再生骨料微粉對3D打印水泥基材料強度的影響

晏 娟,戴興健,劉維勝,王 歡,車玉君,楊華山

(貴州師范大學(xué) 材料與建筑工程學(xué)院,貴州 貴陽 550025)

0 引言

3D打印，又稱“增材制造”，是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，逐層打印構(gòu)造三維實體的一種新興技術(shù)，常用于制造模型及一些產(chǎn)品的直接制造[1-3]。以水泥基材料的3D打印技術(shù)也是其中一種，該技術(shù)在建造過程中不需要模板、振搗，可減少35%～60%的施工成本，能顯著提高施工速度。如，防疫智能測控方艙的建造技術(shù)，打印材料運用了特配水泥基材料作為填充材料，構(gòu)件的設(shè)計、打印、安裝共花費了11 d，而打印和安裝只花費了1.5 d?？梢姡?D打印技術(shù)在一定程度上能節(jié)約建造時間及成本[4]。此外，建筑3D打印技術(shù)還可以對復(fù)雜建筑、復(fù)雜造型景觀部件進行打印，能實現(xiàn)設(shè)計制造一體化[5-6]。

隨著建筑市場的不斷發(fā)展，建筑材料的再次回收利用將成為一種常態(tài)，尤其是再生骨料(廢棄混凝骨料、碎磚骨料、陶瓷骨料等)的回收利用[7]。劉音等[8]研究顯示，對再生骨料進行處理可得到再生骨料微粉，其摻量的大小對水泥基材料的強度有一定程度的影響，在微粉摻量達到10%時，可以適量降低水泥用量。此外，高效減水劑、纖維素等外加劑對水泥基材料的強度亦有較大影響。Sctlnitz等[9]研究顯示，纖維素具有一定的引氣效果，能產(chǎn)生大量的微觀氣孔，可導(dǎo)致表觀密度減小、抗壓強度降低?？梢姡O(shè)計合適的配合比，再生骨料微粉水泥基材料才能達到理想的工作性能和力學(xué)性能。

鑒于此，筆者用不同摻量的再生骨料微粉替代等量的普通硅酸鹽水泥，研究其對3D打印水泥基材料力學(xué)性能的影響，以期為再生骨料微粉在3D打印水泥基材料中的應(yīng)用提供參考與借鑒。

1 原材料與試驗方法

水泥采用普通硅酸鹽水泥(P.O 42.5)，其XRD和激光粒度分析結(jié)果見圖1和圖2。從圖1中可以觀察到石膏、水泥熟料和碳酸鈣的衍射峰。

圖1 水泥的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of cement

從圖2中可以看出，大部分水泥顆粒的粒徑集中在35～100 μm之間。拌合水采用自來水。標(biāo)準(zhǔn)砂、聚羧酸減水劑和羥丙基甲基纖維素均為市購。

圖2 水泥粒度的粒度分布Fig.2 Particle size distribution of cement

再生骨料微粉為再生骨料加工過程中收集的粒徑小于0.08 mm的細粉，其背散射電子像見圖3。由圖3可見，再生骨料微粉主要由未水化的水泥顆粒、水化產(chǎn)物和孔隙組成。再生骨料微粉的XRD分析結(jié)果見圖4，由圖4可見，再生骨料微粉的主要礦物為鈣礬石、氫氧化鈣和碳酸鈣。

圖3 再生骨料微粉的BSE圖Fig.3 BSE image of recycled aggregate powder

圖4 再生骨料微粉的XRD圖譜Fig.4 XRD pattern of recycled aggregate powder

試驗研究用配合比見表1。水膠比為0.35，膠砂比為1∶2.5，改變聚羧酸減水劑的摻量以使各個試樣的流動度基本保持相同。樣品打印后置于水泥混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱養(yǎng)護至規(guī)定的齡期，然后切割成40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件，測試其抗折強度和抗壓強度。同時，采用試模成型了40 mm×40 mm×160 mm棱柱體試件和打印試件同條件養(yǎng)護至規(guī)定的齡期，并測試其抗折強度和抗壓強度。3D打印試件的成型和測試方法參照文獻[10]。

表1 試驗研究用配合比Tab.1 Mixture proportion

2 結(jié)果與分析

2.1 強度

由圖5(a)～(b)可知：3D打印試件和試模澆筑試件的3 d齡期的抗折強度和抗壓強度均隨著再生骨料微粉摻量的增大呈先增大后減小的變化趨勢，在摻量為8%時，兩者均達到了最大值；隨著再生骨料微粉摻量的繼續(xù)增大，3D打印試件和試模澆筑試件的強度均呈下降趨勢。因此，再生骨料微粉的摻量建議在8%左右。其次，當(dāng)再生骨料微粉的摻量小于等于8%時，3D打印試件3 d齡期的抗折強度和抗壓強度均超過了基準(zhǔn)樣。其中，再生骨料微粉的摻量在8%時，3D打印試件3 d齡期的抗折強度超過了基準(zhǔn)樣4.6%，抗壓強度超過了基準(zhǔn)樣5.5%。3 d齡期時強度的增大可歸因于再生骨料微粉在早齡期的加速效應(yīng)[11]，即，再生骨料微粉的存在可以使水泥水化過程的成核位壘降低，從而加速水泥的水化反應(yīng)，提高水泥基材料的早期強度。周長順等[12]研究顯示，再生骨料微粉對水泥基材料的抗壓強度增長具有一定的促進作用。但是，受到再生骨料微粉活性的影響，水泥基材料的強度會隨著再生骨料微粉摻量的增加呈下降趨勢，而抗壓強度則在小摻量范圍內(nèi)與基準(zhǔn)樣的強度相近，這與張修勤等[13]、趙穎等[14]、劉音等[8]研究結(jié)果類似。此外，從圖5中還可知，再生骨料微粉摻量相同時，3D打印試件的抗折強度和抗壓強度均低于澆筑試件。如再生骨料微粉的摻量為8%時，3D打印試件的抗折強度和抗壓強度分別低于試模澆筑試件8.9%和51.4%。相對于試模澆筑試件，3D打印試件強度的降低可歸因于試件的成型方法以及由此導(dǎo)致試件內(nèi)部的宏觀缺陷。

圖5 再生骨料微粉摻量對3D打印水泥基材料3 d齡期強度的影響Fig.5 Influence of recycled aggregate powder on the 3-days strength of 3D printing cementitious materials.(a) flexural strength, (b) compressive strength

由圖6(a)～(b)可知：再生骨料微粉對28 d齡期強度的影響規(guī)律與3 d齡期類似，即，3D打印試件和試模澆筑試件的抗折強度和抗壓強度均隨著微粉摻量的增大先增大后減小，在摻量為8%時，兩者均達到了最大值。因此，再生骨料微粉的摻量宜在8%左右，過大的摻量可能導(dǎo)致水泥基材料強度的降低。其次，當(dāng)再生骨料微粉的摻量小于等于8%時，3D打印試件28 d齡期的抗折強度和抗壓強度也超過了基準(zhǔn)樣。如再生骨料微粉的摻量在8%時，3D打印試件28 d齡期的抗折強度和抗壓強度分別高于基準(zhǔn)樣15.2%和14.5%。這說明，適當(dāng)摻量的再生骨料微粉在28 d之后也能提高水泥基材料的抗折強度和抗壓強度。其原因是再生骨料微粉中含有部分未水化水泥顆粒(見圖3)，再生骨料微粉中的CaCO3，能夠促進未水化水泥顆粒中C3S和C3A的水化反應(yīng)[15]，它們的繼續(xù)水化可生成額外的水化產(chǎn)物并填充水泥基材料的孔隙，從而提高了材料的后期強度。比較3D打印試件和試模澆筑試件的抗折強度和抗壓強度，28 d齡期時3D打印試件的抗折強度和抗壓強度仍然低于試模澆筑試件。如再生骨料微粉的摻量為8%時，3D打印試件的抗折強度和抗壓強度分別低于試模澆筑試件4.6%和41.7%。

圖6 再生骨料微粉摻量對3D打印水泥基材料28d齡期強度的影響Fig.6 Influence of recycled aggregate powder on the 28-days strength of 3D printing cementitious materials. (a) flexural strength, (b) compressive strength

2.2 宏觀缺陷分析

由圖7可知：打印試件斷面上的孔隙大多呈不規(guī)則的長條狀，且具有尖銳的棱角。而試模澆筑試件斷面上的孔隙大多呈圓形或橢圓形。若存在外在荷載，宏觀缺陷的存在將導(dǎo)致孔隙的進一步發(fā)展，直至水泥基材料表面出現(xiàn)明顯的裂縫，致使材料的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)[16-18]。若宏觀缺陷的形貌如圖7(a)所示極不規(guī)則，則其尖銳的棱角處極易引起應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致水泥基材料在荷載作用下迅速破壞。其次，制備3D打印混凝土是通過逐層堆積的方法來實現(xiàn)，層與層之間的界面比較薄弱，也容易形成冷縫和孔隙，導(dǎo)致3D打印混凝土強度降低[19]，而試模澆筑試件中孔隙的棱角較少，因此其抗折強度和抗壓強度均高于3D打印的試件[20]。再次，試模澆筑成型的試件在振實過程中也能排出部分較大的氣泡，材料的結(jié)構(gòu)較為致密，這也是其強度較高的主要原因。

(a)3D打印試件斷面 (b)試模澆筑試件斷面圖7 典型的3D打印試件斷面和試模澆筑試件斷面Fig.7 Typical section of 3D printing specimen and mold casting specimen

3 結(jié)論

1)8%左右的再生骨料微粉可提高3D打印水泥基材料的早期強度和后期強度。

2)再生骨料微粉的加速效應(yīng)提高了3D打印水泥基材料的早期強度，在水化后期，再生骨料微粉中未水化水泥顆粒的繼續(xù)水化亦可提高水泥基材料的強度。

3)3D打印試件內(nèi)部宏觀缺陷的形貌特征和密實性是其強度低于試模澆筑試件強度的主要原因。