朱春红 周 凯 何 磊

(1.南宁市武鸣区市场检验检测服务中心,广西 南宁 530199;2.广西大学土木建筑工程学院,广西 南宁 530004;3.中国建筑第二工程局有限公司,湖北 武汉 430070)

作为增材制造手段的3D打印技术采用自下而上的制造方法,通过逐层打印将数字模型转化成实体。3D打印混凝土比传统的混凝土施工更加自动化和智能化,整个3D打印过程由计算机程序控制,不需要任何模具,从而提高了施工效率,减少了繁琐的施工工序,节约了人工成本[1-3]。同时,3D打印混凝土技术可以打印复杂的异型构件,不仅丰富了建筑的美观性,而且符合社会经济效益[4-8]。超高性能混凝土(UHPC)是一种兼具超高强度、优异韧性、高耐久性和良好动态性能的新型水泥基材料[9-13],制备3D打印超高性能混凝土材料可有效推进该技术的工程化发展,而3D打印混凝土需具备黏塑性宾汉姆流体特性,宾汉姆流体特性是在新拌状态且在外力作用下的黏塑性浆体的流动性,因此为满足这一特性,需要对3D打印混凝土的可打印性和流变性进行深入研究。

随着工业的发展和城市化的推进,一方面建筑业对骨料的需求量越来越大,而满足建筑要求的天然资源却越来越少,另一方面产生了越来越多的建筑固体废物和工业固体废物。为了减少天然骨料的开发利用,工业和建筑固体废弃物的再利用是必然趋势[14-15]。目前,许多学者尝试将金尾矿砂替代细骨料用来制备混凝土,以缓解自然资源匮乏所带来的问题。李志强等[16]选取水灰比、金尾矿砂取代率、再生粗骨料取代率和粉煤灰掺量为变量,得到了金尾矿砂再生混凝土抗压强度、抗拉强度两种性能指标,并基于力学性能进行了配比优化组合研究。刘竞怡等[17]通过改性剂对金尾矿砂进行了表面涂覆改性,将改性后的金尾矿砂取代部分河砂作为全集料进行了混凝土试配试验。结果表明,金矿尾矿砂粒度过细,泥块含量超标,棱角尖锐,直接作为集料对混凝土性能不利,通过改性剂涂覆可有效降低金尾矿砂颗粒间的黏聚力和内摩擦角。

本文拟采用金尾矿砂替代部分细骨料,利用3D打印技术制备成金尾矿砂超高性能混凝土。在金尾矿砂替代率分别为0%、10%、20%、30%和40%条件下,对其可打印性、流变性、可建造性和抗压强度、抗弯强度等力学性能进行了研究。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

金尾矿砂:表观密度为2 814 kg/m3,堆积密度为1 145 kg/m3,含泥量为3.8%,颗粒粒径小于0.1 mm含量约为10.4%,0.1～0.5 mm含量约为70.2%,大于0.5 mm含量约为19.4%,细度模数为1.8,属于细砂。金尾矿砂化学成分分析结果见表1。

表1 金尾矿砂化学成分分析结果Table 1 Chemical composition analysis results of gold tailings sand %

河沙:表观密度为2 751 kg/m3,堆积密度为1 672 kg/m3,吸水率为2.3%。河砂化学成分分析结果见表2。

表2 河沙化学成分分析结果Table 2 Chemical composition analysis results of river sand %

水泥:P·O 52.5普通硅酸盐水泥,28 d抗压强度为54.5 MPa,28 d抗折强度为8.3 MPa。水泥化学成分分析结果如表3所示。

表3 水泥化学成分分析结果Table 3 Chemical composition analysis results of cement %

粉煤灰:Ⅰ级粉煤灰,表观密度为1.94 g/cm3,CaO质量分数为18.9%。

减水剂:高效引气减水剂,减水率大于25%。

硅灰:SiO2质量分数为95%。

钢纤维:镀铜圆直钢纤维,长13.0 mm,直径0.2 mm,长径比为65,抗拉强度为1 100 MPa。

1.2 配合比设计

3D打印金尾矿砂UHPC的配合比如表4所示,金尾矿砂的替代率分别为0%、10%、20%、30%和40%,制备好的UHPC养护28 d后进行试验。UHPC的水胶比为0.2,砂胶比为1.1,钢纤维体积掺量为2%。

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

1.3 试验方法

3D打印金尾矿砂UHPC的凝结时间按照JGJ/T 70—2009中的贯入阻力法测定[18],流动度和坍落度测试依据GB/T 2419—2005测定[19],可打印性通过凝结时间、流动度和坍落度来表征。流变性是研究水泥基材料在不同剪切速率下抵抗剪切流动的能力,其中的流变参数分别为静态屈服应力、动态屈服应力和塑性黏度,使胶凝材料开始流动的最大剪应力为静态屈服应力,维持材料流动的剪应力为动态屈服应力。剪切速率在60 s内从0增加到100 s-1,然后在60 s内降低为0,测得3D打印金尾矿砂UHPC的静态屈服应力、塑性黏度和动态屈服应力。可建造性可通过结构变形率来表征。

抗压强度和抗弯强度测试根据GB/T 50081—2019进行[20],抗压强度试件采用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件,抗弯强度试件采用40 mm×40 mm×160 mm,抗压强度和抗弯强度测试分别在养护龄期3、7、14 d和28 d进行测试。

2 试验结果与讨论

2.1 可打印性

2.1.1 凝结时间

图1为金尾矿砂掺量对3D打印UHPC凝结时间的影响。

图1 金尾矿砂掺量对凝结时间的影响Fig.1 Effect of gold tailings sand mixing amount on setting time

从图1可以看出,初凝时间和终凝时间随着金尾矿砂掺量的增加呈现逐渐减小的趋势,这可能是因为在水灰比不变的情况下,金尾矿砂掺量的增加,提高了UHPC基体的黏度,金尾矿砂的掺入延缓了胶凝材料的水化过程,更容易形成致密的空间网络体系。

2.1.2 流动度与坍落度

图2为金尾矿砂掺量对3D打印UHPC流动度和坍落度的影响。

图2 金尾矿砂掺量对流动度和坍落度的影响Fig.2 Effect of gold tailings sand mixing amount on fluidity and slump

从图2可以看出,随着金尾矿砂掺量的增加,3D打印UHPC的流动度和坍落度显著降低。用金尾矿砂代替河沙来制备3D打印UHPC可以降低UHPC基体的流动性,这是由于金尾矿砂的颗粒与天然砂相比更小,当金尾矿砂替代率超过40%时,UHPC基体的可挤出性变差,孔隙率变高。相关文献研究表明3D打印混凝土的工作性能与塑性黏度和屈服应力密切相关[21]。

2.2 流变性

2.2.1 剪切应力、屈服应力与塑性黏度

图3为不同金尾矿砂掺量的3D打印UHPC剪切应力与时间之间的变化曲线。

图3 金尾矿砂掺量对剪切应力的影响Fig.3 Effect of gold tailings sand mixing amount on shear stress

从图3可以发现,剪切应力随剪切时间的延长先增大,然后逐渐减小至一个稳定值,剪切应力曲线的峰值代表静态屈服应力。UHPC的静态屈服应力随着金尾矿砂掺量的增加而显著增加,当金尾矿砂掺量大于30%时,游离水含量和水化过程中颗粒的絮凝对UHPC的静态屈服应力有很大影响。一方面,金尾矿砂可以填充颗粒之间的微孔,从而增加UHPC基体中颗粒之间碰撞的可能性。因此,UHPC流动所需的剪切应力增加。另一方面,金尾矿砂由于其较高的比表面积而需要大量的水来润湿表面,这减少了UHPC基体中游离水的含量并增加了颗粒之间的摩擦。另外,金尾矿砂的掺入会引起胶凝材料的絮凝,有利于增加UHPC基体中的内摩擦力。虽然金尾矿砂的掺加可以阻碍胶凝材料的水化,但其对UHPC的静态屈服应力的影响甚微。

表5为3D打印UHPC的动态屈服应力和塑性黏度。金尾矿砂的掺入提高了UHPC的动态屈服应力和塑性黏度。金尾矿砂掺量越高,UHPC的动态屈服应力和塑性黏度越高。此外,UHPC的流动性与其动态屈服应力和塑性黏度密切相关,UHPC的流动性随着动态屈服应力和塑性黏度的增加而降低,这可以从图2所示的金尾矿砂掺量对UHPC流动性的影响中得到证实。与未掺加金尾矿砂的G0组相比,G40组的动态屈服应力和塑性黏度分别提高了53.6%和120.1%。动态屈服应力和塑性黏度的增加主要是由于UHPC砂浆中更多的颗粒团聚导致的游离水的减少,这意味着需要更高的剪切力来维持UHPC基体的流动性。此外,动态屈服应力和塑性黏度的增加也表明金尾矿砂的掺入可以改善水泥砂浆的黏聚力。

表5 金尾矿砂掺量对动态屈服应力与塑性黏度的影响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在上层自重逐渐增大的情况下保持分层形状的能力,结构变形率是评价3D打印混凝土实用性的重要指标之一,金尾矿砂掺量对3D打印UHPC的结构变形率的影响如图4所示。

图4 金尾矿砂掺量对结构变形率的影响Fig.4 Effect of gold tailings sand mixing amount on structural deformation rate

从图4可以看出,金尾矿砂掺量的增加可以减小结构变形。当金尾矿砂掺量为40%时,3D打印UHPC的结构变形率降低到4.5%。此外,3D打印UHPC的结构变形与基体本身承受自重的能力和喷嘴的连续挤出有关,流变参数对其也有显著影响。由于金尾矿砂的体积密度比天然河沙低,试验中需要克服的自重也随着金尾矿掺量的增加而逐渐减小。因此,金尾矿砂的掺入不仅可以提高UHPC的静态屈服应力和动态屈服应力,还可以保持基体的连续挤出。此时,较高的静态屈服应力可以提高3D打印UHPC的可建造性。

图5、图6为3D打印UHPC的结构变形率与动态屈服应力和塑性黏度的相关性。结构变形率与动态屈服应力和塑性黏度具有良好的相关性。随着动态屈服应力的增加,3D打印UHPC的结构变形率显著减小。试验结果进一步证明了一定的动态屈服应力和良好的塑性黏度可以抵抗3D打印金尾矿砂UHPC基体的变形。

图5 结构变形率与动态屈服应力之间的关系Fig.5 Relationship between structural deformation rate and dynamic yield stress

图6 结构变形率与塑性黏度之间的关系Fig.6 Relationship between structural deformation rate and plastic viscosity

2.3 力学性能

图7、图8为3D打印UHPC在3、7、14、28 d养护龄期时的抗压强度和抗弯强度。养护龄期为3 d和7 d时,金尾矿砂的掺量对UHPC的抗压强度没有显著影响,掺加金尾矿砂的UHPC的抗压强度略低于G0组的抗压强度,这主要是因为金尾矿砂的掺入延缓了胶凝材料的水化过程,从而降低了UHPC的抗压强度。养护龄期为14 d和28 d时,当金尾矿砂掺量低于20%,金尾矿砂的掺入提高了UHPC的抗压强度,金尾矿砂掺量为20%时,UHPC在14 d和28 d的抗压强度分别为104 MPa和119 MPa,G20组的抗压强度较G0组分别提高了10.6%和13.3%。金尾矿砂的表面较为粗糙,颗粒之间的机械咬合力可以在UHPC基体中产生更好的黏附作用,从而增加UHPC的抗压强度。当金尾矿砂的替代率超过20%时,UHPC的抗压强度呈下降趋势,因为金尾矿砂的力学性能较差,比天然河沙更容易被破坏。

图7 金尾矿砂掺量对抗压强度的影响Fig.7 Effect of gold tailings sand mixing amount on compressive strength

图8 金尾矿砂掺量对抗弯强度的影响Fig.8 Effect of gold tailings sand mixing amount on bending strength

从3D打印金尾矿砂UHPC的抗弯强度图中可以看出,抗弯强度测试结果与抗压强度变化规律大致相同。在28 d时,G10组的抗弯强度低于G0组,但当金尾矿砂替代率为20%时,UHPC的抗弯强度最高。研究认为,适当比例的金尾矿砂替代天然河沙可以与波特兰水泥形成致密的固体基质,有利于UHPC抗弯强度的提高。

3 结 论

(1)金尾矿砂掺量的增加,延缓了胶凝材料的水化过程,提高了3D打印UHPC基体的黏度,更易形成致密的空间网络体系。随着金尾矿砂掺量的增加,3D打印UHPC的流动度和坍落度显著降低。

(2)金尾矿砂掺量越高,静态屈服应力、动态屈服应力和塑性黏度越高,结构变形越小,一定的动态屈服应力和良好的塑性黏度可以抵抗3D打印金尾矿砂UHPC基体的变形。

(3)当金尾矿砂掺量为20%时,3D打印UHPC的抗压强度和抗弯强度最高,金尾矿砂掺量大于20%时,UHPC的抗压强度和抗弯强度呈下降趋势。