纤维增强水泥基复合材料的3D打印性能研究

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建筑3D打印作为一种近年来发展迅速的施工工艺,在建造时无需使用模板,施工简便,节省人力物力,同时施工现场噪声低、污染小,具有绿色、环保等优势,受到了各方的广泛关注。但建筑3D打印材料的选用要比传统施工更加严苛,3D打印材料的发展是3D打印技术成熟的关键因素,然而现阶段水泥基材料可打印性的表征方式没有明确权威的标准。本文为探讨建筑3D打印水泥基材料的打印性能及表征方式,主要进行了以下研究:(1)以掺有PVA、PP、POM三种不同种类聚合物纤维的水泥基复合材料作为研究对象,以50%、66%、75%的粉煤灰等量替代水泥进行流动度、稠度、凝结时间、抗压强度、抗折强度和极限延伸率试验。试验结果表明:在不同粉煤灰掺量的情况下,掺PP纤维的水泥基材料流动度和稠度结果最佳;掺POM纤维的水泥基材料凝结时间最短、抗压强度最大;掺PVA纤维的水泥基材料极限延伸率和抗折强度最大。(2)通过正交试验设计,采用极差分析方法研究了水胶比、砂胶比、硫铝酸盐水泥掺量、粉煤灰掺量、纤维掺量、减水剂掺量和纤维素醚掺量对掺石灰石粉的PP纤维增强水泥基复合材料流动度、稠度、凝结时间、抗压强度、极限抗拉强度的影响程度及其规律。结果表明:水胶比对流动度、稠度、凝结时间和抗压强度的影响最大,纤维掺量对抗拉强度的影响最大。结合建筑3D打印的可打印性要求和试验结果分析,得出影响建筑3D打印可打印性的最显著因素是水胶比。(3)设计研究出一款测试建筑3D打印可挤出性的装置,对所有正交试验组进行变速可挤出性试验,挤出速度分别设置为200mm/min和400mm/min,经过数据处理绘制出挤出力-位移曲线(F-L曲线)。结果表明:同一试验组在400mm/min速度下的挤出力明显大于200mm/min,但曲线整体形势变化相似。同时,400mm/min挤出速度的曲线后期斜率增长大于200mm/min。之后根据挤出试验结果将图像划分为三个主要区域,启动建筑3D打印机进行可打印性验证,结果得到具备建筑3D打印可打印性的图像区间和流动度、稠度区间。最后改变石灰石粉的掺量,再次进行可挤出性试验、3D打印试验和流动度、稠度试验。通过试验结果,结合流动度和稠度侧面表征可打印性,得到10%~15%的石灰石粉等量代替普通硅酸盐水泥可配置工作性良好的3D打印材料。
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