(tài)。

1.2 泌水-界面水分含量演變

泌水是固體顆粒沉降產生的毛細孔隙壓力通過連通孔隙將水抽吸出的現象。在早齡期時,混凝土尚未硬化,內部存在相互連通的孔隙網絡,水分會通過孔隙網絡輸送到混凝土表面[14]。因此,打印完成后混凝土骨料在重力作用下發(fā)生的沉降會使混凝土表面泌水,導致界面水分增加。圖1為3D打印混凝土打印條帶表面水分狀態(tài)演變分析圖。如圖1中標注的實線所示,在打印完成不久后,混凝土硬化程度較低,水分運輸網絡連通性較強,泌水速率占主導地位,導致界面水分含量逐漸增加。當界面水分過多時,水化反應無法完全消耗界面水分,多余水分會在界面處占據一定空間,在混凝土完全硬化后成為孔隙,使界面強度降低。

圖1 3D打印混凝土打印條帶表面水分狀態(tài)演變分析圖Fig.1 Analysis chart for evolution of moisture state on surface of 3D printed concrete strips

1.3 蒸發(fā)-界面水分含量演變

蒸汽壓差會促使混凝土表面水分通過蒸發(fā)散失到外界環(huán)境中。如圖1中標注的虛線(water evaporation)所示,隨著混凝土水化反應持續(xù)進行,混凝土內部的水化反應消耗了部分水分并使混凝土基體趨于致密,導致可供水分泌出的連通孔隙數量減少,使泌水速率逐漸低于水分蒸發(fā)速率[15]。界面水分含量的降低會逐漸使打印條帶的上表面處出現相對干燥區(qū)域,該區(qū)域中殘留的水分會在骨料等固體顆粒之間形成水彎液面。水彎液面的半徑會隨著水分的散失逐漸減小,當半徑變得太小而無法彌合固體顆粒間的空隙時,骨料、凝膠材料等固體顆粒將直接暴露在空氣環(huán)境中,此時空氣便可滲入。如果放置新的打印條帶但擠壓力未能充分發(fā)揮作用,在硬化后該處便會形成孔隙[12],并且由于該處界面存在相對干燥區(qū)域,不利于界面處混凝土水化反應的持續(xù)進行,會使界面附近孔隙結構粗化。

1.4 界面水分含量演變

3D打印混凝土材料界面水分狀態(tài)的演變受泌水、蒸發(fā)以及水化作用的綜合影響,其中水化作用對界面水分的影響主要是使泌水速率逐漸降低。如圖1中點劃線(mass of surface moisture)所示,在混凝土被擠出沉積的早期,泌水量大于蒸發(fā)量,因此界面水分含量增加。隨著時間的增長(小于層間間隔時間),水分持續(xù)蒸發(fā),蒸發(fā)量超過了泌水量,使得界面水分含量降低,甚至會使水分含量低于初始狀態(tài)。基于上述分析,如果層間間隔時間小于圖中關鍵轉折點,界面水分含量較高可能會導致界面孔隙率增加;如果層間間隔時間大于圖中關鍵轉折點,界面水分含量較低可能會導致界面孔隙粗大。因此,將層間間隔時間設置在關鍵轉折點處可降低水膜對界面的削弱作用。

2 界面水分含量及黏結強度表征

2.1 原材料配合比

制備3D打印混凝土的原材料為:高貝利特硫鋁酸鹽水泥(high belite sulfoaluminate cement, HB-CSA),強度等級為42.5;硅灰(silica fume, SF),表觀密度為2 200 kg/m3,堆積密度為400 kg/m3;骨料選取石英砂(quartz sand, QS),粒徑范圍為40～80目(178～420 μm);采用檸檬酸鈉作為緩凝劑,減水劑選用聚羧酸系高效減水劑,減水率大于30%。使用長度為9 mm、直徑為18～20 μm的聚丙烯纖維(polypropylene fiber, PP)來調控3D打印混凝土的抗開裂性能。3D打印水泥基復合材料配合比如表1所示。

表1 3D打印水泥基復合材料配合比Table 1 Mix ratio of 3D printed cement-based composite

2.2 界面水分含量測試

圖2為3D打印試件變量設置示意圖。如圖2所示,為研究打印參數對界面水分含量的影響,分別設置層間間隔時間為0、30、45 min,打印層厚為10、15、30 mm,環(huán)境狀態(tài)可分為有風(風扇施加4～5 m/s風速)、無風兩種。為測試打印條帶表面實時水分質量Mst,則需對初始水分質量Mi、水分蒸發(fā)質量Ept、材料泌水質量Bpt進行測量。

圖2 3D打印試件變量設置示意圖Fig.2 Variable setting schematic diagram of 3D printed specimen

1)初始水分質量Mi

采用高吸水性材料(濾紙)吸取打印條帶表面水分,通過吸水質量(MA-MB)及面積S(單位為cm2)計算單位面積上的Mi,計算式如式(1)所示。

(1)

2)水分蒸發(fā)質量Ept

水分蒸發(fā)速率試驗裝置如圖3所示。由圖3可知,所用模具僅上端開口與外界流通,以固定蒸發(fā)面積。將模具置于打印噴嘴下端,依托泵送壓力將模具填滿,確保與實際打印效果相同。然后將模具頂面裸露在25 ℃空氣環(huán)境中,將質量損失視為t時刻時的總水分蒸發(fā)質量Et,其與頂面面積A的比值即對應時刻單位面積上水分蒸發(fā)質量Ept,計算式如式(2)所示。

圖3 水分蒸發(fā)速率試驗裝置Fig.3 Water evaporation rate test device

(2)

3)材料泌水質量Bpt

自重泌水試驗裝置如圖4所示。使用兩個非接觸式激光位移計對泌水情況進行測量,分別對準漂浮標識板和沉淀標識板來監(jiān)測二者的垂直運動。漂浮標識板隨著水分泌出而浮起,用于標識泌水水位高度。沉淀標識板則隨混凝土表面運動,用于標識水分流失造成的沉降[16]。由此得出t時刻時單位質量的3D打印混凝土實時泌水質量Bt,而混凝土比表面積Kpc是打印條帶表面積與質量的比值。Bt與相應打印參數下Kpc的比值,即對應時刻單位面積上的材料泌水質量Bpt,計算式如式(3)所示。

圖4 自重泌水試驗裝置Fig.4 Self-weight bleeding test device

(3)

4)表面實時水分質量Mst

根據打印條帶表面水分初始質量Mi、水分蒸發(fā)質量Ept、泌水質量Bpt,可得到實時水分質量Mst,計算式如式(4)所示。

Mst=Mi+Bpt-Ept

(4)

2.3 孔隙特征測試

對從打印試件中切分出的60 mm立方體試件進行CT掃描,獲得層間界面孔隙特征。沿Z向將試件的掃描模型均勻切分成1 024個XY平面的薄片,對各個薄片的孔隙率分別進行計算,獲得沿Z向任意位置處的孔隙率。

2.4 黏結強度測試

使用量程為1 000 kN的試驗機測試試件的層間黏結強度,剪切試驗示意圖如圖5所示,加載速度為0.05 MPa/s。通過破壞荷載Fτ和剪切面積Aτ來計算界面剪切強度fτ,計算式如式(5)所示。

圖5 剪切試驗裝置Fig.5 Shear test device

fτ=Fτ/Aτ

(5)

3 結果與討論

3.1 界面水分狀態(tài)

1)初始水分質量Mi

經測試,本試驗材料在打印層厚30、15、10 mm時所產生的表面初始水分質量分別為0.120 2、0.129 7、0.132 8 g/cm2。

2)水分蒸發(fā)質量Ept

對240 min內混凝土材料的水分蒸發(fā)量進行了多次測量,求得數據均值,單位面積上水分蒸發(fā)質量Ept隨時間的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 打印條帶單位面積水分蒸發(fā)質量演變規(guī)律Fig.6 Evolution law of water evaporation mass per unit area of printed strips

3) 材料泌水質量Bpt

圖7為自重泌水試驗結果。圖7(a)展示了由激光位移計測得的水位、沉降及外部泌水位移量的多次測量均值,泌水數據在50 min內已不發(fā)生變化,可歸因于水化反應消耗水分并使混凝土硬化。圖7(b)展示了根據規(guī)范《混凝土泌水現象的標準試驗方法》(ASTM C232/C232M—2019)測得的累積泌水量占試樣凈拌合水量的百分比,即泌水率Ia。Yim等[16]發(fā)現所有澆筑混凝土的Ia均在18%～40%,但本試驗中測得的Ia僅為0.42%,可能是所采用的骨料尺寸較小,導致重力沉降量較少,并且3D打印混凝土中凝膠材料占比較高,摻入了大量的硅灰等水泥替代材料,最終使材料的泌水率大幅度降低。多次試驗求得單位面積上的泌水質量均值如圖7(b)所示,可見3D打印混凝土的泌水速率隨時間的增長而降低,并顯著低于水分蒸發(fā)速率。

圖7 自重泌水試驗結果Fig.7 Bleeding test results

4)表面實時水分質量Mst

圖8為打印條帶表面實時水分質量變化。由于水分蒸發(fā)質量遠大于材料泌水質量,因此打印條帶表面水分隨間隔時間的增長而減少。初始水膜厚度隨著打印層厚的降低而提高,但由此導致的3D打印混凝土界面水膜厚度增長并不顯著,避免了水膜過度增厚帶來的層間薄弱及孔隙結構粗化。水分蒸發(fā)占主導地位,導致水膜持續(xù)減薄,骨料、凝膠材料等固體顆粒直接暴露在空氣環(huán)境中所引發(fā)的孔隙結構粗化是無法避免的,這是層間界面孔隙結構劣化的最主要原因。

圖8 打印條帶表面實時水分質量變化Fig.8 Real-time moisture quality changes on the surface of printed strips

為了更好地簡化各組試件的名稱,將打印層厚以H表示,將層間間隔時間以T表示,將有風和無風環(huán)境分別用W、N表示,則無風環(huán)境下層厚30 mm、層間間隔45 min的試件命名為H30T45N。H30T20W組界面水分質量為單獨測量所得,各組試件的層間界面水分質量數據參見表2。由表2可知,打印參數對層間界面水分質量具有顯著影響,層間間隔時間的增長及環(huán)境風的存在都會使界面水分減少,當層間間隔為45 min時層間界面水分質量減少了25.79%,環(huán)境風的存在使層間間隔20 min試件的層間界面水分質量減少了42.07%。而打印層厚的降低會使界面初始水分質量增長,提高界面水分質量后,打印層厚從30 mm降低到10 mm時初始水分質量提高了10.48%。

表2 各試件層間界面水分質量Table 2 Interlayer interface moisture mass of each specimens

3.2 界面孔隙特征

3.2.1 間隔時間的影響

圖9為不同層間間隔時間試件的孔隙率沿Z向分布圖。將YZ平面上的CT掃描圖作為孔隙率點線圖的背景,與孔隙率曲線相互對照。在打印層厚、環(huán)境狀態(tài)相同時,層間界面孔隙率隨層間間隔時間的增長而顯著增長,H30T45N、H30T20N、H30T0N的層間界面孔隙率分別為6.29%、5.05%、2.50%,H30T45N的層間界面孔隙率較H30T0N提高了151.72%。主要原因為隨層間間隔時間的增長,界面累計水分蒸發(fā)質量增加,導致層間界面水分含量顯著降低,阻礙了層間界面處混凝土的水化反應,使界面孔隙結構粗化,層間界面更加薄弱。

圖9 不同層間間隔時間試件的孔隙率沿Z向分布Fig.9 Porosity distribution along Z direction of specimens under different time intervals

H30T45N、H30T20N、H30T0N的整體孔隙率分別為4.83%、4.20%、1.10%,整體孔隙率隨層間間隔時間的增加而增長。這可歸因于兩點:1)層間界面孔隙率的增長對整體孔隙率存在影響;2)基體內的水分在間隔時間內受到孔隙負壓的影響而持續(xù)泌出,導致基體中水分減少,水化程度降低,在骨料等固體顆粒間形成孔隙。

3.2.2 打印層厚的影響

不同打印層厚試件的孔隙率沿Z向分布圖如圖10所示。由圖10可知,H30T20N、H15T20N、H10T20N的層間界面孔隙率分別為5.05%、4.90%、4.50%,整體孔隙率分別為4.20%、3.49%、2.78%。在具有相同的層間間隔時間、環(huán)境狀態(tài)時,降低打印層厚可減小材料的層間界面孔隙率、整體孔隙率。H10T20N的層間界面孔隙率較H30T20N降低了10.78%,可見降低打印層厚對材料性能有積極的作用。

圖10 不同打印層厚試件的孔隙率沿Z向分布Fig.10 Porosity distribution along Z direction of specimens with different printing layer heights

在降低打印層厚時,3D打印混凝土的擠壓作用更加充分,這會帶來兩方面的影響:1)擠壓力的提高會迫使混凝土中的水分被擠出,使層間界面水分含量增長,但是3D打印混凝土膠凝材料占比較高,被擠出的水分較少,對層間界面的影響程度較低,所以層間界面孔隙率降低幅度較小;2)降低打印層厚會使擠壓作用更加充分,由此產生的充足擠壓力會使基體混凝土密實度顯著提高,從而降低整體孔隙率。

3.2.3 環(huán)境狀態(tài)的影響

不同環(huán)境狀態(tài)下試件的孔隙率沿Z向分布圖如圖11所示。由圖11可知,環(huán)境風帶來的影響較為顯著,H30T20W、H30T20N的層間界面孔隙率分別為6.21%、5.05%,整體孔隙率分別為5.53%、4.20%。在層間間隔時間及打印層厚相同時,環(huán)境風的存在使層間界面孔隙率及整體孔隙率均顯著提升,H30T20W的層間界面孔隙率和整體孔隙率分別較H30T20N提高了21.07%、31.66%,主要原因是打印過程中環(huán)境風的存在顯著增加了蒸發(fā)水分的質量,導致層間界面水分含量大幅降低,界面孔隙率顯著增長,并且使基體中水分受到孔隙負壓的影響而不斷向混凝土表面泌出,從而降低了整體孔隙率。

圖11 不同環(huán)境狀態(tài)下試件的孔隙率沿Z向分布Fig.11 Porosity distribution along Z direction of specimens under different environmental states

單位面積上層間界面水分質量與界面孔隙率關系如圖12所示。由圖12可知,層間界面孔隙率與界面水分質量之間存在一定的曲線關系,說明在一定程度上界面水分質量與層間界面孔隙率之間存在直接關聯。與各種打印參數相比,層間界面水分質量是層間界面狀態(tài)更直接的影響因素,直接決定了層間界面孔隙率。層間界面孔隙率隨著單位面積上界面水分質量的增長而降低,且界面孔隙率的降低速度隨界面水分質量的增長而提高。當層間水分質量極為接近初始界面水分質量時,界面水分質量的變化對層間界面孔隙率的影響程度最高,H30T20N的層間界面水分質量較H30T0N僅降低了12.47%,而層間界面孔隙率提高了100.02%。

圖12 單位面積上層間界面水分質量與界面孔隙率關系Fig.12 Relationship between interlayer interface moisture mass per unit area and interlayer porosity

3.3 界面黏結強度

剪切強度與層間界面孔隙率的關系如圖13所示。由圖13可知,層間界面孔隙率與層間界面剪切強度之間存在顯著的線性關系,相關系數R2為0.977,由此可將宏觀力學強度與細觀孔隙特征聯系起來。為明確層間界面水分質量、層間界面孔隙率對層間界面剪切強度的影響,建立了相應的響應面,層間界面剪切強度、孔隙率和水分質量的關系如圖14所示。在保持層間間隔時間、環(huán)境狀態(tài)不變的情況下,H30T45N的層間界面剪切強度較H30T0N的降低了50.12%,這與孔隙率隨層間間隔時間增長而增長的規(guī)律相符。在層間間隔時間、環(huán)境狀態(tài)相同時,H10T20N的層間界面剪切強度較H30T20N的提高了17.37%,證明力學性能是隨著打印層高的降低而提升的。H30T20W的層間界面剪切強度較H30T20N的低14.87%,證明環(huán)境風的存在對界面黏結確實存在削弱作用。由此可見,層間水分狀態(tài)和界面細觀孔隙特征直接影響著3D打印混凝土材料的宏觀力學強度。

圖13 剪切強度與層間界面孔隙率的關系Fig.13 Relationship between shear strength and interlayer interface porosity

圖14 層間界面剪切強度、孔隙率和水分質量的關系Fig.14 Relationship between interlayer shear strength, porosity and moisture mass

4 結 論

1)打印參數對層間界面水分質量具有顯著影響,層間間隔時間的增長及環(huán)境風的存在都會使界面水分減少,當層間間隔為45 min時層間界面水分質量減少了25.79%,環(huán)境風的存在使層間間隔為20 min時試件的層間界面水分質量減少了42.07%。而打印層厚的降低會使界面初始水分質量增長,提高界面水分質量,打印層厚從30 mm降低到10 mm時初始水分質量提高了10.48%。

2)層間界面孔隙率隨著單位面積上界面水分質量的增長而降低,孔隙率與界面水分質量之間呈一定的曲線關系,與其他打印參數相比,層間界面水分質量是更直接的層間界面狀態(tài)影響因素。并且在層間水分質量極為接近初始界面水分質量時,界面水分質量的變化對層間孔隙率的影響程度最高。

3)層間界面水分質量直接決定了層間界面孔隙率,層間界面孔隙率與界面剪切強度之間存在顯著的線性關系。層間水分狀態(tài)和界面細觀孔隙特征直接影響著3D打印混凝土材料的宏觀力學強度。