题目：耐碱玻璃纤维掺量对3D打印砂浆性能的影响研究
作者：肖博丰，李古，张广虎
单位：广东工业大学土木与交通工程学院
关键词：耐碱玻璃纤维；3D打印；打印性能；抗折强度；抗压强度
基金项目：广州市科技计划项目-珠江科技新星专题（）；国家自然科学基金-青年基金（）；广东省自然科学基金（A）
来源：硅酸盐通报,,40(6):-
固定布局工具条上设置固定宽高背景可以设置被包含可以完美对齐背景图和文字以及制作自己的模板
背
景
介
绍
玻璃纤维作为一种性能优良的无机非金属纤维材料，具有良好的绝缘性、耐热性、抗腐蚀性、经济性，被广泛应用于土木工程领域。其中，耐碱玻璃纤维得益于加入了二氧化锆等耐碱组分，能有效抵抗水泥中高碱物质的侵蚀，与水泥基材料的适配性更好。耐碱玻璃纤维的掺加，能够有效提高混凝土的劈拉强度、抗折强度和韧性，同时还可以提高混凝土的拉压比和泊松比。
随着科技的发展，3D打印已迅速深入各行各业，成为当下炙手可热的新兴技术。建筑3D打印对水泥基材料在流变性、凝结时间、强度等方面有特殊要求。而3D打印建筑由于难以配置钢筋，如何对其增强增韧也是一个亟需解决的难题。纤维材料可以显著提升新拌混凝土的粘聚性、束缚构件变形、提高强度与韧性，非常适合引入建筑3D打印水泥基材料中。
《硅酸盐通报》年第6期“3D打印无机非金属材料”专题发表广东工业大学李古副教授团队论文“耐碱玻璃纤维掺量对3D打印砂浆性能的影响研究”。论文首先介绍了耐碱玻璃纤维与水泥基材料的良好适配性及其对混凝土性能的多重影响，并从建筑3D打印对水泥基材料的特殊要求方面，引出耐碱玻璃纤维适合应用于建筑3D打印水泥基材料。其次详细介绍了试验的原材料、打印设备、配合比及试验方法。最后从打印相关性能和强度性能对试验结果分析，得到了良好打印时的砂浆流动度建议范围，以及耐碱玻璃纤维掺量对打印砂浆力学性能的影响机理。
文
章
导
读
本研究所用原材料包括水、水泥、细骨料、高效减水剂和耐碱玻璃纤维。其中：水采用广州本地自来水；水泥采用广州石井水泥公司生产的早强型普通硅酸盐水泥，标号为42.5R；细骨料为广州本地所产的最大粒径为1.18mm的河砂；高效减水剂采用巴斯夫公司的聚羧酸高效减水剂；耐碱玻璃纤维为山东泰山玻璃纤维公司提供的耐碱玻璃纤维粗纱，通过纤维切割机切割至所需长度。所用建筑3D打印机为实验室级三轴打印机，打印喷嘴为圆形喷嘴，直径为15mm，喷嘴挤出速率为mL/s，打印速度为50mm/s。
表1玻璃纤维性能参数
图1建筑3D打印机
图2打印过程
试验共制备10组砂浆。配合比中，水灰比（质量比）定为0.24和0.28，灰砂比（质量比）定为1.00。纤维掺量（纤维与水泥质量比）取0%、0.25%、0.50%、0.75%、1.00%。减水剂剂量不预先设定，而是在试配时通过跳桌试验调配，目的是确保各组砂浆均具有较好的打印性能。随后对砂浆进行跳桌试验、挤出性试验、变形性试验和可建性试验，最后对制得的砂浆试块进行抗折抗压试验。
图3挤出性试验
图4变形性试验
图5可建性试验
图63D打印砂浆试件
01
试验结果
各组的试验结果如表2所示。
表2试验结果
注：CVE为挤出性变异系数，CVB为可建性变异系数。
02
打印相关性能分析
在本研究的前期试配过程中，发现当3D打印砂浆的跳桌试验流动度不足mm时，打印过程中会表现出较干燥、打印断续，甚至出现砂浆过早硬化的情况；而如果扩展度值超过mm，又会出现打印过程中容易流浆、无法正常成型、强度不足的情况。本研究建议将3D打印砂浆的跳桌试验流动度控制在~mm的区间内。
挤出性变异系数是用来评估打印过程中喷头所挤出的砂浆质量好坏的指标。挤出性变异系数越小，说明挤出时砂浆的尺寸波动越小，挤出性越好。各组砂浆的挤出性变异系数在1.10%~4.30%之间变化，均远低于15%的统计学中规定的限值，这说明各组砂浆均具有较好的挤出性。
变形率是用来评估在打印过程中砂浆层受到上层挤压作用下变形情况的指标。变形率越小，说明砂浆抵抗变形的能力越好。如表所示，各组砂浆的变形率在0.~0.之间变化，变形率均不高，说明各组砂浆均有较好的变形抵抗能力。
可建性变异系数是用来衡量打印了一定层数后所形成的构筑体的高度是否稳定。可建性变异系数越小，说明构筑体的可建性越好。从表中可以看到，各组砂浆的可建性变异系数在0.50%~1.50%之间变化，均远低于15%的统计学限值，这表明各组砂浆均有着良好的可建性。
03
抗折强度分析
在相同纤维掺量下，水灰比较低的砂浆的抗折强度较高。该结果是合理的，因为水灰比是影响水泥基材料强度的重要因素之一，且通常降低水灰比提高材料强度。此外，在水灰比不变的情况下，可以明显看到，随着纤维掺量的增加，砂浆的抗折强度逐步提高。这充分说明，耐碱玻璃纤维的掺入，可以显著提升硬化3D打印砂浆的抗折强度。一方面，纤维掺量越高，越容易形成纤维搭接网络来抵抗拉伸荷载；另一方面，3D打印喷嘴挤出的方式，使得纤维呈现一定的定向分布（沿打印方向的分布较多，其他方向较少），纤维抵抗拉伸荷载的能力能更充分地发挥。
图73D打印砂浆抗折强度
图83D打印砂浆抗压强度
04
抗压强度分析
在相同纤维掺量下，较低水灰比的砂浆抗压强度较高。该结果的原因与抗折强度的一样，也是因为水灰比是影响水泥基材料强度的重要因素之一，且通常降低水灰比会使强度提高。但是，纤维掺量对抗压强度的影响则与抗折强度不同，在固定水灰比下，随着纤维掺量的增加，抗压强度呈现先增加后降低的规律。
耐碱玻璃纤维对砂浆抗压强度的提升存在优掺量（本研究中的优掺量为0.25%）。原因可能是：在较低纤维掺量时，纤维能够填充骨料间的空隙，提升砂浆整体性和密实性；但是当纤维较多时，会有部分纤维无法填进空隙而是会同楔子般挤开骨料（该现象称之为“楔入效应（wedgingeffect）”），致使砂浆的密实性不升反降，最终影响抗压强度。
重
要
结
论
（1）试配研究发现，3D打印砂浆的流动度在~mm之间，可以获得较为良好的打印性能。
（2）要达到预设的流动度，减水剂剂量随水灰比增加而降低，随纤维掺量增加而增加。
（3）各组砂浆的挤出性变异系数、变形率、可建性变异系数均满足要求，说明具有较好的挤出性、变形抵抗性和可建性。
（4）3D打印砂浆抗折强度与抗压强度随水灰比降低而提高。
（5）3D打印砂浆抗折强度随耐碱玻璃纤维掺量增加而提高，抗压强度增幅最多达到99.2%；3D打印砂浆抗压强度随耐碱玻璃纤维掺量增加先提升后降低，纤维优掺量在0.25%。
作者简介
李古，男，年生，香港大学博士，“珠江科技新星”获得者，任香港大学特聘副研究员（ResearchAssociate）、广东工业大学“青年百人”副教授等职。目前主要从事混凝土材料与结构的基础研究、技术开发和工程应用工作。主持/参与各类课题20余项（包括国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广州市科技计划项目、香港研究资助局项目等）。已发表学术论文余篇，包括在SCI论文51篇（第一/通讯作者34篇，中科院一区论文23篇，ESI高被引论文3篇），论文GoogleScholar引用超过次，h指数24；获授权专利15项；参编标准1项。入选广州市“珠江科技新星”等多个人才项目；获中国混凝土与水泥制品协会“混凝土科学技术奖”（排名第一）、广东省硅酸盐学会“青年科技奖”“中通钢构杯”中青年优秀论文奖、香港工程师学会“青年工程师/学者最佳论文提名奖”等多个奖项。担任国内外20余个权威组织机构的会士/委员/理事/专家/会员（包括：香港混凝土学会会士、RILEM技委会委员、FIB高级会员、ACI高级会员、中国硅酸盐学会分会委员、中国建筑学会分委会委员、中国混凝土与水泥制品协会理事单位代表人、广东省硅酸盐学会常务理事、广东省土木建筑学会专委会委员、国家自然科学基金委员会系统评议专家、广东企业科技特派员等）。担任Adv.BridgeEng.客座主编、J.Infrastruct.Preserv.Resil.青年编委、Front.Mater.审稿编辑、《新材料·新装饰》编委、《材料研究与应用》青年编委，是国内外30余个权威期刊的杰出/特邀审稿人；是数个国内外会议的组委会/学术委员会委员，并受邀在多个国内外会议作大会/特邀/分会报告和担任分会主席。
长按识别下方