基于 3D 打印的纤维混凝土材料的发展研究

基于 3D 打印的纤维混凝土材料的发展研究

梁慧颖

淮安市华石建材有限公司 江苏淮安 223001

摘要：3D打印技术是基于电子数据，通过挤压材料不断堆叠，将3D打印模型转化为现实技术。3D打印是先进制造业发展的核心技术之一，在各个领域都有着广阔的发展前景。目前，许多研究机构正在尝试将3D打印技术应用于建筑行业，以促进建筑行业的现代化发展，加快建筑行业的转型升级。然而，传统水泥基材料的强度、流变性和凝结时间难以满足3D打印建筑的要求。随着人们不断探索,发现,添加一定量的纤维在水泥基材料约束混凝土构件的变形,有效地减少脆性的压力,改善印刷混凝土的抗拉强度和弹性模量,同时提高材料抗压破坏模式,大大提高建筑抗震的性能和安全。

关键词：3D打印；纤维混凝土；材料

一、3D打印纤维混凝土材料的配合比

纤维混凝土材料配合比是指各组份材料之间的比例关系，它直接影响到3D打印混凝土的性能、施工和打印建筑的成本，因此，配合比的设计十分关键。表1总结了6种代表性纤维混凝土材料的配合比设计。其中，2015年马义和在混凝土中掺入短切玻璃纤维和HPMC纤维素，以增加混凝土间的粘结能力，使其适用于快速成型的3D打印建筑。2017年，BiranCHiPanda等在混凝土砂浆中加入羟丙基甲基纤维素（HPMC），从而形成一种面向3D打印的新型纤维增强地质聚合物砂浆。2018年5月，发现了一种3D打印聚丙烯混凝土既具有良好的保温性能，又可以适应不同的打印速度。2018年，发明了一种用于3D打印的混杂纤维混凝土，该类混凝土成本低，且具有较高的韧性。2018年6月，研究了一种适用于3D打印的聚丙烯纤维混凝土，其生成的构件具有良好的变形能力。2018年，公开了一种用于3D打印的纤维混凝土材料配方，按重量分数计，聚乙烯醇纤维纤维为0．1～0．2份。2018年9月，研究了钢纤维用量对于3D打印水泥砂浆的影响，发现钢纤维含量为0．005时对砂浆的抗折强度和抗压强度提高明显。

2018年10月，公开了一种含有聚丙烯纤维的高触变性3D打印混凝土的制备方法，其使用的原材料成本低，制作工艺简单，能够极大改善打印混凝土的早期强度。

表1　6种代表性纤维混凝土材料的配合比设计

从表1可知，每种配方中基本都包含水泥、砂、水和减水剂。水泥一般占总份数的33%，用来包裹集料表面并填充空隙，使混凝土材料具有充分的强度、耐久性；砂的含量通常大于水泥，占比40%左右，在混凝土中起骨架或填充作用；水的含量大约12%左右，由于水灰比低于0．45，所以其流动性小于普通混凝土砂浆，黏聚性和保水性大于普通混凝土砂浆，符合3D打印混凝土材料的要求。添加剂包括减水剂、触变剂和缓凝剂，减水剂含量为0．08%～1．3%，以提高3D打印混凝土材料的流动性，减小打印混凝土管道输送过程中阻塞导管的可能性；触变剂能使砂浆在静止时有较高的稠度，在外力作用下又变成低稠度流体；缓凝剂用来延长纤维混凝土砂浆的硬化时间，确保混合砂浆挤出后仍保持塑性，满足层与层间的叠加需求。纤维种类包括聚丙烯纤维，聚乙烯纤维，聚乙烯醇纤维，混杂纤维，其含量为0．6%左右，主要用来约束结构变形，提高其耐久性。

二、3D打印纤维混凝土材料的可打印性

3D打印纤维混凝土材料的可打印性包括可挤出性和流动性。可挤出性是指在打印过程中将混凝土材料通过料斗和泵送系统输送出喷嘴且不会堵塞管道的能力，流动性是指原料可以从打印喷头中连续流出，不会出现间断的现象，也不会过稠或过稀，因此，打印材料的选择较为重要，需要尽量使用细骨料材料，从而保证良好的可挤出性，防止混凝土材料堵塞打印管道及喷嘴。

2017年发现在水泥基材料中掺入纤维的含量超过约1．5%时，会导致打印喷嘴堵塞。2018年发现砂浆加入钢纤维后，抗折强度明显提高，对抗压强度也有影响（图1－2），并且当纤维用量为0．5%左右时，砂浆（28d）的抗压强度提高约10．3%，抗折强度提高约20%，而砂浆的流动性下降较少，此时为纤维最合适掺量。当掺加0．8%～1．2%的玻璃纤维时，砂浆强度明显降低（图3、图4），因此，该含量范围内的玻璃纤维不适合作为增强材料。

图1　钢纤维用量对煤矸石水泥砂浆抗压强度的影响

图2　钢纤维用量对煤矸石水泥砂浆抗折强度的影响

图3　玻璃纤维用量与砂浆抗压强度随龄期增长规律的关系

图4　玻璃纤维用量与砂浆抗折强度的关系

流动性的好坏既决定拌合物操作的难易程度，又影响砂浆的捣实和成型，进而影响所成型试件的力学性能，因此，在打印过程中，需要确保浆料从喷嘴中连续挤出且不间断，并且在较短的时间内固化达到一定的强度，浆体不能过稠或过稀，以承受下一层浆料的压力。2012年报道了一种聚丙烯微纤维增强细骨料混凝土，其流动性可持续至100Min，并且该种混凝土在打印62层之后，底层并没有出现明显的变形，具有良好的可建造性（图5）。2018年发现了一种用于3D打印的纤维混凝土，具有合适的初凝时间（20～60Min）和终凝时间（60～120Min），并且在堆积过程中不会发生变形和坍塌，能满足不同的打印速度和结构施工的需求．

图5　3D打印混凝土至62层

三、3D打印纤维混凝土材料的使用性能

打印构件应用于实际工程的关键要素是使用性能，其重要指标是干缩性和裂缝。干缩性是引发裂缝的原因之一，由于混凝土试块中的水分在空气中蒸发，引起混凝土体积收缩，从而产生裂缝，导致混凝土结构物承载能力、耐久性及防水性降低．2012年，研究发现，把聚丙烯纤维加入混凝土砂浆中，可预防打印样品剥落，且在打印过程中，挤出的干混砂浆连续均匀，形成的构件易于成型。通过对纤维土体的作用机理实验研究发现，当裂缝宽度较小且聚丙烯纤维未被绷断时，纤维的桥联作用从微观和宏观上约束了构件的开裂，从纤维混凝土构件的断面（图6）微观结构来看，纤维之间相互交错缠绕，断块内部仍然保持着一定的抗拉强度。

2017年，对常规一体式浇筑构件（ａ）、普通3D打印构件（B）和加入高纤维的强化打印构件（C）研究发现，ａ部件的剪切性能取决于基体材料性能，由图7可知，随着荷载不断增加，ａ部件内产生微小裂纹且主要分布在垂直于主应力方向的对角线附近。而B部件产生的裂缝沿由对角线开始迅速扩张伸展，导致部件很快丧失承载力。C部件的破坏方式不同于其他两种形式，在裂缝产生过程中，对角线附近较宽区域内产生大量微小裂缝，这种现象是“高性能纤维增强水泥基复合材料”的标志。

图6　纤维混凝土体断面

图7不同形式的破坏形态

结束语

纤维增强水泥基材料能有效地加固混凝土结构，使混凝土具有更好的工程性能。3D打印建筑在世界范围内受到了广泛的关注，制约3D打印建筑在大型结构中的应用的关键仍然是高性能3D打印混凝土材料的创新发展。由于纤维材料可以有效降低混凝土在压力下的脆性，提高打印混凝土的抗拉强度，因此纤维增强混凝土是最适合3D打印建筑的材料。未来将会有越来越多的3 D打印超高层、大跨度建筑,在消极的地区将会有更多的建筑,如海洋、沙漠,3D打印技术建设,现有的纤维混凝土材料,研究成果的基础上,继续研究纤维混凝土材料的3 D打印,可以打印,可以建造,使用性能和工程应用是有意义的。

参考文献

［1］乔星宇，李韵通，潘宁．3D打印混凝土建筑及其混凝土材料现状分析［J］．建材发展导向（下），2016，14（3）：218－219．

［2］张大旺，王栋民．3D打印混凝土材料及混凝土建筑技术进展［J］．硅酸盐通报，2015，34（6）：1583－1588．