耐堿玻璃纖維摻量對3D打印砂漿性能的影響研究

肖博豐，李 古，張廣虎

(廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣州 510006)

0 引 言

玻璃纖維作為一種性能優(yōu)良的無機非金屬纖維材料，在很多行業(yè)和領(lǐng)域都有廣泛的用途。特別是因其具有良好的絕緣性、耐熱性、抗腐蝕性、經(jīng)濟性，在土木工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。耐堿玻璃纖維(alkali-resistant glass fiber)得益于加入了二氧化鋯等耐堿組分，能有效抵抗水泥中高堿物質(zhì)的侵蝕，與水泥基材料的適配性更好[3-4]。研究發(fā)現(xiàn)，耐堿玻璃纖維的摻加，能夠有效提高混凝土的劈拉強度、抗折強度和韌性，同時還提高了混凝土的拉壓比和泊松比[5-6]。但是，耐堿玻璃纖維也會增大水泥砂漿的屈服應(yīng)力和稠度，導(dǎo)致混凝土流動性能降低[7-8]。耐堿玻璃纖維可以有效控制混凝土裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，提高混凝土的耐久性，但是過高的摻量也會導(dǎo)致纖維與混凝土之間的空隙變大，引發(fā)混凝土耐久性下降[8-9]。

隨著科技的發(fā)展，3D打印已迅速深入各行各業(yè)，成為當(dāng)下炙手可熱的新興技術(shù)。因其具有快速建造、高經(jīng)濟效益、可定制化設(shè)計等優(yōu)點，在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[10-11]。建筑3D打印的興起，也為傳統(tǒng)水泥基材料帶來機遇和挑戰(zhàn)。例如，建筑3D打印要求水泥基材料在流變性、凝結(jié)時間、強度等方面有特殊要求[12-13]。而3D打印建筑由于難以配置鋼筋，如何對其增強增韌也是一個亟須克服的難題。不少學(xué)者指出，纖維材料可以顯著提升新拌混凝土粘聚性、束縛構(gòu)件變形、提高強度與韌性，非常適合引入建筑3D打印水泥基材料中[14-18]。

本研究通過摻入不同摻量的耐堿玻璃纖維并調(diào)節(jié)減水劑用量，制備了一系列3D打印砂漿。隨后對其開展打印性能試驗與強度試驗，以評估各組砂漿的打印性能和研究纖維摻量對砂漿抗折強度和抗壓強度的影響。

1 實 驗

1.1 原材料與打印設(shè)備

本研究的3D打印砂漿的原材料包括水、水泥、細骨料、高效減水劑和耐堿玻璃纖維。其中:水采用廣州本地自來水；水泥采用廣州石井水泥公司生產(chǎn)的早強型普通硅酸鹽水泥，標號為42.5R；細骨料為廣州本地所產(chǎn)的最大粒徑為1.18 mm的河砂；高效減水劑采用巴斯夫公司的聚羧酸高效減水劑；耐堿玻璃纖維為山東泰山玻璃纖維公司提供的耐堿玻璃纖維粗紗，通過纖維切割機切割至所需長度，纖維相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 玻璃纖維性能參數(shù)Table 1 Properties of glass fiber

所用建筑3D打印機如圖1所示,為實驗室級三軸打印機，其打印過程如圖2所示。打印噴嘴為圓形噴嘴，直徑為15 mm，噴嘴擠出速率為400 mL/s，打印速度為50 mm/s。

圖1 建筑3D打印機Fig.1 Constructional 3D printing machine

圖2 打印過程Fig.2 Printing process

1.2 配合比設(shè)計

本試驗共制備10組砂漿。配合比中，水灰比(質(zhì)量比)定為0.24和0.28，灰砂比(質(zhì)量比)定為1.00。纖維摻量(纖維與水泥質(zhì)量比，下同)取0.00%、0.25%、0.50%、0.75%、1.00%。減水劑劑量不預(yù)先設(shè)定，而是在試配時通過跳桌試驗調(diào)配，目的是確保各組砂漿均具有較好的打印性能。經(jīng)過大量試配，建議砂漿的跳桌試驗擴展度在180～220 mm之間為宜。

為便于區(qū)分，用X-Y對各組砂漿進行編號，其中X為纖維摻量、Y表示水灰比(W/C)。

1.3 試驗內(nèi)容

(1)跳桌試驗[19]：因3D打印要滿足自體成形要求，3D打印砂漿的和易性通常較低，常規(guī)坍落擴展度試驗無法獲得有效數(shù)據(jù)，宜采用GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》進行跳桌試驗。試驗中，待砂漿跳動完畢，測量砂漿互相垂直的兩個方向直徑并計算平均值，該值定義為流動度，以此評估3D打印的和易性。

(2)擠出性試驗[20]：在平面上打印一段砂漿，打印砂漿長度約為500 mm。打印完成后，測量該段砂漿間隔10個位置的寬度，如圖3所示，并計算平均寬度和標準差。進而計算擠出性變異系數(shù)，以此評估3D打印砂漿擠出性能的好壞。

圖3 擠出性試驗Fig.3 Extrudability test

(3)變形性試驗[21]：打印兩層砂漿，打印砂漿長度約為200 mm，并立即測量該段砂漿間隔10個位置的高度并取平均值，定為h0。隨后，在該段砂漿上逐層輕輕累放重物板(每層重物板的重量與一層砂漿的重量相當(dāng))，以此模擬打印多層砂漿的情況，如圖4所示。擺放重物板的間隔時間取1 min，一共累放10層重物板。累放后，在該段砂漿原有位置測量高度并取平均值，定為h10。最后，計算變形率τ=(h0-h10)/h0，以此評估3D打印砂漿多層打印時底層的沉降變形情況。

圖4 變形性試驗Fig.4 Deformability test

(4)可建造性試驗[22]：打印6層2列砂漿，砂漿長度約500 mm。打印完并硬化后，測量成型試件間隔10個位置的高度，如圖5所示。隨后，計算平均高度和標準差。進而計算可建造性變異系數(shù)，用來評估3D打印砂漿打印成型的好壞。

圖5 可建造性試驗Fig.5 Buildability test

(5)抗折抗壓試驗[23]：采用GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》對3D打印砂漿試塊進行抗折試驗和抗壓試驗。首先，打印3層2列砂漿段，待硬化后進行28 d的養(yǎng)護。隨后將砂漿段切割打磨成如圖6所示的40 mm×40 mm×160 mm試件，進行抗折抗壓試驗。

圖6 3D打印砂漿試件Fig.6 Specimen of 3D printed mortar

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗結(jié)果

各組的試驗結(jié)果如表2所示，包括流動度(flow spread)、減水劑劑量(SP dosage)、擠出性變異系數(shù)(coefficient of variation of extrudability， CVE)、變形率(deformation rate)、可建造性變異系數(shù)(coefficient of variation of buildability， CVB)、抗折強度(flexural strength)、抗壓強度(compressive strength)。

表2 試驗結(jié)果Table 2 Test results

2.2 打印相關(guān)性能分析

在本研究的前期試配過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)3D打印砂漿的跳桌試驗流動度不足180 mm時，打印過程中會表現(xiàn)為出較干燥、打印斷續(xù)，甚至出現(xiàn)砂漿過早硬化的情況；而如果擴展度值超過220 mm，又會出現(xiàn)打印過程中容易流漿、無法正常成型、強度不足的情況。因此，經(jīng)過大量試配，本研究建議將3D打印砂漿的跳桌試驗流動度控制在180～220 mm的區(qū)間內(nèi)。如表2第2列所示，本研究所制備的3D打印砂漿的流動度在184～200 mm之間變化，均滿足預(yù)設(shè)要求。

為滿足預(yù)設(shè)的流動度要求，砂漿的減水劑劑量需要在試驗中調(diào)配。各組砂漿的減水劑劑量如表2第3列所示。從表中可知：當(dāng)水灰比較低時(0.24)，減水劑劑量較高(0.58%～0.95%)；當(dāng)水灰比較高時(0.28)，減水劑劑量較低(0.30%～0.42%)。同時，隨著纖維摻量的增加，減水劑劑量也隨之增加。

擠出性變異系數(shù)是用來評估打印過程中噴頭所擠出的砂漿質(zhì)量好壞的指標。擠出性變異系數(shù)越小，說明擠出時砂漿的尺寸波動越小、擠出性越好。各組砂漿的擠出性變異系數(shù)在表2第4列所示。從表中可見，各組砂漿的擠出性變異系數(shù)在1.10%～4.30%之間變化，均遠低于15%的統(tǒng)計學(xué)限值，這說明各組砂漿均具有較好的擠出性。

變形率是用來評估在打印過程中砂漿層受到上層擠壓作用下變形情況的指標。變形率越小，說明砂漿抵抗變形的能力越好。各組砂漿的變形率在表2第5列所示。如表所示，各組砂漿的變形率在0.017～0.080之間變化，變形率均不高，說明各組砂漿均有較好的變形抵抗能力。

可建造性變異系數(shù)是用來衡量打印了一定層數(shù)后所形成的構(gòu)筑體的高度是否穩(wěn)定?？山ㄔ煨宰儺愊禂?shù)越小，說明構(gòu)筑體的可建造性越好。各組砂漿的可建造性變異系數(shù)如表2第6列所示?？梢钥吹?，各組砂漿的可建造性變異系數(shù)在0.50%～1.50%之間變化，均遠低于15%的統(tǒng)計學(xué)限值，這表明各組砂漿均有著良好的可建造性。

2.3 抗折強度分析

各組砂漿的抗折強度結(jié)果如表2第7列所示。為更好分析水灰比和纖維摻量對3D打印砂漿抗折強度的影響，繪制了圖7。從圖中可見，在相同纖維摻量下，水灰比較低的砂漿的抗折強度較高。該結(jié)果是合理的，因為水灰比是影響水泥基材料強度的重要因素之一，且通常降低水灰比會使強度提高[24-25]。另一方面，在水灰比不變的情況下，可以明顯看到，隨著纖維摻量的增加，砂漿的抗折強度逐步提高。例如，在水灰比為0.24時，纖維摻量從0.00%增加到1.00%，抗折強度從12.24 MPa提升到20.90 MPa，增幅達到了70.7%；在水灰比為0.28時，纖維摻量從0.00%增加到1.00%，抗折強度從9.92 MPa提高到19.76 MPa，增幅達到99.2%。

圖7 3D打印砂漿抗折強度Fig.7 Flexural strength of 3D printed mortar

這充分說明，耐堿玻璃纖維的摻入，可以顯著提升硬化3D打印砂漿的抗折強度[21,26]。這一方面是由于纖維摻量越高，越容易形成纖維搭接網(wǎng)絡(luò)來抵抗拉伸荷載。另一個方面是由于3D打印噴嘴擠出的方式，使得纖維呈現(xiàn)一定的定向分布(沿打印方向的分布較多，其他方向較少)，纖維抵抗拉伸荷載的能力能更充分地發(fā)揮[27]。

2.4 抗壓強度分析

各組砂漿的抗壓強度結(jié)果如表2第8列所示。為更直觀分析水灰比和纖維摻量對3D打印砂漿抗壓強度的影響，繪制了圖8。如圖所示，在相同纖維摻量下，較低水灰比的砂漿，抗壓強度較高。該結(jié)果的原因與抗折強度的一樣，也是因為水灰比是影響水泥基材料強度的重要因素之一，且通常降低水灰比會使其強度提高[25,28]。但是，纖維摻量對抗壓強度的影響則與抗折強度不同。在固定水灰比下，隨著纖維摻量的增加，抗壓強度呈現(xiàn)先增加后降低的規(guī)律。例如，在水灰比為0.24時，纖維摻量從0.00%增加到0.25%，抗壓強度從50.28 MPa增加至64.28 MPa(增幅為27.8%)，但繼續(xù)增加纖維摻量至1.00%會使抗壓強度逐步降低至38.00 MPa；類似地，在水灰比為0.28時，纖維摻量從0.00%增加到0.25%，抗壓強度從39.03 MPa增加至47.07 MPa(增幅為20.6%)，但繼續(xù)增加纖維摻量至1.00%會使抗壓強度逐步降低至28.50 MPa。該結(jié)果與其他研究者的研究成果有相似之處[29-30]。

圖8 3D打印砂漿抗壓強度Fig.8 Compressive strength of 3D printed mortar

這表明，耐堿玻璃纖維對砂漿抗壓強度的提升存在最優(yōu)摻量(本研究中的最優(yōu)摻量為0.25%)。存在最優(yōu)摻量的原因可能是：在較低纖維摻量時，纖維能夠填充骨料間的空隙，提升砂漿整體性和密實性；但是當(dāng)纖維較多時，會有部分纖維無法填進空隙而是會同楔子般擠開骨料(該現(xiàn)象稱為“楔入效應(yīng)(wedging effect)”)，致使砂漿的密實性不升反降，最終影響抗壓強度[31-32]。

3 結(jié) 論

(1)試配研究發(fā)現(xiàn)，3D打印砂漿的流動度在180～220 mm之間，可以獲得較為良好的打印性能。

(2)要達到預(yù)設(shè)的流動度，減水劑劑量隨水灰比增加而降低，隨纖維摻量增加而增加。

(3)各組砂漿的擠出性變異系數(shù)、變形率、可建造性變異系數(shù)均滿足要求，說明具有較好的擠出性、變形抵抗性和可建造性。

(4)3D打印砂漿抗折強度與抗壓強度隨水灰比降低而提高。

(5)3D打印砂漿抗折強度隨耐堿玻璃纖維摻量增加而提高，抗折強度增幅最多達到99.2%；3D打印砂漿抗壓強度隨耐堿玻璃纖維摻量增加先提升后降低，纖維最優(yōu)摻量在0.25%。