原位打印混凝土板受力性能试验研究*

巫嘉鑫 王 雨 武 雷

(东南大学土木工程学院, 南京 211189)

0 引 言

“3D打印(Three-dimensional printing or 3D printing)”这一概念最早于19世纪末在美国被提出,最初它被称为“增材制造(Additive manufacturing)”,在发展的过程中也被称作“材料累加制造”“快速原型”“分层制造”“实体自由制造”等。时至今日,使用最多的称呼是“3D打印”和“增材制造”,前者通俗易懂、易于传播,后者则准确描述了这种技术有别于其他制造技术的特点[1-3]:在Z方向上将需要制造的实体按照一定的厚度分层,逐层进行“打印”,多个打印层由下而上堆叠,形成最终的实体。

打印混凝土材料的力学性能与传统的现浇混凝土有显著的不同,3D打印混凝土构件的力学性能与普通混凝土的力学性能主要有三点差异:一是挤压强度;二是抗压强度;三是抗弯刚度。3D打印混凝土的挤压强度高于普通混凝土,抗压强度比普通混凝土略低,抗弯刚度比普通混凝土高得多。这主要是由打印混凝土的工艺所决定的,其打印条带间、上下打印层间存在薄弱环节,打印混凝土表现各向异性[4]。Ma等用打印试件不同方向加载下的力学强度值和浇筑试件的力学强度值定义了一个各向异性系数[5],用于评估某种打印混凝土材料的各向异性程度。打印混凝土的层间、条带间薄弱则是指上述的打印结构中的各条带之间存在薄弱层,其层间黏结不像现浇混凝土那样紧密,切开后可以看到较为明显的条带间孔隙。Le等使用含纤维的打印混凝土进行了对比试验[6],发现对比浇筑试件,打印试件的抗压强度由于层间薄弱降低了9%～13%。

目前,打印混凝土建筑在处理板构件时大多是在打印建造完墙、柱等构件后中断打印,将成品的预制楼板搁置在墙上,使用现浇混凝土进行节点的处理,再继续向上打印墙体使墙与板连成为一个整体结构。随着现场组装式大型混凝土3D打印机的深入研发,原位打印房屋的实践也在加速探索中[7]。为提升打印混凝土工艺在整个建造流程中的应用,让整个打印建造过程持续进行,需研究原位打印板的方法与结构性能。为此,模拟设临时底模的现场原位打印及分别用打印混凝土叠合板与压型钢板作为永久底模的建造方法,设计了原位打印混凝土板构件受力性能试验,研究其破坏形态、裂缝分布、挠度发展和特征荷载。

1 试验概况

1.1 试验构件设计及制作

模拟设临时底模的现场原位打印(整体打印)、用打印混凝土叠合板作为永久底模(叠合打印)及压型钢板作为永久底模(压型钢板叠合打印)的建造方法分别设计与制作试件,每一类型试件制作两片,3种类型共6片试件。

对于模拟设临时底模的现场原位打印及用打印混凝土叠合板作为永久底模的整体打印试件与叠合打印试件,试件底部均配置5根直径为8 mm的HRB400钢筋(图1),上部均配置双向6 mm HRB400钢筋网片,叠合打印试件的预制打印部分厚60 mm,上部叠合打印部分厚80 mm(图2、3)。

图1 整体打印及叠合打印试件底部钢筋布置 mm

图2 整体打印试件截面及配筋示意 mm

打印混凝土采用表1所示配合比。3D打印混凝土构件的力学性能与普通混凝土构件的力学性能的差异主要来源于两个方面:一是3D打印混凝土构件中的打印混凝土材料的各向异性;二是钢筋与打印混凝土间的握裹性能。根据课题组前期的研究成果,本次试验板构件的打印方向沿板跨方向循环打印(图4),以获取最高抗压强度,同时纵筋的布置采用顺纹置入(图5),以获打印混凝土与钢筋的最佳黏结性能[8]。

图4 沿板跨方向循环打印示意

图5 纵向钢筋沿打印方向顺纹置入

压型钢板作为永久底模的试件情况为:以压型钢板为底板的构件选择YX75-200-600型的钢板,这种压型钢板采用1 000 mm展开宽度的镀锌卷滚压而成,成型宽度为600 mm,有效利用率60%,其波高为75 mm,波中心距200 mm,截面特征如图6所示。钢材强度等级为Q235,板厚0.8 mm。由于打印混凝土施工工艺的原因,无法在压型钢板槽底加入栓钉保证打印混凝土与压型钢板之间的有效连接,故此在压型钢板波底位置另外布置5根抗拉钢筋,其受拉钢筋和截面如图7所示。

图6 压型钢板截面特征示意 mm

图7 压型钢板作底模的打印板截面与配筋示意 mm

1.2 试验与加载过程

对试件进行两点对称加载的受弯试验,试验时一端采用固定铰支座,另一端采用滚动铰支座,支座距板端距离100 mm,试件跨度1.8 m,加载位置在试件三分点处,试验装置如图8所示。加载采用荷载-位移综合控制法,具体为:

图8 试验装置

1)试验先进行预加载。预加载值不超过构件承载力设计值的10%,本试验定为4 kN,分两级加载,每级加载量2 kN。预加载持荷10 min无异常后卸载至零,并记录各仪表的初值。

2)试验开始,先由力控制加载级别,每次加载不超过承载力设计值的10%,本次试验定为2 kN;在特征值(开裂荷载、正常使用荷载等)附近降低每级加载力至1 kN,以便观察裂缝的发展趋势,并做好裂缝位置、数量及大小的记录,直到构件出现较大塑性变形为止。每级加载持荷时间不低于10 min,记录各测点仪表的读数。

3)观察构件的变形以及传感器采集的挠度、荷载数据,当试件出现较明显的塑性变形或荷载增长缓慢、挠度大幅增长的情况时,改为由跨中竖向位移的增量来进行加载。以跨中竖向位移增加2 mm为一级,达到试件极限荷载后,继续进行2级加载后停止加载。

2 材性试验

3D打印混凝土构件试块的制作方式是先打印一根素混凝土梁,在梁未完全硬化前将其切割成多个小块;待这些小块养护完毕,再用切割机将其精确切割成150 mm×150 mm×150 mm的标准立方体试块;打印混凝土材料呈各向异性的特征,需分别对X、Y、Z三个方向进行抗压强度试验与劈裂抗拉强度试验[9-10]。每方向加载(图9)以3个试块为一组,各做2组,共切割制作36个150 mm×150 mm×150 mm尺寸的打印混凝土立方体试块。打印混凝土母材用试模制作150 mm×150 mm×150 mm立方体试块,制作2组共6个试块。试验参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行,试验结果如表2、3所示。

表2 混凝土材料力学性能

表3 打印混凝土三向材料力学性能

图9 3D打印立方体试块方向示意

以上试验结果表明打印混凝土各向异性表现明显,这是由挤出混凝土条带后再分层叠加打印的成型工艺决定的。打印混凝土挤出的条带接触面间(包括上下层间与左右条带间)形成了结构薄弱层,使打印混凝土整体性下降,表现为打印混凝土母材抗压强度高于打印成型后的抗压强度。而打印混凝土三个方向的抗压强度中,则以X向(顺纹向)强度最高,而沿Y向(横纹侧向)强度最低。顺纹向的条带结构可视为由众多连续的柱通过一定的黏结作用,结合形成群柱结构,使得其抗压强度表现最高;而同一水平层间由于条带间进行了搭接打印,使同水平层的整体性优于上下层。对于横纹Z向可视为由多层平板上下叠合构成的复合结构,而这些平板间由于自下而上的打印使其接触良好,使上下承压面积能得到充分保证,因而表现为Z向抗压强度仅次于X向。打印条带左右接合的界面及打印上下层接合的界面,其劈裂抗拉强度受工艺影响大,本打印工艺的条带间存在搭接,因而形成的条带面劈裂抗拉强度更高,而上下层界面虽为两个方向加载,但其劈裂面仍属同一劈裂面,因而试验的结果相差接近。研究表明可通过材料配方优化、工艺过程及参数优化、层间物理增强等多途径来提高打印混凝土的整体性[4]。

本次试验采用的受拉主筋、连接筋和面筋均为HRB400级,尺寸分别为8 mm、6 mm,依据GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》,对直径为8 mm的纵筋进行材料性能试验[11],包括屈服强度、极限强度和弹性模量,钢筋材料力学性能如表4所示。

表4 钢筋材料力学性能

3 原位打印混凝土板构件力学性能试验结果

3.1 整体打印混凝土板构件

1)破坏形态。

2块整体打印混凝土板的破坏形态基本相同,在钢筋屈服后,纯弯段裂缝达到1.5 mm限值后破坏;卸载后能恢复部分挠度,但整体上仍呈现出一定的弯曲;裂缝主要分布在跨中的纯弯段,在弯剪段靠近加载点处也有分布,整体分布较为对称,破坏的主要裂缝位于跨中两侧,未见有沿打印混凝土层间薄弱区域发展的横向裂缝;打印混凝土部分黏结良好,未见有局部的滑移产生;总体来说是一种典型的受弯破坏形态,和普通的打印混凝土板破坏形式基本一致。加载后的裂缝分布如图10所示。

图10 整体打印板裂缝分布

2)试验数据。

2块整体打印混凝土板的荷载-挠度曲线如图11所示(图中“ZTDYB”代指“整体打印板”,编号用于区分不同的构件,下同),2块板的曲线形状、特征值均较为接近。

各整体打印混凝土板的特征荷载如表5所示,正常使用荷载和极限荷载均为裂缝宽度限值控制。

表5 整体打印混凝土板特征荷载

3.2 叠合打印混凝土板构件

1)破坏形态。

DHDYB-1、2(“DHDYB”代指“叠合打印板”,编号用于区分不同的构件,下同)的破坏特征与整体打印混凝土板类似,不再赘述。

2)试验数据。

2块叠合打印混凝土板的荷载-挠度曲线如图12所示,DHDYB-1,2的曲线形状、特征值均较为接近。

图12 叠合打印混凝土板荷载-挠度曲线

各试件的特征荷载如表6所示。正常使用荷载和极限荷载均由裂缝宽度限值控制。

表6 叠合打印混凝土板特征荷载

3.3 压型钢板叠合打印混凝土板构件

1)破坏形态。

压型钢板叠合打印混凝土构件的破坏形态(图13)与钢板屈曲位置有关。DHDYB-2压型钢板在加载点附近发生了屈曲,并引发混凝土斜截面的剪切破坏,剪切裂缝在混凝土叠合面会有一段横向裂缝,上部混凝土有压碎的情况;DHDYB-1压型钢板在跨中屈曲并呈典型的弯曲破坏形态(图14),其破坏形态和裂缝分布与整体打印混凝土板类似;无论是何种破坏类型,由于压型钢板的作用,其裂缝宽度均明显小于其他整体受弯构件。构件整体性方面,混凝土部分黏结良好,无叠合面或条带的相对滑移,但混凝土和压型钢板之间存在明显的滑移现象。

a—剪切破坏裂缝; b—压型钢板局部屈曲; c—端部相对滑移。

图14 典型的弯曲破坏

2)试验数据。

2块压型钢板叠合打印混凝土板构件的荷载-挠度曲线如图15所示(图中“YXDYB”代指“压型打印板”,编号用于区分不同的构件,下同),各试件曲线的整体趋势和特征荷载基本一致,在屈服前基本呈线性关系,屈服后视下部压型钢板屈曲位置不同,下降段有所不同:YXDYB-1在近端部出现局部屈曲,连带混凝土发生剪切破坏,挠度增长迅速;YXDYB-2在加载点附近发生局部屈曲,同样是发生了混凝土的剪切破坏,试件承载力持续下降。

各试件的特征荷载如表7所示。

表7 压型钢板叠合打印混凝土板特征荷载

4 正截面承载力分析

4.1 极限状态承载力分析

参照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》,采用单筋截面算式(1)进行理论承载力Mu的计算[9]。考虑到打印混凝土材料的各向异性,按照第2节中材料性能试验的结果,结合试件设计制作时顺纹打印、受压区混凝土受力方向为X向的实际情况,使用打印混凝土标准试块X方向的抗压强度实测值作为式(1)中受压区混凝土强度fc。

α1fcbx=fyAs+fpyAp

(1a)

(1b)

式中: α1为受压区混凝土的简化应力图形系数,取1.0;x为等效矩形应力图形的混凝土受压区高度;fc为混凝土抗压强度标准值,对打印混凝土取X方向的抗压强度实测值;b为截面宽度;fy为纵向纵筋屈服强度实测值;fpy为纵向预应力筋屈服强度标准值;h0为截面有效高度;As为受拉区纵筋面积;Ap为受拉区预应力纵筋面积。

在三分点两点加载情况下,试件的弯矩如图16所示,其对应某一荷载的弯矩计算公式为:

图16 试件弯矩示意

(2)

式中:M′u为跨中截面产生的实际弯矩;P为实际荷载;L为试件跨度,本次试验为1.8 m。

按整体受力换算理论承载力Mu,并与实际换算承载力Mu′进行对比。计算结果如表8所示。

表8 理论与实际承载力对比

将上述表格数据绘制各类试件的Mu′/Mu对比柱状图,如图17所示。

图17 各类试件Mu′/Mu对比

通过各类构件的对比,在参照已有普通钢筋混凝土板计算原位打印混凝土板构件的极限承载力时,有如下结论:

1)整体破坏情况下,使用打印混凝土X方向的抗压强度实测值计算的极限承载力的理论值偏小,构件偏于安全。

2)压型钢板打印混凝土板的整体性不佳,但下部的压型钢板大幅度提高了构件刚度,且能够发挥一定的抗弯作用,在其发生局部屈曲破坏之前,构件的承载力是有保障的。

4.2 正常使用状态下承载能力对比

构件的正常使用极限状态判断标准有两条:1)挠度达到跨度的1/200,本试验中为9 mm;2)最大裂缝宽度达到0.2 mm(表9)。根据试验记录,在本次试验的3类构件当中,发生整体破坏的构件正常使用极限状态的控制条件均为裂缝宽度达到限值。这表明,对于本次试验的构件而言,其理论上的正常使用极限状态受到裂缝宽度的限制。下面使用现有的理论公式对试件的理论值进行计算。

表9 试件正常承载力荷载及其控制条件

参照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》,使用式(3a)进行裂缝宽度的计算,因式(3a)考虑了荷载的长期作用影响,为与试验值对比,此处依据规范的补充条文和侯泽宇等的研究[10],对αcr的取值作了修改(详见下方公式说明)。考虑到打印混凝土材料的各向异性,按照第2节中材料性能试验的结果,结合试件设计制作时顺纹打印、受拉区混凝土受力方向为X向的实际情况,使用打印混凝土X方向的轴心抗拉强度换算值作为式(3b)中受拉区混凝土强度ftk。计算结果如表10所示。

表10 计算裂缝宽度与实际宽度对比

(3a)

(3b)

(3c)

Ate=0.5bh

(3d)

式中:ωmax为最大裂缝宽度;αcr为考虑荷载长期作用的构件受力特征系数,对钢筋混凝土受弯构件取1.9,预应力受弯构件取1.5,不考虑荷载长期作用的扩大影响时,对钢筋混凝土受弯构件取1.28,预应力受弯构件取1;σs为纵向受拉钢筋的等效应力;Es为钢筋的弹性模量;cs为最外层纵向受拉钢筋边缘至底边的距离,取值范围应在20～65之间;deq为受拉区纵向钢筋的等效直径;ftk为混凝土抗拉强度标准值,对打印混凝土取母材换算抗拉强度标准值;As为受拉区普通钢筋截面面积;Ap为受拉区预应力钢筋截面面积;b为构件截面宽度;h为构件截面高度。

为使结论更为清晰,采用试算的方法计算各构件裂缝宽度达到0.2 mm时的截面弯矩理论值,计算实际承载能力与理论承载能力的比值M′/M,如表11所示,再将各类试件的M′/M绘制成柱状图进行对比,如图18所示。

表11 正常使用下构件实际承载能力与理论承载能力对比

图18 各类试件正常使用下的M′/M对比

从表11中可以看出,现有的裂缝宽度计算理论适用于发生整体破坏的原位打印混凝土板类构件。整体打印板和叠合打印板的M′/M(0.90、0.93)理论值略高于实际值,构件偏于不安全,建议适当对计算值乘以0.9～0.95折减系数修正;对于压型钢板叠合打印混凝土板类构件来说,混凝土部分和压型钢板相对滑移时,忽视压型钢板作用计算裂缝宽度的方法是不适用的,而当二者结合良好时,无需考虑受拉区混凝土裂缝的问题;压型钢板试件的试验承载力远低于理论值是由于打印混凝土与压型钢板间的黏结能力低,破坏时未能充分发挥出压型钢板的结构能力而导致。

以上可见整体破坏情况下,使用打印混凝土X方向的轴心抗拉强度换算值计算的正常使用状态下的承载能力理论计算值与实际对比略偏大。考虑到裂缝宽度量测时不可避免的人工误差和钢筋强化的情况,认为仍可应用这一理论计算值作为设计依据。

5 总结与展望

1)原位打印混凝土板类构件时,用打印混凝土板直接作为永久模板再进行叠合打印与使用临时模板支撑后整体打印,这两种方式下打印形成的板构件,它们在力学性能表现上无明显差异,均呈整体破坏模式,并且不产生沿打印混凝土层间薄弱区域发展的横向裂缝和滑移,可安全应用于工程践。

2)打印混凝土板试件破坏时的极限承载力,超过利用打印混凝土X向抗压强度值计算的理论值,但裂缝开展宽度控制下的正常使用承载力试验值略低于理论计算值,工程应用中可考虑乘0.9～0.95的折减系数折减。

3)应用压型钢板作为永久底模的板构件,打印混凝土内部层间黏结良好,无相对滑移,但混凝土和压型钢板之间存在明显的滑移现象,打印混凝土与压型钢板之间不能形成有效的黏结。为使压型钢板与打印混凝土更好地共同工作,需采取适当的构造措施来提高压型钢板与打印混凝土间的抗剪能力,这还需进一步研究。

4)本研究仅做了单向板试验,对于打印混凝土双向板的力学性能要复杂得多,需要进一步研究。