揭开3D打印增强水泥复合材料的神秘面纱|3d打印|材料|水泥|混凝土|硅灰|粉煤灰

作者：阿米尔·巴克什，新墨西哥大学

描述：具有高延性能力的增强水泥复合材料（ECC）是3D混凝土打印（3DCP）应用的一种有前景的材料。重要的问题是如何使这种材料具备可接受的3D打印质量。本次展示是对ECC的3D打印的一部分研究，并对项目前期进行了所有可打印性测试的四种新型可打印ECC的机械性能进行了调查。详细研究了不同变量对ECC机械性能的影响，包括纤维含量和类型（聚乙烯醇（PVA）和聚乙烯（PE）），以及矿物掺合料的类型（矿渣、粉煤灰、二氧化硅和高岭土）。3D打印梁的弯曲试验和狗骨试样的直接拉伸试验结果表明，ECC样品中加入聚乙烯纤维能够通过优化的混合工艺和粘度改性剂的添加实现超高延性，应变能力超过10%。

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大家早上好，我叫 Amir bharshi，是新墨西哥大学的研究生，我的导师是 Rajetti 博士。我们在过去的两年半到三年里一直在研究 3D 打印的水泥基复合材料。

首先，我们知道混凝土是一种非常脆性的材料，具有很低的抗拉强度，所以我们需要一些加固技术来提高混凝土的性能。基本上，我们有纤维加固，这里我们特别讨论工程合成复合材料，它含有 1% 到 2% 的纤维，我们还有预安装的加固材料，比如钢筋，我们用它来连接实验室和 3D 打印的墙壁，我们还有后安装的加固材料，比如后张法桥梁。

当我们开始这个项目的时候，我们遇到了很多不同配合比的问题，我们尝试了不同的材料和外加剂。我们最终能够得到一些混合物，它们具有足够的抗压强度，能够通过初步的研究，但是打印后，我们发现材料的质量有一些问题，因为我们加了纤维，它不是很均匀的丝状物。另外，纤维含量高会降低 3D 打印物体的尺寸稳定性。所以我们一直在想，我们如何能够改善我们的丝状物的质量，以及不同的配合比。我们想到了使用粘度调节剂的方法，因为我们加了很多纤维，它帮助我们提高了打印的质量。最终，我们能够用我们的材料打印出非常高质量的物体。

在第一阶段，我们使用了一些简单的方法来测试我们的材料的流变性和新鲜性能，然后我们想到了用打印一个正方形来做一些挤出性测试，检查我们的丝状物的质量，然后我们做了一些可用性测试，就是简单地打印和堆叠我们的材料的层，看看我们有多少变形。然后我们确保一切都正确，我们有了好的质量，所以下一步是研究我们的材料的力学性能和硬化状态。我们的项目是由 Transit 资助的，所以我们不得不使用一些在新墨西哥当地可用的材料，同时我们也想尝试不同类型的纤维，因为我们在第一阶段使用了 PVA 纤维，所以我们试着用另一种纤维。这些就是我们这项研究的所有原材料，我们用的水泥占了我们所有配合比的 50%，我们还用了矿渣、硅灰、粉煤灰和高岭土，然后你可以看到我们用的两种纤维的图片，PVA 和 PE，这是 PVA，这是 PE 桥，它们的长度都是 8 毫米，但是直径不同，这是非常重要的，我会解释它如何影响最终的结果。基本上，我们有四种主要的配合比，50% 粉煤灰，50% 矿渣，40% 粉煤灰和 10% 硅灰，最后一种是 40% 粉煤灰和 10% 高岭土。

我们使用了不同类型的纤维，PVA 和 PE。第一种是 PVA 纤维占材料体积的 1.5%，第二种是 PVA 纤维占 2%，第三种是 PE 纤维占 2%。我们开始使用的系统是几何系统，这是很常见的，它有一些限制，但是它适合打印小物体。我们做的测试有以下几种：

压缩试验：我们想要确定 3D 打印和浇筑样品之间的差异，所以我们尝试打印一个较大的板，然后提取小样品，同时我们也有浇筑样品。我们有两种类型的压缩强度测试。
抗拉试验：我们打印了一个大板，提取了小样品，用于我们的目的。
断筋试验或直接拉伸试验：我们打印了这个，我们遇到了一些问题，因为你不能 3D 打印一个断筋，它太小了，所以我们放下我们的模具，只 3D 打印主要部分，就是我们样品的中间部分，你可以在这里看到，然后用我们多余的材料填充其余部分。这种方法非常重要，因为纤维的方向会影响我们研究的结果，所以我们想要最小化任何随机成分的影响，所以我们决定 3D 打印，以保持我们物体的方向。

这是我们的压缩试验的结果，基本上我们有两个主要部分，浇筑对比 3D 打印，以及 2% PVA 对比 2% PE 纤维。你可以看到，我们预期的是，深灰色表示浇筑样品，浅灰色表示 3D 打印样品，浇筑样品有更高的压缩强度，因为你知道，当你 3D 打印样品时，你会有一些空气和孔隙，所以它降低了压缩强度。但是，当你增加纤维的数量，从 1.5% PVA 到 2% PVA 和 2% PE 时，你可以看到压缩强度有所提高，这是不寻常的，通常是相反的，因为你加入了更多的空气。但是我们能够提高压缩强度，其中一个 S50 高达 82 兆帕，比我们预期的要高。

这是我们的直接拉伸试验的结果，我们有三列，第一列是 1.5% PVA 纤维，第二列是 2% PVA 纤维，第三列是 2% PE 纤维。然后我们有 FA50，第二行是 FA40 MK 10。对于第一列，你可以看到，这些是应力应变曲线，你可以看到，PE 样品的应变从 0 到 20，而 PVA 样品的应变从 0 到 4，它们非常不同。当我们对所有样品使用 PE 时，它们的强度在 10 到 12 之间，而 PVA 纤维的强度在 0 到 3.5 之间。所以从 PVA 切换到 PE 可以提高我们样品的应力和应变能力。我们对第二列也有相同的情况。

你可以再次看到，FA40 SF10 是含有 10% 硅灰的，最后一个是 S50。你可以看到，当你从 1.5% PVA 切换到 2% 时，你可以看到一点点的改善，同时你可以看到，在切换到 PE 纤维时，样品的强度和应力有了很大的提高。你还可以注意到，我们有了应变硬化阶段，这对于 ECC 和多重开裂是很常见的，但是我们在之前的样品中没有那么多。这里是一个简要的表格，显示了我们的混合物的拉伸性能。我们在这里比较了不同类型的纤维，以及不同的配合比。如果我们把 FA50 作为我们的参考配合比，那么其极限拉伸强度是 4.9。当我们用高岭土替换其中的一部分时，我们可以提高极限拉伸强度。而当我们用硅灰替换其中的 10% 粉煤灰时，我们可以看到样品的极限拉伸强度突然下降。同样，如果我们再次把 FA50 作为我们的参考配合比，那么其强度容量是 11.27。当我们切换到高岭土时，我们没有看到太大的改善，但是当我们切换到粉煤灰和硅灰的组合时，我们可以看到样品的强度容量有所提高。这里是我们的抗弯强度试验的结果，我们也有相同的情况，1.5% PVA，2% PVA 和 2% PE。你可以看到，PVA 样品的位移是从 0 到 5，而 PE 样品的位移是从 0 到 16。你可以看到，在载荷和位移方面，PE 纤维都比 PVA 纤维强得多。

我们在这里也有相同的情况，但是总的来说，S50 配合 2% PE 在载荷和位移方面都有很好的表现。这里是我们的样品之间的比较，你可以看到，我们有中跨位移和极限载荷。你可以看到，这四种混合物都含有 PE 纤维，它们都有较高的极限载荷。而且在位移方面也是如此。FA40 MK10，即 40% 粉煤灰和 10% 高岭土，有着最高的极限载荷。这里是一个简单的展示，说明了我们的抗弯试验结果的情况。你可以从图片中看到，它们在抗弯试验中弯曲的差异，为什么 PVA 不能做得很好。S50 和 FA40 SF10 的情况也是如此。这是我们的样品的 X 射线照片，我们可以看到，仅仅是从长度相同的 PVA 切换到 PE，就可以提高我们样品的应变能力。还有一张图片显示了我们在混合物中使用的纤维的大小，它们非常小。

最后一件事是，PVA 纤维和 PE 纤维在物理性能上的差异，PVA 纤维的直径较粗，而 PE 纤维的直径较细，这可以提高表面积，所以我们会有更好的效果。你知道，基体和纤维之间的连接更强，所以你不能仅仅通过从 PVA 纤维切换到 PE 纤维来提高你的样品的拉伸能力。总之，你知道，像 P 纤维这样的所有我们用过的样品，都有超过 10% 的提高。我用过 8 毫米的 PVA 纤维，效果不好，但是 8 毫米的 PE 纤维效果很好，我们用了 S50 配合 2% 的 PE 纤维，它有 15.8% 的应变能力，这是我迄今为止见过的最高的。就是这样，谢谢大家。