干燥環(huán)境對3D打印混凝土的力學(xué)性能、內(nèi)部相對濕度和孔隙結(jié)構(gòu)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(shù)，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(shí)間、減少模板、降低人工成本等眾多優(yōu)點(diǎn)。然而，在沒有模板保護(hù)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(fēng)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(nèi)部水分更容易向外移動，這阻礙了水泥的水化反應(yīng)，導(dǎo)致水化產(chǎn)物不足，無法充填孔隙。

研究出發(fā)點(diǎn)

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

研究內(nèi)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(fēng)和暴露環(huán)境影響下的力學(xué)性能，研究了干燥(RH=60%±5%)、風(fēng)(3m/s)和暴露面積對3DPC在20℃±5℃時(shí)力學(xué)性能的影響。此外，利用濕度傳感器測量內(nèi)部相對濕度的變化，利用x射線計(jì)算機(jī)層析成像評價(jià)孔隙分布。將這些力學(xué)性能與相同養(yǎng)護(hù)條件下的澆筑試樣進(jìn)行了比較。同時(shí)，為驗(yàn)證養(yǎng)護(hù)條件和制備方法對混凝土力學(xué)性能的影響，對混凝土內(nèi)部相對濕度和孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)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(nèi)部相對濕度的傳感器位置

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

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

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

圖6 制備方法對X-CT重構(gòu)混凝土孔隙結(jié)構(gòu)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(jié)論

1.打印試樣在干燥條件下的強(qiáng)度明顯低于在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)的試樣(RH >95%)。相對濕度為60%±5%時(shí)，抗彎、抗壓強(qiáng)度降低20% ~ 30%。風(fēng)速（風(fēng)速=3 m/s）進(jìn)一步減緩了強(qiáng)度的發(fā)展，在干燥和風(fēng)養(yǎng)護(hù)條件下，抗彎、抗壓強(qiáng)度降低了30%以上。然而，干燥和風(fēng)養(yǎng)護(hù)條件對劈裂抗拉強(qiáng)度的影響較小，因此，養(yǎng)護(hù)條件對3DPC內(nèi)部的影響不明顯。
2.在干燥條件下（RH = 60%±5%），內(nèi)部相對濕度隨時(shí)間減小，風(fēng)速（風(fēng)速= 3 m/s, RH = 60%±5%）進(jìn)一步加劇了內(nèi)部相對濕度的降低，特定齡期的力學(xué)性能與3DPC內(nèi)部相對濕度呈線性相關(guān)。
3.在較低的相對濕度、較高的暴露面積、風(fēng)等養(yǎng)護(hù)條件下，對3DPC各向異性的影響并不顯著，這是因?yàn)闆Q定3DPC各向異性的主要因素是打印條層間的性能，而養(yǎng)護(hù)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(qiáng)度對環(huán)境更加敏感。主要原因與制造工藝有關(guān)。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(dǎo)致直徑大于0.1 mm的孔隙數(shù)量增加，孔隙連通性增強(qiáng)。

來自東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的張亞梅課題組負(fù)責(zé)這項(xiàng)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(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.125731