3D打印再生粗骨料混凝土抗冻性能试验研究.pdf

文章编号:1 0 0 1-9 7 3 1(2 0 2 3)0 7-0 7 0 0 1-0 93 D打印再生粗骨料混凝土抗冻性能试验研究*刘 超1,张治宁1,刘化威2,张 韦2(1.西安建筑科技大学 理学院,西安7 1 0 0 5 5;2.西安建筑科技大学 土木工程学院,西安7 1 0 0 5 5)摘 要:3 D打印技术在建筑领域得到显著发展,为解决混凝土3 D打印行业实现可持续发展。通过对再生粗骨料(R C A)取代率为0%、5 0%、1 0 0%的3 D打印试件和铸模试件进行抗冻性能研究,结合3 D打印再生粗骨料混凝土(3 D P R A C)界面过渡区的电镜扫描分析其劣化成因。结果表明,在前2 0 0次冻融循环中R C A的掺入并没有明显降低3 D打印混凝土的质量和动弹模量;在6 0 0次冻融循环后R C A为1 0 0%掺量的3 D打印再生混凝土抗冻性能表现优于R C A掺量为5 0%。基于3 D打印再生混凝土逐层堆叠的建造特点,提出了3 D P R A C孔隙区域集中分布模型,揭示了3 D P R A C冻融损伤劣化机理。建立的冻融损伤模型能够较好地反映3 D P R A C抗冻性能变化规律。关键词:3 D打印混凝土;再生粗骨料;冻融循环;微观结构;冻融损伤模型中图分类号:TU 5 2 8文献标识码:AD O I:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 1-9 7 3 1.2 0 2 3.0 7.0 0 10 引 言3 D打印技术(亦称增材制造)作为智能建造的核心技术,是目前建筑业中发展最快的技术之一1。3 D打印技术逐层堆叠的建造方式利于材料节约和能源节省。随着我国基础设施建设不断发展,人民生产生活的便捷度 不断提高,然而,建筑垃 圾产量也随 之增加2,不仅占用土地资源,还带来严重的大气污染和水污染3-4。建 筑 固 废 资 源 化 是 建 造 行 业 的 发 展 趋势5-7,采用废弃混凝土生产再生粗骨料(R C A)是建筑垃圾资源化的重要途径。3 D打印技术与再生混凝土相结合,将为绿色建筑的推广应用提供一定参考。3 D打印技术由于缺乏模板,打印材料需要同时具有顺利通过管道泵送和喷头挤出的能力,所以3 D打印混凝土多使用的是没有粗骨料的砂浆。这意味着水泥和细骨料(天然砂)的数量增加,这种增加进一步提高了成本和环境负担。因此,应用环境友好的3 D打印混凝土材料,特别是粗骨料,对混凝土3 D打印建筑的可持续发展至关重要。S c h u t t e r8研究表明3 D打印材料需要有较好的流变性和硬化性能。D i n g等9-1 0研究表明,再生砂的加入可以加速3 D打印混凝土早期强度的发展。武怡文1 1等研究表明,R C A替代天然粗骨料(N C A)可以有效提升3 D打印混凝土的可建造性。同时再生粗骨料的添加可以解决结构硬化后容易存在干缩裂缝严重等问题,并且3 D打印混凝土的添加剂可以消除再生骨料收缩率更大的负面影响。这也使得3 D打印再生混凝土(3 D P R A C)获得了广泛关注。R C A与N C A相比具有吸水率和孔隙率高的特点,这使得再生混凝土(R A C)更易遭受冻融破坏。对于寒冷地区的建筑物,抗冻性是评价混凝土耐久性的重要指标之一1 2。混凝土的抗冻性能与其内部细观结构和气孔系统有着直接的联系。3 D打印混凝土逐层堆叠的独特建造方式,与传统浇筑的施工工艺有明显的区别1 3-1 4。众多学者研究表明3 D打印混凝土与传统铸模混凝土有着不同的孔隙结构1 5-1 6。Z h a n g1 7等对3 D打印和铸模砂浆试件进行了1 0 0 0次冻融循环发现3 D打印试件的动弹性模量较低。N o d e h i1 8等通过对3 D打印混凝土耐久性研究发现,层间打印间隔是影响3 D打印混凝土耐久性的重要因素。但是目前有关3 D P R A C内部孔隙结构缺陷这一关键核心问题对耐久性影响机理的研究少有报道。本文设计了R C A取代率为0%、5 0%、1 0 0%的3 D打印混凝土试件,对其进行抗冻性能研究,通过对试件进行6 0 0次冻融循环试验,以及对3 D P R A C进行电镜扫描,分析3 D P R A C劣化机理,分别建立以相对抗压强度和相对动弹性模量为变量的3 D P R A C的冻融损伤模型,本研究有助于3 D P R A C在寒冷地区的应用推广。10070刘 超 等:3 D打印再生粗骨料混凝土抗冻性能试验研究*基金项目:国家自然科学基金项目(5 2 1 7 8 2 5 1);“十三五”国家重点研发计划项目(2 0 1 9 Y F C 1 9 0 7 1 0 5);西安市科技计划重点产业链核心技术攻关项目(2 0 2 2 J H-Z C Z C-0 0 2 6);陕西省杰出青年科学基金项目(2 0 2 0 J C-4 6)收到初稿日期:2 0 2 3-0 1-2 0收到修改稿日期:2 0 2 3-0 3-2 1通讯作者:刘 超,E-m a i l:c h a o l i u x a u a t.e d u.c n作者简介:刘 超(1 9 8 2),男,教授,博导,从事混凝土建筑智能建造与建筑固废资源化应用研究。1 实 验1.1 实验原材料采用P.O 4 2.5普通硅酸盐水泥作为主要胶凝材料,其他辅助胶凝材料有:粉煤灰、硅灰、早强剂,外加剂包括 聚 羧 酸 高 效 减 水 剂,纤 维 素 醚 和P VA纤维。砂为普通河砂,最大粒径3mm,含水率3%,含泥量为0.8%。粗骨料为N C A和R C A,粗骨料和细骨料的基本物理性能见表1。R C A是由老旧建筑拆除的混凝土破碎筛分而来。R C A中老骨料(未包含砂浆)质量占比为2 8.3 3%,附着有砂浆的骨料质量占比为1 9.6 7%,老砂浆块质量占比为4 7.3 3%,杂质质 量 占 比 为4.6 7%。粗 骨 料 的 粒 径 范 围 为57mm,71 0mm,1 01 2mm,质量占比81 57。试件编号如表2,配合比见表3。表1 粗骨料和细骨料物理性能T a b l e1P h y s i c a l p r o p e r t i e so f c o a r s e a n d f i n e a g g r e g a t e sP h y s i c a l p r o p e r t i e sF i n ea g g r e g a t e C o a r s ea g g r e g a t eC r u s h i n g i n d e x/%1.81 4.9F i n e n e s sm o d u l u s2.1-W a t e ra b s o r p t i o n/%2.91.1V o l u m ed e n s i t y/k gm-314 2 513 3 1表2 试件编号T a b l e2S p e c i m e nN o.C o n s t r u c t i o nm e t h o dAm o u n to fr e c y c l e da g g r e g a t e sS p e c i m e nN o.3 Dp r i n t i n gg r o u p0%3 D P-N5 0%3 D P R-5 01 0 0%3 D P R-1 0 0C a s t c o n c r e t eg r o u p0%C-N5 0%C R-5 01 0 0%C R-1 0 0表3 混凝土配合比T a b l e3C o n c r e t ep r o p o r t i o nS u b s t i t u t i o nr a t e/%W a t e r-g l u er a t i oW a t e r C e m e n tE a r l ys t r e n g t hN C AR C AF i n ea g g r e g a t eS i l i c af u m eF l ya s hP VAf i b e rW a t e rr e d u c e rC e l l u l o s ee t h e r00.30.3 7 51.0 0 00.1 0 01.4 9 900.9 9 90.0 5 00.1 0 10.0 0 10.0 0 80.0 0 25 00.30.3 7 51.0 0 00.1 0 00.7 4 90.7 4 90.9 9 90.0 5 00.1 0 10.0 0 10.0 1 00.0 0 21 0 00.30.3 7 51.0 0 00.1 0 001.4 9 90.9 9 90.0 5 00.1 0 10.0 0 10.0 1 10.0 0 21.2 试件制备采用的混凝土3 D打印机由两部分组成,分别是控制打印参数的控制系统和打印主体结构的运动系统。打印主体尺寸为3.5m3.5m3m,在该尺寸内通过到将未凝结混凝土导入料斗经过挤压由打印喷头打印出。运动主体底部配备了3张1.5m3m可滑动钢打印平面。打印参数通过控制系统调节,打印喷头形状为圆形,喷头直径选用4 0mm,喷头移动速度为1 1 01 2 0mm/s,初始打印高度为2 0mm,之后每层打印条高度增加1 8mm。由于逐层堆叠的方式会造成混凝土在力学性能上呈现各向异性,故定义X方向为打印喷头横向移动路径方向,Y方向为同平面内垂直打印条长度增加方向,垂直于X Y所在水平面为Z方向。混凝土 试 件 打 印 后 覆 膜 养 护2 4h(环 境 温 度1 8,相对湿度6 5%),拌合料经搅拌后一部分倒入3 D打印机器经打印喷头挤出成型,另一部分拌和材料导入模具振捣成型。为保证切割尺寸精度,首先采用全自动红外线石材切割机进行切割,随后采用双端面磨石机进一步打磨平整,并在试件表面标记X/Y/Z方向。切割完成的3 D打印试件以及普通模具拆模后试件放入温度为(2 02),相对湿度9 5%的养护箱养护至2 8d龄期。试件制备流程见图2。图1 混凝土3 D打印机及打印示意图F i g.1C o n c r e t e3 Dp r i n t e ra n dp r i n t i n gd i a g r a m200702 0 2 3年第7期(5 4)卷图2 试件制备流程图F i g.2F l o w c h a r to f s p e c i m e np r e p a r a t i o n1.3 抗冻性试验试验按照G B/T5 0 0 8 2普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准 进行,冻融仪器为天津港源实验仪器厂生产的T D R-2 8型号快速冻融试验机。1.4 S EM电镜扫描测试试验采用卡尔蔡司(上海)管理有限公司生产的G e m i n i S EM 5 0 0型场发射扫描电子显微镜对原材料及破坏试样进行微观形貌分析。2 结果与分析2.1 抗冻性能2.1.1 冻融循环后试件表面形态分析混凝土试件经过冻融循环后试件内部膨胀冻裂导致外表面掉渣、棱角破损是其发生冻融损伤破坏的典型特征,这些特征可以直接观察。铸模混凝土试件和3 D打印混凝土试件经历6 0 0次冻融循环前后,试件表观破坏形貌对比如图3所示。图3 6组试件冻融破坏表现F i g.3F r e e z e-t h a wf a i l u r eo f s i xg r o u p so f s p e c i m e n s 未经过冻融循环时,铸模试件表面光滑平整没有骨料外露的情况,3 D打印组试件由于切割导致骨料外漏,整体表面平整没有孔洞。3 0 0次冻融循环后,铸模组试件开始出现小面积的砂浆脱落,3 D打印组试件本来就裸露的再生骨料开始有不同程度的剥落,3 D P R-5 0和3 D P R-1 0 0组试件表面出现少量孔洞。6 0 0次冻融循环后,铸模组试件出现大面积砂浆脱落,棱角处出现微小破损,其中C R-1 0 0组试件表层浆体脱落严重,粗糙不平,粗骨料外漏。3 D P-N试件表面仍保持较高平整度没有出现孔洞及骨料剥落,3 D P R-5 0试件中则可以明显看到N C A镶嵌程度完好,R C A出现剥落,3 D打印原层间缺陷变深变大,试件表面呈鳞片状,3 D P R-1 0 0试件表面R C A出现大范围剥落,R C A处剥蚀程度高。经历6 0 0次冻融循环后,6组试件仍能保持稳定的整体结构。3 D P R A C组试件随着R C A掺量的增加试件表面受损程度增大。3 D P R-1 0 0试件和3 D P R-5 0试件在经过6 0 0次冻融循环后试件表面虽然都变得更粗糙,但受损位置和程度并不完全一样。3 D P R-1 0 0试件多在R C A剥落处出现延伸的破损,R C A剥落后留下的坑洞的扩展。而3 D P R-5 0试件出现的新生孔洞明显多于3 D P R-1 0 0,且多出现在N C A附近,这是由于N C A界面过渡区更加密实,试件原有的水分子运动途径不够使得冻融侵蚀不得不开辟新的路径。2.1.2 冻融后质量损失分析对完成设定冻融循环次数的棱柱体试件,擦去表面的水分后称重,试件的质量损失率按式(1)进行计算:Wn=G0-GnG01 0 0%(1)30070刘 超 等:3 D打印再生粗骨料混凝土抗冻性能试验研究式中:Wn为冻融循环n次后混凝土试件的质量损失率,%;G0为冻融循环前混凝土试件的质量,g;Gn为n次冻融循环后混凝土试件的质量,g。图4 3 D打印再生混凝土冻融循环后试件表面形态F i g.4S u r f a c em o r p h o l o g yo f r e c l a i m e dc o n c r e t ea f t e r f r e e z e-t h a wc y c l e i sp r i n t e db y3 Dp r i n t i n g 对完成预计冻融循环的试件,取每组3个试件擦去表面的水分后称重计算每组试件的质量损失率,绘制质量变化曲线如图5所示。由图5可知,随冻融循环次数的增加,不同组掺R C A的混凝土试件的质量损失率均逐渐增大,掺N C A的混凝土质量损失率并没有明显变化。在2 0 0次冻融循环后,混凝土试块质量变化不大,并且质量损失率会有少量负值的情况,冻融循环达到2 5 0次之后掺R C A的试件质量都有明显的降低。随着冻融次数的增加,质量损失率逐渐增长,6 0 0次 冻 融 循 环 后3 D打 印 组 最 大 质 量 损 失 率 为3 D P R-5 0的1.6 8%,铸模组最大损失率为C R-1 0 0的0.8 8%,远没有到规定的5%。由此可见,本研究六组试件具有一定的抗冻性能。整体来看,铸模组试件质量损失率随R C A掺料的增加而变大,R C A主要由破碎的骨料和固化的混凝土砂浆组成,这些材料的孔隙率大于天然材料的孔隙率。同时由于在冻融循环过程中受到渗透压力和冻胀的共同作用,再生粗骨料内部界面中新老砂浆结合面相对薄弱更易发生冻融破坏。3 D组试件3 D P-N在6 0 0次冻融循环后质量损失为-0.2 3%,是因为N C A和水泥浆体界面过渡区性能良好,且浆体经挤压密实度更高,所以在冻融循环后的质量损失表现良好。3 D P R-5 0 R质量损失率大于3 D P R-1 0 0 R,这是由于3 D打印的层间孔隙为孔隙水结冰后膨胀提供了空间,降低了孔隙水压力,而R C A的掺入使得水分子有更多的路径运动到层间孔隙膨胀,因此相同冻融循环次数下3 D P R-1 0 0试件的质量损失情况小于3 D P R-5 0。图5(a)3 D打印混凝土质量损失率与冻融循环次数的关系曲线,(b)铸模混凝土质量损失率与冻融循环次数的关系曲线F i g.5(a)M a s s l o s s r a t eo f 3 Dp r i n t e dc o n c r e t ev e r s u s t h en u m b e ro f f r e e z e-t h a wc y c l e s,(b)M a s s l o s s r a t eo fc a s t c o n c r e t ev e r s u s t h en u m b e ro f f r e e z e-t h a wc y c l e s2.1.3 冻融后动弹性模量损失分析相对动弹性模量可以表示混凝土试件的内部密实程度,进而反映试件的损伤变化。对完成冻融循环次数的棱柱体试件擦去表面的水分,进行动弹性模量试验,动弹性模量损失率按式(2)计算:En=E0-EnE01 0 0%(2)式中:En为n次冻融循环后混凝土动弹性模量损失400702 0 2 3年第7期(5 4)卷率,%;E0为冻融循环前混凝土试件的动弹性模量,MP a;En为n次冻融循环后混凝土试件的动弹性模量,MP a。取不同冻融循环次数下3个试件的平均值,绘制动弹性模量损失率图,见图6。由图6可知,铸模组和3 D组试件在前1 5 0次冻融循环后,动弹模量都有少量增加。1 5 0次冻融循环后,随着冻融循环次数的增加,C R-1 0 0,3 D P R-5 0和3 D P R-1 0 0试件动弹性模量损失率逐渐增大,C-N,C R-5 0和3 D P-N动弹性模量损失率变化不大。铸模组试件R C A掺量越大动弹模量损失越大,而3 D组中R C A掺量为5 0%的试件动弹模量损失率大于R C A掺料为1 0 0%的试件。六组试件在经历6 0 0次 冻融循环后 相对动弹模 量损失率最大 为2 6%远低于规范规定的4 0%,说明本次试验的六组试件具备较好的抗冻性能。对于传统铸模混凝土试件,R C A的掺入意味着试件内部脆弱的界面过渡区增多,冻融破坏作用于R C A界面过渡区的孔隙和微裂纹使之扩大,从而降低试件密实度,动弹模量损失率随着再生骨料掺量逐渐增大。而对于3 D P R A C试件,再生骨料的孔隙和微小裂缝提供给水分子进入打印堆叠空腔的途径,3 D P R-5 0试件由于R C A提供的水分子通道数量不足需要开辟新的运动途径导致试件密实度降低,动弹模量损失率大于3 D P R-1 0 0。图6(a)3 D打印混凝土动弹性模量损失率与冻融循环次数关系曲线,(b)铸模混凝土动弹性模量损失率与冻融循环次数关系曲线F i g.6(a)3 Dp r i n t e dc o n c r e t ed y n a m i c e l a s t i cm o d u l u s l o s s r a t ev e r s u sn u m b e r o f f r e e z e-t h a wc y c l e s,(b)C a s tc o n c r e t ed y n a m i ce l a s t i cm o d u l u s l o s s r a t ev e r s u sn u m b e ro f f r e e z e-t h a wc y c l e s2.2 微观结构观察图7是通过S EM放大2 6倍观测得到的3 D P R A C试件的新老砂浆和砂浆-骨料界面过渡区。R C A中的老砂浆含有大量孔隙,松散的微观结构是再生混凝土耐久性较差的重要原因。由图可知,经打印喷头挤压的新砂浆密实程度大于老砂浆。这会导致冻融循环初期3 D打印混凝土在浸泡时内部孔隙水数量远少于传统铸模混凝土,这也是3 D P-N试件抗冻性能良好的原因之一。此外,R C A中老砂浆块附着新砂浆的部分由于老砂浆表面粗糙程度远大于骨料,新砂浆与老砂浆粘结程度优于新砂浆和骨料。由于R C A经过物理破碎,在R C A老水泥浆体内部以及浆体和骨料之间出现了微裂纹,这也会导致打印材料出现缺陷。R C A的掺入会导致骨料中的多孔结构也增加。2.3 3 D打印再生混凝土冻融损伤模型2.3.1 动弹模量损伤衰减模型混凝土结构从养护结束投入使用到结构破坏无法达到预定的性能是一种衰败的过程,而冻融循环只是加速了这个过程的发生。刘崇熙等1 9给混凝土衰败过程作出了理论描述并提出了混凝土理论损伤模型:图7 3 D打印再生混凝土新老砂浆和骨料界面过渡区F i g.73 Dp r i n t i n gr e c l a i m e dc o n c r e t en e wo l dm o r t a ra n da g g r e g a t e i n t e r f a c e t r a n s i t i o nz o n eDA=1-AnA0=1-e-n(3)式中:DA为混凝土冻融循环后的损伤量;A0为初始量(如动弹模量为E0);An为n次循环后混凝土初始量变化的量;n为冻融循环次数;为损失系数由材料组成和结构决定。3 D打印混凝土具有区别于铸模混凝土的孔隙结构,这势必会导致3 D P R A C材料的损失系数不同于R A C。冻融循环后混凝土宏观性能的劣化是由混凝土50070刘 超 等:3 D打印再生粗骨料混凝土抗冻性能试验研究内部孔隙结构损伤累积所致,而动弹模量的损失可以反应3 D P R A C内部损伤状态,刘化威等2 0研究表明3 D打印混凝土的孔隙除了一部分为挤出过程中因空气在打印材料内部滞留形成的原生孔隙缺陷外,另一部分为堆叠打印过程中形成于打印条界面的大体积夹带孔隙缺陷,且3 D P R-5 0和3 D P R-1 0 0孔隙率高于各自铸模试件的3 3.9 3%和4 2.8 6%。基于此,结合文中试验所得动弹模量损失数据分析,对上述混凝土理论损伤模型进行优化,建立如下式(4)3 D P R A C动弹模量损伤模型:DE=1-EnE0=Ae-nB+y0(4)式中:DE为混凝土冻融循环后的动弹模量损伤量;E0为初始动弹模量;En为n次循环后混凝土动弹模量;n为冻融循环次数;A、B为损失系数由材料组成和结构决定。y0为3 D打印影响系数。用 本 次 实 验 数 据 对 其 进 行 拟 合,可 以 得 到3 D P R A C的拟合曲线,同时可以得到动弹性模量损失系数和3 D打印影响系数(表4)。表4 质量损失衰减系数和相关系数T a b l e4M a s s l o s sa t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n t sa n dc o r r e-l a t i o nc o e f f i c i e n t sS p e c i m e nN o.y0ABC o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t3 D P-N-1.9 8 9 3 72.2 2 0 0 14 9 8.2 0 60.6 1 2 2 23 D P R-5 0-1.6 6 5 7 80.2 8 7 7 1-1 8 6.2 2 60.9 4 4 0 73 D P R-1 0 0-0.8 9 4 1 90.0 0 1 9 1-8 3.8 3 20.8 4 0 5 5 按该模型得到3 D P R-5 0试件的拟合曲线,并与本次试验动弹模量损失量进行对比,见图8。由图8可见,本研究的数据点散布在拟合曲线的附近。其中y0为截距,可以解释为该试件抵挡冻融循环的缓冲系数,由3 D打印再生混凝土试件孔隙结构决定,y0与该打印材料的建造性能有关。依据表4得到y0随R C A变化为:y0=8.9 61 0-5R C A2+0.0 0 2R C A-1.9 9(5)A B为3 D打印材料在冻融循环过程中劣化的损伤系数,A B分别随R C A变化为:A=3.2 91 0-4R C A2-0.0 5 5R C A+2.2 2(6)B=0.1 6R C A2-2 1.5 6R C A1+4 9 8.2 1(7)2.3.2 质量损伤衰减模型由图5可知,3 D P R A C质量损失率随着冻融循环周期的不断增加呈先降低再升高的趋势,3 D P R A C由于打印成型后切割导致骨料裸露在外部,这与传统浇筑的混凝土相比缺少了试件表面的水泥基保护层,冻融循环直接作用在R C A过渡区,这导致冻融循环后3 D P R A C的剥落远大于R A C,这也是影响3 D P R A C质量损失率的主要因素之一,根据试验数据及两者的关系建立3 D P R A C质量衰减损伤模型。图8 动弹模量损伤量拟合F i g.8D y n a m i cm o d u l u sd a m a g e f i t t i n gDW=1-WnW0=a(1-e-n)(8)式中:DW为混凝土冻融循环后的质量损伤量;W0为初始质量;Wn为n次循环后混凝土质量;n为冻融循环次数;为损失系数由材料组成和结构决定。a为3 D打印影响系数。用 本 次 试 验 数 据 对 其 进 行 拟 合,可 以 得 到3 D P R A C的拟合曲线,同时可以得到质量损失系数和3 D打印影响系数(表5)。表5 质量损失系数和相关系数T a b l e5M a s sl o s sc o e f f i c i e n t sa n dc o r r e l a t i o nc o e f f i-c i e n t sS p e c i m e nN o.aC o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t3 D P-N-0.3 0 2 7 70.0 0 2 5 30.8 7 3 0 23 D P R-5 0-0.4 1 1 9 3-0.0 0 2 9 20.9 5 0 1 63 D P R-1 0 0-0.3 8 5 0 8-0.0 0 2 1 10.9 1 7 7 0图9 质量损伤量拟合F i g.9M a s sd a m a g eq u a n t i t yf i t t i n g按该模型得到3 D P R-5 0试件的拟合曲线,并与本次试验质量损失量进行对比,见图9。由图9可见,本研究的数据点散布在拟合曲线的附近。其中a为3 D打印影响系数,依据a可以看出再生骨料的掺入提升了3 D打印混凝土的建造性能。其中a随R C A的变化规律为:a=2.7 21 0-5R C A2-0.0 0 3 5R C A-0.3(9)600702 0 2 3年第7期(5 4)卷为损失系数由也可见3组试件抗冻性能3 D P-N 3 D P R-1 0 0 3 D P R-5 0,随R C A掺量的变化规律为:=1.2 5 21 0-6R C A2-1.7 11 0-4R C A+0.0 0 2 5(1 0)2.4 3 D P R A C冻融破坏机理分析由于3 D打印混凝土逐层堆叠的建造方式,使得3 D P R A C孔隙缺陷具有区域集中分布的特点。除了由空气在打印材料内部滞留形成的原生孔隙外,更多的是打印层间夹带的大于1 0mm3孔隙缺陷2 0-2 1。层间大体积孔隙缺陷经过物理沉淀挤压呈现椭球状且多集中于试件内部,而靠近试件外边缘多为混凝土原生孔隙(如图1 0)。图1 0 3 D P R A C孔隙区域集中分布图F i g.1 03 D P R A Cp o r ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o nm a p图1 1(a)3 D P R A C孔隙劣化示意图,(b)3 D P R A C冻融损伤劣化机理示意图F i g.1 1(a)S c h e m a t i cd i a g r a mo f3 D P R A Cp o r ed e g r a d a t i o n,(b)S c h e m a t i cd i a g r a mo f3 D P R A Cf r e e z e-t h a wd a m a g ed e g r a d a t i o nm e c h a n i s m 3 D P R A C内部的孔隙结构直接影响了其抗冻性能。根据P o w e s提出的渗透压理论2 2,孔隙水中的冰点与孔隙大小有关,孔径越小冰点越高。在冻融循环开始时,3 D P R A C中靠近试件边缘的原生孔隙吸水饱70070刘 超 等:3 D打印再生粗骨料混凝土抗冻性能试验研究和(图1 1(b)-2)。冻融循环早期,3 D P R A C原生孔隙与R C A过渡区通道可以满足孔隙水运动需求,冻胀破坏作用并不明显(图1 1(b)-3)。随着冻融循环次数的增加,水分运动通道增加,水泥水化产物开始增多,3 D P R A C内部产生裂缝逐渐扩展连通,原生孔隙在静水压力下不断扩展(1 1(a)-1),过渡区受到冻胀破坏(图1 1(b)-4)。冻融循环达到一定次数时,温度的降低使得孔隙形成泵吸效应,水分由试件边缘原生孔隙和外部R C A过渡区开始向3 D P R A C内部椭球状层间夹带孔隙运动,在此过程中打印层间夹带的大体积孔隙中部分孔隙水先结冰,导致孔隙液中的剩余溶液中N a+、K+及C a2+等离子浓度上升2 3,与周围未结冰原生孔隙中溶液形成浓度差,从而原生孔隙和过渡区中水向打印层间大体积孔隙缺陷中迁移(图1 1(b)-5)。但由于层间夹带孔体积较大2 0,给水结冰提供了空间,同时也给水迁移所带来的渗透压力和静水压力提供了更好的缓冲区(图1 1(b)-6),随着温度升高,层间夹带孔隙水解冻,原生孔隙和层间夹带的大体积孔隙逐渐吸水饱和(图1 1(b)-7)。冻融循环次数再次增加,层间椭球状孔隙逐渐由于正负水温交替形成的渗透压力和静水压力不断扩展(1 1(a)-2),导致混凝土发生冻胀破坏(图1 1(b)-8)。层间夹带的孔隙缺陷受力大于原生孔隙,3 D P R A C由于受力不均产生不同程度破坏。3 结 论(1)冻融循环前2 0 0次,3 D P R A C与3 D P NA C抗冻性能相差不大,冻融循环2 0 0次后,3 D P R A C抗冻性能开始表现明显劣势,随着冻融循环次数逐渐增加至6 0 0次,3 D P R A C抗冻性能的劣势越来越显著。且R A C抗 冻 性 能 随 着R C A掺 量 的 增 加 而 劣 化,但3 D P R-1 0 0的抗冻性能明显优于3 D P R-5 0。(2)对3 D P R A C试件进行电镜扫描后发现,经打印喷头挤压的水泥浆体密实程度大于普通混凝土,老砂浆孔洞数量明显多于经打印喷头挤出的新砂浆。(3)基于逐层堆叠建造方式及孔隙分布的特点,提出了3 D P R A C孔 隙 区 域 集 中 分 布 模 型,揭 示 了3 D P R A C冻融损伤劣化机理。分别以质量损失和动弹模量为损伤变量建立冻融损伤模型,能较好地反映3 D P R A C后耐久性能的变化规律和损伤程度。(4)再生骨料在3 D打印混凝土中的应用有助于推动3 D打印混凝土技术在建筑工程领域的可持续绿色发展。参考文献:1 M a r c h m e n tT,S a n j a y a nJ.M e s hr e i n f o r c i n gm e t h o df o 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