陶砂对3D打印砂浆的可打印性及力学行为的影响研究

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3D打印混凝土技术凭借其无模化、自动化的优势近年来被广泛应用于建筑行业,但3D打印构件强度低、自重大、难养护等问题影响了其广泛推广应用。陶砂是以黏土、亚黏土为原材料,加入适量的胶凝材料以及外加剂经过高温烧焙而成的一种人造轻骨料,具有轻质、低强、易吸水的特点。基于此,本论文主要研究陶砂对3D打印砂浆的可打印性及力学行为的影响,并通过水化热、孔结构、水化产物矿物组成等分析研究,探讨陶砂对3D打印砂浆的影响机理。取得的主要研究结论如下:(1)1~3 mm粒径的陶砂更适合于配制3D打印砂浆,其粒径分布较为均匀,内部平均孔径较小,不易失水,可调控砂浆前期的流动性,且不易造成打印口的堵塞。(2)当砂浆跳桌流动度在170~200 mm之间、早期刚度在33.3~150 KPa之间、初凝时间在45~60 min之间时,砂浆具有良好的可打印性能;陶砂能改变砂浆的流变性,替代率越大,砂浆的触变性越大,屈服应力越低,打印构件的形变越大,堆积性越差,可打印性越差。当替代率在30%以内时,砂浆的流变性满足打印的需求,此时砂浆具有良好的可打印性。(3)陶砂的掺入会影响砂浆的力学性能,其抗压强度随陶砂替代率的增大呈现出先增大后减小的趋势,当替代率在30%时,砂浆的抗压强度达到最大,抗折强度随替代率的增大而减小;打印成型试块的抗压强度低于模具成型试块的抗压强度,其强度为模具成型试块的一半左右,由于打印成型试块内纤维的分布方式与打印方向平行,这种分布方式下的纤维起到了一个微型“钢筋”的作用,进而使得打印成型试块的抗折强度与模具成型试块的抗折强度较为接近;打印成型试块存在力学各向异性,试块正面的力学强度小于侧面的力学强度,陶砂的掺入能对其层间弱面进行改善,当替代率在30%时,砂浆正面的力学强度与侧面的力学强度大致相等。(4)陶砂替代率在30%以内时,其吸水返释特性可促进水泥水化,导致水泥早期(1 d)水化速率加快,第二放热峰提前,3 d水化放热量增大,陶砂与水泥硬化浆体界面过渡区的厚度增大,7 d和28 d时界面过渡区厚度是分别是河砂的1.25倍和1.30倍,可提升7 d后砂浆抗压强度,与力学性能测试结果相吻合;陶砂替代率越高,对水泥水化促进效果越明显,但当替代率超过30%时,会影响水泥水化,让第二放热峰发生延后。
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