纤维对3D打印混凝土打印性能与力学性能的影响

张 超，邓智聪，汪智斌，侯泽宇，贾子健，王香港,2，贾鲁涛,2，陈 春,2，孙正明，张亚梅,2，潘金龙

(1.东南大学材料科学与工程学院，江苏省土木工程材料重点实验室，南京 211189；2.南京绿色增材智造研究院有限公司，南京 210000；3.东南大学土木工程学院，混凝土及预应力混凝土教育部重点试验室，南京 211189)

0 引 言

3D打印混凝土(3D printing concrete, 3DPC)技术是一种以三维数字化模型为基础，通过混凝土逐层堆叠，实现目标结构建造施工的技术[1-3]，具有施工建造无需模板、设计与建造自由度高、节省人力与施工成本等诸多优势[4-7]。近十年来，涉及3DPC的建造施工项目逐年呈指数递增[8-10]。

目前，3DPC的制备具有胶凝材料用量高，同时粗骨料使用较少的特点[11-12]，这使得3DPC面临较高的收缩开裂风险[13]。因此，3DPC的制备过程中通常会加入纤维材料对其增强。Panda等[14]研究采用0.25%～1%(体积分数)掺量的玻璃纤维增强3DPC，发现掺量为1%的玻璃纤维对3D打印混凝土的抗弯强度和抗拉强度提升效果明显。Ma等[15]研究发现，玄武岩纤维能够有效提高3DPC的抗弯、抗剪和抗拉强度。Shakor等[16]发现，1%(体积分数)掺量的PP纤维明显提高了3DPC的可建造性与抗弯强度。占羿箭[17]利用数值模拟方法研究了纤维增强3DPC受剪破坏，发现纤维能显著提高3DPC裂后韧性，但其性能仍然弱于正常浇筑成型的混凝土。孙晓燕等[18]研究多壁碳纳米管对3DPC性能的影响发现，碳纳米管对3DPC流动性没有明显影响，但能够大幅提高3DPC的早期强度。汪群和高超[19]探索了PVA纤维增强3DPC的制备，发现3DPC流动性随着PVA纤维掺量的增加有明显的下降，但适量的PVA纤维能够有效提高3DPC打印过程中的形状稳定性。

目前，国内外学者对纤维增强3DPC的研究多集中在力学性能，对纤维增强3DPC的打印性能仍然缺乏综合定量的评价。因此，本文采用了普通混凝土中常用的PVA与PP纤维以及对混凝土有较好阻裂效果的剑麻纤维，定量评价纤维对3DPC流变与打印性能的影响，同时探究了其对3DPC力学性能与孔结构的影响规律，为纤维增强3DPC的制备与优化提供参考。

1 实 验

1.1 原材料

本研究采用南京产海螺P·Ⅱ 42.5硅酸盐水泥与成都锦和科技有限公司产硅灰作为胶凝材料，水泥与硅灰的粒径分布如图1所示。以普通河砂作为骨料，细度模数为2.3。采用了聚丙烯纤维(PP fiber， PPF)、聚乙烯醇纤维(PVA fiber， PVAF)和剑麻纤维(sisal fiber， SSF)三种纤维，其物理力学性能如表1所示,扫描电镜照片如图2所示。使用的外加剂为高性能聚羧酸减水剂，固含量30%(质量分数)。

图1 水泥和硅灰的粒径分布Fig.1 Particle size distribution of cement and silica fume

表1 纤维的物理力学性能Table 1 Physical and mechanical properties of fibers

图2 纤维的扫描电镜照片Fig.2 SEM images of fibers

1.2 试验方法

1.2.1 3D打印混凝土的配合比

试验采用的3DPC基体配合比如表2所示，其中水泥与硅灰作为胶凝材料用量为1份，水胶比与砂胶比分别为0.235与1.035，减水剂掺量为胶凝材料质量的0.5%。当采用纤维制备3DPC时，纤维掺量按照混凝土体积百分比(下同)进行添加，其中PPF与PVAF为干燥状态，SSF经过预吸湿处理，纤维中的含水率为27.8%。

表2 3D打印混凝土基体的配合比(质量比)Table 2 Mixture proportion of 3D printing concrete matrix (mass ratio)

1.2.2 流变性能测试

采用Brookfield流变仪测试3DPC的流变性能。参考相关学者的测试方法[20-21]，本文测试制度设定为：首先以100 s-1的剪切速率对3DPC进行30 s的预剪切，而后静止10 s；在接下来的30 s内，剪切速率由0 s-1增加至50 s-1，以加速阶段测试的最大剪切应力作为3DPC的静态屈服应力；而后剪切速率以50 s-1保持匀速60 s，以此阶段剪切应力的最低值作为3DPC的动态屈服应力；最后，在30 s内剪切速率从50 s-1均匀减速至0 s-1，以此阶段剪切应力-剪切速率拟合直线的斜率作为3DPC的塑性黏度。

1.2.3 打印性能测试

打印机为南京绿色增材智造研究院自主研发的设备，由数控台、打印头和打印平台组成，最大打印尺寸为1.5 m×1.5 m×1.5 m，打印头出料口为直径20 mm的圆形。单条混凝土的打印参数为：打印头移动速度30 mm/s，打印头距底板高度15 mm。采用打印出的单条混凝土的尺寸(高度与宽度)、横截面积、尺寸波动性以及表观密度评价纤维对3DPC打印性能的影响。打印后的单条混凝土采用保鲜膜覆盖密封，待硬化 1 d后测量其质量，采用游标卡尺分别测量单条混凝土的上、中、下位置的高度与宽度，然后取平均值作为单条混凝土尺寸数据，计算三个位置所测尺寸的标准差表征单条混凝土的尺寸波动性。采用排水法测量单条混凝土的体积，根据所测质量计算得到3DPC的表观密度，同时根据所测单条混凝土的长度，计算获得3DPC的平均横截面积。

1.2.4 力学性能测试

采用标准养护28 d的3DPC试件按所需尺寸切割打磨后进行力学性能测试，由于3DPC试件具有方向性，其方向示意图如图3所示，因此采用切割后尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的标准试件，依据GBT 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(IOS法)》，测试Y、Z方向的抗折与抗压强度，采用单独切割的40 mm×40 mm×40 mm立方体试件测试X方向的抗压强度。力学性能试件打印参数为：打印头移动速度30 mm/s，打印头距底板起始高度15 mm，打印头每层提升高度15 mm。

图3 3DPC试件的方向示意图Fig.3 Direction diagram of 3DPC specimen

1.2.5 孔结构测试

使用德国YXLON-X射线断层扫描仪(CT)测试与分析标准养护28 d龄期的3DPC内部孔径大于等于0.1 mm孔的孔隙率与孔径分布。用于CT测试的3DPC样品尺寸为60 mm×60 mm×180 mm。

2 结果与讨论

2.1 纤维对3D打印混凝土流变性能的影响

混凝土的工作性能与其流变性能密切相关，而3DPC的流变性能也会对其打印性能产生显著的影响，因此，利用纤维增强3DPC时，有必要首先研究纤维对3DPC流变性能的影响。图4、图5与图6分别展示了不同掺量(体积分数，下同)的PPF、PVAF以及SSF对3DPC静态屈服应力、动态屈服应力以及塑性黏度的影响。可以看出，不同种类纤维增强的3DPC的静态屈服应力均与纤维掺量呈线性关系，随着纤维掺量的增加，3DPC的静态屈服应力呈现出线性增大趋势。但纤维种类对3DPC静态屈服应力的影响程度有明显的差异，其中SSF与PPF对3DPC的静态屈服应力影响效果相近，而PVAF对3DPC的静态屈服应力有大幅提升，0.5%掺量的PVAF、SSF以及PPF分别将3DPC的静态屈服应力从基准组的1 348 Pa提高到了5 504 Pa、2 607 Pa以及2 055 Pa，当PVAF掺量超过0.5%后，3DPC太过干硬而难以进行流变性能的测试。按纤维对3DPC静态屈服应力影响程度大小可排序为：PVAF>SSF>PPF。

图4 不同纤维掺量3DPC的静态屈服应力Fig.4 Static yield stress of 3DPC withdifferent fiber content

图5 不同纤维掺量3DPC的动态剪切应力Fig.5 Dynamic yield stress of 3DPC withdifferent fiber content

图6 不同纤维掺量3DPC的塑性黏度Fig.6 Plastic viscosity of 3DPC with different fiber content

造成这一现象的原因可能有两点：一是纤维长径比不同。PPF的长径比为46，PVAF和SSF的长径比分别为200和38。二是纤维表面性质的差异。试验采用的三种纤维长度均为6 mm，当纤维体积掺量相同时，其直径越小，长径比越大，则纤维在3DPC基体中的数量越多，纤维与混凝土基体接触的面积也越大，对混凝土静态屈服应力的影响效果也越明显。SSF与PPF的直径相似，因此对3DPC静态屈服应力影响效果相似，而PVAF的直径明显小于SSF与PPF，对3DPC静态屈服应力的提升也最显著。此外，PPF表面不存在极性基团，亲水性较差，且PPF表面较为光滑，因此，其与新拌3DPC之间的相互作用力较弱，对3DPC的静态屈服应力影响最小。虽然SSF的纤维长径比略低于PPF，但SSF为天然纤维，表面带有一定的羟基，表现出一定程度的亲水性，从图2中的纤维表面形貌可以看到，SSF表面粗糙程度明显大于PPF，其与新拌3DPC之间的作用力强于PPF，因此，SSF对3DPC静态屈服应力影响效果略微大于PPF。而PVAF表面带有大量的羟基官能团，具有极高的亲水性，与新拌3DPC基体之间的相互作用也最强，因此，PVAF对3DPC静态屈服应力的影响程度也最强。

与静态屈服应力影响规律不同，PPF与SSF对3DPC的动态屈服应力与塑性黏度几乎没有影响，SSF增强3DPC的动态屈服应力与塑性黏度相比基准组甚至有略微下降，这可能是在流变测试的动态过程中，由于转子桨叶的扰动，使得SSF预吸附的水有少量的释放，从而轻微降低了3DPC的动态屈服应力与塑性黏度。而与PPF和SSF不同的是，PVAF对3DPC的动态屈服应力与塑性黏度都有明显的提升，且这两个流变参数随PVAF掺量的增加呈线性增长。造成这一现象的原因可能是PVAF较高的长径比与亲水性使其在动态过程中仍能与3DPC基体保持较强的作用力，提升3DPC的动态屈服应力与塑性黏度。

2.2 PVA纤维对3D打印混凝土打印性能的影响

3DPC的流变性能很大程度上影响其打印性能，因此，本文选择了对3DPC流变性能影响最明显的PVAF，研究其对3DPC打印性能的影响。试验使用的打印机通过调节打印头内螺杆的转速来控制3DPC的挤出速率，为了定量评价3DPC的打印性能，本研究采用了不同的螺杆转速进行3DPC的挤出，通过测量打印出的单条3DPC的形状尺寸(高度与宽度)、尺寸的均匀性、横截面积以及表观密度，评价不同PVAF掺量(0%、0.1%、0.3%与0.5%)对3DPC打印性能的影响，结果如图7所示。

从图7(a)、(d)、(g)、(j),以及(b)、(e)、(h)、(k)中可以看出，随着打印头内转子的旋转角速度的增大，由于单位时间挤出的混凝土量增加，在打印头移动速率不变的条件下，使挤出后的单条混凝土的尺寸与横截面积也显著提高。但由于打印过程中高度方向上受打印头的限制，随着混凝土挤出速率的增加，挤出后的混凝土尺寸增加主要体现在宽度方向。相比于基准组，掺入纤维后的3DPC挤出具有相似横截面积的单条混凝土需要更高的螺杆转速，这表明，由于屈服应力与塑性黏度的增加，纤维增强3DPC的可挤出性有明显下降。

通过图7(c)、(f)、(i)、(j)中尺寸的标准差数据可以看出，不同螺杆转速条件下打印出的单条混凝土除了尺寸大小有所差异外，尺寸的均匀性也不同，打印出的单条混凝土尺寸和横截面积过大或过小，均会导致其尺寸均匀性变差，这说明从打印均匀性的角度出发，3DPC存在具有最优的挤出速率与匹配的螺杆转速。从图中可以看出，不同PVAF掺量增强的3DPC打印尺寸均匀性最好的组别，虽然对应的挤出螺杆转速不同，但对应的横截面积均在3.3 cm2左右，而打印头喷口为直径2 cm的圆形，喷口面积为3.14 cm2，这说明此时的混凝土挤出速率略微高于打印头的移动速率，打印出的混凝土横截面积稍大于喷口面积，3DPC具有最优的打印尺寸均匀性。本文采用的打印头移动速率为固定值30 mm/s，因此，3DPC的最优匹配挤出速率同样保持不变，当3DPC中掺入纤维后，由于屈服应力与塑性黏度的增加，混凝土的可挤出性能下降，为保持匹配的混凝土挤出速率，需要相应提高螺杆转速。图8展示了相似的最优挤出速率条件下，3DPC中PVAF掺量与对应的最优螺杆转速，可以看出，两者呈明显的线性关系。此外，图7(c)中还可以观察到，未掺纤维的基准组随着螺杆转速的提高，挤出后的单条混凝土的均匀性明显下降，而纤维的掺入能够使3DPC在不同螺杆转速下保持较好的尺寸均匀性，说明纤维的掺入能够明显提高挤出后的3DPC的尺寸均匀性。

图7 不同纤维含量的3DPC的打印性能：不同螺杆转速下的单条混凝土的尺寸(a)、(d)、(g)、(j)，横截面积(b)、(e)、(h)、(k)，以及尺寸均匀性(c)、(f)、(i)、(l)Fig.7 Printing performance of 3DPC with different fiber content: size (a), (d), (g), (j), cross-sectionalarea (b), (e), (h), (k)， and dimensional uniformity (c), (f), (i), (l) of printed single filament of3DPC extruded under different angular velocity

图8 PVAF掺量与最优螺杆转速的关系Fig.8 Relationship between PVAF content andthe optimum angular velocity of screw

图9进一步展示了螺杆转速对挤出后的3DPC表观密度的影响。可以看出，相比于普通振动浇筑成型的混凝土(表观密度2 340 kg/m3)，打印出的混凝土表观密度有小幅下降，且随着螺杆转速的增加，表观密度的下降幅度也有增大的趋势。这表明打印过程中，螺杆的转动可能会向3DPC中引入部分空气，造成了打印出的3DPC表观密度降低。同时，相比基准组表观密度随着螺杆转速的提升而迅速下降，PVAF的掺入能够减缓高螺杆转速条件下3DPC表观密度的降低，这说明PVAF能够减少螺杆高速旋转过程中气体的引入，增加硬化3DPC的密实程度。但通过对比4组打印出的混凝土的最大表观密度可以看出，纤维的掺入在一定程度上仍有降低混凝土表观密度的趋势。

图9 不同纤维掺量与螺杆转速的3DPC的表观密度Fig.9 Apparent density of 3DPC with different PAVFcontent and angular velocity

2.3 纤维对3D打印混凝土力学性能的影响

纤维的掺入除了影响3DPC的流变性能与打印性能外，对3DPC力学性能也将产生显著的影响，因此，本文测试了三种纤维在不同掺量条件下的3DPC的抗压与抗折强度，结果如图10和图11所示。从图10中可以看出，相比基准组，PVAF与SSF在不同程度上均降低了3DPC的抗压强度，而PPF能够明显地提升3DPC的抗压强度。但需要注意的是，PPF对3DPC抗压强度的提升效果并不能随着纤维掺量的提高而进一步增加，0.5%掺量的PPF对3DPC抗压强度增强效果低于0.1%和0.3%掺量。由于打印界面的存在，3DPC的抗压强度具有明显的方向性，而0.1%掺量的PPF对3DPC不同方向的抗压强度均有较好的增强效果，相比基准组X、Y与Z方向抗压强度59 MPa、63.7 MPa与67.8 MPa，0.1%PPF增强3DPC三个方向的抗压强度提高到了71.5 MPa、75.8 MPa与83.6 MPa，分别提升了21.2%、19.0%以及23.3%。可以看出，柔性的PPF对3DPC不同方向的力学性能增强效果相近，本研究采用的PPF长度较短，为6 mm，远小于打印口直径20 mm，打印过程中未产生纤维的定向分布，因此不会对3DPC某一方向的力学性能产生显著高于其他方向的增强效果。

图10 不同纤维掺量的3DPC的三向抗压强度Fig.10 Compressive strength of 3DPC with different fiber content under X, Y, and Z direction

而纤维对3DPC抗折强度的影响效果不同于其对抗压强度的影响。从图11中可以看到，对3DPC抗压强度有明显增强效果的PPF对3DPC抗折强度没有增强效果，甚至随着纤维掺量的提高，3DPC的抗折强度相比基准组有降低的趋势。PVAF对3DPC抗折强度的影响效果与PPF相似，均会使硬化3DPC抗折强度有轻微的下降。不同于PPF与PVAF，SSF对3DPC抗折强度有明显的提升效果，这可能是由于SSF具有较为粗糙的纤维表面，与3DPC基体的作用力较强，同时SSF吸收的水有助于提高界面性能。但同样可以注意到，0.5%掺量的SSF对抗折强度增强幅度低于0.1%与0.3%掺量的SSF。相比基准组，0.1%SSF对3DPC抗折强度在Z和Y方向上分别从11.1 MPa和12.0 MPa提高到了14.5 MPa和16.3 MPa，两个方向上的抗折强度提升幅度分别为30.6%和35.8%，这表明SSF对3DPC不同方向抗折强度增强效果接近，打印过程中未产生纤维的定向分布。

图11 不同纤维掺量的3DPC的双向抗折强度Fig.11 Flexural strength of 3DPC with different fiber content under Y and Z direction

2.4 纤维对3D打印混凝土孔结构的影响

孔结构是影响混凝土力学性能的重要因素，因此，为探索纤维掺量对3DPC力学性能产生影响的原因，本研究选择了对3DPC抗压强度有明显提升效果的PPF，采用CT技术，对不同纤维掺量的PPF增强3DPC的孔结构(>0.1 mm的孔)进行了测试，结果如图12所示。可以看出，随着纤维掺量的提高，混凝土内部不同孔径的孔隙率均呈上升的趋势，3DPC的总孔隙率也从1.60%增加到了2.94%，如表3所示。而混凝土孔隙率越高，其强度越低。这可以解释随着纤维掺量的增加，纤维增强3DPC的力学性能反而下降，以及0.1%掺量的PPF对3DPC具有最优的增强效果的原因。PVAF与SSF对3DPC力学性能的影响效果与PPF相似，这表明PVAF与SSF掺量的提高同样可能会导致3DPC孔隙率增加，这一点也可以从前文中PVAF增强3DPC的表观密度随着纤维掺量的提高而降低得到证明。

图12 不同PPF掺量的3DPC的孔径分布Fig.12 Size distribution of pores in 3DPC with different PPF content

表3 PPF增强3DPC的总孔隙率Table 3 Porosity of PPF reinforced 3DPC

3 结 论

(1)3DPC的静态屈服应力与三种纤维的掺量均呈线性关系，但纤维对3DPC流变性能的影响程度有所差异，其中PVAF对3DPC流变性能影响明显强于PPF与SSF。随着纤维掺量的提高，PVAF增强3DPC的静态屈服应力、动态屈服应力以及塑性黏度均呈显著的线性增长， PPF与SSF对3DPC的静态屈服应力提升幅度明显弱于PVAF，且对3DPC的动态屈服应力与塑性黏度几乎没有影响。

(2)PVAF的掺入虽然会使3DPC的可挤出性有明显下降，但能够明显提高挤出后的混凝土的尺寸均匀性。3DPC挤出速率略微高于打印头的移动速率，打印出的单条混凝土具有最好尺寸均匀性，此时，3DPC中PVAF掺量与对应的最优螺杆转速呈明显的线性关系。

(3)三种纤维中，PPF对3DPC抗压强度有明显的提升效果，而SSF对3DPC抗折强度有最显著的增强效果。纤维掺量提高使得3DPC表观密度降低，内部孔隙率增加，从而导致了0.5%(体积分数)掺量的纤维对3DPC增强效果反而弱于0.1%(体积分数)掺量纤维的增强效果。