干燥环境对3D打印混凝土的力学性能、内部相对湿度和孔隙结构的影响

来源：智慧土木

3D打印混凝土是一种新型的、无需模板的施工技术，通过喷嘴挤压可打印材料，并逐层堆叠。与传统混凝土浇筑相比，打印混凝土具有自动化程度高、施工安全性好、节省时间、减少模板、降低人工成本等众多优点。然而，在没有模板保护的情况下，3DPC在打印过程中和沉积后会失去水分。低相对湿度（RH）、高风速等环境因素下会加剧混凝土表面的水分蒸发。由于3DPC暴露面积大，内部水分更容易向外移动，这阻碍了水泥的水化反应，导致水化产物不足，无法充填孔隙。

研究出发点

已有研究发现，干燥环境会影响3DPC力学性能的发展。但3DPC在干燥条件下的力学性能变化规律研究较少，同时，很少有研究从早期打印刚完成时就开始进行环境控制。此外，干燥和风对3DPC力学性能各向异性的影响还尚不清楚。

研究内容

本研究旨在表征从打印试件上切割下来的试样在相对湿度、风和暴露环境影响下的力学性能，研究了干燥(RH=60%±5%)、风(3m/s)和暴露面积对3DPC在20℃±5℃时力学性能的影响。此外，利用湿度传感器测量内部相对湿度的变化，利用x射线计算机层析成像评价孔隙分布。将这些力学性能与相同养护条件下的浇筑试样进行了比较。同时，为验证养护条件和制备方法对混凝土力学性能的影响，对混凝土内部相对湿度和孔隙结构进行了表征。

图1 试件加载:（a）抗折；（b）抗压；（c）劈裂抗拉

图2 采集内部相对湿度的传感器位置

图3 养护条件对打印和浇筑试样抗压强度的影响。X、Y、Z为3DPC的加载方向

图4  养护条件对打印和浇筑试样抗折强度的影响。X、Y、Z为3DPC的加载方向

图5 不同养护条件下，试样在距上表面10 mm、20 mm和30 mm深度处内部相对湿度随时间的变化规律

图6 制备方法对X-CT重构混凝土孔隙结构的影响:（a）打印试样；（b）浇筑试样

图7 孔隙连通性（a)打印试样；（b）浇筑试样

主要结论

1.打印试样在干燥条件下的强度明显低于在标准条件下养护的试样(RH >95%)。相对湿度为60%±5%时，抗弯、抗压强度降低20% ~ 30%。风速（风速=3 m/s）进一步减缓了强度的发展，在干燥和风养护条件下，抗弯、抗压强度降低了30%以上。然而，干燥和风养护条件对劈裂抗拉强度的影响较小，因此，养护条件对3DPC内部的影响不明显。
2.在干燥条件下（RH = 60%±5%），内部相对湿度随时间减小，风速（风速= 3 m/s, RH = 60%±5%）进一步加剧了内部相对湿度的降低，特定龄期的力学性能与3DPC内部相对湿度呈线性相关。
3.在较低的相对湿度、较高的暴露面积、风等养护条件下，对3DPC各向异性的影响并不显著，这是因为决定3DPC各向异性的主要因素是打印条层间的性能，而养护条件对打印条层间的影响并不显著。
4.与浇筑的试样相比，打印试件上切割试样的强度对环境更加敏感。主要原因与制造工艺有关。一方面，层状物挤压沉积后，打印试样的孔隙形状趋于拉长；此外，无振动过程导致直径大于0.1 mm的孔隙数量增加，孔隙连通性增强。

来自东南大学材料科学与工程学院的张亚梅课题组负责这项研究，并在《Construction and Building Materials》期刊上发表了题为“Effect of drying environment on mechanical properties, internal RH and pore structure of 3D printed concrete”的论文。

相关论文链接：https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.125731