3D打印金尾礦砂超高性能混凝土的力學(xué)性能研究

朱春紅 周 凱 何 磊

(1.南寧市武鳴區(qū)市場檢驗(yàn)檢測服務(wù)中心,廣西 南寧 530199;2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,廣西 南寧 530004;3.中國建筑第二工程局有限公司,湖北 武漢 430070)

作為增材制造手段的3D打印技術(shù)采用自下而上的制造方法,通過逐層打印將數(shù)字模型轉(zhuǎn)化成實(shí)體。3D打印混凝土比傳統(tǒng)的混凝土施工更加自動(dòng)化和智能化,整個(gè)3D打印過程由計(jì)算機(jī)程序控制,不需要任何模具,從而提高了施工效率,減少了繁瑣的施工工序,節(jié)約了人工成本[1-3]。同時(shí),3D打印混凝土技術(shù)可以打印復(fù)雜的異型構(gòu)件,不僅豐富了建筑的美觀性,而且符合社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[4-8]。超高性能混凝土(UHPC)是一種兼具超高強(qiáng)度、優(yōu)異韌性、高耐久性和良好動(dòng)態(tài)性能的新型水泥基材料[9-13],制備3D打印超高性能混凝土材料可有效推進(jìn)該技術(shù)的工程化發(fā)展,而3D打印混凝土需具備黏塑性賓漢姆流體特性,賓漢姆流體特性是在新拌狀態(tài)且在外力作用下的黏塑性漿體的流動(dòng)性,因此為滿足這一特性,需要對(duì)3D打印混凝土的可打印性和流變性進(jìn)行深入研究。

隨著工業(yè)的發(fā)展和城市化的推進(jìn),一方面建筑業(yè)對(duì)骨料的需求量越來越大,而滿足建筑要求的天然資源卻越來越少,另一方面產(chǎn)生了越來越多的建筑固體廢物和工業(yè)固體廢物。為了減少天然骨料的開發(fā)利用,工業(yè)和建筑固體廢棄物的再利用是必然趨勢[14-15]。目前,許多學(xué)者嘗試將金尾礦砂替代細(xì)骨料用來制備混凝土,以緩解自然資源匱乏所帶來的問題。李志強(qiáng)等[16]選取水灰比、金尾礦砂取代率、再生粗骨料取代率和粉煤灰摻量為變量,得到了金尾礦砂再生混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度兩種性能指標(biāo),并基于力學(xué)性能進(jìn)行了配比優(yōu)化組合研究。劉競怡等[17]通過改性劑對(duì)金尾礦砂進(jìn)行了表面涂覆改性,將改性后的金尾礦砂取代部分河砂作為全集料進(jìn)行了混凝土試配試驗(yàn)。結(jié)果表明,金礦尾礦砂粒度過細(xì),泥塊含量超標(biāo),棱角尖銳,直接作為集料對(duì)混凝土性能不利,通過改性劑涂覆可有效降低金尾礦砂顆粒間的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

本文擬采用金尾礦砂替代部分細(xì)骨料,利用3D打印技術(shù)制備成金尾礦砂超高性能混凝土。在金尾礦砂替代率分別為0%、10%、20%、30%和40%條件下,對(duì)其可打印性、流變性、可建造性和抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

金尾礦砂:表觀密度為2 814 kg/m3,堆積密度為1 145 kg/m3,含泥量為3.8%,顆粒粒徑小于0.1 mm含量約為10.4%,0.1～0.5 mm含量約為70.2%,大于0.5 mm含量約為19.4%,細(xì)度模數(shù)為1.8,屬于細(xì)砂。金尾礦砂化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

表1 金尾礦砂化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Chemical composition analysis results of gold tailings sand %

河沙:表觀密度為2 751 kg/m3,堆積密度為1 672 kg/m3,吸水率為2.3%。河砂化學(xué)成分分析結(jié)果見表2。

表2 河沙化學(xué)成分分析結(jié)果Table 2 Chemical composition analysis results of river sand %

水泥:P·O 52.5普通硅酸鹽水泥,28 d抗壓強(qiáng)度為54.5 MPa,28 d抗折強(qiáng)度為8.3 MPa。水泥化學(xué)成分分析結(jié)果如表3所示。

表3 水泥化學(xué)成分分析結(jié)果Table 3 Chemical composition analysis results of cement %

粉煤灰:Ⅰ級(jí)粉煤灰,表觀密度為1.94 g/cm3,CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.9%。

減水劑:高效引氣減水劑,減水率大于25%。

硅灰:SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%。

鋼纖維:鍍銅圓直鋼纖維,長13.0 mm,直徑0.2 mm,長徑比為65,抗拉強(qiáng)度為1 100 MPa。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

3D打印金尾礦砂UHPC的配合比如表4所示,金尾礦砂的替代率分別為0%、10%、20%、30%和40%,制備好的UHPC養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn)。UHPC的水膠比為0.2,砂膠比為1.1,鋼纖維體積摻量為2%。

表4 混凝土的配比Table 4 Concrete mix proportioning

1.3 試驗(yàn)方法

3D打印金尾礦砂UHPC的凝結(jié)時(shí)間按照J(rèn)GJ/T 70—2009中的貫入阻力法測定[18],流動(dòng)度和坍落度測試依據(jù)GB/T 2419—2005測定[19],可打印性通過凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)度和坍落度來表征。流變性是研究水泥基材料在不同剪切速率下抵抗剪切流動(dòng)的能力,其中的流變參數(shù)分別為靜態(tài)屈服應(yīng)力、動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和塑性黏度,使膠凝材料開始流動(dòng)的最大剪應(yīng)力為靜態(tài)屈服應(yīng)力,維持材料流動(dòng)的剪應(yīng)力為動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力。剪切速率在60 s內(nèi)從0增加到100 s-1,然后在60 s內(nèi)降低為0,測得3D打印金尾礦砂UHPC的靜態(tài)屈服應(yīng)力、塑性黏度和動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力?？山ㄔ煨钥赏ㄟ^結(jié)構(gòu)變形率來表征。

抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度測試根據(jù)GB/T 50081—2019進(jìn)行[20],抗壓強(qiáng)度試件采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件,抗彎強(qiáng)度試件采用40 mm×40 mm×160 mm,抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度測試分別在養(yǎng)護(hù)齡期3、7、14 d和28 d進(jìn)行測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 可打印性

2.1.1 凝結(jié)時(shí)間

圖1為金尾礦砂摻量對(duì)3D打印UHPC凝結(jié)時(shí)間的影響。

圖1 金尾礦砂摻量對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響Fig.1 Effect of gold tailings sand mixing amount on setting time

從圖1可以看出,初凝時(shí)間和終凝時(shí)間隨著金尾礦砂摻量的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,這可能是因?yàn)樵谒冶炔蛔兊那闆r下,金尾礦砂摻量的增加,提高了UHPC基體的黏度,金尾礦砂的摻入延緩了膠凝材料的水化過程,更容易形成致密的空間網(wǎng)絡(luò)體系。

2.1.2 流動(dòng)度與坍落度

圖2為金尾礦砂摻量對(duì)3D打印UHPC流動(dòng)度和坍落度的影響。

圖2 金尾礦砂摻量對(duì)流動(dòng)度和坍落度的影響Fig.2 Effect of gold tailings sand mixing amount on fluidity and slump

從圖2可以看出,隨著金尾礦砂摻量的增加,3D打印UHPC的流動(dòng)度和坍落度顯著降低。用金尾礦砂代替河沙來制備3D打印UHPC可以降低UHPC基體的流動(dòng)性,這是由于金尾礦砂的顆粒與天然砂相比更小,當(dāng)金尾礦砂替代率超過40%時(shí),UHPC基體的可擠出性變差,孔隙率變高。相關(guān)文獻(xiàn)研究表明3D打印混凝土的工作性能與塑性黏度和屈服應(yīng)力密切相關(guān)[21]。

2.2 流變性

2.2.1 剪切應(yīng)力、屈服應(yīng)力與塑性黏度

圖3為不同金尾礦砂摻量的3D打印UHPC剪切應(yīng)力與時(shí)間之間的變化曲線。

圖3 金尾礦砂摻量對(duì)剪切應(yīng)力的影響Fig.3 Effect of gold tailings sand mixing amount on shear stress

從圖3可以發(fā)現(xiàn),剪切應(yīng)力隨剪切時(shí)間的延長先增大,然后逐漸減小至一個(gè)穩(wěn)定值,剪切應(yīng)力曲線的峰值代表靜態(tài)屈服應(yīng)力。UHPC的靜態(tài)屈服應(yīng)力隨著金尾礦砂摻量的增加而顯著增加,當(dāng)金尾礦砂摻量大于30%時(shí),游離水含量和水化過程中顆粒的絮凝對(duì)UHPC的靜態(tài)屈服應(yīng)力有很大影響。一方面,金尾礦砂可以填充顆粒之間的微孔,從而增加UHPC基體中顆粒之間碰撞的可能性。因此,UHPC流動(dòng)所需的剪切應(yīng)力增加。另一方面,金尾礦砂由于其較高的比表面積而需要大量的水來潤濕表面,這減少了UHPC基體中游離水的含量并增加了顆粒之間的摩擦。另外,金尾礦砂的摻入會(huì)引起膠凝材料的絮凝,有利于增加UHPC基體中的內(nèi)摩擦力。雖然金尾礦砂的摻加可以阻礙膠凝材料的水化,但其對(duì)UHPC的靜態(tài)屈服應(yīng)力的影響甚微。

表5為3D打印UHPC的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和塑性黏度。金尾礦砂的摻入提高了UHPC的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和塑性黏度。金尾礦砂摻量越高,UHPC的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和塑性黏度越高。此外,UHPC的流動(dòng)性與其動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和塑性黏度密切相關(guān),UHPC的流動(dòng)性隨著動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和塑性黏度的增加而降低,這可以從圖2所示的金尾礦砂摻量對(duì)UHPC流動(dòng)性的影響中得到證實(shí)。與未摻加金尾礦砂的G0組相比,G40組的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和塑性黏度分別提高了53.6%和120.1%。動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和塑性黏度的增加主要是由于UHPC砂漿中更多的顆粒團(tuán)聚導(dǎo)致的游離水的減少,這意味著需要更高的剪切力來維持UHPC基體的流動(dòng)性。此外,動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和塑性黏度的增加也表明金尾礦砂的摻入可以改善水泥砂漿的黏聚力。

表5 金尾礦砂摻量對(duì)動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力與塑性黏度的影響Table 5 Effect of gold tailings sand mixing amount on dynamic yield stress and plastic viscosity

2.2.2 可建造性

可建造性是指3D打印UHPC在上層自重逐漸增大的情況下保持分層形狀的能力,結(jié)構(gòu)變形率是評(píng)價(jià)3D打印混凝土實(shí)用性的重要指標(biāo)之一,金尾礦砂摻量對(duì)3D打印UHPC的結(jié)構(gòu)變形率的影響如圖4所示。

圖4 金尾礦砂摻量對(duì)結(jié)構(gòu)變形率的影響Fig.4 Effect of gold tailings sand mixing amount on structural deformation rate

從圖4可以看出,金尾礦砂摻量的增加可以減小結(jié)構(gòu)變形。當(dāng)金尾礦砂摻量為40%時(shí),3D打印UHPC的結(jié)構(gòu)變形率降低到4.5%。此外,3D打印UHPC的結(jié)構(gòu)變形與基體本身承受自重的能力和噴嘴的連續(xù)擠出有關(guān),流變參數(shù)對(duì)其也有顯著影響。由于金尾礦砂的體積密度比天然河沙低,試驗(yàn)中需要克服的自重也隨著金尾礦摻量的增加而逐漸減小。因此,金尾礦砂的摻入不僅可以提高UHPC的靜態(tài)屈服應(yīng)力和動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力,還可以保持基體的連續(xù)擠出。此時(shí),較高的靜態(tài)屈服應(yīng)力可以提高3D打印UHPC的可建造性。

圖5、圖6為3D打印UHPC的結(jié)構(gòu)變形率與動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和塑性黏度的相關(guān)性。結(jié)構(gòu)變形率與動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和塑性黏度具有良好的相關(guān)性。隨著動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力的增加,3D打印UHPC的結(jié)構(gòu)變形率顯著減小。試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明了一定的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和良好的塑性黏度可以抵抗3D打印金尾礦砂UHPC基體的變形。

圖5 結(jié)構(gòu)變形率與動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between structural deformation rate and dynamic yield stress

圖6 結(jié)構(gòu)變形率與塑性黏度之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between structural deformation rate and plastic viscosity

2.3 力學(xué)性能

圖7、圖8為3D打印UHPC在3、7、14、28 d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。養(yǎng)護(hù)齡期為3 d和7 d時(shí),金尾礦砂的摻量對(duì)UHPC的抗壓強(qiáng)度沒有顯著影響,摻加金尾礦砂的UHPC的抗壓強(qiáng)度略低于G0組的抗壓強(qiáng)度,這主要是因?yàn)榻鹞驳V砂的摻入延緩了膠凝材料的水化過程,從而降低了UHPC的抗壓強(qiáng)度。養(yǎng)護(hù)齡期為14 d和28 d時(shí),當(dāng)金尾礦砂摻量低于20%,金尾礦砂的摻入提高了UHPC的抗壓強(qiáng)度,金尾礦砂摻量為20%時(shí),UHPC在14 d和28 d的抗壓強(qiáng)度分別為104 MPa和119 MPa,G20組的抗壓強(qiáng)度較G0組分別提高了10.6%和13.3%。金尾礦砂的表面較為粗糙,顆粒之間的機(jī)械咬合力可以在UHPC基體中產(chǎn)生更好的黏附作用,從而增加UHPC的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)金尾礦砂的替代率超過20%時(shí),UHPC的抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢,因?yàn)榻鹞驳V砂的力學(xué)性能較差,比天然河沙更容易被破壞。

圖7 金尾礦砂摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響Fig.7 Effect of gold tailings sand mixing amount on compressive strength

圖8 金尾礦砂摻量對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響Fig.8 Effect of gold tailings sand mixing amount on bending strength

從3D打印金尾礦砂UHPC的抗彎強(qiáng)度圖中可以看出,抗彎強(qiáng)度測試結(jié)果與抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律大致相同。在28 d時(shí),G10組的抗彎強(qiáng)度低于G0組,但當(dāng)金尾礦砂替代率為20%時(shí),UHPC的抗彎強(qiáng)度最高。研究認(rèn)為,適當(dāng)比例的金尾礦砂替代天然河沙可以與波特蘭水泥形成致密的固體基質(zhì),有利于UHPC抗彎強(qiáng)度的提高。

3 結(jié) 論

(1)金尾礦砂摻量的增加,延緩了膠凝材料的水化過程,提高了3D打印UHPC基體的黏度,更易形成致密的空間網(wǎng)絡(luò)體系。隨著金尾礦砂摻量的增加,3D打印UHPC的流動(dòng)度和坍落度顯著降低。

(2)金尾礦砂摻量越高,靜態(tài)屈服應(yīng)力、動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和塑性黏度越高,結(jié)構(gòu)變形越小,一定的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和良好的塑性黏度可以抵抗3D打印金尾礦砂UHPC基體的變形。

(3)當(dāng)金尾礦砂摻量為20%時(shí),3D打印UHPC的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度最高,金尾礦砂摻量大于20%時(shí),UHPC的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度呈下降趨勢。