针对3D混凝土打印技术的关键因素是混凝土材料的性能要适应打印机挤出成型的工作方式,本文总结了3D打印用混凝土材料的研究现状,并对实现速凝早强的3D打印用混凝土的相关外加剂研究现状进行了总结和分析,为适应3D混凝土结构打印所需的材料相关研究提供参考。
The key factor for 3D concrete printing technology is that the properties of concrete should be adapted to the working mode of the extrusion molding of printers. This paper summarized and analyzed the current researches on concrete materials for 3D printing and fast-setting and ear-ly-strength admixtures. Hopefully, this research will provide a reference for relevant researches on materials for 3D printing of concrete structures.
3D打印,速凝混凝土,早强混凝土,外加剂, 3D Printing Fast Setting Concrete Early Strength Concrete Admixture混凝土3D打印中材料性能研究综述——速凝早强混凝土
比较系统研究打印混凝土的新拌与硬化性能的,仅有拉夫堡大学的T. T. Le等人。他们采用的混凝土的成分为砂、胶凝材料(70%的CEM I 52.5水泥,20%粉煤灰,10%硅灰),水,不同种类的外加剂(超塑化剂,缓凝剂,速凝剂)以及一定量的聚丙烯纤维,通过在一个可在x,y,z方向移动的打印头上9 mm直径的喷嘴将混凝土连续挤出,挤出混凝土细丝在平面内构成混凝土细丝层,层与层竖向叠加从而形成构件。对于打印混凝土的新拌性能,有可挤出性和可累积性,其内在本质即工作性和凝结时间,他们分别研究了水胶比为0.28时,砂率由55%到75%,超塑化剂由0%到2%,缓凝剂由0%到2%,以及扰动与否对其新拌性能的影响 [14] 。而对于打印混凝土的硬化性能,主要有密度,抗压强度,抗弯强度,层间粘结强度,层间孔洞尺寸,干燥收缩等,T. T. Le等也将不同龄期的打印混凝土与传统支模浇筑的混凝土作对比,同时讨论了荷载作用于不同方向对强度的影响,即打印混凝土的各向异性,得到打印混凝土硬化后的各项性能指标 [15] 。T. T. Le等为打印混凝土提出了较为综合的评价指标,以及提出一种切实可行的配合比,为3D打印混凝土技术做出了突出的贡献,但是由于其配合物中有大量不同种类的外加剂的添加,以及一定剂量的聚丙烯纤维,考虑到这些物质与国内混凝土的适应能力,用其结果指导混凝土配合比设计将有失一般性。
S. Lim等总结了以上三者工艺的异同点,如图2所示 [9] [14] [15] 。轮廓工艺虽然可以挤出水泥基材料,但由于其挤出的仅仅是一个轮廓,为一个二维曲面,不足以衡量混凝土的综合性能,而D型工艺采用喷射粘结剂的工艺虽然有着性能稳定的优势,但其材料和工艺与传统混凝土相差较远,大量运用仍较为困难。打印混凝土工艺使用的材料与传统混凝土无二,都是以水泥为主的胶凝材料、骨料、水以及外加剂,且拥有无需模板,自动施工的优势,有广大的应用前景。但是由于采用管件挤出,混凝土浆体有堵管风险,打印过程中混凝土没有模板支承且不断累积,对混凝土性能有较高要求,因此这一技术仍在国内外学者的进一步研究完善中。
T. T. Le等 [14] [15] 认为打印混凝土是综合了喷射混凝土与自密实混凝土的特点,喷射混凝土是由喷嘴喷射而出,其典型特点是凝结时间快,这与打印混凝土在特定位置挤出混凝土细丝的要求一致,自密实混凝土则是体现了打印混凝土无模板,无振捣即可自行密实的特点。但打印混凝土有一个很重要的性能是可累积性,即在打印过程中底部混凝土层不发生过大的变形,需要打印混凝土拥有较高的早期强度。因此可以认为在打印混凝土中,最为重要的两个指标即为速凝与早强,因此在打印混凝土的多种外加剂中,占主导地位的为速凝剂和早强剂(或早强减水剂)。
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