干燥環(huán)境對3D打印混凝土的力學性能、內部相對濕度和孔隙結構的影響

來源：智慧土木

3D打印混凝土是一種新型的、無需模板的施工技術，通過噴嘴擠壓可打印材料，并逐層堆疊。與傳統(tǒng)混凝土澆筑相比，打印混凝土具有自動化程度高、施工安全性好、節(jié)省時間、減少模板、降低人工成本等眾多優(yōu)點。然而，在沒有模板保護的情況下，3DPC在打印過程中和沉積后會失去水分。低相對濕度（RH）、高風速等環(huán)境因素下會加劇混凝土表面的水分蒸發(fā)。由于3DPC暴露面積大，內部水分更容易向外移動，這阻礙了水泥的水化反應，導致水化產(chǎn)物不足，無法充填孔隙。

研究出發(fā)點

已有研究發(fā)現(xiàn)，干燥環(huán)境會影響3DPC力學性能的發(fā)展。但3DPC在干燥條件下的力學性能變化規(guī)律研究較少，同時，很少有研究從早期打印剛完成時就開始進行環(huán)境控制。此外，干燥和風對3DPC力學性能各向異性的影響還尚不清楚。

研究內容

本研究旨在表征從打印試件上切割下來的試樣在相對濕度、風和暴露環(huán)境影響下的力學性能，研究了干燥(RH=60%±5%)、風(3m/s)和暴露面積對3DPC在20℃±5℃時力學性能的影響。此外，利用濕度傳感器測量內部相對濕度的變化，利用x射線計算機層析成像評價孔隙分布。將這些力學性能與相同養(yǎng)護條件下的澆筑試樣進行了比較。同時，為驗證養(yǎng)護條件和制備方法對混凝土力學性能的影響，對混凝土內部相對濕度和孔隙結構進行了表征。

圖1 試件加載:（a）抗折；（b）抗壓；（c）劈裂抗拉

圖2 采集內部相對濕度的傳感器位置

圖3 養(yǎng)護條件對打印和澆筑試樣抗壓強度的影響。X、Y、Z為3DPC的加載方向

圖4  養(yǎng)護條件對打印和澆筑試樣抗折強度的影響。X、Y、Z為3DPC的加載方向

圖5 不同養(yǎng)護條件下，試樣在距上表面10 mm、20 mm和30 mm深度處內部相對濕度隨時間的變化規(guī)律

圖6 制備方法對X-CT重構混凝土孔隙結構的影響:（a）打印試樣；（b）澆筑試樣

圖7 孔隙連通性（a)打印試樣；（b）澆筑試樣

主要結論

1.打印試樣在干燥條件下的強度明顯低于在標準條件下養(yǎng)護的試樣(RH >95%)。相對濕度為60%±5%時，抗彎、抗壓強度降低20% ~ 30%。風速（風速=3 m/s）進一步減緩了強度的發(fā)展，在干燥和風養(yǎng)護條件下，抗彎、抗壓強度降低了30%以上。然而，干燥和風養(yǎng)護條件對劈裂抗拉強度的影響較小，因此，養(yǎng)護條件對3DPC內部的影響不明顯。
2.在干燥條件下（RH = 60%±5%），內部相對濕度隨時間減小，風速（風速= 3 m/s, RH = 60%±5%）進一步加劇了內部相對濕度的降低，特定齡期的力學性能與3DPC內部相對濕度呈線性相關。
3.在較低的相對濕度、較高的暴露面積、風等養(yǎng)護條件下，對3DPC各向異性的影響并不顯著，這是因為決定3DPC各向異性的主要因素是打印條層間的性能，而養(yǎng)護條件對打印條層間的影響并不顯著。
4.與澆筑的試樣相比，打印試件上切割試樣的強度對環(huán)境更加敏感。主要原因與制造工藝有關。一方面，層狀物擠壓沉積后，打印試樣的孔隙形狀趨于拉長；此外，無振動過程導致直徑大于0.1 mm的孔隙數(shù)量增加，孔隙連通性增強。

來自東南大學材料科學與工程學院的張亞梅課題組負責這項研究，并在《Construction and Building Materials》期刊上發(fā)表了題為“Effect of drying environment on mechanical properties, internal RH and pore structure of 3D printed concrete”的論文。

相關論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.125731