养护条件对3D打印水泥砂浆收缩和力学性能的影响分析

养护条件对3D打印水泥砂浆收缩和力学性能的影响分析

胡苏楠 

山东省商务发展研究院  山东省济南市 250001

摘要：混凝土3D打印技术能利用增材制造原理对混凝土建筑物实施分层打印。此技术优点除高效快捷与节约环保外，还能使成本得到下降，让传统设计的局限被打破。对将来的建筑产业来说，混凝土3D打印技术是其发展重点。本文分析养护条件给3D打印水泥砂浆造成的收缩影响与力学性能方面的影响，以望借鉴。

关键词：养护条件；3D打印水泥砂浆；力学性能

引言：现阶段，3D打印技术能运用至模具制造领域与工业设计领域，借助3D打印机让水泥基材料出现，以层层堆叠方式对三维物体进行黏合。混凝土的3D打印技术不但能快速建造建筑物，还能快速建造建筑构件，自动化程度较高。由于混凝土3D打印技术具有许多优势，此技术能在建筑领域拥有广阔应用空间。

一、养护条件给3D打印水泥砂浆力学性能方面造成的影响

（一）在覆膜养护条件下分析对力学性能的影响

将试件分别使用自然养护条件及覆膜养护条件，在养护时间达到3天之后测试各配合比试件的抗压强度，能看出试件在覆膜养护条件下拥有更好的抗压强度，在3天时间里，如果试件添加了硅灰，强度将高于没有添加硅灰的试件，和自然养护条件相比，覆膜养护条件更有利于硅灰在强度提升方面的效果发挥，原因是覆膜养护条件可加快水泥水化速度，在前期出现许多水化产物，不但能让硅灰二次水化反应拥有反应物，还能将合适养护条件供应给之后的反应[1]。

对各配合比的试件进行自然养护及覆膜养护，养护时间为28天，测试试件抗压强度，能够看出经过28天覆膜养护，试件抗压强度一直比自然养护条件下更高。当养护时间为28天，不同养护条件产生的抗压强度影响明显比养护三天产生的抗压强度影响更弱。

（二）在蒸汽养护条件下分析对力学性能的影响

对试件进行拆模处理，将其放置于蒸汽养护箱，养护箱温度为90℃，进行恒温蒸汽养护，时间是12小时、18小时和24小时，测得抗压强度与抗折强度。可知试件的抗折强度在上述养护时间中具有逐渐变强情况。将水灰比设定成0.32，不对试件进行添加硅灰操作，在蒸汽养护18小时后，试件强度增强17.74%，在蒸汽养护24小时后，试件强度增强24.19%。分别选择加硅灰5%试件、加硅灰10%试件、加硅灰15%试件，在进行蒸汽养护之后，试件抗折强度比没有对硅灰进行添加的组分更低，表明在蒸汽养护条件下，硅灰作用不能很快发挥，蒸汽养护无法对试件的抗折强度产生明显影响[2]。

在水灰比存在区别时进行不同时长的蒸汽养护，分析12、18、24小时的试件抗压强度，抗压强度在蒸汽养护时间延长时增强，且在水灰比变大情况下慢慢变小。若蒸汽养护时间是12小时，水灰比0.34试件和水灰比0.32试件的强度比例为96.3%，水灰比0.36试件和水灰比0.32试件强度比例是84.56%。若养护时间是18小时，水灰比0.34试件与0.32水灰比试件强度比例是93.13%，水灰比0.36试件与水灰比0.32试件强度比例为83.68%，若养护时间为24小时，则上述比例将发生变化，数值是97.92%与84.11%。

设定试件硅灰掺量分别是5%、10%、15%，进行蒸汽养护，时间分别是12、18、24小时，测试试件抗压强度，能发现随着硅灰掺量的增多，所有组分在蒸汽养护阶段的抗压强度都出现增多现象。若养护时间是12小时，上述配合比的试件抗压强度和没有添加硅灰试件的倍数是1.01、1.09、1.08；若蒸汽养护时间是18小时，该数值变成1.02、1.05、1.11；若蒸汽养护时间是24小时，该数值变为1.03、1.07、1.03。若蒸汽养护时间为24小时，且硅灰的掺量是10%，此条件能够显著改善试件的强度，超过5%。此外，当蒸汽养护的时间是18小时，硅灰的掺量是15%情况下，试件抗压强度出现更加明显提升[3]。

蒸汽养护能提升硅灰在水泥强度方面的改进效果，在蒸汽养护时长增加情况下，出现更多水化产物，结构会更致密，提升试件抗压强度。硅灰能对水泥浆体有害孔进行填充，在二次水化反应中出现的CSH凝胶能让结构的密实度和强度得到加强，然而添加太多硅灰将对有害孔进行引进，让砂浆强度有所下降。

二、养护条件给3D打印水泥砂浆收缩性能造成的影响

在未对硅灰进行添加情况下，研究3D打印水泥砂浆试件于自然养护条件与覆膜养护条件的收缩变化情况，养护时间为28天，能发现试件收缩情况多表现在前七天，占比为92.44%。对比覆膜及自然养护条件的收缩，能看出在覆膜养护条件下，试件出现收缩变形情况比自然养护条件的收缩变形程度更小，在养护时间达到28天后，覆膜养护的收缩值和自然养护收缩值相比有所减小，数值是2.95%。原因在于覆膜养护可将合适温度及湿度供应给水泥的水化反应，让毛细孔压力得到减小，对收缩变形进行限制。试样水化速度提升，毛细孔隙的比例变大，C-S-H微孔有所减少，让干燥收缩率得到下降。此现象成因是存在于微孔内部的水分被除掉，毛细管的张力得到施加，C-S-H颗粒填料出现重排现象。上述改变能让片材的结合出现变动，举例说明，在微孔遭到破坏后，新介孔出现，在此基础上出现新层间空间。同时受高温固化情况影响，增加化学掺合料能让C-S-H颗粒生成环节堆积密度出现变化。说明在高温固化情况下，C-S-H颗粒化学键合量出现明显增多，让C-S-H更加稳定，进而使水分损失过程的变形情况有所减弱。覆盖保鲜膜操作如图1所示

[4]。

图 1 覆盖保鲜膜

在添加适量硅灰基础上研究覆膜养护条件试件收缩情况与自然养护条件下试件收缩情况。能发现添加硅灰组分收缩情况要比没有添加硅灰组分收缩情况更加明显，还会在添加硅灰量增多情况下越来越大，此情况不受养护条件区别影响。试样会在前七天快速收缩，在养护时间超过10天后，已添加硅灰组分收缩情况发生明显增多，对28天的收缩过程来说，7天收缩能占到89.4%，原因是硅灰和水泥水化的产物出现了火山灰反应，在养护时间超过7天前提下，水泥水化产物大量出现，来到硅灰出现反应的关键阶段，原因在于硅灰具有很高活性，还具有很大细度，能对水泥浆体毛细孔进行有效填充，同时火山灰反应能让试件出现收缩增加情况。比较自然养护条件与覆膜养护条件，在同样添加硅灰情况下，覆膜养护条件的组分出现更显著的收缩情况，覆膜养护在密封情况下进行，供应优质水化条件，让火山灰反应出现。因此，和自然养护相比，覆膜养护更能让硅灰在收缩方面的促进效果发挥[5]。

结束语：文章对覆膜、自然、蒸汽养护条件给3D打印水泥砂浆在收缩与力学方面的影响进行分析，并且研究上述性质在增加硅灰条件下的变化，能发现覆膜养护可令试件强度得到提升，在试件添加硅灰之后，强度提升效果强于自然养护条件。对试件进行蒸汽养护后，24小时抗压强度和自然养护28天强度接近。

参考文献：

[1]周港明.掺风积沙建筑3D打印砂浆制备及其性能研究[D].内蒙古科技大学,2021.

[2]路兴旺.3D打印一次成型非承重墙体材料试验研究[D].沈阳工业大学,2021.

[3]殷小红.3D打印矿渣基地聚物材料的设计及其高温性能研究[D].深圳大学,2020.

[4]张洪萍.3D打印用水泥基活性粉末混凝土制备及性能研究[D]中北大学,2020.

[5]刘致远.3D打印水泥基材料流变性能调控及力学性能表征[D].中国建筑材料科学研究总院,2019.