3D打印混凝土各向异性及其耐久性研究文献综述

 2022-10-25 12:10

文献综述(或调研报告):

3D打印混凝土因其成型模式的独特性,在成型过程中无需同模铸过程一般需要模具,而且在泵送、挤出等种种因素影响下,对于混凝土的要求教普通混凝土较高,英国拉夫堡大学的T.T.Le[1]等人得出以下结论:

  1. 可挤出性:新拌混凝土通过漏斗和泵送系统输送到喷嘴,在通过喷嘴挤出过程中,混凝土要连续的从喷嘴中挤出,保证打印出的混凝土长条不出现撕裂痕和不断裂堵塞。
  2. 工作性:新拌混凝土要有良好的和易性,保证混凝土在泵-管-喷嘴系统输送过程中有良好的流动性,混凝土顺畅通过不发生堵管;于此同时,混凝土在有需要有良好的粘聚性,在从喷嘴挤出后,正确形成所需结构,并保持原状不发生变形和坍塌。
  3. 可建造性:在成型单层的打印混凝土层后,需进行之后的混凝土层进行打印,没有其他方法的情况下,根据用于评估挤压性的形状,将新拌混凝土的可建造性量化为在下层没有明显的变形的情况下可建造的细条层的数量

由于独特的“分层打印,逐层累加”的成型方式,导致了其矛盾的存在[2]:

  1. 需要有足够打印间隔长的时间让混凝土硬化来提供方足够的强度支撑上层的混凝土,但又要尽可能短来保证层间的粘结力。
  2. 为了浆料能从喷嘴顺畅挤出,浆料应具有足够的流动性。然而浆料又要有足够的粘聚性来保证挤出后维持稳定,尽量减少变形或消除变形。

对于存在的问题的矛盾,许多的研究人员提出了相应问题的解决方式。

工作性

3D混凝土中涉及的工作性主要指流动性和粘聚性,由于3D打印的独特成型方式,混凝土的打印过程中可挤出性与粘聚性需要有良好的均衡。对于该问题Freek Bob等[3]尝试人通过采用级配均匀且最大粒径为1mm的骨料、石灰石填料、减水剂以及流变改性剂解决。级配均匀的骨料以及填料提高混凝土的粘聚性但使得流动性下降,通过减水剂的使用弥补流动性的减少,增大可挤出性。于此同时,流变改性剂提高砂浆的触变性,保证在挤出后混凝土维持形态,不发生变形。Delphine等人[4]采用掺加超级减水剂、VMAs(粘性改性剂)和(Nano-)clays来提高流动性、保水性、颗粒絮凝和触变性,解决可挤出性与挤出后的稳定性问题。根据 Young-Sun 和 Jay G.Sanjayan研究表明,在混凝土材料中添加聚丙烯纤维可防止打印混凝土样品剥落,可在一定程度上优化混凝土在打印机输出端口的挤出过程,并得到均匀、连续的打印试体结构。

Biranchi Panda等人[5]尝试使用F级粉煤灰、粒装高炉矿渣、硅灰、黏土和纤维构成的地聚物混凝土作为3D打印材料,其中硅灰提高粘聚力和强度、黏土起到提高粘聚力和屈服强度的作用。粉煤灰的微珠效应起到提高流动性的效果。可惜的是这种混凝土现仅可适用于非承重结构构件,实用性还有待提高。

早期强度及层间结合力

3D打印的概念根本为“分层打印,逐层累加”,打印过程中处于下层的混凝土需要达到足够的强度来支撑上层混凝土,越下层的混凝土所承受的重量越大。众所周知,混凝土需要一定的时间来凝结硬化来获得强度,如此一来也就意味着需要足够长的打印间隔时间,保证混凝土有充足的时间硬化获得强度。然而若时间太长,下层混凝土硬化程度过高,则层间出现冷缝,空隙增大,粘结力下降。如此一来需调结混凝土硬化时间与打印间隔的关系,且考虑到效率问题,普通的硅酸盐水泥很难达到所需要求。既然普通硅酸盐水泥无法满足要求,Noura Khali[6]等人在普通硅酸盐水泥中掺入7%的硫铝酸盐水泥、水胶比为0.35、胶砂比0.5,高效减水剂用量0.26%的配方下研究了其性能,发现所得混凝土可挤出性良好,且初凝时间在110min,终凝时间为150min,相较于普通硅酸盐水泥的180min和265min有了巨大的提升。于此同时可打印层数远多于纯硅酸水泥,屈服强度增长迅速,同时对于后期强度不产生影响。在Delphine Marchona[7]的实验中对于强度增长给出了通过添加外加剂的方式,如加入氢氧钙石黏土,从根源或PCEs的摄取上抑制缓凝剂的效果;或通过添加无机盐来加快化学反应,以加快强度增长速率。他还提出了通过添加PCEs缓凝剂来减缓水化过程。通过外加剂之间的配合来达到合适的凝结硬化时间,即混凝土快速获得一定强度,但混凝土在下一层打印时仍出于塑形阶段,层间结合力不受过大的影响。

传统的认知是打印间隔时间越长则层间粘结力越弱,然而在Jay G. Sanjayan等人[8]的研究中发现,实际并非如此。在他们的实验中发现打印间隔为10min、20min和30min,层间强度呈现下降后上升的趋势,他们解释为层与层之间的润湿对于层间强度影响大,层间水分含量是许多参数的函数,其中了包括打印工艺、蒸发速率、泌水速率等因素,而水分含量与层间强度间具有普遍性关系。

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