3D打印混凝土層間弱面的形成機(jī)制與改善方法

田澤皓，王 里,2，張心穎，周鑫華，胡元元

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院,天津 300401;2.天津市裝配式建筑與智能建造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300401; 3.堯柏特種水泥技術(shù)研發(fā)有限公司,西安 710100)

0 引 言

近年來，混凝土3D打印被成功應(yīng)用到實(shí)際土木工程中，受到廣泛關(guān)注并表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。相比傳統(tǒng)模板澆筑的混凝土施工方法，混凝土3D打印具有靈活化、自動(dòng)化、無?；闹悄芙ㄔ焯攸c(diǎn)，大大降低了施工過程中的能耗與污染，提高了建造效率。發(fā)展以混凝土3D打印為核心的智能建造關(guān)鍵技術(shù)對(duì)建筑業(yè)的綠色化、工業(yè)化發(fā)展均具有重要意義[1-5]。

然而，打印過程中逐層疊加的成型方式，難以避免地造成層間界面的薄弱粘結(jié)，且在材料沉積過程中沒有外力振搗，層間弱面變得更加明顯。層間弱面在一定程度上成為打印結(jié)構(gòu)潛在的缺陷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不協(xié)調(diào)的變形、不連續(xù)的力學(xué)性能，易因應(yīng)力集中而發(fā)生破裂，進(jìn)而削弱了結(jié)構(gòu)的整體承載能力和長(zhǎng)期耐久性能。3D打印結(jié)構(gòu)層間薄弱粘結(jié)而導(dǎo)致的滲水現(xiàn)象如圖1所示[6]。另外，層間弱面導(dǎo)致了打印材料的細(xì)觀非均質(zhì)性，使打印結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出顯著的力學(xué)各向異性[7-8]。層間弱面的存在，制約了3D打印混凝土的發(fā)展和工程應(yīng)用的推廣。

圖1 3D打印結(jié)構(gòu)層間弱面導(dǎo)致的滲水[6]Fig.1 Water seepage caused by weak interlayer surfaces between 3D printing layers[6]

鑒于此，本文綜述和歸納國(guó)內(nèi)外混凝土3D打印在層間弱面相關(guān)方面的研究進(jìn)展和成果，分析層間弱面形成的物理、化學(xué)機(jī)制，探明層間粘結(jié)強(qiáng)度的影響因素，并提出合理的優(yōu)化和改善措施。

1 層間弱面的微細(xì)觀探測(cè)

為印證分層擠壓所致弱結(jié)合界面的存在，本課題組借助CT掃描發(fā)現(xiàn)弱結(jié)合界面特征是沿?cái)D壓帶邊界不連續(xù)分布微小空隙，如圖2所示。隨著層間間隔時(shí)間的增加，弱結(jié)合界面愈發(fā)明顯。材料受力的過程中，微裂縫將會(huì)向弱面處擴(kuò)展匯聚[9]。Moini等[10]同樣借助CT表征3D打印試樣的微細(xì)結(jié)構(gòu)，觀測(cè)到打印過程在層間界面處引入的大孔、微細(xì)孔的孔道、打印條的路徑自重排現(xiàn)象以及部分未水化的水泥顆粒四種缺陷。與混凝土材料內(nèi)部的孔隙不同，打印材料內(nèi)部空隙網(wǎng)絡(luò)的形成與材料的配制和成型工藝的參數(shù)設(shè)置相關(guān)，是打印材料的固有特征。

圖2 3D打印混凝土立方體試塊的三維CT掃描圖像[9]Fig.2 3D CT scanning image of 3D printing concrete cube[9]

2 層間弱面的形成機(jī)制

2.1 工藝因素-擠出過程造成的弱面

擠出型混凝土3D打印過程中，新拌水泥基材料在泵送管道和擠出裝置內(nèi)流動(dòng)，剪切應(yīng)變(τ)在橫截面中心處最小，在管道外壁最大，膠凝材料則傾向于向中心集中，使外側(cè)區(qū)域水分含量相對(duì)較高，形成潤(rùn)滑層/水膜，如圖3(a)所示。在材料擠出成型后，水膜的存在造成了材料的不連續(xù)，削弱了打印材料相鄰層間的粘結(jié)性能，進(jìn)而促進(jìn)了層間弱面的形成。

此外，混凝土3D打印的一個(gè)難點(diǎn)在于打印運(yùn)行速度與材料擠出速度的協(xié)調(diào)?；炷敛牧显缙诘牧髯冃阅苁请S時(shí)間變化的，這就增加了打印工藝與材料性能協(xié)調(diào)控制的難度。若設(shè)定恒定的打印工藝，因材料在隨時(shí)間而變化，3D打印的材料成型則受到影響。如圖3(b)所示，在打印結(jié)構(gòu)的水平方向，因材料的水化程度加深，剛度增大，打印條寬度則略有減小，導(dǎo)致相鄰材料之間形成明顯的縫隙/通縫。對(duì)于上下層之間的空隙，尚可憑材料的自重得到緩解，然而諸如此類的水平方向的通縫，則較難以優(yōu)化和削弱。因此，更加智能化的、面向材料性能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的打印工藝是一個(gè)有效的探索方向。

圖3 工藝因素所致弱面Fig.3 Weak interfaces caused by processing factors

2.2 幾何因素-擠出噴頭造成的弱面

目前3D打印噴頭的類型和尺寸多種多樣，較為普遍采用的是圓形的噴口，這可能是由于利于擠出、無死角等原因。然而，通過圓形打印頭而擠出的材料，易在相鄰打印條間形成空隙，如圖4(a)所示。若單層打印路徑過長(zhǎng)，考慮打印材料的凝結(jié)固化時(shí)間，打印噴頭幾何因素所致的空隙會(huì)愈發(fā)明顯。因此，為降低打印工藝形成的空隙，多數(shù)采用的打印方式是減小打印層厚，通過對(duì)材料物理擠壓的方式來補(bǔ)償層間空隙，圖4(b)為打印的實(shí)例。

圖4 幾何因素所致弱面Fig.4 Weak interfaces caused by geometric factors

2.3 物理因素-建造過程造成的弱面

混凝土3D打印采用垂直堆疊的無模成型方式，為確保打印結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，無振搗密實(shí)的過程，則打印層間的氣泡、空隙等不易消除，以致相鄰打印層間的結(jié)合力較弱。Nerella等[6]用掃描電鏡捕獲了養(yǎng)護(hù)28 d打印試塊的層間界面微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)層間界面大部分都因打印層在沉積過程中空氣的摻入，表現(xiàn)為弱粘結(jié)(圖5(a))，僅有小部分表現(xiàn)為緊密結(jié)合狀態(tài)(圖5(b))。建議改善工藝參數(shù)，如采用機(jī)械/超聲手段的微振動(dòng)和適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)制度等，以緩解弱粘結(jié)現(xiàn)象。

圖5 打印試塊層間界面掃描電鏡照片[6]Fig.5 SEM images of the interlayer interface of the test block[6]

2.4 材料因素-凝結(jié)時(shí)間造成的弱面

因打印過程中設(shè)置的噴頭運(yùn)行速度以及各打印層路徑總長(zhǎng)度不同，以致上下相鄰打印層間的間隔時(shí)間不同。打印材料具有一定的流動(dòng)性，縱向堆疊的材料可以相容，界面不明顯。然而，層間的間隔時(shí)間越長(zhǎng)，超早齡期水泥等膠凝材料的持續(xù)水化以及剛度逐漸變大，打印材料表面的化學(xué)活性逐漸降低，相鄰兩層材料間的界面越來越明顯，使層間結(jié)合性能降低。上下打印層材料凝結(jié)固化程度存在差異。初始層材料剛度隨時(shí)間增加呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)。若打印時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)后續(xù)層沉積在初始層頂層時(shí)，由沉積引起的能量不足以使初始層材料產(chǎn)生相應(yīng)的變形，則層間界面處出現(xiàn)空隙。圖6為不同間隔時(shí)間下，層間界面處空隙。

圖6 層間間隔時(shí)間所致弱面[11]Fig.6 Weak surface induced by time intervals[11]

3 層間弱面的粘結(jié)性能測(cè)試

根據(jù)上文分析可得，層間間隔時(shí)間對(duì)層間粘結(jié)強(qiáng)度的影響較為顯著。圖7總結(jié)歸納了不同間隔時(shí)間下層間粘結(jié)強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果[6-7,11-15]?？傮w上，層間拉伸強(qiáng)度隨間隔時(shí)間延長(zhǎng)而降低(圖7(a))。間隔時(shí)間較短時(shí)，間隔時(shí)間延長(zhǎng)對(duì)層間拉伸強(qiáng)度削弱顯著。間隔時(shí)間較長(zhǎng)，甚至超過材料初凝時(shí)間時(shí)，間隔時(shí)間延長(zhǎng)對(duì)層間拉伸強(qiáng)度削弱不明顯。Putten等[12]從孔隙結(jié)構(gòu)角度解釋了間隔時(shí)間對(duì)層間界面粘結(jié)性能的影響。間隔時(shí)間較短時(shí)，干燥初始層材料會(huì)從后續(xù)層材料中吸收水分以進(jìn)行水化反應(yīng)，使層間界面產(chǎn)生孔隙，削弱了層間拉伸強(qiáng)度。間隔時(shí)間較長(zhǎng)，甚至超過材料初凝時(shí)間時(shí)，初始層材料初步固化使吸水現(xiàn)象不明顯。通常打印層表面水分含量隨著間隔時(shí)間增加而降低，這也解釋了層間拉伸強(qiáng)度隨間隔時(shí)間增加而降低的原因。但Sanjayan等[7]所用打印材料保水性較好，以致間隔時(shí)間延長(zhǎng)，后續(xù)層所加壓力仍使初始層材料內(nèi)部水分上浮，給打印材料表面帶來額外水分，進(jìn)而使層間拉伸強(qiáng)度有所恢復(fù)，說明打印材料表面需要適量水分來保證層間拉伸性能。然而，如圖7(b)所示，層間剪切強(qiáng)度隨間隔時(shí)間延長(zhǎng)而增加。原因是間隔時(shí)間延長(zhǎng)使材料剛度增加，材料表面干燥導(dǎo)致層間界面粗糙度與機(jī)械嚙合力增加，進(jìn)而使層間剪切強(qiáng)度增加[13]。

圖7 間隔時(shí)間對(duì)層間弱面的影響[6-7,11-15]Fig.7 Effect of delay time on weak planes between layers[6-7,11-15]

為了改善打印材料的拉伸強(qiáng)度和韌性，常加入適量纖維以提高打印材料的韌性以及抗收縮開裂的能力。然而，劉致遠(yuǎn)等[13]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，摻入0.3%～0.9%的玻璃纖維后，打印材料層間拉伸強(qiáng)度降低約44.4%～55.6%。Nematollahi等[16]發(fā)現(xiàn)由于短纖維的摻入導(dǎo)致打印試件的層間拉伸強(qiáng)度降低15%～23%。纖維在水泥基復(fù)合材料擠出的過程中易定向于打印方向，層間界面會(huì)限制纖維的分布，降低連續(xù)性，基本消除了層間橋接作用，從而不利于層間界面結(jié)合。同時(shí)，纖維的摻入在一定程度上增加了打印材料的稠度，被擠出后流動(dòng)變形能力變差，層間孔隙率增加，不利于層間接觸。

4 層間弱面的改善方法

4.1 優(yōu)化原材料與配合比

在打印材料中加入適量改性劑，可改善水泥基材料的流變和水化，不僅使打印材料更適用于打印系統(tǒng)，且使打印材料的強(qiáng)度和粘結(jié)得到提高。Sakka等[14]在水泥基材料中加入7.5%苯乙烯-丁二烯橡膠(SBR)聚合物，利用聚合物膜使水泥水化產(chǎn)物更好結(jié)合，有效降低了間隔時(shí)間對(duì)打印試件層間拉伸強(qiáng)度的不利影響。間隔時(shí)間延長(zhǎng)至15 min時(shí)，打印試件層間直接拉伸強(qiáng)度僅下降3.5%。Li等[9]在水泥基材料中加入1.5%粘度改性劑(VMA)，有效消除了層間分層對(duì)斷裂路徑的影響，使打印試件彎曲強(qiáng)度和斷裂能分別提高25%和55%。Zareiyan等[17]優(yōu)化可打印水泥基材料的配比，打印試件層間直接拉伸強(qiáng)度達(dá)到5.0 MPa。Bong等[18]優(yōu)化可打印地聚物材料的配比，打印試件28 d層間直接拉伸強(qiáng)度2.7 MPa，是7 d層間直接拉伸強(qiáng)度的3倍。

4.2 優(yōu)化打印工藝

Zareiyan等[19]通過降低打印條高度以提高層間劈拉強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)25.4 mm層厚試樣28 d層間劈拉強(qiáng)度比層厚為50.8 mm時(shí)提高了11.4%。但值得注意的是，25.4 mm層厚試樣表現(xiàn)出較高的劈拉裂紋擴(kuò)展速率。Panda等[15]調(diào)整噴頭的運(yùn)行速度和打印高度(噴頭與打印試樣頂面間距離)等參數(shù)，以提高層間拉伸強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,70 mm/s噴頭運(yùn)行速度所制試樣層間直接拉伸強(qiáng)度比110 mm/s噴頭運(yùn)行速度所制試樣高10.5%，0 mm噴頭高度所制試樣層間直接拉伸強(qiáng)度比4 mm噴頭高度所制試樣高53.3%。

Wolfs等[20]優(yōu)化打印工藝參數(shù)(層間間隔時(shí)間、表面脫水)以提高層間拉伸強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，降低層間間隔時(shí)間可提高層間拉伸強(qiáng)度。間隔時(shí)間15 s試件層間拉伸強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度比間隔時(shí)間24 h試件分別高19%和27%。此外，對(duì)試件進(jìn)行適當(dāng)覆蓋可提高層間拉伸強(qiáng)度。間隔時(shí)間4 h覆蓋試件層間拉伸強(qiáng)度比間隔時(shí)間4 h和24 h的裸露試件分別高102%和36%。層間間隔時(shí)間越短，表面覆蓋對(duì)層間拉伸強(qiáng)度提高越多?？梢娨蚓C合考慮打印工藝參數(shù)有助于提高層間粘結(jié)強(qiáng)度。

4.3 提高界面粗糙度

Beushausen等[21]為提高新老混凝土界面的結(jié)合力，在界面處制作了不同程度的缺口。試驗(yàn)結(jié)果表明，缺口界面處的層間抗剪切強(qiáng)度比光滑表面提高220%。Zareiyan等[22]提出在打印試件層間配置卡接自鎖結(jié)構(gòu)，以改善層間界面的結(jié)合力。試驗(yàn)結(jié)果表明，自鎖深度為凹槽寬度一半，打印試件層間劈拉強(qiáng)度增強(qiáng)效果最優(yōu)。

4.4 研制界面增強(qiáng)材料

在某種情況下，機(jī)器、軟件控制或者人為操作難免出現(xiàn)故障，導(dǎo)致打印過程中止，造成打印結(jié)構(gòu)的力學(xué)非連續(xù)。通常中斷時(shí)間比間隔時(shí)間長(zhǎng)很多，故層間弱面給結(jié)構(gòu)機(jī)械性能、耐久性能帶來的負(fù)面影響無法忽略。對(duì)于此種情況，在打印層間涂刷、噴涂高效粘結(jié)劑、界面增強(qiáng)劑等以降低弱面影響，如圖8(a)所示的界面劑增強(qiáng)示意圖,圖8(b)為在初始層頂部涂刷界面增強(qiáng)材料[23]。

圖8 研制界面增強(qiáng)材料[23]Fig.8 Development of interface enhancement materials[23]

然而，目前針對(duì)涂刷粘結(jié)劑改善打印試件層間粘結(jié)性能的研究不多，可借鑒涂刷粘結(jié)劑改善新舊混凝土層間粘結(jié)性能的研究。粘結(jié)劑多選用水泥砂漿類、環(huán)氧樹脂類與聚合物類[24-25]。環(huán)氧樹脂類：Issa等[26]使用環(huán)氧樹脂在重力填充法下修復(fù)混凝土裂縫，由于裂縫的存在，立方體抗壓強(qiáng)度下降40.9%，修復(fù)后僅下降8.2%。Ahmad等[27]在彎剪裂紋中注入環(huán)氧樹脂以對(duì)鋼筋混凝土開裂構(gòu)件進(jìn)行加固，使承載力提高49%。聚合物類：Hosseini等[28]將砂骨料與碳硫聚合物按3∶2混合制得碳硫聚合物改性水泥砂漿以增強(qiáng)水泥砂漿層間拉伸性能，使碳硫聚合物粘結(jié)試件層間抗拉強(qiáng)度比無粘結(jié)劑粘結(jié)試件提高100%。借助分子動(dòng)力學(xué)模擬碳硫聚合物在水化硅酸鈣層間的粘結(jié)行為，發(fā)現(xiàn)水化硅酸鈣表現(xiàn)為范德華力，而來自水化硅酸鈣的鈣離子與碳硫聚合物間表現(xiàn)為靜電力，從而揭示了碳硫聚合物能增強(qiáng)水泥砂漿層間拉伸性能的原因。Yang等[29]將水泥與丁苯乳液按3∶2混合制得丁苯乳液改性水泥凈漿以增強(qiáng)混凝土層間拉伸性能，使丁苯乳液粘結(jié)試件7 d和28 d層間拉伸強(qiáng)度比無粘結(jié)劑試件分別提高了144%和96%。Porto等[30]使用聚合物改性水泥砂漿對(duì)鋼筋混凝土柱面層進(jìn)行修補(bǔ)，使修復(fù)后的柱軸向剛度僅損失13%。Pellegrino等[31]使用聚合物改性水泥砂漿對(duì)梁的張拉區(qū)進(jìn)行修補(bǔ)，使引起第一條裂縫的荷載值提高30%。

5 結(jié) 論

作為智能建造的關(guān)鍵技術(shù)，混凝土3D打印具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。本文總結(jié)了混凝土3D打印在工藝、幾何、物理、材料方面的制約因素，微觀測(cè)試印證了層間弱面的存在。

為了降低層間弱面給結(jié)構(gòu)帶來的負(fù)面影響，(1)對(duì)于垂直方向的層間弱面，建議從優(yōu)化原材料與配合比、合理設(shè)置打印參數(shù)、增強(qiáng)后期養(yǎng)護(hù)等方面入手，對(duì)于打印中斷或?qū)娱g間隔較長(zhǎng)的情況，建議使用界面增強(qiáng)材料來提高層間弱面的連續(xù)性。(2)對(duì)于水平方向的層間弱面，建議精確地、實(shí)時(shí)地量化和平衡擠出速度、打印速度、材料流變特性的關(guān)系，研發(fā)更為智能化的打印工藝。

然而，無模增材建造過程是3D打印的固有屬性，難以通過材料、工藝的手段徹底消除弱面的存在。混凝土3D打印在承載結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用尚有一段距離，現(xiàn)階段的科學(xué)研究仍需進(jìn)一步探討混凝土3D打印的加筋增韌方法以及尋求3D打印在特殊要求下的應(yīng)用。