搭接宽度对打印混凝土力学性能的影响范文

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摘要：混凝土层叠打印成型时，其力学性能受工艺的影响较大。为探究打印过程中条带的搭接宽度对打印混凝土构件的抗压强度、双向劈裂抗拉强度的影响，使用极坐标系3D打印机按不同的搭接宽度，打印了多组混凝土立方体试件，并与现浇试件的抗压及劈裂性能做了对比试验。结果表明，层叠打印构件的抗压强度折减明显，搭接宽度较低时折减可达到一半，随着搭接宽度的提升，打印试件的抗压强度呈非线性增长；打印试件顺纹横纹下的截面劈裂抗拉强度均低于现浇试件，顺纹折减更加明显。搭接宽度的增加会提升双向抗拉强度，对于顺纹截面，搭接宽度较低时提升明显，后趋于稳定，对于横纹截面，其主要呈现为一种线性变化形式，趋于现浇抗拉强度。

关键词：3D打印；搭接宽度；抗拉强度对比；劈裂抗拉强度对

前言

21世纪以来，3D打印技术因其生产周期短、对于复杂构件可以做到精细化和个性化制造等优点，在各行各业得以飞速发展和应用，建筑业也纷纷投入到混凝土打印建造的研究与探索中[1-2]。建筑业的3D打印产品与其他产业的3D打印产品相比有着其自身的特点。建筑的体积是传统工业制品的几百倍甚至上千倍，庞大的体量对打印机的大小和性能提出了更高的要求[3]；工业3D打印所用材料大部分为热塑性材料，采用熔融沉积成型技术建造而成[4]，而建筑领域所用材料主要为混凝土，采用层叠打印技术建造，需要混凝土的流动度和黏结强度满足要求[5]；通过层叠打印技术建造建筑，必须满足质量、工期及使用的安全性。混凝土层叠打印成型时，其力学性能受工艺、材料性能的影响较大[6-7]，本文从打印工艺中的搭接宽度入手，对其力学性能进行试验分析。

1混凝土层叠打印工艺

与熔融沉积成型技术（FDM）和选择性激光烧结技术（SLS）不同，混凝土3D打印采用的是层叠打印工艺[8-9]，即打印头挤出混凝土条带层叠垒加成型。成型后混凝土的力学性能与打印条带之间的结合强弱密不可分，而打印条带之间的黏结主要靠混凝土材料间的物理作用与化学反应来实现。物理作用包括范德华力、机械咬合力和毛细孔张力；化学作用包括化学键和分子间的相互作用力。两种不同作用均需要一定的结合面来实现。打印过程中同一水平层相邻的条带间可通过程序控制，设定不同的搭接宽度来增加结合面面积（见图1），提高整体性。目前，对于打印混凝土的研究主要集中于材料，而关于打印工艺对其力学性能的影响研究较少。南加州大学的比洛克•霍什内维斯教授提出建筑轮廓打印。轮廓工艺打印出来的墙是空心的，其间布置桁架状构造，这样减轻了建筑本身的重量，还可在空隙处填充保温材料，让其成为整体的自保温墙体[10]；LETT等人报道了一种聚丙烯微纤维增强细骨料混凝土，其流动性能可维持到100min，具备了足够的工作时间具有良好的可建造性[11]；葛杰等对3D打印建筑材料层间黏结性能进行了测试，分析了3D打印建筑材料层间黏结的破坏模式、破坏过程与破坏形态，认为3D打印建筑材料存在层间黏结薄弱层，破坏时均发生在黏结层部位[12]；清华大学冯鹏等采用FRP增强3D打印构件的力学性能环向包裹GFRP改变了3D打印圆柱的破坏模式，可以大幅提高其承载能力和延性[13]。

2试验设计

打印设备采用自制的转臂式极坐标打印机（见图2），其最大工作半径2200mm，打印喷头内径为20mm，可实现RθZ三轴联动，定位精度1mm。试验选取2mm、5mm、8mm三组搭接宽度，控制其为单因素变量打印试件各15个，共45个试件，每种搭接宽度分为三组，一组5个。支模浇筑标准混凝土立方体试件两组，每组3个。混凝土试件采用同配合比及同条件养护。打印的试件切割成150mm×150mm×150mm标准立方体后，采用YE-2000KN液压式压力试验机对试件进行抗压强度、顺纹（平行打印路径截面）劈裂抗拉强度和横纹（垂直打印路径截面）劈裂抗拉强度试验。试件制作采用Solidworks进行模型设计，输出保存为STL文件，将STL文件导入数据处理系统中，经过切片分层、路径规划等数据处理过程获得控制机械结构运行的数控程序G代码，将G代码输入转臂式极坐标打印机，完成目标试件的3D打印。试件打印的材料采用制备的干粉料加水后机拌而成，其性能指标见表1。试件养护采用自然养护，记录自然养护时的环境温度情况，如图3所示。试件养护7d后，使用1200型钢筋混凝土墙锯进行切割，切割完成后继续自然养护至28d。

3抗压强度对比试验

3.1破坏状态

现浇混凝土试块进行抗压强度试验时，其侧面靠近底部的位置，首先出现分离现象，表面部分混凝土离开主体构件一段距离，侧面靠近顶部位置产生竖向斜裂缝；随着加载压力的增大，分离现象更加明显，竖向斜裂缝条数及长度均得到发展，由侧表面顶部发展至底部，且位置主要集中在立方体的侧棱处，最终达到峰值强度，构件破坏。打印混凝土试块进行抗压强度试验时，最先出现的是竖向斜裂缝。随着加载压力的增加，搭接宽度为2mm的试块，竖向斜裂缝得到发展并开始出现水平裂缝，其侧表面中部开始沿着水平裂缝有脱落现象发生；搭接宽度为5mm的试块，竖向斜裂缝在加载压力逐渐增大的情况下也得到发展，部分试块开始出现水平裂缝，但只有一个试块中间部位发生脱落，其脱落部位主要发生在侧面底部位置；搭接宽度为8mm的试块，主要是竖向裂缝得到发展，只有极个别试块有水平裂缝产生，中间部位无脱落现象，其破坏特征与现浇混凝土试块相似，见图4。在观察破坏部位时，发现大量纤维且其朝向一致（打印路径方向），如图5所示，可见纤维对打印混凝土抗压强度的提升有巨大帮助。除此以外，纤维沿着同一方向分布也从侧面反映出打印混凝土构件的力学各向异性[14-15]。

3.2强度对比

抗压强度拟合曲线见图6，抗压强度试验数据见表2。打印混凝土构件相对于现浇混凝土构件在抗压强度上有一定的衰减。当搭接宽度较低时，条带间的黏结效果较差，此时的抗压强度甚至不足现浇构件的一半。随着搭接宽度的提升，抗压强度有一个明显的增长趋势，但是这种增长并不是线性的。当搭接宽度由5mm增加至8mm时，其抗压强度仅增长了3.76MPa，而搭接宽度由2mm增加至5mm时，其抗压强度增长了15.18MPa。一味的通过提升搭接宽度来提升打印混凝土构件的力学性能是不可取的。混凝土受压破坏的过程本质上是裂纹萌生、扩展、贯通直至产生宏观裂缝的过程。对于已经制作完成的混凝土试件，其内部已存在许多的预存裂缝。现浇而成的试件，预存裂缝主要集中在粗骨料和水泥浆体的交界面上，3D打印而成的试件，预存裂缝还集中于打印层间和打印条带搭接的地方。在应力较小的情况下，这些预存裂缝未得到发展，随着应力提升，在黏结较差处或应力集中处，这些预存裂缝得到发展。在搭接宽度较低的情况下，打印试件层间和条带间黏结效果较差，处于此段的预存裂缝会先得到发展，2mm搭接试件产生多条水平裂缝就是其重要的宏观表现。从图6可以发现，打印构件的抗压强度随着搭接宽度的提升呈现出一种非线性变化。这种非线性变化本质上是层间和条带之间黏结强度的非线性变化。打印构件的黏结主要依靠混凝土材料之间的物理作用和化学反应来实现，物理和化学作用都离不开接触面，搭接宽度提升，接触面积增大，同时打印机自带的上表面抹平功能会增大法向压力，使其黏结效果得到增长。

4劈裂抗拉强度对比试验

4.1破坏状态

现浇混凝土试块在进行劈裂抗拉强度试验时，其在破坏前无明显征兆，破坏具有一定的突然性，伴随清脆的响声，产生一条竖向的贯穿裂缝，顶面产生一条平行于受力方向的水平贯穿裂缝。打印混凝土试块在进行劈裂抗拉强度试验时，受力面确定为顶面，其劈裂方向选择两种不同方向，分别为平行打印方向和垂直打印方向。不同加载方向、不同搭接宽度的打印混凝土试块破坏均具有一定突然性，破坏无明显征兆，破坏时会产生清脆的响声。平行打印方向时，2mm搭接试块破坏时会产生多条竖向贯穿裂缝，裂缝均产生在条带搭接处，有些构件出现一分为二现象，打印轮廓清晰可见；5mm搭接试块仅产生一条竖向贯穿裂缝，裂缝位置同样在条带搭接处，与此同时，在侧表面会产生水平裂缝，水平裂缝主要发生在打印层间且仅出现在竖向裂缝单侧，部分构件出现水平向分离现象；8mm搭接试块产生一条竖向贯穿裂缝，有的构件竖向贯穿裂缝未发生在搭接处，少许构件出现水平裂缝，水平裂缝位于竖向裂缝的单侧，均未产生分离现象。垂直打印方向时，2mm搭接构件部分出现水平裂缝，水平裂缝与竖向裂缝出现在不同表面；5mm、8mm搭接构件未出现水平裂缝，其破坏特征与现浇构件相似，破坏状态见图7。

4.2强度对比

劈裂抗拉强度试验数据见表3，劈裂抗拉强度拟合曲线见图8。混凝土受拉应力应变曲线是混凝土试件内部的黏结界面与水泥胶合物在外力作用下逐步断裂造成的[16]。打印构件进行顺纹劈裂，劈裂抗拉强度在搭接宽度较小时变化明显，随着搭接宽度提升趋于稳定，呈现为一种非线性变化形式，与抗压强度变化规律相似。在进行顺纹劈裂时，其裂缝产生的主要位置位于条带搭接处，由于每层选择相同的地方进行搭接，自上而下形成了一个薄弱面，该面黏结效果较差。从2mm顺纹劈裂破坏示意图可以看出，搭接宽度的提升会增加条带接触面积，接触面积的非线性变化，导致了物理、化学作用效果的非线性变化，最后影响其黏结效果和抗拉强度。打印构件进行横纹劈裂时，其抗拉强度大于顺纹劈裂抗拉强度，且变化稳定，并逐渐向现浇混凝土试块靠近，呈现为一种线性变化形式。横纹劈裂，其断裂面垂直打印方向，该面上黏结效果较差的有两个地方，一是层间，二是条带搭接处，剩余的地方其黏结与现浇构件相似，因此，搭接宽度对横纹劈裂抗拉强度影响较小。

5结论

（1）搭接宽度较低时，打印构件抗压强度折减明显，随着搭接宽度的提升，构件抗压强度显著提升，这种提升是非线性的，搭接宽度低时提升明显，搭接宽度超过5mm时，抗压强度变化趋于稳定。（2）搭接宽度对打印构件条段黏结性能有显著影响，搭接宽度低会导致条段黏结效果较差，薄弱面为平行于打印路径的竖向截面，此截面抗拉强度相对于现浇构件明显偏小。通过提升搭接宽度，打印构件劈裂抗拉强度可以得到改善，但是较之于现浇构件，还是存在一定程度的折减。（3）对打印构件进行双向劈裂抗拉试验发现，垂直于打印路径方向截面的抗拉强度高于平行打印路径方向截面，且相对于现浇构件折减较少。通过提升搭接宽度，其横纹抗拉强度会得到提升，搭接宽度为8mm时，其抗拉强度已经达到现浇构件的91.39%。

参考文献：

[1]马敬畏,蒋正武,苏宇峰.3D打印混凝土技术的发展与展望[J].混凝土世界,2014(7):41-46.

[2]苏有文,李超飞,杨婷惠,等.3D打印混凝土技术的建筑工程应用研究[J].建筑技术,2017,48(1):98-100.

[4]栾丛丛.连续碳纤维增强感知一体化智能结构增材制造与性能研究[D].杭州:浙江大学,2018.

[12]葛杰,马荣全,苗冬梅,等.3D打印建筑材料层间黏结性能试验研究[J].建筑结构,2017,47(4):49-52.

[13]孟鑫淼,冯鹏.FRP增强3D打印构件的力学性能试验[A].中国土木工程学会FRP及工程应用专业委员会.第九届全国建设工程FRP应用学术交流会论文集[C].重庆市山区桥梁与隧道工程重点实验室省部共建国家重点实验室培育基地,2015:5.

[16]吴有富,何少溪,陆勤.混凝土受拉断裂的破坏机理[J].工程力学,1993(3):116-123.

作者：武雷 孙远 杨威 单位：东南大学土木工程学院