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　　混凝土3D打印是一種典型的智能建造工藝，具有無(wú)?；㈧`活化、快速化等優(yōu)勢(shì)。隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)水泥基材料力學(xué)和抗裂性能的要求逐步提高。尤其是3D打印混凝土材料因擠出成型工藝的要求，降低了較大粒徑骨料的摻量，導(dǎo)致膠凝材料比例增加，收縮開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)明顯增加，且無(wú)模建造過(guò)程加快了打印結(jié)構(gòu)中的水分蒸發(fā)，使得材料的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)更加顯著。在3D打印混凝中摻加短纖維是改善其力學(xué)和收縮開(kāi)裂性能的一種有效方法。研發(fā)可3D打印、造價(jià)相對(duì)較低、性能優(yōu)異的纖維混凝土材料有助于推進(jìn)3D打印技術(shù)的結(jié)構(gòu)化應(yīng)用。

　　目前，國(guó)內(nèi)外許多研究人員開(kāi)發(fā)并測(cè)試了多種可3D打印的纖維混凝土材料。SOLTAN等通過(guò)摻入體積分?jǐn)?shù)為2%、長(zhǎng)度為12 mm的超高分子量聚乙烯（以下簡(jiǎn)稱(chēng)PE）纖維，制備了可3D打印的ECC材料，其拉伸應(yīng)變約為4.0%。WENG等利用體積摻量為1%、長(zhǎng)度為8 mm的聚乙烯醇（以下簡(jiǎn)稱(chēng)PVA）纖維制備出了性能良好的3D打印混凝土材料。FIGUEIREDO等在3D打印混凝土中摻入了體積摻量為2%的PVA纖維，并對(duì)其流變性能進(jìn)行了研究。LE等制備了一種聚丙烯（以下簡(jiǎn)稱(chēng)PP）纖維增強(qiáng)水泥基材料，其開(kāi)放時(shí)間達(dá)到了100 min。AL-QUTAIFI等利用鋼纖維和PP纖維制備了3D打印地聚物材料，發(fā)現(xiàn)摻入纖維對(duì)3D打印層間的黏結(jié)強(qiáng)度有不利影響。NEMATOLLAHI等研究了PP纖維對(duì)3D打印地質(zhì)聚合物性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)PP纖維的體積摻量為0.25%~1.00%時(shí)，新拌漿體表現(xiàn)出良好的流動(dòng)性和擠出性。劉競(jìng)怡等利用鋼纖維和玻璃纖維制備了3D打印材料，結(jié)果表明，鋼纖維和玻璃纖維的摻入使砂漿的流動(dòng)度下降了近1/3。王里等利用玄武巖纖維制備了3D打印水泥基材料，結(jié)果表明，隨著玄武巖纖維摻量的增加，漿體擠出逐漸困難，力學(xué)各向異性不斷增強(qiáng)。

　　考慮到PP纖維的彈性模量低于混凝土，且具有阻裂、增韌作用，材料成本較低，使用范圍較廣。因此，本文選擇PP纖維制備3D打印混凝土，較為全面地研究纖維摻量和長(zhǎng)度、打印參數(shù)對(duì)3D打印混凝土材料性能的影響。

●試驗(yàn)概況

?原材料

　　水泥：P·O 42.5級(jí)水泥，比表面積≥300 m²/kg，細(xì)度小于0.08 mm的水泥顆粒占90%以上；硅灰：平均粒度2 μm，比表面積15 000~25 000 m²/kg；石英砂：粒徑69~178 μm；減水劑：聚羧酸系高效減水劑，減水率≥30%；PP纖維：性能參數(shù)見(jiàn)表1。

?配合比

      試驗(yàn)配合比見(jiàn)表2。其中，PP纖維的體積摻量分別為0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%。

　　為使纖維均勻分散，先將干粉材料拌和均勻，再加入水和減水劑攪拌3 min，然后緩慢摻入PP纖維繼續(xù)攪拌5 min。3D打印混凝土的相關(guān)性能測(cè)試通過(guò)桌面式混凝土3D打印機(jī)在溫度為（23±1）℃、濕度為（50±15）%的室內(nèi)進(jìn)行。

?測(cè)試方法

?流動(dòng)性試驗(yàn)

　　根據(jù)GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》通過(guò)跳桌試驗(yàn)進(jìn)行流動(dòng)性測(cè)試，流動(dòng)性通過(guò)流動(dòng)擴(kuò)展度來(lái)表征。

?流變性試驗(yàn)

　　利用Viskomat NT型流變儀進(jìn)行流變性測(cè)試。流變性測(cè)試共用時(shí)120 s，前60 s流變儀旋轉(zhuǎn)速率從0均勻加速至60 r/min，后60 s流變儀旋轉(zhuǎn)速率由60 r/min均勻減小至0。

?擠出性試驗(yàn)

　　固定打印線速度為40 mm/s，打印層高為10 mm，擠出總長(zhǎng)度為400 mm的條帶，記錄條帶寬度并觀測(cè)表觀質(zhì)量，以此來(lái)評(píng)價(jià)PP纖維對(duì)擠出性的影響。擠出性試驗(yàn)除纖維長(zhǎng)度和摻量這兩個(gè)變量外，增加打印噴頭直徑D作為變量，D分別為10 mm、20 mm、30 mm。

?建造性試驗(yàn)

　　固定打印線速度為40 mm/s，噴頭直徑依據(jù)擠出性測(cè)試結(jié)果選取，打印?覫100 mm×250 mm的單層薄壁圓筒模型，以發(fā)生坍塌時(shí)的高度作為建造性評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)調(diào)整打印機(jī)的擠出流量參數(shù)，將建造性試驗(yàn)的擠出條帶寬度控制在25 mm，以保證試驗(yàn)的精確性。建造性試驗(yàn)除纖維長(zhǎng)度和摻量這兩個(gè)變量外，增加打印層高h(yuǎn)作為變量，h分別為6 mm、8 mm、10 mm。

?吸水率試驗(yàn)

　　根據(jù)DB32/T 3696—2019《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行吸水率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果取三個(gè)樣品的平均值。

?力學(xué)性能試驗(yàn)

　　抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測(cè)試依據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果取三個(gè)樣品的平均值。

●結(jié)果與討論

?流動(dòng)性

　　PP纖維對(duì)拌和物流動(dòng)性的影響規(guī)律見(jiàn)圖1。

      拌和物的流動(dòng)擴(kuò)展度總體上隨PP纖維摻量和長(zhǎng)度的增加而降低。以PP纖維摻量為1.0%的試件為例，P10L6、P10L9、P10L12組的流動(dòng)擴(kuò)展度分別為176 mm、164 mm、154 mm，與基準(zhǔn)組（P0）相比分別降低了17.0%、22.6%、27.3%。隨著纖維摻量和長(zhǎng)度的增加，纖維之間的間距逐漸變小，形成了三維骨架網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而限制了拌和物的流動(dòng)性，不利于拌和物的輸送和擠出過(guò)程。根據(jù)筆者課題組的前期研究基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)踐得出，拌和物的流動(dòng)擴(kuò)展度不應(yīng)小于180 mm。因此，根據(jù)流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果，初步判斷PP纖維摻量以0~0.6%為宜，長(zhǎng)度以6~9 mm為宜。

?流變性

　　各組PP纖維混凝土的靜態(tài)屈服應(yīng)力（τ_s）測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。

      由圖2可知，隨著PP纖維長(zhǎng)度和摻量的提高，τ_s顯著增大。P2L6、P2L9、P2L12組的τ_s分別為1.25 kPa、1.37 kPa、1.55 kPa，與P0組相比分別提高了38.4%、51.6%、72.7%；P10L6、P10L9、P10L12組的τ_s與P0組相比分別提高了183.3%、185.1%、170.4%。由于3D打印混凝土材料逐層堆積時(shí)需要下層材料具有足夠的早期剛度以支撐后續(xù)累積層材料的自重，故在一定范圍內(nèi)，τ_s越高，打印結(jié)構(gòu)的幾何形狀穩(wěn)定性越佳，從而有利于提升3D打印混凝土材料的建造性。同時(shí)，結(jié)合流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果，建議τ_s控制在1~3 kPa為宜。因此，可進(jìn)一步判斷出PP纖維的適宜摻量區(qū)間為0.2%~0.6%，適宜長(zhǎng)度區(qū)間為6~9 mm。

?擠出性

?擠出速度

　　PP纖維對(duì)混凝土擠出性的影響結(jié)果見(jiàn)圖3。

      從圖3可以看出，當(dāng)PP纖維摻量較低（0.2%）時(shí)，3D打印機(jī)將拌和物均勻擠出所需的擠出速度增幅較小，隨著PP纖維摻量增加，擠出速度迅速增大；此外，PP纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)，所需的擠出速度越大。其中，P2L6、P2L9、P2L12組的擠出速度分別為1.54 rad/s、1.68 rad/s、2.00 rad/s，與P0組相比分別提高了24.1%、35.5%、61.3%；P10L6、P10L9、P10L12組的擠出速度分別為4.40 rad/s、4.80 rad/s、5.70 rad/s，與P0組相比分別提高了255%、287%、359%。

?試驗(yàn)現(xiàn)象

　　試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，PP纖維摻量增加會(huì)導(dǎo)致擠出條帶變窄，在同等摻量下，摻短PP纖維拌和物的擠出性能更優(yōu)。此外，打印噴頭的直徑越大，拌和物越容易被擠出。以噴頭直徑D=20 mm為例，圖4為P0、P2L9、P4L9、P6L9、P8L9、P10L9拌和物的擠出效果。

      由圖4可知，與P0組相比，P2L9擠出條帶的邊緣部分開(kāi)始出現(xiàn)微小褶皺；隨著纖維摻量增加，擠出條帶逐漸變窄，其表面肉眼可見(jiàn)的孔洞缺陷逐漸增多；當(dāng)PP纖維摻量為0.8%（P8L9組）時(shí)，擠出條帶表面有明顯的纖維拉拽現(xiàn)象；當(dāng)PP纖維摻量為1.0%（P10L9組）時(shí)，擠出條帶出現(xiàn)間斷，此時(shí)拌和物已經(jīng)無(wú)法連續(xù)擠出。

?擠出條帶寬度

　　PP纖維和噴頭直徑對(duì)3D打印混凝土擠出條帶寬度的影響結(jié)果見(jiàn)圖5。

      由圖5可知，當(dāng)噴頭直徑D=10 mm時(shí)，可使PP纖維長(zhǎng)度分別為6 mm、9 mm、12 mm拌和物被順利擠出的最高PP纖維摻量分別為0.8%、0.6%和0.4%，即P8L6、P6L9和P4L12。當(dāng)噴頭直徑D=20 mm時(shí)，可使PP纖維長(zhǎng)度分別為6 mm、9 mm、12 mm拌和物被順利擠出的最高PP纖維摻量分別為1.0%、0.8%、0.6%，即P10L6、P8L9、P6L12。當(dāng)噴頭直徑D=30 mm時(shí)，可使PP纖維長(zhǎng)度分別為6 mm、9 mm、12 mm拌和物被順利擠出的最高PP纖維摻量分別為1.0%、0.8%、0.8%，即P10L6、P8L9、P8L12。

      綜上所述，直徑D=10 mm噴頭可順利噴出的纖維拌和物受纖維長(zhǎng)度和摻量的影響較大，且當(dāng)纖維長(zhǎng)度為12 mm時(shí)易導(dǎo)致堵塞。因此，不推薦使用長(zhǎng)度為12 mm的PP纖維以及直徑D=10 mm的噴頭。綜合考慮流動(dòng)性、流變性及擠出性試驗(yàn)結(jié)果，建議PP纖維摻量以0.2%~0.6%為宜、長(zhǎng)度以6~9 mm為宜，打印噴頭直徑以D=20 mm為宜。

?建造性

      基于擠出性試驗(yàn)結(jié)果和建造模型尺寸等因素，本文使用直徑D=20 mm的打印噴頭進(jìn)行建造性試驗(yàn)。

?建造效果

　　以P4L9試驗(yàn)組為例，分析PP纖維對(duì)3D打印混凝土建造性的影響。圖6為打印層高h(yuǎn)分別為6 mm、8 mm、10 mm時(shí)P4L9組的打印建造效果。

       由圖6可知，各組打印模型的各層垂直堆疊良好、平穩(wěn)，且無(wú)明顯變形、傾斜，均表現(xiàn)出良好的建造性。

      降低纖維摻量后，以P2L9試驗(yàn)組為例，不同打印層高條件下的建造性效果見(jiàn)圖7。

      由圖7可知，打印層高為6 mm、8 mm模型的破壞為模型整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)傾斜倒塌。

      當(dāng)纖維摻量增大到1.0%時(shí)，雖滿足建造性要求，但條帶邊緣出現(xiàn)較為嚴(yán)重的褶皺，使得條帶寬度不均勻，表觀質(zhì)量差，如圖8所示。

?建造高度

　　建造高度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖9。

      由圖9可知，隨著PP纖維摻量增加，模型的打印總高度增加；PP纖維長(zhǎng)度對(duì)模型建造高度的影響較小。以P2L6組為例，如圖9（a）所示，打印層高為6 mm、8 mm、10 mm模型的打印總高度分別為174 mm、168 mm、150 mm，與P0組相比分別提高了11.5%、40.0%、36.3%，且打印層高為10 mm模型的打印總高度比打印層高為6 mm的模型低16.0%。對(duì)于P10L6試驗(yàn)組，打印層高為6 mm、8 mm、10 mm模型的打印總高度分別為234 mm、224 mm、220 mm，與P0組相比分別提高了50.0%、86.7%、100.0%，且打印層高為10 mm模型的打印總高度比打印層高為6 mm的模型低6.0%。對(duì)于P0組而言，h=6 mm模型的打印總高度顯著大于h=8 mm和h=10 mm的模型，而隨著纖維摻量增加，h=6 mm模型的打印總高度優(yōu)勢(shì)逐漸減小甚至消失。當(dāng)纖維摻量較高時(shí)，h=8 mm模型的建造性較好。原因是噴頭的擠出壓力在一定程度上可以抵消纖維網(wǎng)絡(luò)“支撐”效應(yīng)造成的孔隙率增大現(xiàn)象。

      綜合考慮流動(dòng)性、流變性、擠出性和建造性試驗(yàn)結(jié)果，可進(jìn)一步得出PP纖維的適宜摻量區(qū)間為0.4%~0.6%，適宜長(zhǎng)度區(qū)間為6~9 mm，最優(yōu)打印噴頭直徑D=20 mm，打印層高h=8 mm。

?吸水率

　　3D打印混凝土材料的吸水率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖10。

      由圖10可知，PP纖維的摻入增大了材料的吸水率，即材料的密實(shí)度降低；當(dāng)PP纖維摻量從0增至0.2%時(shí)，材料的吸水率增幅較大；當(dāng)PP纖維摻量在0.2%~1.0%時(shí)，隨著PP纖維摻量增加，材料的吸水率逐漸增大，但增幅較?。淮送猓琍P纖維長(zhǎng)度為12 mm材料的吸水率明顯高于其他兩種長(zhǎng)度的PP纖維。因此，根據(jù)吸水率試驗(yàn)結(jié)果，建議PP纖維摻量以0.4%~0.6%為宜，長(zhǎng)度以9 mm為宜。

?力學(xué)性能

　　PP纖維對(duì)3D打印混凝土材料強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖11。

      由圖11（a）可知，PP纖維的摻入對(duì)抗壓強(qiáng)度不利，且纖維越長(zhǎng)，對(duì)抗壓強(qiáng)度的削弱作用相對(duì)越大。當(dāng)PP纖維摻量為1.0%時(shí)，P10L6、P10L9、P10L12組的抗壓強(qiáng)度分別為32.3 MPa、30.9 MPa、26.7 MPa，與P0組相比分別下降了28.9%、31.9%、41.2%。由圖11（b）可知，PP纖維長(zhǎng)度對(duì)抗折強(qiáng)度的影響不大；隨著PP纖維摻量增加，抗折強(qiáng)度先增后減，但均高于P0組，當(dāng)PP纖維摻量為0.6%時(shí)，抗折強(qiáng)度達(dá)到最佳，此時(shí)，P6L6、P6L9、P6L12組的抗折強(qiáng)度分別為6.28 MPa、6.62 MPa、6.53 MPa，與P0組相比分別提高了71.1%、80.8%、78.4%。因此，根據(jù)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，建議PP纖維摻量為0.6%，長(zhǎng)度為9 mm。

●打印實(shí)例驗(yàn)證

　　基于以上分析，本文選擇PP纖維長(zhǎng)度為9 mm、摻量為0.6%的P6L9組進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證，打印過(guò)程中設(shè)定的參數(shù)為：打印線速度40 mm/s、打印層高8 mm、打印噴頭直徑20 mm。打印模型的成型結(jié)構(gòu)如圖12所示。

      整個(gè)打印過(guò)程中混凝土材料的擠出條帶均勻、表觀質(zhì)量?jī)?yōu)良，即擠出性較好，構(gòu)件總高度大于1 m，且無(wú)坍塌、失穩(wěn)等現(xiàn)象。這表明本文選擇的配合比及打印工藝具有優(yōu)異的適應(yīng)性和協(xié)同性。此外，本文借助電風(fēng)扇使試件在表面風(fēng)速達(dá)到5 m/s的環(huán)境下放置6 h左右，發(fā)現(xiàn)試件未出現(xiàn)開(kāi)裂；然后，在溫度為（23±1）℃、相對(duì)濕度為（50±15）%的環(huán)境下自然放置超過(guò)28 d，亦未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，說(shuō)明材料的抗開(kāi)裂性較好。

●結(jié)論

　　（1）增加PP纖維摻量有助于提升材料的可建造性，但同時(shí)會(huì)降低材料的擠出性和表觀質(zhì)量。為保證良好的打印質(zhì)量，本文建議設(shè)置打印層高為8 mm。

　?。?）結(jié)合本文試驗(yàn)結(jié)果，建議PP纖維摻量為0.6%、長(zhǎng)度為9 mm；使用直徑為20 mm的圓形打印噴頭時(shí)，建議設(shè)置打印層高為8 mm、水平線性打印速度為40 mm/s。在上述配合比及打印工藝參數(shù)條件下，可打印出吸水率小于3% 、抗壓強(qiáng)度接近40 MPa、抗折強(qiáng)度大于6 MPa且抗開(kāi)裂性能較好的3D打印混凝土材料。