3D打印纤维混凝土制备及抗裂性能研究

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混凝土3D打印是一种典型的智能建造工艺,具有无模化、灵活化、快速化等优势。3D打印技术发展迅速,对水泥基材料力学和抗裂性能的要求逐步提高。特别是3D打印混凝土材料因挤出成型工艺的要求,降低了较大粒径骨料的掺量,胶凝材料在新拌材料中的比例占大部分,这会使得材料发生收缩开裂的风险明显增加,而无模建造过程导致打印结构水分蒸发速率较快,使得材料开裂风险更加显著。在3D打印混凝中添加短纤维以改善其力学和抗收缩开裂性能是一种有效的方法。研发可3D打印且各项性能优异的纤维混凝土材料有助于推进3D打印技术的结构化应用。本文首先总结归纳了3D打印纤维混凝土研发以及早期收缩开裂测试方法的研究进展和成果;通过调整矿物掺合料、水胶比、砂胶比等参数制备3D打印钢纤维增强混凝土并测试其可打印性能和力学性能;通过调整粉煤灰掺量、水胶比等参数制备3D打印聚乙烯(PE)纤维增韧混凝土并测试其可打印性能和力学性能,以提高混凝土结构的延性和耐久性;制备3D打印聚丙烯(PP)纤维混凝土,研究纤维的体积掺量和纤维长度对新拌材料流变性的影响,研究了在不同打印速度、打印层高等工艺参数条件下,PP纤维对拌合物挤出性和建造性的影响,测试了3D打印PP纤维混凝土等物理力学性能并综合上述条件寻找出最佳的打印参数和配合比;同时,设计了一种3D打印混凝土早期抗开裂性能测试方法以研究在不同纤维长度、纤维掺量的3D打印PP纤维混凝土的抗裂性能,并通过塑性抗拉强度试验进行验证。研究结果表明:(1)制备的3D打印钢纤维增强混凝土材料在纤维掺量为体积分数为1%时,抗压强度达到80.0 MPa,抗弯强度达到16.5 MPa,抗拉强度达到3.2 MPa;(2)制备的3D打印PE纤维增韧混凝土材料纤维掺量为体积分数为1%时,抗压强度为54.7 MPa,抗弯强度为12.0 MPa,表现出了高延性的特点,拉伸应变率达到了6.70%;(3)制备的3D打印PP纤维增强混凝土材料在PP纤维掺量为0.6%,长度为9 mm时,抗弯强度提升80.8%。因纤维的支撑作用,对流动性、流变性、挤出性产生负面作用,但有利于建造性能,增韧效果明显。综合可打印性、力学性能和实例验证,在使用PP纤维长度为9 mm,体积掺量为0.4%-0.6%的配合比各项性能最优;(4)提出了一种适用于测试3D打印纤维混凝土抗开裂性能的方法,使用该方法测试3D打印PP纤维混凝土发现,掺入PP纤维可显著的抑制3D打印混凝土的早期收缩开裂,混凝土抵抗开裂的能力随着纤维掺量和长度的增加也随之增强,当其塑性抗拉强度达到0.051 MPa后,本测试方法的3D打印试件不再观察到开裂现象。
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