3D打印过程中水泥浆对砂填料的渗透:分析和实验研究
混凝土和水泥基材料的3D打印工艺可以带来建筑业的建筑和结构创新。土木工程中的添加制造和数字制造方法最近已经在实验室规模上得到发展。在3D打印过程中，可以为创新和设计的建筑元素带来新的视角，其中最有趣的是选择性粘结渗透方法。通过使用3D打印机喷嘴将水泥浆选择性地涂敷在骨料填料上，并随后将水泥浆渗透到骨料层中，一层一层地构建组件。选择性浆料渗透方法的可实施性要求对产量压力流体通过多孔介质的流量进行预测。水泥浆的流变行为必须适应其渗透通过聚集体颗粒填料的多孔网络。水泥浆的足够渗透深度产生能够承受高机械应力的均匀材料。我们在本文中表明，通过这种技术制成的构件的抗压强度与水泥浆进入集料层的渗透深度直接相关；因此，本文旨在预测水泥浆在砂层中的渗透深度。已经开发了一个理论框架，提出了作为平均砂粒直径和水泥浆屈服应力函数的渗透深度评估，并通过具体渗透测量进行了实验验证。最后，我们强调，用分析模型预测渗透率是一项有效的技术，可以确保用3D打印选择性结合方法构建均匀的水泥基材料。
关键词：3D打印；选择性粘结；选择性水泥浆喷射；屈服应力；颗粒堆积
1导言
自1980年以来，数字制造领域大规模增长，许多行业如聚合物、生物技术、冶金、陶瓷等已经利用了这项技术[ 1 ]。这种颠覆性技术还没有完全转移到混凝土建筑行业。然而，最近的研究表明，混凝土数字化制造是使用模板的标准建筑技术的一个有希望的替代方案。数字制造的元件已经在实验室规模[ 2-4 ]生产出来。可以使用各种技术来制造墙壁或结构；其中研究最多的是智能动态铸造和添加剂制造技术[ 5 ]。智能动态铸造是滑动成形和数字制造的结合，非常适合建造截面变化的柱子[ 6 ]。加法制造是计算机辅助制造的一种方法，是通过连续层叠添加材料来成形工件的过程。添加剂制造使用各种各样的技术和工艺，适用于可以印刷的各种材料。这个过程通常被称为3D打印，并且可以通过挤压可成形材料或者通过颗粒床[ 4、7、8]的选择性结合来实现。
专用于混凝土的添加剂制造方法不需要模具，因此可以降低施工成本。事实上，降低成本的优势是巨大的，因为模具占混凝土结构总成本的35 - 60 % [ 6 ]；此外，它允许在人类无法工作的污染环境中建造或修复建筑物。最近的一项研究还旨在表明，3D打印可以在空间上应用，建造月球或火星上的可居住建筑[ 9 ]。
对于混凝土施工，在添加剂制造领域中使用了两种不同的技术:分别基于新鲜混凝土在开放空间中的挤出和水泥膏或水在骨料颗粒填料或水泥-骨料混合物中的射入的工艺。挤压的优点是可以快速制造大部件 [ 2、4、7 ]。这种添加剂的制造必须解决一个矛盾:混凝土必须足够的流动性以用于挤压目的[ 10 ]但是足够坚固以承受上面印刷层的重量。最近的一项研究表明，混凝土的结构构造是满足这两个条件的关键因素[ 5，11 ]。因此，可以针对材料的触变性优化层之间的时间间隙。这种优化涉及流变测量和屈服应力随时间的增加，[ 12–14 ]由于水泥浆的硅酸钙水合物( CSH )成核 [ 15 ]。
通过使用基于颗粒的方法，可倾倒材料由3D打印机喷嘴沉积，然后渗透到颗粒床中。这种方法的优点是，无需支撑结构就可以产生非常复杂的悬垂结构(见图1 )。此外，有可能达到高的分辨率和表面质量 [ 16-18 ]。对于混凝土结构，可以使用两种不同的生产工艺。所谓的选择性水泥活化包括喷洒在水泥和骨料的干混合物上的水。另一种方法，称为选择性水泥浆侵入，是水泥浆渗入骨料层的过程。使用选择性糊剂侵入法，施加的集料层必须完全被水泥浆渗透，以与下层粘结。只有当这些层完全被水泥浆填充时，才能制造出具有预期和足够机械性能的整体结构；因此，必须预测和控制水泥浆流过砂层。
图1通过选择性糊料侵入法生产的带有3D加强元件的管道
水泥浆是一种粘塑性流体，它通过颗粒填料的流动取决于它的流变行为和颗粒床的形态特性(厚度、颗粒尺寸、空隙体积分数hellip;hellip;)，如先前关于屈服应力流体注入[ 19]的研究所示。预测穿透深度是确保该过程成功的一大挑战。
因此，本文旨在提供并验证一个预测模型，预测水泥浆在选择性侵入3D打印过程中穿过颗粒床的渗透。在表明渗透深度控制了通过选择性糊剂侵入法制备的样品的力学行为之后，开发了一种理论方法，能够基于屈服应力流体达西定律的广义版本[19]预测水泥浆渗透深度。最后，对特定水泥浆进行了实验，验证了所提出的分析模型。理论模型和实验结果的比较表明，水泥浆的渗透取决于砂的堆积形态、水泥浆的屈服应力以及砂样的初始含水量。
2材料和方法
2.1材料
糊状物是普通波特兰水泥( CEM I 42，5R )、去离子水和超塑化剂( PCE )的混合物。水泥的粒度累积分布如图2所示。可以看出，水泥的平均粒径为14 lm。糊料的水灰比为0.35。通过以60 rpm混合干粉成分2分钟来制备混合物，然后在行星运动混合器中将水与水泥混合。混合阶段由两个步骤组成: 140 rpm时2分钟，280 rpm时3分钟。样品制备程序后没有发现沉淀和渗出。使用了三种不同的砂——细砂( 0.7-1.2 mm )、中砂( 1.0-2.2 mm )和粗砂( 2.0-3.2 mm )，各自的级配曲线如图3所示。注意到中值砂粒直径dagg分别为1.0、1.6和2.6 mm。就固体体积而言，砂样品的分数( us )砂填料的总空隙体积分数( 1 us )被确定为46.5 % (细砂)、45.3 % (中砂)和45.7 % (粗砂)。因此，为了简化理论模型中的进一步计算，假设平均空隙率为46 %，因为它接近所有测量值。对于渗透试验，为了评估初始砂含水量的影响，对砂进行干燥试验，含水量为0.6 %。在所有情况下，沙子首先在60℃下储存至少48 h作为干燥阶段。然后在这种状态下测试干砂样品，或者通过添加等于砂样品0.6 %的水质量(对应于砂的吸水性)来润湿干砂样品。为了让水在砂样中均匀分布，水被喷洒在置于天平上的薄砂层上，以控制由水添加引起的质量变化。
图2所用普通硅酸盐水泥的粒度分布
图3三种不同砂粒的粒度分布
2.2实验方案
2.2.1 3D打印方法
选择性糊剂侵入法用于生产51 mm高和50 mm直径的圆柱形样品。这种技术是在定制设计的半自动3D打印设置中实现的(见图4 )。干骨料沿x方向施加在平台上，然后沿z方向降低至指定的层厚hlay。在下一步中，印刷喷嘴将水泥浆局部涂抹在部件将要建造的区域。重复这两个步骤，直到打印出整个组件。带有成品部件的平台被抬起，未硬化的材料被移除。
这个过程在图5中示出。在沉积了hlay = 3 mm的集料层之后，水泥浆的应用旨在完全填充颗粒层的孔隙率。因此，施加的水泥浆的体积等于具有高度hlay的集料层中的空隙的体积(图5a )。逐层制造(见图5a中的方案)仅允许生产同质材料
图4 3D打印设置
如果集料层完全被水泥浆渗透，如果水泥浆的流变性能合适，水泥浆将完全渗入该层，最终产品应该能够抵抗机械应力。另一方面，如果水泥浆流动性不足以填充砂层的空隙率(见图5b )，3D打印材料将导致异质结构，并可能在低机械应力下失效。
印刷材料的不均匀性随着穿透深度hpen而降低。因此，水泥浆必须完全穿透集料层的深度(见图5 )。渗透率Upen可通过以下描述:
Upen =hpen /hlay (1)
并且应该是1.0，这意味着完全穿透并连接到物体的前一层。
2 . 2 . 2抗压强度测量
根据欧洲标准EN 12390-3，在没有任何固化的情况下，7天后测量印刷滚筒的抗压强度。使用最大载荷为300 kN、重复精度相对误差为1 %的压缩试验机进行试验( EN - ISO 7500-1:2015第1类)。
2 . 2 . 3流变测量
使用流变仪( Anton Paar MCR 502 )对水泥浆进行流变测量，该流变仪配有高度Hv为6 cm、半径Rv为2 cm的宽间隙结构的六叶片 (专门制造的半径Rc为4:51 cm的圆柱杯)。所有实验都在20℃的设定温度下进行。实验采用转速控制的测量方法，如表1所示。执行不同的恒定剪切速率步骤并记录扭矩。对应于剪切速率值的剪切应力是在剪切速率平稳期结束时(在120 s剪切持续时间之后)获得的恒定值。在宽间隙结构中使用这种几何形状需要根据扭矩和角速度分别计算剪切应力和剪切速率。
集料层的应用 水泥浆的应用 部分渗透异质三维印刷材料
图5选择性糊料侵入3D打印方法的方案以及渗透深度对最终产品的影响a完全穿透，b部分穿透
表1流变测量中使用的转速
|
剪切速率(s-1) |
0.2 |
0.5 |
1 |
5 |
20 |
50 |
|
时间(s) |
120 |
120 |
120 |
120 |
120 |
120 |
基于适用假设的特定方程用于计算剪应力和剪切速率[ 20 ]。此外，在Bingham假设下使用这种叶片几何形状，如[ 20 ]允许计算粘度的可靠值，如Pierre等人所示[ 21 ]。因此，这种方法被用于利用叶片几何形状来表征水泥浆的流动行为。
2 . 2 . 4渗透试验
进行了15次渗透试验的试验方案。研究了砂的三种不同粒度分布(见图3 )和两种砂含水量( 0 %和0.6 % )。使用两种具有目标屈服应力的特定水泥浆填充20和30 mm的砂填充高度。对大于最大粒径6倍的颗粒层柱进行渗透试验。漏斗形模具(由塑料瓶颈制成)位于砂包装的自由表面上
用所需量的糊状物填充的垂直管。该测试是在称重秤上进行的，该秤允许控制引入模具中的浆料的所需量(见图6 )。重要的是要注意，模具内的初始砂层由一条标记的水平线表示。穿透深度被认为等于标记水平线和胶结样品底部之间的高度差。
3穿透深度对抗压强度的影响
图7显示了三个圆柱体的横截面，这三个圆柱体由一种水泥浆和三种不同骨料尺寸的沙子制成。所施加的骨料层的高度为3毫米。用中粗骨料生产的圆柱体的横截面显示出均匀的表面，导致Upen = 1.0。然而，由细集料制成的圆柱体的横截面显示出具有集料层可见边界的不均匀表面。这是由于骨料填料的较高流动阻力导致Upenlt;1.0。
图8显示了渗透率Upe对通过选择性糊剂侵入法3D印刷滚筒抗压强度的影响。
图6顶部:将水泥浆放置在漏斗形模具中的试验装置示意图。底部:水泥浆硬化过程中的样品
图7通过用于抗压强度的3D选择性浆料渗透法生产的圆柱体的横截面
结果表明，抗压强度随着穿透比Upe的增加而增加。随着穿透比Upen的增加，层之间的连接得到改善，导致强度增加。抗压强度似乎随着层间水泥浆连接的增加而增加，因此随着渗透深度的增加而增加。应该注意的是，对于0.5的渗透率，有可能或没有良好的机械阻力。这可以解释为渗透前沿不是完全水平的(如图7所示)，并且已经可以在各层之间建立良好的连接。然而，当渗透率为gt;1时，获得最大阻力。图8所示的结果突出显示，水泥浆的渗透深度hpen必须至少等于或大于骨料层的高度可以确保整体材料的性能。因此，很明显，需要预测渗透深度hpen，以保证选择性糊料侵入方法能够获得足够的机械强度。
4分析建模方法:理论背景
渗透模型处理的是屈服应力流体在砂层中的流动。尽管在井眼内注入水泥浆或修补水泥浆方面有大量的实验工作，但很少有研究涉及这一主题。最近，雪佛兰等已经提出了达西定律，用于屈服应力流体流经多孔介质[ 19，22 ]；他们开发了一种
图8 3D印刷滚筒的抗压强度( w/ c = 0.35 )作为渗透率Upe的函数
屈服应力流体流过直径为D的粒状介质的达西定律，可以用赫歇尔-巴克利方程的形式写成。( 2 ) :
其中 是每单位长度的压降( Pa·m-1 )，V是液体速度( m·s-1 )，tau;是流体的屈服应力，k是描述流体流变行为的赫歇尔-伯克莱定律的一致性和幂律指数。系数a和b是在卡波姆凝胶上实验计算的拟合参数，已经证明不依赖于流体性质等。对于球形颗粒组件，建议a = 5.5，b = 85 [ 19 ]。这些值允许预测大范围屈服应力和流体速度下屈服应力流体的流量[ 19 ]。在我们的例子中，我们可以认为颗粒直径D等于聚集体dagg的中值直径。
有趣的是，渗透系数K没有出现在这个方程中。然而，多孔介质的流动阻力取决于颗粒填料颗粒的直径。在= 0和n = 1 (牛顿流体)的情况下，该模型符合普通达西定律和Kozeny-Carman方程( K = dagg 2/b) [23 ]。
其中K是糊状物的渗透性，K是稠度。
考虑屈服应力流体穿过多孔介质的渗透，方程( 2 )。流体会产生 (Vgt;0) 如果满足等式( 4 )中所述的条件 ( 4 ) :
值得注意的是，该模型处理的是稳态流动，必须适用于流体穿透流体不饱和砂层。例如，对压力降rP的估算做出有效的假设是非常重要的，根据[ 24、25]土壤水分渗透的Green和Ampt方程，压力降Rp的一般形式如下:
其中q是流体密度，g是重力加速度，H是液体高度，v是糊状物的初始速度，w是毛细吸力，k是由于摩
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