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文献速读 Constr. Build. Mater.：挤出型粗骨料3D 打印混凝土：可打印性和与方向相关的力学性能  题目 题目：Extrusion-based 3D printing concrete with coarse aggregate: Printability and direction-dependent mechanical performance 挤出型粗骨料 3D 打印混凝土：可打印性和与方向相关的力学性能 关键词 3D打印混凝土；基于挤出的；粗骨料；可打印性；方向相关的强度；空隙；层间区域；X射线断层扫描；扫描电子显微镜 来源 出版年份：2021 来源：Construction and Building Materials 课题组：东南大学张云生课题组 研究背景 三维混凝土打印技术（3DCP）是一种基于计算机建模的新型增材制造技术，通过材料的逐层堆叠来建立结构。近几十年来，3DCP在建筑行业的应用被广泛认为是有前途的。需要注意的是，虽然3DCP使用的材料被广泛称为混凝土，但大多以砂浆为主，不含粗骨料。 目前开发的可打印混凝土由于粘合剂含量非常高，带来了许多问题，例如收缩、可持续性等。因此，如果粗骨料用于混凝土中具有更高的强度和耐久性，成本更低，收缩更小，粗骨料用于基于挤压的 3DCP 具有重要意义。 研究出发点 将粗骨料掺入3DCP材料中存在不可克服的困难，例如机械咬合和颗粒之间的剧烈摩擦，这将显着增加挤出难度。因此，传统的 3D 打印机很难用粗骨料挤出混凝土。线状细丝沉积形成的混凝土结构内层之间的空隙也是当前关注的焦点。 研究内容 本研究设计并制造了一种适用于混凝土的大型挤压式 3D 打印机，最大骨料尺寸为20 mm粗骨料。粗骨料3D打印混凝土是根据不同的水泥与骨料（C/A）比设计的。随后，测量并讨论了具有不同 C/A 的 3D 可打印混凝土的可打印性能，包括流动性、可建造性和形状稳定性。之后，对由相同成分组成的 3D 打印和浇筑试样的方向相关的力学性能进行了评估和比较。通过X-CT方法，结合宏观特征分析讨论了3D打印试件内部空隙的分布和孔隙率。在微观层面上，对层间区域的微观结构进行了扫描电子显微镜（SEM）并讨论。  图1（a）本研究中使用的基于挤压的3D打印机；（b）打印系统内部剖面图  图2 浇筑的可打印混凝土和3D打印试样在28d的抗压强度  图3 浇筑的可打印混凝土和3D打印试样在28d的抗弯强度  图4 逐片计算M2、M3、M4试样在（a）X方向上的空隙面积分布百分比；（b） Y 方向；（c） Z方向；上框中的虚线表示从这个方向分析时观察到的主要孔隙分布  图5 3D打印试样的扫描电镜图像 主要结论 本研究设计并制造了一种适用于混凝土的大型挤压式 3D 打印机，最大骨料尺寸为20 mm粗骨料。测量和讨论了不同C/A比的粗骨料混凝土的可打印性，包括流动性、可建造性和形状稳定性，以及与方向相关的力学性能。 通过X-CT和SEM扫描研究了3D打印样品的内部空隙分布和层间面积特征。可以得出以下结论： （1）流动性和可建造性结果表明，3D打印混凝土的初始铺展范围应在178～200 mm之间。粗骨料混凝土的C/A值建议控制在0.3～0.6，以保证其打印稳定不堵塞或自流。M2的最大打印高度为421.8 mm（8层），低于M3（524.7 mm，10层）和M4（615.2 mm，12层）。C/A值的降低提高了多层结构的最大层数，但削弱了外观质量，反之亦然。 （2）形状稳定性实验表明，3D打印的多层结构在堆叠和硬化过程中不可避免地会发生膨胀和垂直滑动，具有较高C/A值的组由于过量浆料可以保证多层打印结构的稳定性。 （3）力学性能测试表明，3D打印试样的强度与方向有关，这与空隙的不均匀分布有关。具体而言，3D打印试件的抗压强度呈现Y>Z>X的各向异性关系，抗弯强度呈正交各向异性，H>V。3D打印混凝土的抗压强度、抗弯强度随着C/A 值的降低而增强，但仍低于浇筑混凝土。 （4）X-CT分析结果表明，由于堆叠，打印试件内部空隙呈十字形分布。试样中间的空隙沿打印方向穿透试样。底部条带之间的空隙比顶部略宽，这可能与打印过程中的局部坍落有关。 （5）在 SEM 图像中观察到中间层区域的“微桥接”形态。此外，层间的内表面和周围分别出现碳化和弱化结构，远离该区的基质部分更致密，这一特征被认为是 3D 打印试件强度降低的重要原因。 文献链接： https:///10.1016/j.conbuildmat.2021.123624 |
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