3D打印建材粘结抗拉和层间剪切粘结强度试验探析

[摘要] 对 3D 打印建筑材料层间粘结性能进行了测试，包括 3 个 3D 打印试件的粘结抗拉强度试验和 3 个 3D 打印试件的粘结剪切强度试验。着重分析了 3D 打印建筑材料层间粘结的破坏模式、破坏过程与破坏形态。分析结果表明，3D 打印建筑材料存在层间粘结薄弱层，破坏时均发生在粘结层部位，其轴心抗拉强度为0. 74N/mm2; 剪切强度测试时未发生剪切破坏，得到试件破坏时的弯曲抗拉强度平均值为 0. 88N/mm2.
　　
　　[关键词] 3D 打印建筑材料； 层间粘结性能； 抗拉强度； 弯曲强度； 剪切强度
　　
　　Abstract: Interlayer bonding property of 3D print building material was tested,including 3 bonding tensile strength tests on3D print specimens and 3 bonding shear strength tests on 3D print specimens. The failure modes,processes and forms ofinterlayer bonding property of 3D print building materials were emphatically analyzed. Analysis results indicate that thereare interlayer bonding weak layers in the 3D print building materials,and specimen failure occurs in the bonding layer partwith average axial tensile strength of 0. 74N / mm2. The shear failure does not occur in shear strength test and averagebending tensile strength of 3D print building materials is 0. 88N / mm2when specimen is failed.
　　
　　Keywords: 3D print building material; interlayer bonding property; tensile strength; bending strength; shear strength.
　　
　　0 前言
　　
　　3D 打印是一种快速成型技术或者说是一种增材制造技术，是通过材料连续逐层添加制造三维物体的变革性、数字化技术[1-2].3D 打印技术因此被称之为推动“第三次工业革命”的重要力量，具有数字化、网络化、个性化和定制化的特点[3].在建筑领域，利用 3D 打印技术将一种特殊的建筑材料通过打印机喷头喷出，逐层打印，层层累加，最终形成立体的建筑形体。
　　
　　3D 打印建筑材料的研发成为实现 3D 打印建筑的核心技术。目前，国内外已有部分学者就 3D打印建筑材料进行了尝试性研发，如： 荷兰的专家曾采用了树脂及塑料类的材料进行研发[4]; 美国人采用了树脂砂浆类、黏土类、混凝土类材料进行 3D 打印材性试验[5]; 英国拉夫堡大学的 Le T T 等人[6-7]对打印所需混凝土材料性能进行研究。
　　
　　国内盈创公司研发的 3D 打印建筑材料是利用建筑物废弃材料，将其粉碎磨细，加水泥、纤维、有机粘合剂等，制成牙膏状的“油墨”进行打印[1,8].针对 3D 打印方式对打印出的建筑材料进行粘结性能测试，分析 3D 打印建筑材料层间粘结抗拉强度、层间剪切强度或弯曲强度等，可为 3D 打印技术在建筑领域的应用提供依据。
　　
　　1 试验概况
　　
　　1. 1 试件设计
　　
　　3D 打印建筑材料粘结抗拉试验设计了 3 个试件，编号分别为 L1 ~ L3,试件外围尺寸均为 180 ×180 × 280,打印宽度为 30mm,打印厚度为 18mm.
　　
　　试件由 3D 打印壳体（ 试验对象） 、核心部分（ 传力装置） 两部分构成，如图 1 所示。
　　 　　
　　制作完成的试件主要由 3D 打印壳体、塑料隔板、上下两部分核心混凝土及拉拔钢筋组成（ 图 2） .
　　
　　其中，在塑料隔板上下表面涂抹润滑油，可以防止上下两部分核心混凝土与其粘结，保证 3D 打印壳体材料抗拉强度测试的准确性。
　　 　　3D 打印建筑材料层间剪切粘结强度试验同样设计了 3 个试件，试件编号分别为 J1 ~ J3,试件外围尺寸均为 200 × 200 × 270,打印宽度为 30mm,打印厚度为 18mm.3D 打印形成矩形壳体，并在 3D 打印形成的壳体内部浇筑混凝土，完成的试件及加载示意如图 3 所示。图中，①，②，③分别为按浇筑次序完成的核心部分混凝土，每层混凝土之间放置气垫膜。气垫膜可以防止混凝土之间的接触粘结，保证剪切面处无混凝土。
　　 　　
　　1. 2 试验方法
　　
　　粘结抗拉试验采用液压材料性能试验机进行拉力加载。加载速率为 0. 02MPa/s,直至试件破坏，记录构件拉坏时的最大拉力，精确到 0. 01kN.加载过程中注意对中，使构件轴心受力。层间剪切粘结强度试验采用20t 万能试验机加载，千斤顶将力施加在中间部分的上部，左右两部分底部放在钢板垫块上。
　　
　　加载时先试加荷载0. 5kN,以检查仪器是否正常工作以及试件是否对中，检查无误后卸载，重新调平各仪器，进入正式试验阶段。正式加载采用荷载控制加载的方式，加载速度为0. 05kN/s,全程匀速加载。
　　
　　1. 3 承载力估算
　　
　　粘结抗拉强度测试时，记测得最大拉力为 F,试验预期发生拉坏的部位应在两层打印材料的接触界面。核心部分因为塑料板的存在不承受拉力，外荷载通过核心部分与 3D 打印壳体的粘结传到 3D 打印壳体上，根据图1（ a） 试件截面尺寸，拉应力 σ 为：
　　 　　层间剪切强度测试时，当千斤顶的荷载出现明显下降、中间部分相对左右两部分发生明显位移时，可认为剪切面破坏，此时的千斤顶施加的荷载为 3D打印模板层间抗剪承载力 F.F/A 即为层间抗剪粘结强度，A 为 3D 打印模板层间接触面积。
　　
　　2 试验结果分析
　　
　　2. 1 试验过程与破坏现象
　
　　3D 打印工艺的要求，形成的 3D 打印壳体是由3D 打印喷头喷出的建筑材料层层叠加而成，因此，3D 打印材料层与层之间的粘结性能可能存在薄弱环节。在 3 个粘结抗拉强度测试中，破坏时均为打印层间受拉脱开，符合试验预期，试验破坏后的 3D打印试件如图 4 所示。
　　 　　3D 打印剪切粘结强度测试采用的试件均设有两层气垫膜，防止混凝土之间的接触粘结，该气垫膜位置为试验预期剪切破坏位置。然而，通过本次加载试验，试件破坏均发生在跨中附近，为弯曲破坏，并没有出现在气垫膜位置，即非预期的剪切破坏。
　　
　　加载过程及试件破坏后情况如图 5 所示
　   　剪切粘结强度试验时 3D 打印试件发生弯曲破坏，而非剪切破坏，综其原因有以下几点： 1） 3D 打印有停歇过程，停歇时 3D 打印材料快速凝结，继续打印新层，层间粘结力减小，非停歇面层间粘结力较强； 2） 由于3D 打印工艺原因，剪切破坏截面为波浪形（ 图 6（ a） ） ,非平面，层与层之间存在咬合力，提高了剪切强度； 3） 由于施工原因，内部混凝土的空心断面为曲面（ 图 6（ b） ） ,曲面位于剪切破坏处，内部存在咬合力，进一步提高了剪切强度； 4） 试件破坏后，将试件敲开，发现 3D 打印壳体除跨中停歇面处存在明显的层痕迹，其他部分为一个整体，层间粘结力较强。故试件易从跨中可能存在的打印停歇面处开裂，发生弯曲破坏。
　　
　　上述原因导致本次试验破坏为弯曲破坏，非原来设计的剪切破坏，得到的是 3D 打印材料的层间弯曲抗拉强度试验值。
2. 2 试验测试结果
　　
　　图 7 为试件粘结抗拉强度测试加载过程的加载曲线，基本表现出匀速加载。图 8 为试件剪切粘结强度测试（ 实际破坏表现为弯曲强度） 加载过程中加载曲线，加载过程中有荷载明显的跳跃，表明 3D打印试件外壳出现开裂，呈现出脆性特征，最终由于内部混凝土断裂，整个试件破坏，加载结束。
　　
　　试件破坏后根据现场测试发现，由于 3D 打印工艺误差，构件实际断面尺寸与设计有较大误差，为计算方便，对其断面尺寸进行简化，对实际构件取平均，近似为矩形截面，断面计算示意如图 9 所示。
　　
　　在 3D 打印试件剪切强度测试时未发生剪切破坏，故只能分析 3D 打印材料的层间弯曲抗拉强度。
　　
　　假定 3D 打印外壳边缘应力达到混凝土极限抗拉应力 ft时，3D 打印外壳开裂。建立弯矩和力平衡方程，可得 3D 打印层间弯曲抗拉强度。3D 打印试件粘结抗拉强度和弯曲抗拉强度测试结果分别见表 2和表 3.
　　 　　 　　 　　 　　
　　3 结论
　　
　　（ 1） 通过对 3D 打印试件进行粘结抗拉强度测试得出，试件破坏均发生在层与层之间，得到轴心抗拉强度平均值为 0. 74N/mm2.
　　
　　（ 2） 在 3D 打印试件剪切强度测试时试件未发生剪切破坏，为弯曲破坏，得到的弯曲抗拉强度平均值为 0. 88N/mm2.
　　
　　（ 3） 3D 打印工艺等引起的试件断面不平整（ 呈现波浪状） 以及试件 3D 打印过程中停歇引起的粘结强度不均衡等原因，试件强度测试值存在偏差。
　　
　　参 考 文 献
　　
　　[1] 葛杰，马荣全，苗冬梅，等。 3D 打印建筑技术在绿色建筑领域中的应用[J]. 城市发展研究，2015,22（ 增刊1） : 1-3.　　
　　[2] 张帆。 建筑业步入 3D 打印元年[J]. 绿色环保建材，2014（ 9） : 69-75.　　
　　[3] The third industrial revolution: the digitisation ofmanufacturing will transform the way goods are made-andchange the politics of jobs too[J / OL]. The Economist,（ 2012-04-21 ）。　　
　　[4] 李志国，陈颖，简凡捷。 3D 打印建筑材料相关概念辨析[J]. 天津建设科技，2014,24（ 3） : 8-12.　　
　　[5] 马敬畏，蒋正武，苏宇峰。 3D 打印混凝土技术的发展与展望[J]. 混凝土世界，2014,61（ 7） : 41-46.　　
　　[6] LE T T,AUSTIN S A,LIM S,et al. Mix design andfresh properties for high-per formance pr inting concrete[J]. Materials and Structures,2012,45 （ 8） : 1221-1232.　　
　　[7] LE T T,AUSTIN S A,LIM S,et al. Hardenedproperties of high performance printing concrete [J].Cement and Concrete Research,2012,42（ 3） : 558-566.　　
　　[8] 王丽萍，徐蓉，苗冬梅，等。 苏州某试验楼项目 3D 打印实体建筑施工技术研究[J]. 施工技术，2015,44（ 10） :89-100.52.