1、第 42 卷 第 7 期2023 年 7 月硅 酸 盐 通 报BULLETINOFTHECHINESECERAMICSOCIETYVol.42 No.7July,2023层间水膜对 3D 打印混凝土界面性能的影响芮遨宇,王 里,马国伟(河北工业大学土木与交通学院,天津 300401)摘要:混凝土材料的制备与性能优化是建筑 3D 打印结构化发展与应用的基础。3D 打印混凝土材料的宏观力学性能、长期耐久性能均与界面细观结构直接相关。本文明确了3D 打印混凝土层间界面水分状态(水膜)的形成机制,测试了不同打印层厚条带的水膜随时间的演化规律,通过 CT 扫描技术研究了层间间隔时间、打印层厚、环境状态对
2、层间界面孔隙特征的影响,揭示了层间界面水分状态、层间界面孔隙特征及层间黏结性能三者之间的相互影响机制。结果表明:层间界面孔隙率随单位面积上层间界面水分质量的增长而降低,层间界面水分质量是较打印参数而言更直接的层间界面状态影响因素;层间水分状态和界面细观孔隙特征直接影响着3D 打印混凝土材料的宏观力学强度。关键词:3D 打印混凝土;层间界面;水分状态;孔隙特征;黏结强度中图分类号:TU502文献标志码:A文章编号:1001-1625(2023)07-2281-09Effect of Interlayer Water Film on Interfacial Characteristics of3D
3、 Printed ConcreteRUI Aoyu,WANG Li,MA Guowei(School of Civil and Transportation Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)Abstract:The preparation and performance optimization of concrete materials are the basis for the structural developmentand application of 3D printed buildin
4、g.The macroscopic mechanical properties and long-term durability of 3D printedconcrete materials are directly related to the microstructure of interface.The formation mechanism of interlayer interfacemoisture state(water film)of 3D printed concrete was clarified,the evolution law of water film with
5、time for differentprinting layer thickness strips was tested,the effects of time interval,printing layer height and environmental state on thepore characteristics of interlayer interface were studied by using CT scanning technology,and the interaction mechanismamong interlayer interface moisture sta
6、te,pore characteristics and binding performance was revealed.The results show thatthe interlayer interface porosity decreases with the increase of interlayer interface water mass per unit area,and the interlayerinterface moisture quality is a more direct factor affecting interlayer interface state t
7、han the printing parameters.The interlayerinterface moisture state and pore characteristics directly affect macroscopic mechanical properties of 3D printed concretematerials.Key words:3D printed concrete;interlayer interface;moisture state;pore characteristic;binding strength收稿日期:2023-04-06;修订日期:202
8、3-05-06基金项目:国家自然科学基金(U20A20313);河北省自然科学基金(E2022202041);河北省研究生创新资助项目(CXZZSS2022047)作者简介:芮遨宇(1999),男,硕士研究生。主要从事 3D 打印混凝土耐久性能的研究。E-mail:通信作者:王 里,博士,教授。E-mail:wangl1 0 引 言混凝土 3D 打印是一种典型的智能建造技术,具有无模化、灵活化、智能化等优点,在土木建筑领域有着广泛的应用前景。在混凝土材料的可打印性能优化调控1、收缩开裂的削弱抑制2、力学各向异性的量化分析3以及加筋增韧的探索研究4等方面,国内外学者开展了大量系统的研究工作,使
9、3D 打印混凝土技术逐渐趋于成熟5-6。目前 3D 打印混凝土结构化发展迅速,已经在数百个大型项目中应用,对材料的要求也趋向于高性能化7-8。2282水泥混凝土硅 酸 盐 通 报 第 42 卷3D 打印逐层堆积的固有建造工艺使材料层间界面的力学性能和耐久性能薄弱。试验结果9-10表明,层间界面黏结强度随着层间间隔时间的增长而降低。Keita 等11发现层间黏结强度降低的原因是层间表面干燥,这避免了层间水分蒸发试件的层间黏结强度在 100 min 内损失超过 20%,而处于风洞干燥环境的试件层间黏结强度降低了约 50%。Moelich 等12根据在泌水、蒸发的影响下表面水分随时间的变化情况,准确
10、地预测了层间黏结强度可降低 30%50%。相关研究证明界面水分含量直接影响层间界面黏结强度。泵送挤压力以及挤出成型过程会使打印条带表面泌水,进而形成水分含量相对较高的区域,即水膜,这是连接上下打印层的过渡区域。Wolfs 等13通过覆盖的方法降低水分散失,发现与具有相同层间间隔时间的覆盖试件相比,未覆盖试件具有更高的孔隙率。Keita 等11研究发现,当在风洞中的干燥时间从 2 h 增长到 24 h 时,层间处高孔隙率区域的厚度提高了约 400%。因此,材料界面处水膜状态直接影响着 3D 打印混凝土材料界面孔隙特征,进而影响材料的力学性能和耐久性能。基于上述分析,3D 打印混凝土材料性能与层间
11、界面的水分状态密切相关。然而,对于水膜与界面孔隙特征的关系尚缺少系统性阐述,并且层间间隔时间、环境温度、环境湿度等因素会直接导致打印条带表面水分状态发生改变。因此,量化表征 3D 打印混凝土界面处的水分状态,以及探究其对 3D 打印混凝土界面孔隙特征的影响,对提升 3D 打印混凝土材料与结构的力学性能具有重要的意义。1 混凝土界面水分含量演变机制1.1 界面水分含量初始状态为保证良好的挤出性和流动性,在配制 3D 打印混凝土时所采用的水胶比往往高于浇筑成型的混凝土水胶比,受挤压作用时更易使水分向外泌出,因而在泵送输送或者挤出成型的过程中,混凝土会在邻近管道壁或打印头的区域形成一层润滑水膜,以便
12、材料的流动。该水膜的存在使层间界面处混凝土含水率较高,并且水膜厚度会随泵送压力、挤出压力的增加而增加,这是在打印完成时的初始界面水分状态。1.2 泌水-界面水分含量演变泌水是固体颗粒沉降产生的毛细孔隙压力通过连通孔隙将水抽吸出的现象。在早龄期时,混凝土尚未硬化,内部存在相互连通的孔隙网络,水分会通过孔隙网络输送到混凝土表面14。因此,打印完成后混凝土骨料在重力作用下发生的沉降会使混凝土表面泌水,导致界面水分增加。图 1 为 3D 打印混凝土打印条带表面水分状态演变分析图。如图 1 中标注的实线所示,在打印完成不久后,混凝土硬化程度较低,水分运输网络连通性较强,泌水速率占主导地位,导致界面水分含
13、量逐渐增加。当界面水分过多时,水化反应无法完全消耗界面水分,多余水分会在界面处占据一定空间,在混凝土完全硬化后成为孔隙,使界面强度降低。1.3 蒸发-界面水分含量演变蒸汽压差会促使混凝土表面水分通过蒸发散失到外界环境中。如图1 中标注的虚线(water evaporation)所示,随着混凝土水化反应持续进行,混凝土内部的水化反应消耗了部分水分并使混凝土基体趋于致密,导致可供水分泌出的连通孔隙数量减少,使泌水速率逐渐低于水分蒸发速率15。界面水分含量的降低会逐渐使打印条带的上表面处出现相对干燥区域,该区域中残留的水分会在骨料等固体颗粒之间形成水弯液面。水弯液面的半径会随着水分的散失逐渐减小,当
14、半径变得太小而无法弥合固体颗粒间的空隙时,骨料、凝胶材料等固体颗粒将直接暴露在空气环境中,此时空气便可渗入。如果放置新的打印条带但挤压力未能充分发挥作用,在硬化后该处便会形成孔隙12,并且由于该处界面存在相对干燥区域,不利于界面处混凝土水化反应的持续进行,会使界面附近孔隙结构粗化。1.4 界面水分含量演变3D 打印混凝土材料界面水分状态的演变受泌水、蒸发以及水化作用的综合影响,其中水化作用对界面水分的影响主要是使泌水速率逐渐降低。如图 1 中点划线(mass of surface moisture)所示,在混凝土被挤出沉积的早期,泌水量大于蒸发量,因此界面水分含量增加。随着时间的增长(小于层间
15、间隔时间),水分持续蒸发,蒸发量超过了泌水量,使得界面水分含量降低,甚至会使水分含量低于初始状态。基于上述分析,如果层间间隔时间小于图中关键转折点,界面水分含量较高可能会导致界面孔隙率增加;如果层间间隔时间大于第 7 期芮遨宇等:层间水膜对 3D 打印混凝土界面性能的影响2283图中关键转折点,界面水分含量较低可能会导致界面孔隙粗大。因此,将层间间隔时间设置在关键转折点处可降低水膜对界面的削弱作用。图 1 3D 打印混凝土打印条带表面水分状态演变分析图Fig.1 Analysis chart for evolution of moisture state on surface of 3D pr
16、inted concrete strips2 界面水分含量及黏结强度表征2.1 原材料配合比制备 3D 打印混凝土的原材料为:高贝利特硫铝酸盐水泥(high belite sulfoaluminate cement,HB-CSA),强度等级为 42.5;硅灰(silica fume,SF),表观密度为 2 200 kg/m3,堆积密度为 400 kg/m3;骨料选取石英砂(quartz sand,QS),粒径范围为 40 80 目(178 420 m);采用柠檬酸钠作为缓凝剂,减水剂选用聚羧酸系高效减水剂,减水率大于 30%。使用长度为 9 mm、直径为 18 20 m 的聚丙烯纤维(polypropylene fiber,PP)来调控 3D 打印混凝土的抗开裂性能。3D 打印水泥基复合材料配合比如表 1 所示。表 1 3D 打印水泥基复合材料配合比Table 1 Mix ratio of 3D printed cement-based compositeCompositionPPQSSFRetarderSuperplasticizerWaterHB-CSAMass fraction/
