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文献精读 Cem. Concr. Compos. : 3D打印超高性能纤维增强混凝土的力学各向异性  背景介绍 在3D打印混凝土研究的初期，可打印材料多为普通混凝土。而普通可打印混凝土材料的脆性较大，很大程度上阻碍了3D打印混凝土的发展。又由于3D打印建筑技术尚未成熟，使得现阶段3D打印建筑的加固方法非常有限。故为了弥补3D打印混凝土结构脆性大、配筋困难等缺陷，许多研究人员尝试在混凝土中加入纤维来提高其延性。但是，大多数3D打印纤维增强混凝土的抗拉强度仍然较低，不能满足所有的施工要求。因此，研究和开发具有高强度、高韧性的3D打印混凝土材料有助于推动3D打印技术在建筑施工中的应用。 研究出发点 超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）具有优异的力学性能和耐久性，其抗压强度、抗弯强度、韧性、抗冲击性能以及抗渗性能等均较高。然而，目前有关于3D打印超高性能纤维增强混凝土（3DP-UHPFRC）的研究非常少，缺乏对其静态力学性能和各向异性特征的深入了解。因此，全文研发了一种新型的3DP-UHPFRC，并对其静态力学性能和各向异性进行了测试和讨论。 全文速览 澳大利亚悉尼科技大学Chengqing Wu课题组研发了一种新型的3DP-UHPFRC，通过进行抗压、抗弯、劈裂抗拉和单轴拉伸试验，评价了纤维含量、纤维类型和加载方向对3DP-UHPFRC力学性能的影响以及研究了其各向异性特征。试验结果表明，在该试验的打印条件下，含有1vol% 6 mm钢纤维的3DP-UHPFRC比含有1vol% 10 mm钢纤维的3DP-UHPFRC综合性能更优，并且含有1vol% 6 mm钢纤维的3DP-UHPFRC在Z方向上的抗弯强度最大（45.21 MPa）；3DP-UHPFRC的抗弯和劈裂抗拉破坏类型同时包含韧性破坏和脆性破坏，故可以根据不同的工程要求灵活调整打印方式；3DP-UHPFRC的压缩弹性模量具有明显的各向异性，而其拉伸弹性模量则可视为各向同性。相关论文以“Mechanical anisotropy of ultra-high performance fibre-reinforced concrete for 3D printing”为题，于2022年发表在《Cement and Concrete Composites》上。 图文解析 （1）抗压力学性能  图1 不同纤维含量的铸模和打印试件的抗压强度 如图1所示，钢纤维含量对在X方向上加载时3DP-UHPFRC的抗压强度几乎没有影响。如图1（a）所示，对于含有6 mm钢纤维的UHPFRC来说，除了在X方向上加载的打印试件以外，其余试件抗压强度的整体趋势是随着纤维含量的增加而增加的，其中纤维含量为1.0vol%时抗压强度最大。但是，当纤维含量从0.25vol%增加至0.5vol%时，其抗压强度却有所降低。这可能是因为此时由钢纤维的约束作用提高的抗压强度的幅度小于由内部缺陷导致的降低幅度。此外，铸模试件的抗压强度均高于打印试件，而打印试件的抗压强度则沿着X、Y、Z加载方向依次提高。这是因为打印条带的宽度（15 mm）和高度（5 mm）不同，使得在不同加载方向上混凝土的弱界面数量不同（X>Y>Z），而抗压强度随着弱界面数量的增加而降低。如图1（b）所示，对于含有10 mm钢纤维的UHPFRC来说，其抗压强度变化与含有6 mm钢纤维的UHPFRC变化相似。但是当纤维含量为1.0vol%时，含有10 mm钢纤维的3DP-UHPFRC的抗压强度却更低（图1（c））。这可能是由于其打印质量较差所造成的。 （2）弯曲力学性能  图2 不同纤维含量的铸模和打印试件的抗弯强度 如图2所示，钢纤维含量和长度对在X方向上加载时3DP-UHPFRC的抗弯强度几乎没有影响。如图2（a）所示，对于含有6 mm钢纤维的UHPFRC来说，除了在X方向上加载的打印试件以外，其余试件的抗弯强度随着纤维含量的增加而增加，其中纤维含量为1.0vol%时抗弯强度最大。此外，在Z方向上加载的打印试件抗弯强度最高，其次是铸模试件，最后是在X方向上加载的打印试件。如图2（b）所示，对于含有10 mm钢纤维的UHPFRC来说，当纤维含量超过0.5vol%时，在Z方向上加载的打印试件的抗弯强度有所下降。这可能是因为钢纤维含量较大时会降低混凝土的可建造性以及增加其内部缺陷。如图2（c）所示，当打印试件在X方向加载时，无论是否添加纤维，其抗弯强度均与无纤维铸模试件相当。 （3）劈裂力学性能  图3 不同纤维含量的铸模和打印试件的劈裂抗拉强度 如图3所示，钢纤维含量对在X和Y方向上加载时3DP-UHPFRC的劈裂抗拉强度几乎没有影响，并且二者强度比较相近。如图3（a）所示，对于含有6 mm钢纤维的UHPFRC来说，铸模试件和在Z方向上加载的打印试件的劈裂抗拉强度随着纤维含量的增加而增加。此外，铸模试件的劈裂抗拉强度均低于在Z方向上加载的打印试件。如图3（b）所示，对于含有10 mm钢纤维的UHPFRC来说，其劈裂抗拉强度变化与含有6 mm钢纤维的UHPFRC变化相似。如图3（c）所示，当打印试件在X和Y方向加载时，无论是否添加纤维，其劈裂抗拉强度均与无纤维铸模试件相当。这说明3DP-UHPFRC的层间粘结强度可近似地视为无纤维铸模混凝土的抗拉强度。 （4）单轴拉伸力学性能  图4 不同纤维含量的铸模和打印试件的单轴拉伸强度 如图4所示，铸模试件的单轴拉伸强度均高于打印试件，并且对于含有6 mm钢纤维的UHPFRC来说，纤维含量对打印试件单轴拉伸强度增量的影响比铸模试件更加显著。这是因为3DP-UHPFRC中纤维呈定向分布状态，能够大大提高其拉伸增强贡献。 （5）弹性模量的各向异性特征  图5 GO增强OPC浆体氯离子结合能力的机理  图6 弹性模量的各向异性（纤维含量为1vol%） 注：（b）中的拉伸弹性模量由劈裂抗拉试验得到，拉伸方向垂直于加载方向，即：X方向拉伸弹性模量由在Z方向加载的劈裂抗拉打印试件得到；Y方向拉伸弹性模量由在X方向加载的劈裂抗拉打印试件得到；Z方向拉伸弹性模量由在Y方向加载的劈裂抗拉打印试件得到。 图5将在Z方向上加载的劈裂抗拉打印试件（实际拉伸方向为X）与在X方向上加载的单轴拉伸打印试件进行了对比。由图可知，与无钢纤维的试件相比，加入钢纤维能够略微提高其弹性模量，并且纤维长度和加载方向对弹性模量影响较小。 如图6（a）所示，加入钢纤维能够提高混凝土的压缩弹性模量，并且10 mm钢纤维的提高作用比6 mm钢纤维更大。此外，铸模试件的压缩弹性模量显著高于打印试件，而打印试件的压缩弹性模量则沿着X、Y、Z加载方向依次提高。由此可知，3DP-UHPFRC的压缩弹性模量具有明显的各向异性。如图6（b）所示，对于铸模试件来说，加入钢纤维能够提高混凝土的拉伸弹性模量，并且10 mm钢纤维的提高作用比6 mm钢纤维更大；对于打印试件来说，拉伸弹性模量沿着Y、Z、X加载方向依次提高，但是各个方向内的拉伸弹性模量略有差异。由此可知，3DP-UHPFRC的拉伸弹性模量可视为各向同性。 总结 该研究通过抗压、抗弯、劈裂抗拉和单轴拉伸试验评价了钢纤维含量和长度、制备方法以及加载方向对3DP-UHPFRC力学性能的影响，并且分析了其各向异性特征。根据研究结果，得出以下结论： （1）3DP-UHPFRC的层间粘结强度可近似地视为无纤维铸模混凝土的抗拉强度。 （2）3DP-UHPFRC的抗弯、劈裂抗拉和单轴拉伸强度在某些加载方向上（抗弯和劈裂抗拉强度为Z方向，单轴拉伸强度为X方向）均高于铸模试件。这是因为3DP-UHPFRC中的钢纤维呈定向分布状态，能够大大提高其拉伸增强贡献。 （3）3DP-UHPFRC的压缩弹性模量具有明显的各向异性，而其拉伸弹性模量则可视为各向同性。 （4）与普通或高强3D打印混凝土相比，3DP-UHPFRC的抗压、抗弯以及抗拉等力学性能更加优异。因此，当无法对混凝土进行钢筋加固时，3DP-UHPFRC可以作为一种良好的打印材料进行建筑施工。 本期编者简介 翻译： 耿松源 博士生 深圳大学 审核： 程博远 博士生 深圳大学 排版： 颜文韬 硕士生 深圳大学 本期学术指导 何 闯 博士后 深圳大学 龙武剑 教 授 深圳大学 文献链接： https:///10.1016/j.conbuildmat.2020.120891 |
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