粉煤灰-礦粉二元3D打印地聚物調(diào)控研究①

方 媛， 何克澤， 郭耀祥， 周 宇， 溫志偉， 王傲軒， 殷小紅

(1. 深圳大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 深圳 518060；2. 廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060)

0 引 言

近年來(lái)，3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域顯示出巨大的潛力，這為建筑物的建造提供了新的方法。隨之，3D打印混凝土技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，顯示出一些明顯的優(yōu)勢(shì)，包括大量節(jié)能，減少排放和提高建筑效率[1-3]。開(kāi)發(fā)3D打印混凝土面臨的最大挑戰(zhàn)之一是開(kāi)發(fā)合適的3D可打印材料。

地聚合物通常被理解為堿激發(fā)鋁硅酸鹽，它是一種以固體硅鋁酸鹽礦物為原料，在常溫或高溫環(huán)境下與堿性溶液(如水玻璃、氫氧化鈉、氫氧化鉀等)反應(yīng)形成的堿金屬硅鋁酸鹽材料[4]。地聚合物的固體原料，也稱為氧化鋁和二氧化硅源，主要來(lái)自工業(yè)副產(chǎn)品和經(jīng)低溫處理的礦物，包括粉煤灰，礦渣，硅粉，偏高嶺土，三水鋁石，赤泥，底灰等[5]。地聚合物被認(rèn)為是一種綠色的、可持續(xù)的膠凝材料，有替代普通水泥的潛力，可將各種廢物流轉(zhuǎn)化為有用的副產(chǎn)品。

目前，研究人員已經(jīng)進(jìn)行了一些關(guān)于地聚合物在3D打印構(gòu)造中的應(yīng)用的研究。Panda等人[6-7]通過(guò)檢查印刷的地聚合物的新鮮性能和力學(xué)性能，評(píng)估了粉煤灰基的地聚合物水泥在3D打印中的潛力，測(cè)量了碎玻璃增強(qiáng)的3D打印的粉煤灰的地聚合物的各向異性力學(xué)性能。Al-Qutaifi等人[8]評(píng)估了纖維、層間時(shí)間間隔以及分層模式對(duì)結(jié)構(gòu)可建性和硬化機(jī)械性能的影響，表明纖維增加了抗彎強(qiáng)度，而最小的時(shí)間間隔產(chǎn)生了最高的抗彎強(qiáng)度結(jié)果。Nematollahi等人[9]研究了聚丙烯(PP)纖維對(duì)3D打印的粉煤灰地聚合物砂漿的新鮮和硬化性能的影響，纖維的添加通過(guò)改善形狀保持能力并提高壓縮和彎曲強(qiáng)度，同時(shí)層間粘結(jié)強(qiáng)度略有降低，改善了新鮮狀態(tài)和硬化狀態(tài)，從而滿足3D打印的必要性能。Alghamdi等[10]制備了3D打印粉煤灰地質(zhì)聚合物，并補(bǔ)充了細(xì)石灰石、礦渣或硅酸鹽水泥。基于在不同時(shí)間測(cè)得的剪切屈服應(yīng)力和同時(shí)進(jìn)行的長(zhǎng)絲打印，建立適用于所選打印參數(shù)的可打印性和屈服應(yīng)力界限。Bong等[11]考慮了氫氧化物和硅酸鹽類型、質(zhì)量比等因素對(duì)不同地質(zhì)聚合物混合物的和易性、擠壓性、保形性和力學(xué)性能的影響，優(yōu)化了地質(zhì)聚合物混合物。

但是，上述文獻(xiàn)中的各種可打印地質(zhì)聚合物均是通過(guò)添加粘度調(diào)節(jié)劑來(lái)制備的。在基于擠壓的3D打印實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對(duì)粉煤灰-爐渣二元系統(tǒng)地聚合物進(jìn)行3D打印開(kāi)發(fā)研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材 料

使用礦粉和粉煤灰作為制備地聚物的含硅鋁酸鹽原材料，使用定制的硅酸鈉水溶液作為堿激發(fā)劑(模數(shù)為2，固體含量為40.1%)。

1.2 地聚合物漿體制備

以粉煤灰、礦渣、水玻璃和去離子水為主要原料，以不同的粉煤灰、礦渣含量和水灰比配制成地高聚物漿料。原料的配合比如表1所示。

表1 地聚合物凈漿配合比

1.3 凝結(jié)時(shí)間測(cè)試

參照GB/T 1346-2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》，使用維卡針型儀器測(cè)量漿體凝結(jié)時(shí)間。

1.4 3D打印試塊制備

如圖1所示，使用龍門式3D打印機(jī)進(jìn)行3D打印。將原材料充分?jǐn)嚢杌旌虾螅瑢{體投入3D打印機(jī)料倉(cāng)中，通過(guò)電腦控制，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的模型將糊料擠出并堆積。打印的線速度為30mm/s。使用的圓口打印噴頭的內(nèi)徑為30mm，外徑為37mm。

圖1 3D打印機(jī)

2 結(jié)果與分析

2.1 最小水灰比

3D打印材料的連續(xù)打印和堆疊特性要求材料具有低流動(dòng)性。為了最大程度地減少不含減水劑等添加劑的地聚合物材料的流動(dòng)性，并達(dá)到保持其形狀不塌陷的目的，使用最低的水灰比來(lái)測(cè)量粉煤灰和礦渣復(fù)合漿料的流動(dòng)性。如圖2(a)所示，當(dāng)水灰比過(guò)低時(shí)，漿料缺乏流動(dòng)性，不能用于擠壓打印形成。圖2(b)為具有一定流動(dòng)性和體積穩(wěn)定性的漿料，可用于3D打印。圖2(c)為不同粉煤灰含量的最小水灰比，可見(jiàn)滿足打印要求的最低水灰比隨著粉煤灰含量的提高而降低。

(a)

2.2 凝結(jié)時(shí)間

凝結(jié)時(shí)間表示可操作的時(shí)間。一般情況下，混合料的可擠出性會(huì)在初凝時(shí)間到達(dá)前降低[12]。一旦漿體達(dá)到初凝時(shí)間后，將無(wú)法通過(guò)擠壓的方式擠出，從而形成堵塞。這意味著漿料應(yīng)該在初始凝結(jié)時(shí)間之前進(jìn)行打印，且必須在初始凝結(jié)時(shí)間之后盡快從擠出機(jī)中取出，以避免在管子和噴嘴中硬化。圖3為隨著粉煤灰含量的降低，初凝時(shí)間和終凝時(shí)間的變化情況。在粉煤灰含量從100%降低到80%的過(guò)程中，漿體凝結(jié)時(shí)間也隨之明顯縮短(從55min降低到24min); 粉煤灰含量從80%降低到70%，凝結(jié)時(shí)間基本不變。這說(shuō)明漿體的凝結(jié)時(shí)間并不總是隨著粉煤灰用量的減少而降低，且粉煤灰低于90%的漿料應(yīng)在20min之內(nèi)完成打印。

圖3 不同粉煤灰含量3D打印地聚物凝結(jié)時(shí)間

2.3 水灰比對(duì)可擠出性及形狀的影響

水灰比是影響3D打印地質(zhì)聚合物可擠性和保形性的關(guān)鍵參數(shù)。故進(jìn)行了打印材料的打印，檢測(cè)其可擠性和保形性。圖4顯示了水灰比為0.19到0.22的FA100地聚物的打印層。對(duì)于水灰比為0.19和0.20的FA100地聚物(圖4(a)和(b))，由于混合物缺乏流動(dòng)性，無(wú)法很好地打印，打印質(zhì)量不理想；當(dāng)水灰比提升到0.21，如圖4(c)，打印出的漿料顯示了令人滿意的質(zhì)量和足夠的形狀耐久性；當(dāng)水灰比增加到0.22時(shí)，單層漿料產(chǎn)生了流動(dòng)變形，這意味著打印層不能很好地保持其形狀(圖4(d))。圖5和圖6顯示了由各種粉煤灰和礦渣含量組成的地聚合物具有滿意的形狀保持能力的打印層。從圖5可以看出，水灰比值為0.21和0.22的FA90地聚物能夠保持其形狀。通過(guò)觀察可知粉煤灰-礦渣復(fù)摻的地聚物比純粉煤灰地聚物具有更大的水灰比值選擇范圍且打印漿體成型更好。

(a)水灰比0.19

(a)水灰比0.21

(a)水灰比0.22

2.4 層間間隔時(shí)間對(duì)可建造性的影響

無(wú)添加任何外加劑的礦粉-粉煤灰地聚物膠凝材料進(jìn)行打印堆疊實(shí)驗(yàn)，分別采用連續(xù)打印和間隔打印兩種方式，間隔時(shí)間設(shè)置為0～20min。0min表示打印完一層后，后續(xù)的層將不間斷打印。20min表示在完成一層打印后，暫停20min后才進(jìn)行下一層的打印。其中20min的間隙時(shí)間是根據(jù)圖3中測(cè)量的初始凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行設(shè)置的。從圖7可以看出，在沒(méi)有間隙時(shí)間的情況下，連續(xù)一層一層地打印混合物時(shí)，打印出來(lái)的多層樣品發(fā)生坍塌。當(dāng)間隙時(shí)間增加到20min時(shí)，可以建立具有多層膜的打印樣品，并保持其形狀，間隔打印與連續(xù)打印相比具有令人滿意的可建造性。

(a1)FA100

3 結(jié) 論

1)滿足打印要求的最低水灰比隨著粉煤灰含量的提高而降低。漿體的凝結(jié)時(shí)間并不總是隨著粉煤灰用量的減少而降低，粉煤灰低于90%的漿料應(yīng)在20min之內(nèi)完成打印。

2)粉煤灰-礦渣地聚物比純粉煤灰地聚物具有更大的水灰比選擇范圍且成型更好。

3)漿體打印的層間間隔時(shí)間為20min時(shí)，可以建立多層打印樣品，并保持其形狀，間隔打印與連續(xù)打印相比具有令人滿意的可建造性。