聚羧酸減水劑對3D打印混凝土流動性能的影響

薛博宇

（科之杰新材料集團有限公司）

0 引言

3D 打印混凝土是近10 年發(fā)展起來的高新技術，經(jīng)過數(shù)年的技術積累，已經(jīng)發(fā)展出了不少實際上的用途和工法。但受限于國內機械設備的發(fā)展水平，現(xiàn)階段國內的3D 打印混凝土生產廠家還是以預制生產搭配現(xiàn)場組裝澆筑的形式為主實現(xiàn)其在工程上的應用。類似于使用三軸式的混凝土3D 打印設備生產預制構件，制作時留好外露鋼筋，在廠內養(yǎng)護。出貨后經(jīng)過轉運，通過起重吊裝設備安裝在施工場地的指定位置后對未預制的連接部分進行支模澆筑，拆模后形成3D 打印混凝土建筑的整體。為了凸顯3D 打印在結構塑造精細程度上的優(yōu)勢，大部分生產廠家又選擇放棄使用粗骨料的材料配方，用更小的噴頭以擠壓或泵出的方式層疊打印構件。這里就涉及到3D 打印混凝土流動性的問題：流動性太好，則拌合物無法在不變形的前提下完成堆疊；流動性太差，則拌合物難以擠壓或泵送進入噴頭，再加上3D 打印混凝土對于縮短拌合物的凝結時間提出了較高的要求，故掌握不好拌合物的流動性和稠度的情況下很容易導致拌合物在噴頭內堵塞凝固。

在現(xiàn)有規(guī)程《混凝土3D打印技術規(guī)程》（T∕CECS786-2020）中對于骨料最大粒徑小于5mm的3D打印混凝土拌合物并沒有細化規(guī)定為砂漿，但因為拌合物性能要求與砂漿更為接近、實際應用上又多采用5mm 以下的細骨料，故在流動度、凝結時間等方面仍采用砂漿檢測方法。

本文固定3D 打印混凝土配合比，按不同用水量，分別對聚羧酸減水劑摻量進行梯度實驗，研究不同摻量的聚羧酸減水劑對于3D 打印混凝土流變性能的影響，并基于試驗結果分析相同3D 混凝土配比在不同加水量和減水劑摻量下的流動性能，以期為3D 打印混凝土的配合比設計提供試驗方向及依據(jù)。

1 試驗

1.1原材料

水泥：春馳P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥；細骨料：細度模數(shù)為2.6 的機制砂，屬于中砂；粉煤灰:II 級灰；硫鋁酸鹽水泥：使用北極熊牌42.5 快硬硫鋁酸鹽水泥；減水劑：由聚羧酸高性能減水劑粉劑復配，減水率約為25%；纖維：廈門建涂堡聚丙烯纖維；纖維素醚：廈門易仕高貿易有限公司羥丙基甲基纖維素醚；膠粉：寶辰聯(lián)合可分散乳膠粉。

1.2試驗設計

由于聚羧酸減水劑的減水率會根據(jù)不同復配廠家的復配配方及情況變化，所以將水劑樣品烘干至恒重測試樣品含固量，以配比中實際添加聚羧酸減水劑含固有效成分的摻量作為基本單位（可視作加聚羧酸減水劑粉劑）進行下述試驗以保證進行測試時的復現(xiàn)性。

在保證配合比不變的情況下，改變用水量和減水劑摻量進行正交試驗。根據(jù)前期試驗經(jīng)驗以及實機測試制定配合比：干料采用0.55 膠砂比，以保證拌合物漿體的粘聚性達到打印過程中不拉斷線條的要求；硫鋁酸鹽水泥采用內摻法摻量為0.1，能保證拌合物在加水時間后的20 分鐘內失去流動性，防止3D 打印混凝土的線條在上層線條的擠壓下垮塌、變形；粉煤灰摻量按內摻法內摻0.15；膠粉和纖維素醚按膠材為基準摻量分別為3‰及1.5‰、聚丙烯纖維用量2‰以保證拌合物的塑性和變形能力；變量中減水劑采用聚羧酸系高性能減水劑，以折固摻量（計算方法：有效成分質量/膠凝材料總量）0.4%、0.5%、0.6%為梯度；用水量以水膠比設定，分別為0.27、0.30、0.33為實驗設計方案。

1.3試驗配合比

依據(jù)上述設計，確定基礎參數(shù)并設計干料配比、引入變量進行試驗，實驗方案如表1。

表1 正交試驗方案

1.4試驗方法

配制的砂漿測試指標包括砂漿流動度、稠度、流變性指標。實驗方法及設備如下：

⑴砂漿流動度：參照GB/T2419-2016《水泥膠砂流動度測定方法》規(guī)定的方法測定；

⑵稠度：參照JGJ/T 70-2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》測定；

⑶流變性：使用ICAR 流變儀進行測定。由于本試驗使用流變儀，所以試拌量較大，為了讓聚丙烯纖維、纖維素醚和膠粉在砂漿中分散，本試驗采用強制式攪拌機。砂漿拌合物試配過程：首先將聚丙烯纖維、纖維素醚、膠粉、膠材、砂等干材料混合加入干拌60s；將減水劑融入已根據(jù)用水量稱好的待加的水中手動攪拌，手動攪拌均勻后一起加入混合好的干料中通過強制式攪拌機進行攪拌。由于3D 打印混凝土對于加水新拌后的稠度值有一定要求，所以用水量控制相對嚴格、濕拌是攪拌均勻的難度較高。故采用攪拌120s 后靜置20s 讓物料滑落混合，再進行180s 的攪拌的方法，讓外加劑充分反應。

2 結果與討論

2.1試驗結果

根據(jù)試驗設計方案，按照確定的試驗方法測得下述9 組不同聚羧酸搭配不同用水量的流動度、稠度、屈服應力和塑性黏度的數(shù)據(jù)，詳細數(shù)據(jù)見表2。

表2 3D打印混凝土流動性能試驗結果（MPa）

本試驗利用直觀分析法分析減水劑與用水量對3D打印混凝土流變性能的影響，通過極差的大小來判定各因素對試驗結果的影響。直觀分析的計算結果如表3。

表3 正交試驗結果的直觀分析表

2.2試驗結果分析

2.2.1主次要因素分析

就A2～3B2～3討論，流動度、稠度、塑性黏度幾項參數(shù)RB＞RA，即用水量是主要的影響因素，而在屈服應力這項參數(shù)中RA＞RB，減水劑是較大的影響因素。

就A1B2～3、A2～3B1討論：屈服應力方面RB＞RA，流動度、稠度、塑性黏度幾項參數(shù)結論與A2～3B2～3相同為RB＞RA。

綜合考慮RB＞RA，即用水量為最主要因素。

2.2.2不同因素對3D打印混凝土擴展度的影響

由于無法測出A1B1項的數(shù)據(jù)，以A(外加劑摻量)為變量時對AiB2和AiB3進行對比；同理，以B(用水量)為變量時對A2Bi與A3Bi進行對比。

如圖1 所示，變量為減水劑摻量時，隨著減水劑摻量的提高，拌合物流動度呈上升趨勢。變量為用水量時，隨著用水量的增加，拌合物流動度也成上升趨勢。根據(jù)結果分析，參數(shù)B2增加到B3用水量時(即水膠比0.3～0.33 區(qū)間)流動度/用水量圖線的斜率相較于B1～B2的斜率更高；即隨著用水量的增加，對砂漿流動度的影響更大。所以就對流動度的影響來說，宜將用水量控制在0.27～0.3 水膠比之間，有利于控制住流動度。

圖1 不同因素對流動度的影響

2.2.3不同因素對3D打印混凝土稠度的影響

同樣以A(外加劑摻量)為變量時對AiB2和AiB3進行對比；以B(用水量)為變量時對A2Bi與A3Bi進行對比。

如圖2 所示A1B2～3、A2B2～3和A3B2～3對比的結果上顯示外加劑摻量對3D 打印混凝土的稠度變化影響不大。可以認為，改變外加劑的摻量在實際生產中并不會對3D 打印混凝土新拌拌合物產生稠度變化的影響。隨著用水量的增加，稠度儀平均示值變高，即稠度變小、水的用量的變化對3D 打印混凝土的稠度影響明顯，水加得越多拌合物越為松散。

圖2 不同因素對稠度的影響

觀察表2 的原始數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，外加劑摻量高的A3B2與A3B3的數(shù)據(jù)兩者之間的差值大于外加劑摻量小一個等級的A2B2與A2B3的差值，外加劑對大流動性的漿體稠度還是能在一定程度上進行降低的，但遠不及調節(jié)纖維素醚和膠粉的用量有效。

2.2.4不同因素對3D打印混凝土屈服應力的影響

同上方法進行對比。如圖3 所示，變量為減水劑摻量時，隨著減水劑摻量的提高，屈服應力呈下降趨勢，即漿體的流動性在變好。變量為用水量時，隨著用水量的增加，屈服應力呈先陡降后緩慢降低的趨勢。

圖3 不同因素對屈服應力的影響

因為在0.27 水膠比時漿體的過于“干燥”，沒有足夠的水來在漿體中起潤滑效果影響了拌合物的流動性，導致了A2～3B2組的樣品屈服應力過高。這在3D打印材料擠壓成型的過程中對線條的塑形是不利的。流動性過于差的拌合物將難以被擠出出料口，導致電機負荷過大乃至堵管。同時用水量的降低也會影響凝結時間，實際生產難以配合生產速度調整凝結時間。而A2～3B3的屈服應力則太低了，不利于塑形，如果是不附帶加熱的3D 打印混凝土生產工藝流程，有可能因為流動性過強導致3D 打印混凝土結構在堆疊的時候坍塌或者造成線條擴散，破壞成品3D打印混凝土構件的外觀。

2.2.5不同因素對3D打印混凝土塑性黏度的影響

同上方法進行對比。如圖4 所示，觀察數(shù)值發(fā)現(xiàn)，就A2～3B1到A2～3B3的整個區(qū)間來說，塑形黏度的圖線斜率在用水量提高的過程中逐步變小。證明隨著用水量的增加，漿體的粘性下降屬于先多后少的趨勢，總體上來說還是處于下降趨勢，趨勢與屈服應力圖像相近。

圖4 不同因素對塑性黏度的影響

到了A2～3B2到A2～3B3區(qū)間，塑性黏度緩步減小，圖像斜率上的變化說明了塑形黏度的可減小空間在逐漸縮減，塑性黏度接近在減少減水劑摻量的過程中所能達到的最低值。

過低的塑性黏度會影響材料的連續(xù)性，實際生產由于拌合物缺乏粘聚自身的能力，導致打印過程中線條出現(xiàn)斷點。而太高的塑性黏度也會導致工藝過程中打印線條的斷裂?？梢酝ㄟ^調節(jié)纖維素醚和膠粉的摻量來調整材料的塑性黏度以達到合適的值從而改善產品的成品率和外觀。

3 結論

⑴隨著聚羧酸減水劑摻量的增加，砂漿流動度上升，稠度小幅度浮動但無明顯增減，屈服應力和塑性黏度呈反曲線式的緩步下降，實機使用時應主要參考流動度因素，實測為160～180mm時效果最優(yōu)，故采用A2即0.5%含固摻量。

⑵隨著用水量的增加，砂漿流動度上升，與聚羧酸減水劑不同的是，稠度值也存在明顯上升(粘聚性降低)，屈服應力和塑性黏度陡降。實機使用時應主要參考屈服應力和稠度值，實測稠度值范圍在65～80 為宜，故采用B2即30%水膠比。