搭接寬度對打印混凝土力學(xué)性能的影響范文

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摘要：混凝土層疊打印成型時(shí)，其力學(xué)性能受工藝的影響較大。為探究打印過程中條帶的搭接寬度對打印混凝土構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度、雙向劈裂抗拉強(qiáng)度的影響，使用極坐標(biāo)系3D打印機(jī)按不同的搭接寬度，打印了多組混凝土立方體試件，并與現(xiàn)澆試件的抗壓及劈裂性能做了對比試驗(yàn)。結(jié)果表明，層疊打印構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度折減明顯，搭接寬度較低時(shí)折減可達(dá)到一半，隨著搭接寬度的提升，打印試件的抗壓強(qiáng)度呈非線性增長；打印試件順紋橫紋下的截面劈裂抗拉強(qiáng)度均低于現(xiàn)澆試件，順紋折減更加明顯。搭接寬度的增加會提升雙向抗拉強(qiáng)度，對于順紋截面，搭接寬度較低時(shí)提升明顯，后趨于穩(wěn)定，對于橫紋截面，其主要呈現(xiàn)為一種線性變化形式，趨于現(xiàn)澆抗拉強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：3D打印；搭接寬度；抗拉強(qiáng)度對比；劈裂抗拉強(qiáng)度對

前言

21世紀(jì)以來，3D打印技術(shù)因其生產(chǎn)周期短、對于復(fù)雜構(gòu)件可以做到精細(xì)化和個(gè)性化制造等優(yōu)點(diǎn)，在各行各業(yè)得以飛速發(fā)展和應(yīng)用，建筑業(yè)也紛紛投入到混凝土打印建造的研究與探索中[1-2]。建筑業(yè)的3D打印產(chǎn)品與其他產(chǎn)業(yè)的3D打印產(chǎn)品相比有著其自身的特點(diǎn)。建筑的體積是傳統(tǒng)工業(yè)制品的幾百倍甚至上千倍，龐大的體量對打印機(jī)的大小和性能提出了更高的要求[3]；工業(yè)3D打印所用材料大部分為熱塑性材料，采用熔融沉積成型技術(shù)建造而成[4]，而建筑領(lǐng)域所用材料主要為混凝土，采用層疊打印技術(shù)建造，需要混凝土的流動度和黏結(jié)強(qiáng)度滿足要求[5]；通過層疊打印技術(shù)建造建筑，必須滿足質(zhì)量、工期及使用的安全性。混凝土層疊打印成型時(shí)，其力學(xué)性能受工藝、材料性能的影響較大[6-7]，本文從打印工藝中的搭接寬度入手，對其力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)分析。

1混凝土層疊打印工藝

與熔融沉積成型技術(shù)（FDM）和選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）不同，混凝土3D打印采用的是層疊打印工藝[8-9]，即打印頭擠出混凝土條帶層疊壘加成型。成型后混凝土的力學(xué)性能與打印條帶之間的結(jié)合強(qiáng)弱密不可分，而打印條帶之間的黏結(jié)主要靠混凝土材料間的物理作用與化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。物理作用包括范德華力、機(jī)械咬合力和毛細(xì)孔張力；化學(xué)作用包括化學(xué)鍵和分子間的相互作用力。兩種不同作用均需要一定的結(jié)合面來實(shí)現(xiàn)。打印過程中同一水平層相鄰的條帶間可通過程序控制，設(shè)定不同的搭接寬度來增加結(jié)合面面積（見圖1），提高整體性。目前，對于打印混凝土的研究主要集中于材料，而關(guān)于打印工藝對其力學(xué)性能的影響研究較少。南加州大學(xué)的比洛克•霍什內(nèi)維斯教授提出建筑輪廓打印。輪廓工藝打印出來的墻是空心的，其間布置桁架狀構(gòu)造，這樣減輕了建筑本身的重量，還可在空隙處填充保溫材料，讓其成為整體的自保溫墻體[10]；LETT等人報(bào)道了一種聚丙烯微纖維增強(qiáng)細(xì)骨料混凝土，其流動性能可維持到100min，具備了足夠的工作時(shí)間具有良好的可建造性[11]；葛杰等對3D打印建筑材料層間黏結(jié)性能進(jìn)行了測試，分析了3D打印建筑材料層間黏結(jié)的破壞模式、破壞過程與破壞形態(tài)，認(rèn)為3D打印建筑材料存在層間黏結(jié)薄弱層，破壞時(shí)均發(fā)生在黏結(jié)層部位[12]；清華大學(xué)馮鵬等采用FRP增強(qiáng)3D打印構(gòu)件的力學(xué)性能環(huán)向包裹GFRP改變了3D打印圓柱的破壞模式，可以大幅提高其承載能力和延性[13]。

2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

打印設(shè)備采用自制的轉(zhuǎn)臂式極坐標(biāo)打印機(jī)（見圖2），其最大工作半徑2200mm，打印噴頭內(nèi)徑為20mm，可實(shí)現(xiàn)RθZ三軸聯(lián)動，定位精度1mm。試驗(yàn)選取2mm、5mm、8mm三組搭接寬度，控制其為單因素變量打印試件各15個(gè)，共45個(gè)試件，每種搭接寬度分為三組，一組5個(gè)。支模澆筑標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試件兩組，每組3個(gè)。混凝土試件采用同配合比及同條件養(yǎng)護(hù)。打印的試件切割成150mm×150mm×150mm標(biāo)準(zhǔn)立方體后，采用YE-2000KN液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、順紋（平行打印路徑截面）劈裂抗拉強(qiáng)度和橫紋（垂直打印路徑截面）劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。試件制作采用Solidworks進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，輸出保存為STL文件，將STL文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，經(jīng)過切片分層、路徑規(guī)劃等數(shù)據(jù)處理過程獲得控制機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行的數(shù)控程序G代碼，將G代碼輸入轉(zhuǎn)臂式極坐標(biāo)打印機(jī)，完成目標(biāo)試件的3D打印。試件打印的材料采用制備的干粉料加水后機(jī)拌而成，其性能指標(biāo)見表1。試件養(yǎng)護(hù)采用自然養(yǎng)護(hù)，記錄自然養(yǎng)護(hù)時(shí)的環(huán)境溫度情況，如圖3所示。試件養(yǎng)護(hù)7d后，使用1200型鋼筋混凝土墻鋸進(jìn)行切割，切割完成后繼續(xù)自然養(yǎng)護(hù)至28d。

3抗壓強(qiáng)度對比試驗(yàn)

3.1破壞狀態(tài)

現(xiàn)澆混凝土試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，其側(cè)面靠近底部的位置，首先出現(xiàn)分離現(xiàn)象，表面部分混凝土離開主體構(gòu)件一段距離，側(cè)面靠近頂部位置產(chǎn)生豎向斜裂縫；隨著加載壓力的增大，分離現(xiàn)象更加明顯，豎向斜裂縫條數(shù)及長度均得到發(fā)展，由側(cè)表面頂部發(fā)展至底部，且位置主要集中在立方體的側(cè)棱處，最終達(dá)到峰值強(qiáng)度，構(gòu)件破壞。打印混凝土試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，最先出現(xiàn)的是豎向斜裂縫。隨著加載壓力的增加，搭接寬度為2mm的試塊，豎向斜裂縫得到發(fā)展并開始出現(xiàn)水平裂縫，其側(cè)表面中部開始沿著水平裂縫有脫落現(xiàn)象發(fā)生；搭接寬度為5mm的試塊，豎向斜裂縫在加載壓力逐漸增大的情況下也得到發(fā)展，部分試塊開始出現(xiàn)水平裂縫，但只有一個(gè)試塊中間部位發(fā)生脫落，其脫落部位主要發(fā)生在側(cè)面底部位置；搭接寬度為8mm的試塊，主要是豎向裂縫得到發(fā)展，只有極個(gè)別試塊有水平裂縫產(chǎn)生，中間部位無脫落現(xiàn)象，其破壞特征與現(xiàn)澆混凝土試塊相似，見圖4。在觀察破壞部位時(shí)，發(fā)現(xiàn)大量纖維且其朝向一致（打印路徑方向），如圖5所示，可見纖維對打印混凝土抗壓強(qiáng)度的提升有巨大幫助。除此以外，纖維沿著同一方向分布也從側(cè)面反映出打印混凝土構(gòu)件的力學(xué)各向異性[14-15]。

3.2強(qiáng)度對比

抗壓強(qiáng)度擬合曲線見圖6，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。打印混凝土構(gòu)件相對于現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件在抗壓強(qiáng)度上有一定的衰減。當(dāng)搭接寬度較低時(shí)，條帶間的黏結(jié)效果較差，此時(shí)的抗壓強(qiáng)度甚至不足現(xiàn)澆構(gòu)件的一半。隨著搭接寬度的提升，抗壓強(qiáng)度有一個(gè)明顯的增長趨勢，但是這種增長并不是線性的。當(dāng)搭接寬度由5mm增加至8mm時(shí)，其抗壓強(qiáng)度僅增長了3.76MPa，而搭接寬度由2mm增加至5mm時(shí)，其抗壓強(qiáng)度增長了15.18MPa。一味的通過提升搭接寬度來提升打印混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能是不可取的。混凝土受壓破壞的過程本質(zhì)上是裂紋萌生、擴(kuò)展、貫通直至產(chǎn)生宏觀裂縫的過程。對于已經(jīng)制作完成的混凝土試件，其內(nèi)部已存在許多的預(yù)存裂縫。現(xiàn)澆而成的試件，預(yù)存裂縫主要集中在粗骨料和水泥漿體的交界面上，3D打印而成的試件，預(yù)存裂縫還集中于打印層間和打印條帶搭接的地方。在應(yīng)力較小的情況下，這些預(yù)存裂縫未得到發(fā)展，隨著應(yīng)力提升，在黏結(jié)較差處或應(yīng)力集中處，這些預(yù)存裂縫得到發(fā)展。在搭接寬度較低的情況下，打印試件層間和條帶間黏結(jié)效果較差，處于此段的預(yù)存裂縫會先得到發(fā)展，2mm搭接試件產(chǎn)生多條水平裂縫就是其重要的宏觀表現(xiàn)。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，打印構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度隨著搭接寬度的提升呈現(xiàn)出一種非線性變化。這種非線性變化本質(zhì)上是層間和條帶之間黏結(jié)強(qiáng)度的非線性變化。打印構(gòu)件的黏結(jié)主要依靠混凝土材料之間的物理作用和化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，物理和化學(xué)作用都離不開接觸面，搭接寬度提升，接觸面積增大，同時(shí)打印機(jī)自帶的上表面抹平功能會增大法向壓力，使其黏結(jié)效果得到增長。

4劈裂抗拉強(qiáng)度對比試驗(yàn)

4.1破壞狀態(tài)

現(xiàn)澆混凝土試塊在進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，其在破壞前無明顯征兆，破壞具有一定的突然性，伴隨清脆的響聲，產(chǎn)生一條豎向的貫穿裂縫，頂面產(chǎn)生一條平行于受力方向的水平貫穿裂縫。打印混凝土試塊在進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，受力面確定為頂面，其劈裂方向選擇兩種不同方向，分別為平行打印方向和垂直打印方向。不同加載方向、不同搭接寬度的打印混凝土試塊破壞均具有一定突然性，破壞無明顯征兆，破壞時(shí)會產(chǎn)生清脆的響聲。平行打印方向時(shí)，2mm搭接試塊破壞時(shí)會產(chǎn)生多條豎向貫穿裂縫，裂縫均產(chǎn)生在條帶搭接處，有些構(gòu)件出現(xiàn)一分為二現(xiàn)象，打印輪廓清晰可見；5mm搭接試塊僅產(chǎn)生一條豎向貫穿裂縫，裂縫位置同樣在條帶搭接處，與此同時(shí)，在側(cè)表面會產(chǎn)生水平裂縫，水平裂縫主要發(fā)生在打印層間且僅出現(xiàn)在豎向裂縫單側(cè)，部分構(gòu)件出現(xiàn)水平向分離現(xiàn)象；8mm搭接試塊產(chǎn)生一條豎向貫穿裂縫，有的構(gòu)件豎向貫穿裂縫未發(fā)生在搭接處，少許構(gòu)件出現(xiàn)水平裂縫，水平裂縫位于豎向裂縫的單側(cè)，均未產(chǎn)生分離現(xiàn)象。垂直打印方向時(shí)，2mm搭接構(gòu)件部分出現(xiàn)水平裂縫，水平裂縫與豎向裂縫出現(xiàn)在不同表面；5mm、8mm搭接構(gòu)件未出現(xiàn)水平裂縫，其破壞特征與現(xiàn)澆構(gòu)件相似，破壞狀態(tài)見圖7。

4.2強(qiáng)度對比

劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3，劈裂抗拉強(qiáng)度擬合曲線見圖8。混凝土受拉應(yīng)力應(yīng)變曲線是混凝土試件內(nèi)部的黏結(jié)界面與水泥膠合物在外力作用下逐步斷裂造成的[16]。打印構(gòu)件進(jìn)行順紋劈裂，劈裂抗拉強(qiáng)度在搭接寬度較小時(shí)變化明顯，隨著搭接寬度提升趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)為一種非線性變化形式，與抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律相似。在進(jìn)行順紋劈裂時(shí)，其裂縫產(chǎn)生的主要位置位于條帶搭接處，由于每層選擇相同的地方進(jìn)行搭接，自上而下形成了一個(gè)薄弱面，該面黏結(jié)效果較差。從2mm順紋劈裂破壞示意圖可以看出，搭接寬度的提升會增加條帶接觸面積，接觸面積的非線性變化，導(dǎo)致了物理、化學(xué)作用效果的非線性變化，最后影響其黏結(jié)效果和抗拉強(qiáng)度。打印構(gòu)件進(jìn)行橫紋劈裂時(shí)，其抗拉強(qiáng)度大于順紋劈裂抗拉強(qiáng)度，且變化穩(wěn)定，并逐漸向現(xiàn)澆混凝土試塊靠近，呈現(xiàn)為一種線性變化形式。橫紋劈裂，其斷裂面垂直打印方向，該面上黏結(jié)效果較差的有兩個(gè)地方，一是層間，二是條帶搭接處，剩余的地方其黏結(jié)與現(xiàn)澆構(gòu)件相似，因此，搭接寬度對橫紋劈裂抗拉強(qiáng)度影響較小。

5結(jié)論

（1）搭接寬度較低時(shí)，打印構(gòu)件抗壓強(qiáng)度折減明顯，隨著搭接寬度的提升，構(gòu)件抗壓強(qiáng)度顯著提升，這種提升是非線性的，搭接寬度低時(shí)提升明顯，搭接寬度超過5mm時(shí)，抗壓強(qiáng)度變化趨于穩(wěn)定。（2）搭接寬度對打印構(gòu)件條段黏結(jié)性能有顯著影響，搭接寬度低會導(dǎo)致條段黏結(jié)效果較差，薄弱面為平行于打印路徑的豎向截面，此截面抗拉強(qiáng)度相對于現(xiàn)澆構(gòu)件明顯偏小。通過提升搭接寬度，打印構(gòu)件劈裂抗拉強(qiáng)度可以得到改善，但是較之于現(xiàn)澆構(gòu)件，還是存在一定程度的折減。（3）對打印構(gòu)件進(jìn)行雙向劈裂抗拉試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，垂直于打印路徑方向截面的抗拉強(qiáng)度高于平行打印路徑方向截面，且相對于現(xiàn)澆構(gòu)件折減較少。通過提升搭接寬度，其橫紋抗拉強(qiáng)度會得到提升，搭接寬度為8mm時(shí)，其抗拉強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到現(xiàn)澆構(gòu)件的91.39%。

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作者：武雷 孫遠(yuǎn) 楊威 單位：東南大學(xué)土木工程學(xué)院