基于金屬粉末的3D打印錨桿與混凝土粘結性能研究

張旭升 杜小軍 郭 健 黃 棟 汪忠波 石 亮

(1.陜西中機巖土工程有限責任公司,陜西 西安 710061;2.長安大學建筑工程學院,陜西 西安710061)

錨桿是采用金屬件、聚合物件、木件或其他原材料加工制作而成的桿狀構件,因其能比較充分地調動巖土體自身的強度和穩定性而被廣泛應用于各類巖土支護工程[1]。然而傳統錨桿的耐久性較差、材料強度較低,致使其實際應用面臨嚴峻問題,例如錨桿銹蝕,傳統巖錨結構面臨嚴重的耐久性問題。巖錨作為一種地下結構,所處環境復雜,易受地質條件影響,在氣候多變的山區和地下水富集的軟土地區,巖錨結構的耐久性問題尤為突出[2]。另外,傳統錨桿材料強度較低,導致制作巖錨的材料用量較大,較長的地下錨固長度加大了鉆孔深度,會引起一系列復雜的地質處理問題,地下工程量也會相應增大[3]。鑒于目前所使用的傳統巖錨結構已出現的一系列問題,人們對其安全性與耐久性問題愈發關注,探尋更為高效、經濟的巖錨結構形式的研究不斷涌現。其中,新型高性能材料的相關研究獲得了廣泛關注[4]。

目前,3D打印技術作為一種創新的增材制造技術已經在制造業、醫療、建筑和藝術設計等眾多領域中得到廣泛應用。它以數字模型文件為基礎,采用塑料、金屬等粉末狀材料,通過逐層打印的方式制作成型。相對于傳統制造方法,3D打印技術獨特的工藝可以提高生產效率,節省時間。此外,3D打印通過使用計算機輔助設計,減少了生產過程中的浪費和消耗[5]。

近年來,3D打印技術在巖土力學領域也得到了廣泛的應用。Gell等[7]利用3D打印技術模擬真實巖石的可行性,發現該技術在巖石力學應用方面具有潛力。Ju等[8]利用3D打印技術重構天然煤巖物理模型并進行力學試驗,結果表明其破壞模式與煤巖試樣相似。鞠楊等[9]采用3D打印技術制備煤巖模型,成功實現了煤巖內部的復雜結構和應力場的可視化。江權等[10]以石膏粉末為打印材料制作類巖體,通過力學試驗證明3D打印技術用于巖土工程室內試驗的有效性和可行性。劉泉聲等[11]通過研究不同黏著劑濃度及干燥時間對3D打印試樣強度的影響,并提出了3D打印巖石的最優方案。張濤等[12]通過3D打印技術制作了含不同傾角預制柱狀節理的巖石試樣,并研究了含柱狀節理打印巖石的各向異性力學特性。

而在3D打印金屬錨桿方面也開展了較多研究。例如,Kempen等[13]采用3D打印技術制造了Al-Si10Mg合金構件,并對其力學性能進行了測試。測試結果顯示,該構件的致密度高達99.5%,抗拉強度達到400MPa。馮曉巍等[14-16]運用3D打印技術,制作了3種不同金屬粉末材料的錨桿,并在拉伸試驗、SEM和金相測試等方面進行了探究。結果表明,不銹鋼粉末成型技術制造的錨桿在強度和變形方面更接近于真實錨桿。張成文等[17]研究結果顯示,通過特殊的加工工藝,結合先進的螺紋加工技術,可以顯著提高金屬高強度粗尾錨桿的整體性能。其中,增加錨桿尾部的延伸率是提升錨桿性能的重要方法之一,這樣可以顯著改善錨尾的塑性特性和整體強度。

然而目前對于3D打印錨桿的研究僅限于進行較為單一的力學性能測試,并未對其與混凝土之間的粘結性能進行深入研究。基于此,本研究旨在通過比較研究不同金屬粉末材質的3D打印錨桿與真實錨桿的力學性能差異,確定適用于模擬真實錨桿的材質。隨后,通過拉拔試驗研究其與混凝土之間的粘結性能,為3D打印錨桿應用研究提供一種新的思路和方法。

1 3D打印錨桿的制作

1.1 3D打印技術原理

3D打印錨桿是通過選擇性激光熔化技術(SLM)打印技術制作成型。用于打印的原材料是金屬粉末,它的打印原理如圖1所示。打印步驟如下:① 送粉柱塞上升將金屬粉末從粉料缸中微微頂出;② 鋪粉輥滾動將粉末推至成型缸,使粉末覆蓋工作平臺;③ 激光束根據計算機的文件信息熔化并燒結當前層;④ 制造柱塞向下移帶動成型缸下降一個打印層厚度;⑤ 重復步驟①～④,直至打印完成[18]。打印過程在充滿惰性氣體的工作室內進行,以防止金屬粉末在高溫下氧化。

圖1 SLM打印原理Fig.1 SLM printing principle

1.2 錨桿的設計與制作

本次試驗所用錨桿是通過HK-M125型3D打印機打印而成,打印層厚度在0.2～0.5 mm范圍內,完全滿足錨桿打印精度需求。在進行打印工作之前,用KSCAN20掃描儀對其掃描建模,掃描儀的掃描精度為0.02 mm,分辨率為0.05 mm,滿足錨桿建模的精度要求。通過使用Geomagic Wrap軟件對掃描儀采集到的數據進行分析處理,去除原始數據中的浮點和雜點,并填充未采集到的數據。在完成數據處理后,導出數據模型文件(stl文件)。打印材料選擇不銹鋼粉末、鋁合金粉末、模具鋼粉末,打印成型的3D打印錨桿如圖2所示,真實錨桿及3D打印錨桿的相關物理參數如表1所示。

表1 真實錨桿及3D打印錨桿的物理參數對比Table 1 Comparison of physical parameters of real bolt and 3D printed bolt

圖2 真實錨桿、錨桿數字模型及3D打印錨桿Fig.2 Real bolt,bolt digital model and 3D printed bolt

1.3 3D打印錨桿拉伸性能測試

錨桿的極限抗拉強度和極限拉伸應變對其支護能力都非常重要。在設計錨桿時,需要綜合考慮材料的強度、應變等因素,以確保錨桿具有足夠的強度、剛度和穩定性,從而發揮其最大的支護作用[19]。

試驗采用WAW31000微機伺服萬能試驗機對真實錨桿及3D打印錨桿進行拉伸試驗,試驗采用位移控制的加載方式,加載速率為0.05 mm/s。得到的應力-應變曲線如圖3所示。由圖可知,3D打印模具鋼、不銹鋼、鋁合金錨桿和真實錨桿的抗拉強度分別為929.07、599.96、299.21和532.47 MPa。其峰值應力所對應的應變分別為0.05、0.14、0.03和0.17。結果表明,3D打印不銹鋼錨桿在極限抗拉強度與極限拉伸應變上與真實錨桿相似;3D打印模具鋼錨桿極限抗拉強度雖高于其他組,但其應變遠低于真實錨桿;3D打印鋁合金錨桿在拉伸性能方面與真實錨桿相差較大。因此,3D打印不銹鋼錨桿適合作為模擬真實錨桿的材料進行更深一步的試驗研究。

2 3D打印不銹鋼錨桿的粘結性能

2.1 試驗設計

本次試驗主要研究3D打印不銹鋼錨桿、真實錨桿與混凝土之間的粘結性能。試驗分為2組,即3D打印不銹鋼錨桿組和真實錨桿組。每組分別制備3個試件,混凝土試塊的尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm。試驗中考慮了不同混凝土強度等級(C30、C40)對粘結性能的影響。

2.2 試驗材料

在試驗中使用的混凝土采用了P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。粗骨料選用的是粒徑在5～20 mm范圍內的碎石骨料,而細骨料則是河砂,其細度模數為2.7。拌合水采用自來水,減水劑選擇聚羧酸減水劑,其減水率為20%。具體的混凝土配合比如表2所示。

表2 混凝土的配合比Table 2 Mix ratio of concrete

2.3 試樣制備與養護

拔出試件如圖4所示,模具底部開設孔洞,確保錨桿可以固定在試模內。將錨桿埋入不同強度等級的混凝土試塊中,錨桿的粘結長度設置為5d,其余段采用PVC管包裹且開口處仍伸出一段,防止試塊加載端處的混凝土在拉拔過程中受到混凝土的局部擠壓,導致其端口附近的錨桿與試塊中的錨桿應力狀態差別過大,影響試驗結果的準確性。試件采用垂直澆筑的方式進行制備,在澆筑24 h后進行拆模,然后將試件放入養護室進行28 d的養護。養護期結束后,進行拉拔試驗[20]。

圖4 試件示意圖Fig.4 Schematic diagram of specimen

2.4 試驗設備

試驗采用WAW31000微機控制電液伺服萬能試驗機進行加載,加載速率為0.5 mm/min。將養護28 d的試件置于反力架上,在錨桿的自由端安裝位移計,由其進行數據采集,記錄試件自由端的位移值。固定裝置如圖5所示。

圖5 試驗加載裝置Fig.5 Test loading device

3 結果與分析

3.1 破壞模式分析

抗拔試驗的破壞模式主要有:錨桿拔出、混凝土劈裂破壞(表3)。錨桿被拔出破壞:加載過程中,混凝土表面沒有明顯的變化,錨桿肋間的混凝土被碾碎,破壞了錨桿與混凝土之間的粘結,導致錨桿被拔出,如圖6(a)。混凝土劈裂破壞:加載初期,觀察到試塊并沒有明顯的變形,且錨桿的滑移值很小;隨著加載端施加的拉力增大,錨桿的滑移量開始增大,在接近拉力的峰值時,混凝土塊表面開始出現裂紋,裂紋隨著施加的力的增加而開始逐步擴展,當拉力達到峰值時,試樣發出聲響。伴隨著混凝土的斷裂聲,混凝土出現明顯的裂縫,應力開始下降,試件發生破壞,如圖6(b)所示。

表3 3D打印錨桿與真實錨桿拉拔試驗結果Table 3 Drawing test results of 3D printed bolt and real bolt

圖6 試件的破壞形態Fig.6 Failure patterns of specimens

從試驗現象可以看出,錨桿的類型對破壞模式有明顯影響。與真實錨桿相比,3D打印不銹鋼錨桿試件的裂縫寬度相對較寬,且破壞現象更明顯。分析其原因是由于3D打印不銹鋼錨桿是通過金屬顆粒燒結熔化制成的,其表面相對于真實錨桿來說較為粗糙。這種粗糙表面的形式導致試件的機械咬合力和摩擦力增大,同時錨桿肋間凹槽的摩擦阻力也增大,出現了明顯的摩擦現象。這些因素導致錨桿肋間的混凝土殘留物迅速增多,如圖6(c)所示。

3.2 粘結強度

為方便對比3D打印不銹鋼錨桿、真實錨桿與混凝土之間的粘結強度,采用錨桿粘結長度區間內的最大平均粘結應力作為3D打印不銹鋼錨桿與混凝土的界面粘結強度,最大平均粘結強度(應力)計算公式如下式所示。

式中,τ為平均粘結強度,MPa;P為加載端所受的拉拔力,N;d為錨桿的直徑,mm;l為錨桿的錨固長度,mm。其粘結強度、破壞形式、峰值應力對應的滑移值如表3所示。

3.3 3D打印不銹鋼錨桿粘結強度影響分析

3.3.1 錨桿類型對粘結強度的影響

對比分析錨桿類型對粘結強度的影響結果如圖7所示。結果表明,3D打印不銹鋼錨桿、真實錨桿與混凝土的粘結強度方面均有不同程度的提升。相對于真實錨桿,3D打印不銹鋼錨桿與C30、C40混凝土的粘結強度分別提高了1.73%和1.64%。這說明3D打印不銹鋼錨桿混凝土的粘結錨固作用強于真實錨桿,分析其原因是3D打印不銹鋼錨桿表面的粗糙度大于真實錨桿,使其與混凝土的機械咬合力與摩擦力提高,繼而提高了錨桿表面與混凝土交界面的粘結強度。

圖7 錨桿類型對粘結強度的影響Fig.7 Influence of bolt type on bond strength

3.3.2 混凝土強度等級對粘結強度的影響

對比分析混凝土強度等級對粘結強度的影響結果如圖8所示。結果顯示:無論是3D打印不銹鋼錨桿還是真實錨桿,它們與混凝土之間的粘結強度都隨著混凝土強度等級的提高而增大。相較于真實錨桿與C30、C40混凝土的粘結強度,3D打印不銹鋼錨桿與C30、C40混凝土的粘結強度分別提高了5.7%和5.9%。分析其原因是隨著混凝土強度等級的提高,錨桿與混凝土之間的化學膠著力和機械咬合力增大,混凝土與錨桿之間的粘結力增強,使得混凝土具有更好的抗劈裂能力,減慢了混凝土內部破壞的速度,因此混凝土粘結強度得到增強。

圖8 混凝土強度對粘結強度的影響Fig.8 Influence of concrete strength on bond strength

3.4 3D打印不銹鋼錨桿、真實錨桿與混凝土的粘結強度-滑移曲線分析

在對試塊進行拉拔試驗后,通過對數據采集箱得到的數據進行處理,繪制出2種類型的錨桿與混凝土的平均粘結強度-滑移曲線如圖9所示。其中每組拉拔試件選取一個代表性試件進行分析。從曲線中可以觀察到錨桿與混凝土的τ-s曲線分為微滑移階段、滑移階段、下降階段和殘余階段。需要注意的是,只發生劈裂破壞的試件在曲線上只有微滑移階段和滑移階段。

圖9 3D打印不銹鋼錨桿、真實錨桿與混凝土的粘結強度-滑移曲線Fig.9 Bonding slip curves between 3D printed stainless steel bolt and real bolt and concrete

微滑移階段(圖9AB段):曲線呈線性變化。在這個階段,粘結力主要由化學膠著力提供。試塊沒有明顯的變化,自由端也沒有明顯的位移,加載過程中只產生微小的滑移現象。這意味著錨桿與混凝土之間的粘結處于初始階段,化學膠著力起主導作用,試件整體保持相對穩定。

滑移階段(圖9BC段):隨著荷載的不斷增加,化學膠著力逐漸減小至零。在這個階段,粘結力主要由摩擦力和機械咬合力提供,此時試件的自由端開始出現滑移。這意味著錨桿與混凝土之間的化學膠著力已經無法抵抗加載力,粘結由摩擦和咬合力維持。

下降階段(圖9CD段):試樣表面開始出現裂縫,導致試樣中的摩擦力和機械咬合力開始下降。在這個階段,粘結力仍然由摩擦力和機械咬合力提供,但其數值持續減小。加載段和自由端的滑移不斷增大。

殘余階段(圖9D點之后):粘結強度達到最低點。在這個階段中,粘結力仍然由摩擦力和機械咬合力提供。隨著滑移量的繼續增加,錨桿最終被完全拔出,試塊發生破壞[20-21]。

由圖9可知,在相同條件下,3D打印不銹鋼錨桿的粘結強度高于真實錨桿,且3D打印不銹鋼錨桿的粘結強度-滑移曲線的斜率大于真實錨桿的斜率。分析其原因可能是3D打印不銹鋼錨桿特殊的制作方式,導致其與混凝土之間的摩擦力和機械咬合力大于真實錨桿。在這種條件下,3D打印不銹鋼錨桿達到峰值粘結強度時,滑移值相對于真實錨桿要小一些。

從圖9中可以清晰地看出,隨著混凝土強度等級提升,3D打印不銹鋼錨桿的粘結強度提高,粘結強度-滑移曲線的斜率增大,峰值滑移量減小。當混凝土的強度等級越低時,3D打印不銹鋼錨桿與混凝土粘結交界處越容易開裂,導致錨桿的粘結強度降低。隨著混凝土強度提升,3D打印不銹鋼錨桿的機械咬合力和膠著力大大提高,混凝土的抗劈裂強度也隨之提升,從而提高了錨桿的粘結強度,使得峰值滑移所對應的滑移量減小。

4 結 論

(1)3D打印鋁合金錨桿在應力和應變上小于其他類型的錨桿;3D打印模具鋼的拉伸強度高于其他類型的錨桿,但在應變上小于真實錨桿;3D打印不銹鋼錨桿在拉伸強度和拉伸應變上與真實錨桿接近,因此適合做模擬真實錨桿的材料。

(2)在相同條件下,3D打印不銹鋼錨桿的粘結強度高于真實錨桿;當混凝土的強度等級分別為C30、C40時,3D打印不銹鋼錨桿相比于真實錨桿的粘結強度分別提升了1.73%、1.64%。

(3)相比于真實錨桿,3D打印不銹鋼錨桿與混凝土的粘結強度-滑移曲線的上升段斜率相對較大,峰值粘結強度對應的滑移值相對較小;隨著混凝土強度的增加,3D打印不銹鋼錨桿與混凝土的粘結強度增大,粘結強度-滑移曲線上升段的斜率增大,峰值粘結強度對應的滑移值減小。