再生木粉对3D打印砂浆流变性能的影响.pdf

2023年8 月再生木粉对3 D打印砂浆流变性能的影响陈明旭1姜辉杨润忠3（1.青岛农业大学建筑工程学院，山东青岛2 6 6 10 9;2.烟台市市场监督管理局，山东烟台2 6 40 0 0;3.山东省产品质量检验研究院，山东济南2 5 0 0 0 0）摘要：由于流变性能的难以调控,3 D打印结构通常会在打印层间产生缺陷。本文通过研究再生木粉对3 D打印砂浆流变性能的影响，确定再生木粉的最佳掺量。研究表明,随着再生木粉掺量的增加,3 D打印砂浆的初凝和终凝时间都逐渐延长。此外，当再生木粉掺量达到1%时，动态屈服应力由148 Pa增长到289Pa，塑性粘度由5.0 7 Pas增长到7.6 3 Pas，浆体屈服应力由7 3 9 Pa增长到13 2 7 Pa，可实现3 D打印砂浆流变性能的调控。关键词：3 D打印；流变性能；再生木粉；屈服应力；塑性粘度0引言3D打印作为一种高效、绿色的智能制造技术，已逐渐应用在建筑领域 1-2 。对于水泥基材料来说，3D打印是一个长时间连续的过程，受到水泥水化作用的影响，打印浆体的状态始终处于动态变化中并显著影响浆体的流变性能 3-4。对于3 D打印砂浆/混凝土来说，较低的粘度和屈服应力有利于浆体的挤出或泵送，而较高的粘度和屈服应力有利于浆体的堆积和结构建立 5 。再生木粉是废弃木材经过预处理后得到的粉末状固体废弃物，其表面粗糙且吸水率较高，掺人到砂浆/混凝土中会造成工作性能变差和力学性能的严重下降，不利于再生木粉的推广应用。然而，这种材料特性却极适用于调控3 D打印材料的流变性能，进而稳定3 D打印结构。基于此，本文拟从建立流变性能优越3 D打印砂浆体系的角度出发，研究再生木粉对3 D编号水泥11002100310041001.3测试方法实验中所有的流变性能都是通过流变仪（H A A K E Ma r s 40）进行测试的，其中动态屈服性能采用了变剪切速率调控。首先，浆体以2 0 s-1的剪切速率预剪切6 0 s，然后静置12 0 s，通过施加0 5 0 s-1理论视角文章编号：2 0 9 5-40 8 5(2 0 2 3)0 8-0 18 3-0 3打印砂浆动态和静态流变性能的影响，以期为再生木粉在砂浆中的应用提供借鉴和思考。1实验1.1原原材料水泥：42.5 级硫铝酸盐水泥，初凝和终凝时间为3 1min和42 min。再生木粉：密度为1.6 1kg/m，含水率为1.9%，粒度范围为2 0 1 0 0 0 m。石英砂：密度为2.5 6 kg/m，粒度范围为0.5 500m。外加剂：聚羧酸减水剂，减水率3 0%；酒石酸缓凝剂；羟丙基甲基纤维素醚增稠剂，粘度7 5 0 0 0 Pas。1.2实验方案设计本实验以硫铝酸盐水泥为胶凝材料，以石英砂为细骨料，掺人一定的外加剂，研究再生木粉对3 D打印砂浆流变性能的影响，其详细配合比如表1所示。表13 D打印砂浆配合比石英砂再生木粉500500.5501502%减水剂缓凝剂0.30.20.30.20.30.20.30.2变剪切速率，测试浆体的动态屈服性能。对剪切应力曲线进行Bingham模型拟合得到动态屈服应力和塑性粘度，剪切速率拟合范围为5 45 s。采用较低剪切速率来测试浆体的静态屈服心梗，首先，以2 0 s的剪切速率预剪12 0 s，静置10 min，.183增稠剂0.30.30.30.3水35353535理论视角然后以0.1s的较低剪切速率测试剪切应力变化并持续6 0 s。剪切应力曲线的最大值为静态屈服应力。2实验结果与分析2.1澳凝结时间3D打印技术要求浆体具备较快的凝结硬化速率（即较短凝结时间）来保证浆体堆积过程的稳定性，但是又需要具备较长的凝结时间来保证浆体的挤出和连续性，浆体的凝结时间对打印结构的建立具有显著的影响。表2 为再生木粉对3 D打印砂浆凝结时间的影响，可以看出，随着再生木粉掺量的增加，3 D打印砂浆的初凝和终凝时间都有所增加。当再生木粉掺量提高到2%时，3 D打印砂浆的初凝和终凝时间由21min和3 2 min增加至3 8 min和44min。这说明再生木粉的掺入能够保证3 D打印砂浆的挤出和连续性能。表2 再生木粉对3 D打印砂浆凝结时间的影响再生木粉掺量/%0初凝时间/min21终凝时间/min322.2动态屈服性能打印浆体经过泵送到挤出喷嘴时，其流动状态与CREATELIVING流动所需的最小应力。从图2 可以看出，随着再生木粉掺量的增加，动态屈服应力和塑性粘度都呈现出明显的增长趋势。当木粉掺量达到1%时，动态屈服应力由148 Pa增长到2 8 9 Pa，塑性粘度由5.0 7 Pas增长到7.6 3 Pas。因此，较高的木粉掺量不利于3 D打印砂浆的可泵性和可挤出性，这就要求对挤出系统的挤出速率和泵送压力进行动态调整。Ref.600-m0.5%1%4002.00图1享剪切速率下再生木粉掺量0.5124323645102384420Shear rate(1/s)对3 D打印砂浆剪切应力的影响10300-Dynamie yield stresswar-Plastic viscosity2503040508动态屈服性能息息相关。剪切速率下再生木粉掺量对2003D打印砂浆剪切应力的影响（如图1所示），可以看出，随着剪切速率的增大，剪切应力也逐渐增大。在相同剪切速率下，剪切应力随着再生木粉的掺量先增大后减小。这是因为再生木粉较高的吸水率能够降低3D打印砂浆中自由水的含量，从而增加内摩擦力，造成剪切应力的增加。但是，当再生木粉掺量过高时会造成浆体分散性较差，颗粒团聚严重，进而降低剪切应力。3D打印要求打印浆体具备较低的动态屈服性能，其对3 D打印结构的建立至关重要，对3 D打印砂浆的可泵性和可挤出性具有显著影响。通过对剪切应力曲线进行Bingham模型拟合，可以得到不同再生木粉掺量下的动态屈服应力和塑性粘度（如图2 所示）。塑性粘度表示水泥浆体在静止状态下对胶凝体系破坏的难易程度，而屈服应力表示能够驱动胶凝材料浆体1841500.0图2 再生木粉掺量对3 D打印砂浆动态屈服应力和塑性粘度的影响2.3静态屈服性能3D打印堆叠过程对打印结构的稳定性和制品性能的改善起着至关重要的影响。通常采用静态屈服应力来评估3 D打印浆体在堆叠过程中的可构建性。图3为不同再生木粉掺量下3 D打印砂浆剪切应力随时间的变化，可以看出，浆体剪切应力先急剧增大，然后逐渐减小，最后逐渐稳定。这是因为硫铝酸盐水泥与水接触后就会产生大量絮凝结构，可以抵抗剪切过程中的变形，在絮凝结构未被破坏前，剪切应力随时0.5Recycled wood powdercontent(%)1.01.52.0理论视角间逐渐增大，而当絮凝结构被破坏时，剪切应力随时砂浆的挤出和连续性能。间逐渐降低并逐渐保持稳定。同时，随着再生木粉掺(2)再生木粉较高的吸水率能够显著影响3 D量的增加，剪切应力也是逐渐增加，这是因为再生木打印砂浆的流变性能，当再生木粉掺量达到1%时，粉掺量较高的吸水率会导致水泥水化产物之间的结合动态屈服应力由148 Pa增长到2 8 9 Pa，塑性粘度由力逐渐增大，产生较高的剪切应力。一旦在剪应力超5.07Pas增长到7.6 3 Pas，浆体屈服应力由7 3 9 Pa过某一临界值，浆体就会开始流动，这一临界剪应力增长到13 2 7 Pa，可实现3 D打印砂浆流变性能的可称为静态屈服应力。随着再生木粉掺量的增加，静调控。态屈服应力逐渐增加（如图4所示）。当木粉掺量达参考文献：到1%时，浆体屈服应力由7 3 9 Pa增长到13 2 7 Pa。因此，较高的木粉掺量能够显著提高3 D打印浆体的静态屈服应力，这有利于3 D打印结构的建立。1500+Ref.1200-1%(ed)ssausanaus900600300-0图3 不同再生木粉掺量下3D打印砂浆剪切应力随时间的变化1500-Staticyield stress12009001张超，邓智聪，汪智斌，等纤维对3 D打印混凝土打印性能与力学性能的影响J.硅酸盐通报，2021,40(6):1870-1878.2赵宇，武喜凯，朱伶俐，等碳纳米管对3 D打印混凝土流变性能及力学性能的影响J材料导报，2023,37(6):109-114.3 MK Mohan,A Rahul,G De Schutter,K Van Tittel-boom.Extrusion-based concrete 3D printing from a mate-rial perspective:A state-of-the-art review J.Cement1020Time(s)304050and Concrete Composites,2021,（115):10 3 8 5 5.4徐嘉宾，赵智慧，陈明旭，芦令超石粉对3 D打印白水泥基材料流变性能与力学性能的影响J中国建材科技，2 0 2 1，3 0（3）：9 3-9 7.5 C H E N M,L I H,Y A N G L,WA N G S,Z H A O P,HUANG Y,LU L,YUE G,LI Q.Rheology and shapestability control of 3D printed calcium sulphoaluminate ce-ment composites containing paper milling sludge.Addi-tive Manufacturing，2 0 2 2,(5 4):10 2 7 8 1.6000.0对3 D打印砂浆静态屈服应力的影响3结语(1)再生木粉的掺入能够显著增加3 D打印砂浆初凝和终凝时间。当再生木粉掺量提高至2%时，3 D打印砂浆的初凝和终凝时间由2 1和3 2 min增长至3 8和44min。这说明再生木粉的掺人能够保证3 D打印0.5Recycled wood powdercontent(%)图4再生木粉掺量1.01.52.0.185