桩基工程3D打印混凝土材料工程性质研究

田秀丰

摘要： 3D打印技术有着普通施工技术不可比拟的优势，使其得到了迅速发展。从80年代的初步了解，到90年代的熟知，3D打印技术经历了从天马行空到掀起研究热潮的历程，目前已被广泛应用于建筑领域、生物医学、艺术设计、工业生产等多个领域。本文通过开展桩基工程3D打印混凝土材料工程性质试验研究，并且通过一系列的室内试验，制备出一种适用于桩基工程3D打印的新型混凝土材料。

关键词： 桩基础；3D打印；混凝土；外加剂

1 桩基工程3D打印原理

3D打印技术又称为增材制造技术，是快速成型技术中的一种，是通过程序控制一层一层打印堆积形成的三维结构，也即遵循加法原则。从原理上来分，一般分为两类：一类是选择性沉积打印，打印机喷头挤出胶凝性或粉末性材料，再按设计轨迹逐层叠加起来（图3）；另一类是选择性黏合打印，通过黏合剂将材料黏成三维实体结构。采用这种打印机理与建筑所用材料性质是分不开的，并且此类技术工艺采用全自动、现场制造，更加快速、高效，所耗费的成本低，经过精确计算所需用的数量，可以避免材料浪费，贯彻落实十三五规划绿色发展理念，改善生态环境质量，实现建筑行业的可持续发展。

2 试验材料

2.1 水泥

本试验选用42.5R快硬硫铝酸盐水泥（和其它品种水泥相比较，具有明显的快硬、早强的特性，又有碱度低、膨胀率小，稳定快，干缩不变形的优点）。

2.2 骨料

细骨料选用粒径小于0.5mm的建筑干砂，粗骨料采用粒径2～3mm的石子。1.3外加剂减水剂和缓凝剂选用葡萄糖酸钠缓凝剂和聚羧酸减水剂。

3 试验内容

3.1 桩基3D打印混凝土的流动性控制和配比选择

本文研究目的是研發出适用于3D打印的混凝土建筑材料，因此材料本身的流动性必须能满足打印要求，否则会导致喷口处材料的凝结堵塞从而影响打印进程。基于这个要求，通过坍落度试验，对比各个不同配比下混凝土的流动性，并且通过由针孔和针筒组成的喷头来进行模拟挤出过程，从而选择出最优配比的混凝土材料。由于坍落度试验结果的离散性较大，所以该试验总共重复3次，取平均值作为试验结果。首先通过控制变量法保证砂率不变，改变水灰比，得到水灰比对流动性的影响。随后选择固定水灰比为0.39，改变砂率，得到砂率对流动性的影响。分析以上两表可知，水灰比和砂率对坍落度有较大的影响，对凝结时间影响甚微。其它因素保持不变，水灰比越大，坍落度越大；水灰比保持不变，砂率越大，坍落度先降低后增大。因此，在综合考虑了水灰比和砂率的影响之后，选定了以水灰比为0.39，砂率为0.536的混凝土配比，进行下一步材料强度测试试验。

3.2 桩基3D打印混凝土的力学强度试验

本试验主要考虑到桩基3D打印后桩身强度特性，由于研究的3D打印材料是以硅酸盐水泥和砂石组成的混凝土材料为主，此种混凝土材料在组成和配比上进行改进，旨在提高3D打印混凝土材料的抗压强度，使抗压强度指标达到预计的要求。本文开展了3D打印混凝土材料混凝土的抗压强度测定试验，通过压力试验机，测定了三组同样配比和材料组成的龄期为28d的标准混凝土试块的抗压强度。

4 结果与分析

4.1 桩基3D打印混凝土流动性与水灰比及砂率的关系特征

对坍落度数据进行分析，取平均值，得到相应的水灰比与流动性的关系，以及砂率与流动性的关系曲线。分析以上两图可知，水灰比和砂率对坍落度有很大的影响；其它因素保持不变，水灰比越大，坍落度越大，因为水过多导致整体不密实，强度降低；其它因素保持不变，砂率越大，坍落度先降低后增大，因为砂子与水泥浆组成的砂浆在粗骨料间起到润滑和辊珠作用，可以减小粗骨料间的摩擦力，所以在一定范围内，随砂率增大，混凝土流动性增大。另一方面，由于砂子的比表面积比粗骨料大，随着砂率增加，粗细骨料的总表积增大，在水泥浆用量一定的条件下，骨料表面包裹的浆量减小，润滑作用下降，使混凝土流动性降低，所以砂率超过一定范围，流动性随砂率增加而下降。

4.2 水灰比和砂率对桩基3D打印混凝土的影响

混凝土强度主要取决于水泥水化后浆体硬化的强度以及骨料与水泥浆体间黏结的黏结强度，但在拌制混凝土时，在为了获得一定的流动性条件下，一般会添加较多的水量，这就导致在混凝土拌合后，一些未参加水化反应的水分会残留在拌和物中，使得混凝土容易产生一些孔隙和细微裂缝，对其强度产生影响[1]。当水灰比越大时，残留的水量就越多，使得混凝土中孔隙和裂缝增多，导致混凝土体积增大，密度减小，强度也随之降低。然而，当水灰比过小，水量不足，混凝土拌和后流动性不足，使得拌和物过于干硬，混凝土难以振捣密实，其强度反而下降。因此，在正常水灰比范围内，选用较小的水灰比有利于提高混凝土强度，同时也不降低其流动性。混凝土砂率的选择也同样要适宜[2]。砂率过小，会导致混凝土里砂石量不足，不能保证水泥与砂石间的黏结润滑要求，降低拌和物流动性，致使混凝土出现离析和流浆现象，密实度下降，强度降低；砂率过大，砂量过多，石子量不足，会导致拌和物中水泥与石粒的机械咬合作用下降，层间剪切力下降，使得混凝土的强度下降。因此，砂率尽量选用靠近合理砂率的比例，有利于增大混凝土密实性，提高其强度。

4.3 外加剂对桩基3D打印混凝土的影响

葡萄糖酸钠缓凝剂的影响机理主要表现在以下三个方面：（1）由于其作为表面活性剂，吸附在未水化的水泥颗粒上，能够显著降低水的表面能，从而抑制水化作用，产生缓凝作用；（2）缓凝剂分子与水泥中Ca2+离子发生络合反应，生成附着在水泥颗粒表面的络合物层，产生缓凝作用；（3）缓凝剂附着在Ca（OH）2上，抑制其继续生长，产生缓凝作用。聚羧酸盐高性能减水剂的影响机理主要表现在以下两个方面：（1）水泥与水搅拌，发生水化反应，出现的絮凝状结构包裹较多拌和水，加入减水剂可以将这些水释放出来，减少用水量；（2）羧酸类分子附着在水泥颗粒表面上，产生相同符号的电荷，使得水泥分子相互排斥，最终水泥与水易于结合[3]。

5 结论：

5.1 选用42.5R快硬硫铝酸盐水泥，占比15.89%，在与其它材料进行拌和后，有利于桩基3D打印混凝土快速凝结，以便于3D打印时能快速形成所制的桩基础；桩基3D打印混凝土的强度测试结果表明，其具有较高的强度。

5.2 当材料配比中水占比6.2%，水灰比为0.39，砂和石选用粒径小于0.5mm的建筑干砂和粒径2～3mm的石子，占比分别为41.14%和35.58%时，能保证材料有较好的强度；试验选用砂率靠近合理砂率，有利于提高混凝土密实性，提高其强度；同时小粒径砂石的选择避免了打印过程中发生喷口堵塞，便于打印过程的进行。

5.3 采用葡萄糖酸钠缓凝剂，占比0.71%，有利于较好地控制拌和后的混凝土的凝结时间，避免凝结时间的不合适导致打印过程的中断产生不良的影响；采用聚羧酸减水剂，占比0.48%，能够增强材料的塑形，有利于较好地控制混凝土的流动性，能够在混凝土配比较低的情况下提供较好的流动性，从而获得较高的抗压强度，以达到所需的强度要求。

参考文献

[1]蔺喜强，张涛，霍亮，张楠，李国友，戢文占，王宝华.快硬早强混凝土3D打印施工方法及应用[J].混凝土，2018（07）：141-144+152.

[2]雷斌，马勇，熊悦辰，胡小荣.3D打印混凝土材料制备方法研究[J].混凝土，2018（02）：145-149+153.

[3]丁烈云，徐捷，覃亚伟.建筑3D打印数字建造技术研究应用综述[J].土木工程与管理学报，2015，32（03）：1-10.