Cement Concrete Com. ：聚合物改性砂浆改善3D打印混凝土的层间粘结性能:实验与分子动力学研究

文献速读

Cement Concrete Com. ：聚合物改性砂浆改善3D打印混凝土的层间粘结性能:实验与分子动力学研究

题目

题目：

Interlayer bonding improvement of 3D printed concrete with polymer modified mortar: Experiments and molecular dynamics studies

聚合物改性砂浆改善3D打印混凝土的层间粘结性能:实验与分子动力学研究

关键词

关键词：3D打印混凝土；层间粘结；聚合物改性砂浆；交叉测试；分子动力学

来源

出版年份：2021

来源：Cement and Concrete Composites

课题组：河北工业大学马国伟课题组

研究背景

3D混凝土打印是利用计算机控制胶凝材料的运输和泵送，实现一层一层的数字模型制造的一种免模板施工方法。与传统的混凝土施工方法相比，3D打印混凝土可以大大降低施工过程中的能耗和污染，提高材料利用率。3D打印混凝土对于促进建筑行业的绿色化和产业化至关重要。然而，3D打印混凝土的层层叠加过程不可避免地会导致层间界面薄弱，从而导致变形不协调，力学性能不连续，降低了构件的整体承载能力。聚合物改性胶凝材料通常用于修复混凝土或作为新旧混凝土界面的粘合剂，因为聚合物可以将脱水的水泥颗粒与水泥水化产物结合，形成聚合物水泥基体。此外，聚合物可以增加混凝土和结构的力学性能。在材料制备和服役过程中，由于材料的微观性能不能通过实验直接得到，因此采用分子动力学(MD)模拟方法分析水泥基材料层间粘结性能的影响机理。MD是一种基于密度泛函理论(DFT)描述原子多粒子系统在一段时间内物理运动的数值方法。同时，根据分子的总体轨迹趋势计算MD，可以得到材料体系的宏观特性。DFT是一种基于量子力学的研究多电子系统电子结构的方法。密度泛函理论的核心思想是将物质系统的基态能量只看作是电子密度的泛函，而不考虑其他任何条件。

研究出发点

在3D混凝土打印层层堆叠过程中，相邻层间固有的弱界面阻碍了这种先进技术在一般工程中的应用。采用聚合物改性砂浆，通过聚合物砂浆与打印混凝土的物理粘结和化学反应，增强层间粘结，是一种潜在的改善打印混凝土界面性能的方法。基于此，本文提出通过加入聚合物改性砂浆来增强层间粘结并推导和分析其了增强机理。

研究内容

本研究制备了聚合物改性砂浆，以改善3D打印混凝土薄弱的层间粘结性能。测试了打印混凝土的凝结时间和层间水分变化的影响。根据不同的层间间距，分别制备了环氧树脂和氯丁胶乳改性砂浆作为层间界面增强材料。通过交叉试验对聚合物砂浆增强界面的直接拉伸和剪切强度进行了测试和评价。此外，通过分子动力学和密度泛函理论模拟了水泥基复合材料表面水分释放对环氧树脂-氯丁胶乳改性砂浆层间粘结性能的影响及增强机理。

图1 不同聚合物改性砂浆增强打印混凝土的层间：(a)拉伸粘结强度，b)剪切粘结强度

图2 (a) C - S - H凝胶体系径向分布函数(RDF)，(b) 3D打印水泥基材料分子模型构建

图3 (a)砂浆和黄水分子的分子模型，(b)水膜-砂浆(0wcm) MD模型，(c)平衡的0wcm-0wcm分子模型

图4 (a) 60wcm-ep-0wcm分子模型在大应变下的剪切行为，(b)剪切强度

图5 (a) Ca2+吸附在交联环氧树脂表面及电荷密度分布：(b)交联环氧树脂，(c) Ca2+与环氧树脂吸附系统，(d)吉布斯自由能

主要结论

本文针对3D打印过程中存在的层间粘结薄弱的问题，提出了解决方案。为了克服渗水对层间粘结性能的弱化效应，提出了以环氧树脂和氯丁胶乳为基的聚合物改性砂浆作为层间界面增强材料，明显提高了水泥基材料的力学粘结性能。试验结果表明，EP8是早期水泥基材料的最佳层间增强材料。EP8处理后的界面拉伸强度比未处理试样高222% ~ 277%，剪切强度比未处理试样高187% ~ 220%。MD计算结果表明，由于环氧树脂的加入，体系的拉伸强度和剪切强度分别提高了219.55%和201.41%。库仑力将C-S-H中的钙离子与交联的环氧树脂结合。此外，水分子存在时，四种钙离子与交联环氧树脂的键合能较高，仅比无水分子时低1.95%。因此，本文提出的增强方法是解决3D打印技术固有的层间界面薄弱问题的一种切实可行的方法。通过本研究的成果，有助于推动3D打印技术在实际建筑工程中的更广泛应用。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2020.103571