搭接寬度對打印混凝土力學性能的影響范文

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摘要：混凝土層疊打印成型時，其力學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件的抗壓強度、雙向劈裂抗拉強度的影響，使用極坐標系3D打印機按不同的搭接寬度，打印了多組混凝土立方體試件，并與現澆試件的抗壓及劈裂性能做了對比試驗。結果表明，層疊打印構件的抗壓強度折減明顯，搭接寬度較低時折減可達到一半，隨著搭接寬度的提升，打印試件的抗壓強度呈非線性增長；打印試件順紋橫紋下的截面劈裂抗拉強度均低于現澆試件，順紋折減更加明顯。搭接寬度的增加會提升雙向抗拉強度，對于順紋截面，搭接寬度較低時提升明顯，后趨于穩定，對于橫紋截面，其主要呈現為一種線性變化形式，趨于現澆抗拉強度。

關鍵詞：3D打印；搭接寬度；抗拉強度對比；劈裂抗拉強度對

前言

21世紀以來，3D打印技術因其生產周期短、對于復雜構件可以做到精細化和個性化制造等優點，在各行各業得以飛速發展和應用，建筑業也紛紛投入到混凝土打印建造的研究與探索中[1-2]。建筑業的3D打印產品與其他產業的3D打印產品相比有著其自身的特點。建筑的體積是傳統工業制品的幾百倍甚至上千倍，龐大的體量對打印機的大小和性能提出了更高的要求[3]；工業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建造而成[4]，而建筑領域所用材料主要為混凝土，采用層疊打印技術建造，需要混凝土的流動度和黏結強度滿足要求[5]；通過層疊打印技術建造建筑，必須滿足質量、工期及使用的安全性。混凝土層疊打印成型時，其力學性能受工藝、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，對其力學性能進行試驗分析。

1混凝土層疊打印工藝

與熔融沉積成型技術（FDM）和選擇性激光燒結技術（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性能與打印條帶之間的結合強弱密不可分，而打印條帶之間的黏結主要靠混凝土材料間的物理作用與化學反應來實現。物理作用包括范德華力、機械咬合力和毛細孔張力；化學作用包括化學鍵和分子間的相互作用力。兩種不同作用均需要一定的結合面來實現。打印過程中同一水平層相鄰的條帶間可通過程序控制，設定不同的搭接寬度來增加結合面面積（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，而關于打印工藝對其力學性能的影響研究較少。南加州大學的比洛克•霍什內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等人報道了一種聚丙烯微纖維增強細骨料混凝土，其流動性能可維持到100min，具備了足夠的工作時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性能進行了測試，分析了3D打印建筑材料層間黏結的破壞模式、破壞過程與破壞形態，認為3D打印建筑材料存在層間黏結薄弱層，破壞時均發生在黏結層部位[12]；清華大學馮鵬等采用FRP增強3D打印構件的力學性能環向包裹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試驗設計

打印設備采用自制的轉臂式極坐標打印機（見圖2），其最大工作半徑2200mm，打印噴頭內徑為20mm，可實現RθZ三軸聯動，定位精度1mm。試驗選取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，共45個試件，每種搭接寬度分為三組，一組5個。支模澆筑標準混凝土立方體試件兩組，每組3個。混凝土試件采用同配合比及同條件養護。打印的試件切割成150mm×150mm×150mm標準立方體后，采用YE-2000KN液壓式壓力試驗機對試件進行抗壓強度、順紋（平行打印路徑截面）劈裂抗拉強度和橫紋（垂直打印路徑截面）劈裂抗拉強度試驗。試件制作采用Solidworks進行模型設計，輸出保存為STL文件，將STL文件導入數據處理系統中，經過切片分層、路徑規劃等數據處理過程獲得控制機械結構運行的數控程序G代碼，將G代碼輸入轉臂式極坐標打印機，完成目標試件的3D打印。試件打印的材料采用制備的干粉料加水后機拌而成，其性能指標見表1。試件養護采用自然養護，記錄自然養護時的環境溫度情況，如圖3所示。試件養護7d后，使用1200型鋼筋混凝土墻鋸進行切割，切割完成后繼續自然養護至28d。

3抗壓強度對比試驗

3.1破壞狀態

現澆混凝土試塊進行抗壓強度試驗時，其側面靠近底部的位置，首先出現分離現象，表面部分混凝土離開主體構件一段距離，側面靠近頂部位置產生豎向斜裂縫；隨著加載壓力的增大，分離現象更加明顯，豎向斜裂縫條數及長度均得到發展，由側表面頂部發展至底部，且位置主要集中在立方體的側棱處，最終達到峰值強度，構件破壞。打印混凝土試塊進行抗壓強度試驗時，最先出現的是豎向斜裂縫。隨著加載壓力的增加，搭接寬度為2mm的試塊，豎向斜裂縫得到發展并開始出現水平裂縫，其側表面中部開始沿著水平裂縫有脫落現象發生；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展，部分試塊開始出現水平裂縫，但只有一個試塊中間部位發生脫落，其脫落部位主要發生在側面底部位置；搭接寬度為8mm的試塊，主要是豎向裂縫得到發展，只有極個別試塊有水平裂縫產生，中間部位無脫落現象，其破壞特征與現澆混凝土試塊相似，見圖4。在觀察破壞部位時，發現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面反映出打印混凝土構件的力學各向異性[14-15]。

3.2強度對比

抗壓強度擬合曲線見圖6，抗壓強度試驗數據見表2。打印混凝土構件相對于現澆混凝土構件在抗壓強度上有一定的衰減。當搭接寬度較低時，條帶間的黏結效果較差，此時的抗壓強度甚至不足現澆構件的一半。隨著搭接寬度的提升，抗壓強度有一個明顯的增長趨勢，但是這種增長并不是線性的。當搭接寬度由5mm增加至8mm時，其抗壓強度僅增長了3.76MPa，而搭接寬度由2mm增加至5mm時，其抗壓強度增長了15.18MPa。一味的通過提升搭接寬度來提升打印混凝土構件的力學性能是不可取的。混凝土受壓破壞的過程本質上是裂紋萌生、擴展、貫通直至產生宏觀裂縫的過程。對于已經制作完成的混凝土試件，其內部已存在許多的預存裂縫。現澆而成的試件，預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，預存裂縫還集中于打印層間和打印條帶搭接的地方。在應力較小的情況下，這些預存裂縫未得到發展，隨著應力提升，在黏結較差處或應力集中處，這些預存裂縫得到發展。在搭接寬度較低的情況下，打印試件層間和條帶間黏結效果較差，處于此段的預存裂縫會先得到發展，2mm搭接試件產生多條水平裂縫就是其重要的宏觀表現。從圖6可以發現，打印構件的抗壓強度隨著搭接寬度的提升呈現出一種非線性變化。這種非線性變化本質上是層間和條帶之間黏結強度的非線性變化。打印構件的黏結主要依靠混凝土材料之間的物理作用和化學反應來實現，物理和化學作用都離不開接觸面，搭接寬度提升，接觸面積增大，同時打印機自帶的上表面抹平功能會增大法向壓力，使其黏結效果得到增長。

4劈裂抗拉強度對比試驗

4.1破壞狀態

現澆混凝土試塊在進行劈裂抗拉強度試驗時，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，產生一條豎向的貫穿裂縫，頂面產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行劈裂抗拉強度試驗時，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，破壞時會產生清脆的響聲。平行打印方向時，2mm搭接試塊破壞時會產生多條豎向貫穿裂縫，裂縫均產生在條帶搭接處，有些構件出現一分為二現象，打印輪廓清晰可見；5mm搭接試塊僅產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，在側表面會產生水平裂縫，水平裂縫主要發生在打印層間且僅出現在豎向裂縫單側，部分構件出現水平向分離現象；8mm搭接試塊產生一條豎向貫穿裂縫，有的構件豎向貫穿裂縫未發生在搭接處，少許構件出現水平裂縫，水平裂縫位于豎向裂縫的單側，均未產生分離現象。垂直打印方向時，2mm搭接構件部分出現水平裂縫，水平裂縫與豎向裂縫出現在不同表面；5mm、8mm搭接構件未出現水平裂縫，其破壞特征與現澆構件相似，破壞狀態見圖7。

4.2強度對比

劈裂抗拉強度試驗數據見表3，劈裂抗拉強度擬合曲線見圖8。混凝土受拉應力應變曲線是混凝土試件內部的黏結界面與水泥膠合物在外力作用下逐步斷裂造成的[16]。打印構件進行順紋劈裂，劈裂抗拉強度在搭接寬度較小時變化明顯，隨著搭接寬度提升趨于穩定，呈現為一種非線性變化形式，與抗壓強度變化規律相似。在進行順紋劈裂時，其裂縫產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行搭接，自上而下形成了一個薄弱面，該面黏結效果較差。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，導致了物理、化學作用效果的非線性變化，最后影響其黏結效果和抗拉強度。打印構件進行橫紋劈裂時，其抗拉強度大于順紋劈裂抗拉強度，且變化穩定，并逐漸向現澆混凝土試塊靠近，呈現為一種線性變化形式。橫紋劈裂，其斷裂面垂直打印方向，該面上黏結效果較差的有兩個地方，一是層間，二是條帶搭接處，剩余的地方其黏結與現澆構件相似，因此，搭接寬度對橫紋劈裂抗拉強度影響較小。

5結論

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

參考文獻：

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[12]葛杰,馬榮全,苗冬梅,等.3D打印建筑材料層間黏結性能試驗研究[J].建筑結構,2017,47(4):49-52.

[13]孟鑫淼,馮鵬.FRP增強3D打印構件的力學性能試驗[A].中國土木工程學會FRP及工程應用專業委員會.第九屆全國建設工程FRP應用學術交流會論文集[C].重慶市山區橋梁與隧道工程重點實驗室省部共建國家重點實驗室培育基地,2015:5.

[16]吳有富,何少溪,陸勤.混凝土受拉斷裂的破壞機理[J].工程力學,1993(3):116-123.

作者：武雷 孫遠 楊威 單位：東南大學土木工程學院