Die Wirkung von HPMC auf 3D-Druckmörtel

1.1Einfluss von HPMC auf die Druckbarkeit von 3D-Druckmörteln

1.1.1Die Wirkung von HPMC auf die Extrudierbarkeit von 3D-Druckmörteln

Die Blindgruppe M-H0 ohne HPMC und die Testgruppen mit einem HPMC-Gehalt von 0,05 %, 0,10 %, 0,20 % und 0,30 % wurden unterschiedlich lange stehen gelassen und anschließend die Fließfähigkeit getestet. Es ist ersichtlich, dass die Einarbeitung von HPMC die Fließfähigkeit des Mörtels erheblich verringert; Wenn der HPMC-Gehalt schrittweise von 0 % auf 0,30 % erhöht wird, verringert sich die anfängliche Fließfähigkeit des Mörtels von 243 mm auf 206, 191, 167 bzw. 160 mm. HPMC ist ein hochmolekulares Polymer. Sie lassen sich zu einer Netzwerkstruktur miteinander verschränken und durch die Einkapselung von Komponenten wie Ca(OH) 2 kann die Kohäsion der Zementschlämme erhöht werden. Makroskopisch wird die Kohäsion des Mörtels verbessert. Mit der Verlängerung der Standzeit erhöht sich der Hydratationsgrad des Mörtels. erhöht, die Fließfähigkeit geht mit der Zeit verloren. Die Fließfähigkeit der Blindgruppe M-H0 ohne HPMC nahm schnell ab. In der Versuchsgruppe mit 0,05 %, 0,10 %, 0,20 % und 0,30 % HPMC nahm der Grad der Abnahme der Fließfähigkeit mit der Zeit ab, und die Fließfähigkeit des Mörtels betrug nach 60-minütigem Stehen 180, 177, 164 bzw. 155 mm . Die Fließfähigkeit beträgt 87,3 %, 92,7 %, 98,2 %, 96,8 %. Der Einbau von HPMC kann die Retentionsfähigkeit der Mörtelfließfähigkeit erheblich verbessern, was auf die Kombination von HPMC und Wassermolekülen zurückzuführen ist; Andererseits kann HPMC einen ähnlichen Film bilden. Es hat eine Netzwerkstruktur und umhüllt den Zement, was die Verflüchtigung von Wasser im Mörtel wirksam reduziert und eine gewisse Wasserrückhalteleistung aufweist. Es ist erwähnenswert, dass bei einem HPMC-Gehalt von 0,20 % die Retentionsfähigkeit der Mörtelfließfähigkeit das höchste Niveau erreicht.

Die Fließfähigkeit des 3D-Druckmörtels, gemischt mit unterschiedlichen Mengen HPMC, beträgt 160–206 mm. Aufgrund der unterschiedlichen Druckerparameter sind die von verschiedenen Forschern empfohlenen Fließfähigkeitsbereiche unterschiedlich, z. B. 150–190 mm, 160–170 mm. Aus Abbildung 3 lässt sich intuitiv erkennen, dass die Fließfähigkeit des mit HPMC vermischten 3D-Druckmörtels größtenteils im empfohlenen Bereich liegt, insbesondere wenn der HPMC-Gehalt 0,20 % beträgt, liegt die Fließfähigkeit des Mörtels innerhalb von 60 Minuten innerhalb des empfohlenen Bereichs der empfohlene Bereich, der die entsprechende Fließfähigkeit und Stapelbarkeit erfüllt. Obwohl die Fließfähigkeit des Mörtels mit einer geeigneten Menge HPMC verringert wird, was zu einer Verschlechterung der Extrudierbarkeit führt, weist er dennoch eine gute Extrudierbarkeit auf, die im empfohlenen Bereich liegt.

1.1.2Die Wirkung von HPMC auf die Stapelbarkeit von 3D-Druckmörteln

Wenn keine Schablone verwendet wird, hängt die Größe der Formerhaltungsrate unter Eigengewicht von der Fließspannung des Materials ab, die mit dem inneren Zusammenhalt zwischen der Aufschlämmung und dem Zuschlagstoff zusammenhängt. Angegeben wird die Formbeständigkeit von 3D-Druckmörteln mit unterschiedlichen HPMC-Anteilen. Die Änderungsrate mit der Standzeit. Nach der Zugabe von HPMC verbessert sich die Formbeständigkeit des Mörtels, insbesondere im Anfangsstadium und bei einer Standzeit von 20 Minuten. Mit der Verlängerung der Standzeit schwächte sich jedoch die Verbesserungswirkung von HPMC auf die Formerhaltungsrate des Mörtels allmählich ab, was hauptsächlich darauf zurückzuführen war, dass die Retentionsrate deutlich zunahm. Nach 60-minütigem Stehen können nur 0,20 % und 0,30 % HPMC die Formbeständigkeit des Mörtels verbessern.

Die Ergebnisse des Penetrationswiderstandstests des 3D-Druckmörtels mit unterschiedlichen HPMC-Gehalten sind in Abbildung 5 dargestellt. Aus Abbildung 5 ist ersichtlich, dass der Penetrationswiderstand im Allgemeinen mit der Verlängerung der Standzeit zunimmt, was hauptsächlich auf das Fließen des Mörtels zurückzuführen ist Schlamm während des Zementhydratationsprozesses. Es entwickelte sich allmählich zu einem starren Feststoff; In den ersten 80 Minuten erhöhte der Einbau von HPMC den Durchdringungswiderstand, und mit der Erhöhung des HPMC-Gehalts erhöhte sich der Durchdringungswiderstand. Je größer der Durchdringungswiderstand ist, desto größer ist die Verformung des Materials aufgrund der aufgebrachten Last. Je größer der Widerstand von HPMC ist, was darauf hindeutet, dass HPMC die frühe Stapelbarkeit von 3D-Druckmörtel verbessern kann. Da sich die Hydroxyl- und Etherbindungen an der Polymerkette von HPMC leicht über Wasserstoffbrückenbindungen mit Wasser verbinden, was zu einer allmählichen Reduzierung des freien Wassers führt und die Verbindung zwischen den Partikeln zunimmt, nimmt die Reibungskraft zu, sodass der frühe Durchdringungswiderstand größer wird. Nach 80-minütigem Stehen stieg aufgrund der Hydratation des Zements der Durchdringungswiderstand der Blindgruppe ohne HPMC schnell an, während sich der Durchdringungswiderstand der Testgruppe mit HPMC erhöhte. Die Geschwindigkeit änderte sich erst nach etwa 160 Minuten Standzeit signifikant. Dies liegt laut Chen et al. vor allem daran, dass HPMC einen Schutzfilm um die Zementpartikel bildet, der die Abbindezeit verlängert; Pourchez et al. vermutet, dass dies hauptsächlich auf Fasern zurückzuführen ist. Einfache Etherabbauprodukte (wie Carboxylate) oder Methoxylgruppen können die Hydratation des Zements verzögern, indem sie die Bildung von Ca(OH)2 verzögern. Es ist erwähnenswert, dass dieses Experiment unter den gleichen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen durchgeführt wurde, um zu verhindern, dass die Entwicklung des Eindringwiderstands durch die Verdunstung von Wasser auf der Oberfläche der Probe beeinträchtigt wird. Insgesamt kann HPMC die Stapelbarkeit des 3D-Druckmörtels im Anfangsstadium wirksam verbessern, die Koagulation verzögern und die Druckzeit des 3D-Druckmörtels verlängern.

3D-Druck-Mörteleinheit (Länge 200 mm × Breite 20 mm × Schichtdicke 8 mm): Die Rohlingsgruppe ohne HPMC war stark deformiert, kollabierte und hatte beim Drucken der siebten Schicht Ausblutungsprobleme; Der Gruppenmörtel M-H0.20 weist eine gute Stapelbarkeit auf. Nach dem Drucken von 13 Schichten beträgt die Breite der oberen Kante 16,58 mm, die Breite der unteren Kante 19,65 mm und das Verhältnis von oben nach unten (das Verhältnis der Breite der oberen Kante zur Breite der unteren Kante) beträgt 0,84. Die Maßabweichung ist gering. Daher wurde durch Drucken bestätigt, dass die Einarbeitung von HPMC die Druckfähigkeit von Mörtel deutlich verbessern kann. Die Fließfähigkeit des Mörtels weist eine gute Extrudierbarkeit und Stapelbarkeit bei 160–170 mm auf; Die Formbeständigkeit beträgt weniger als 70 %, ist stark verformt und kann die Druckanforderungen nicht erfüllen.

1.2Einfluss von HPMC auf rheologische Eigenschaften von 3D-Druckmörteln

Angegeben ist die scheinbare Viskosität von reinem Zellstoff bei unterschiedlichem HPMC-Gehalt: Mit zunehmender Schergeschwindigkeit nimmt die scheinbare Viskosität von reinem Zellstoff ab, und bei hohem HPMC-Gehalt tritt das Phänomen der Strukturviskosität auf. Es ist offensichtlicher. Die HPMC-Molekülkette ist ungeordnet und weist bei niedriger Scherrate eine höhere Viskosität auf; Bei hoher Schergeschwindigkeit bewegen sich die HPMC-Moleküle jedoch parallel und geordnet entlang der Scherrichtung, wodurch die Moleküle leichter gleiten können, sodass die scheinbare Viskosität der Aufschlämmung in der Tabelle relativ niedrig ist. Wenn die Schergeschwindigkeit größer als 5,0 s-1 ist, ist die scheinbare Viskosität von P-H0 in der Blindgruppe grundsätzlich innerhalb von 5 Pa s stabil; während die scheinbare Viskosität der Aufschlämmung nach der Zugabe von HPMC zunimmt und diese mit HPMC vermischt wird. Die Zugabe von HPMC erhöht die innere Reibung zwischen den Zementpartikeln, was die scheinbare Viskosität der Paste erhöht, und die makroskopische Leistung besteht darin, dass die Extrudierbarkeit des 3D-Druckmörtels abnimmt.

Der Zusammenhang zwischen der Scherspannung und der Schergeschwindigkeit der reinen Aufschlämmung im rheologischen Test wurde aufgezeichnet und zur Anpassung der Ergebnisse wurde das Bingham-Modell verwendet. Die Ergebnisse sind in Abbildung 8 und Tabelle 3 dargestellt. Wenn der HPMC-Gehalt 0,30 % betrug, war die Scherrate während des Tests größer als 32,5. Wenn die Viskosität der Aufschlämmung den Bereich des Instruments bei s-1 überschreitet, werden die entsprechenden Daten angezeigt Punkte können nicht gesammelt werden. Im Allgemeinen wird die von den Anstiegs- und Abfallkurven im stabilen Stadium (10,0–50,0 s-1) eingeschlossene Fläche zur Charakterisierung der Thixotropie der Aufschlämmung verwendet [21, 33]. Thixotropie bezieht sich auf die Eigenschaft, dass die Aufschlämmung unter der Einwirkung äußerer Scherkräfte eine große Fließfähigkeit aufweist und nach Aufhebung der Scherwirkung in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren kann. Für die Verdruckbarkeit des Mörtels ist eine entsprechende Thixotropie von großer Bedeutung. Aus Abbildung 8 ist ersichtlich, dass die thixotrope Fläche der Blindgruppe ohne HPMC nur 116,55 Pa/s betrug; nach Zugabe von 0,10 % HPMC erhöhte sich die thixotrope Fläche der Nettopaste deutlich auf 1.800,38 Pa/s; Mit zunehmendem Wert verringerte sich der thixotrope Bereich der Paste, war aber immer noch zehnmal höher als der der Blindgruppe. Unter dem Gesichtspunkt der Thixotropie verbesserte die Einarbeitung von HPMC die Verdruckbarkeit des Mörtels erheblich.

Damit der Mörtel nach der Extrusion seine Form behält und der Belastung der anschließend extrudierten Schicht standhält, muss der Mörtel eine höhere Streckgrenze aufweisen. Aus Tabelle 3 ist ersichtlich, dass die Fließspannung τ0 der Nettoaufschlämmung nach der Zugabe von HPMC deutlich verbessert wird und der von HPMC ähnelt. Der Gehalt an HPMC ist positiv korreliert; wenn der HPMC-Gehalt 0,10 %, 0,20 % und 0,30 % beträgt, erhöht sich die Streckgrenze der Nettopaste auf das 8,6-, 23,7- bzw. 31,8-fache derjenigen der Blindgruppe; Mit zunehmendem HPMC-Gehalt steigt auch die plastische Viskosität μ. Beim 3D-Druck darf die plastische Viskosität des Mörtels nicht zu gering sein, da sonst die Verformung nach der Extrusion groß ist. Gleichzeitig sollte eine geeignete plastische Viskosität aufrechterhalten werden, um die Konsistenz der Materialextrusion sicherzustellen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich der Einbau von HPMC aus rheologischer Sicht positiv auf die Verbesserung der Stapelbarkeit von 3D-Druckmörtel auswirkt. Nach der Einarbeitung von HPMC entspricht die reine Paste immer noch dem rheologischen Bingham-Modell und die Anpassungsgüte R2 beträgt nicht weniger als 0,99.

1.3Die Wirkung von HPMC auf die mechanischen Eigenschaften von 3D-Druckmörtel

28 d Druckfestigkeit und Biegefestigkeit von 3D-Druckmörtel. Mit zunehmendem HPMC-Gehalt nahm die 28-Tage-Druck- und Biegefestigkeit des 3D-Druckmörtels ab; Wenn der HPMC-Gehalt 0,30 % erreichte, betrugen die 28-Tage-Druckfestigkeit und die Biegefestigkeit 30,3 bzw. 7,3 MPa. Studien haben gezeigt, dass HPMC eine gewisse luftporenbildende Wirkung hat und bei einem zu hohen Gehalt die innere Porosität des Mörtels deutlich zunimmt; Der Diffusionswiderstand erhöht sich und die vollständige Entladung wird erschwert. Daher kann die Zunahme der Porosität der Grund für die durch HPMC verursachte Abnahme der Festigkeit von 3D-Druckmörtel sein.

Der einzigartige Laminierungsformprozess des 3D-Drucks führt dazu, dass es Schwachstellen in der Struktur und den mechanischen Eigenschaften zwischen benachbarten Schichten gibt, und die Verbindungsstärke zwischen den Schichten hat einen großen Einfluss auf die Gesamtfestigkeit des gedruckten Bauteils. Für den 3D-Druck wurden mit 0,20 % HPMC M-H0,20 gemischte Mörtelproben geschnitten und die Haftfestigkeit zwischen den Schichten mit der Methode der Zwischenschichtspaltung getestet. Die Verbundfestigkeit der drei Teile zwischen den Schichten betrug mehr als 1,3 MPa; und wenn die Anzahl der Schichten niedrig war, war die Bindungsfestigkeit zwischen den Schichten etwas höher. Der Grund kann darin liegen, dass einerseits die Schwerkraft der oberen Schicht zu einer dichteren Verbindung der unteren Schichten führt; Andererseits kann die Oberfläche des Mörtels beim Drucken der unteren Schicht mehr Feuchtigkeit aufweisen, während beim Drucken der oberen Schicht die Oberflächenfeuchtigkeit des Mörtels durch Verdunstung und Hydratation verringert wird, sodass die Bindung zwischen den unteren Schichten stärker ist.

1.4Einfluss von HPMC auf die Mikromorphologie von 3D-Druckmörtel

Die REM-Bilder der M-H0- und M-H0.20-Proben im Alter von 3 Tagen zeigen, dass die Oberflächenporen der M-H0.20-Proben nach Zugabe von 0,20 % HPMC deutlich vergrößert sind und die Porengröße größer ist als die von die leere Gruppe. Dies liegt zum einen daran, dass HPMC eine luftporenbildende Wirkung hat, die zu gleichmäßigen und feinen Poren führt; Andererseits kann es sein, dass die Zugabe von HPMC die Viskosität der Aufschlämmung erhöht und dadurch den Austrittswiderstand der Luft in der Aufschlämmung erhöht. Der Anstieg könnte der Hauptgrund für die Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Mörtels sein. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Gehalt an HPMC nicht zu hoch sein sollte (≤ 0,20 %), um die Festigkeit des 3D-Druckmörtels sicherzustellen.

Abschließend

(1) Hydroxypropylmethylcellulose HPMC verbessert die Bedruckbarkeit des Mörtels. Mit zunehmendem HPMC-Gehalt nimmt die Extrudierbarkeit des Mörtels ab, weist aber immer noch eine gute Extrudierbarkeit auf, die Stapelbarkeit wird verbessert und die Druckzeit verlängert sich. Durch Drucken wurde bestätigt, dass die Verformung der unteren Schicht des Mörtels nach der Zugabe von HPMC verringert wird und das Verhältnis von oben zu unten 0,84 beträgt, wenn der HPMC-Gehalt 0,20 % beträgt.

(2) HPMC verbessert die rheologischen Eigenschaften von 3D-Druckmörtel. Mit zunehmendem HPMC-Gehalt nehmen die scheinbare Viskosität, die Fließspannung und die plastische Viskosität der Aufschlämmung zu; Die Thixotropie nimmt zunächst zu und dann ab, und die Bedruckbarkeit wird erreicht. Verbesserung. Aus rheologischer Sicht kann durch die Zugabe von HPMC auch die Verdruckbarkeit des Mörtels verbessert werden. Nach der Zugabe von HPMC entspricht die Aufschlämmung immer noch dem rheologischen Bingham-Modell und die Anpassungsgüte beträgt R2≥0,99.

(3) Nach der Zugabe von HPMC nehmen die Mikrostruktur und die Poren des Materials zu. Es wird empfohlen, dass der HPMC-Gehalt 0,20 % nicht überschreitet, da er sonst einen großen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Mörtels hat. Die Haftfestigkeit zwischen verschiedenen Schichten des 3D-Druckmörtels ist leicht unterschiedlich und die Anzahl der Schichten ist geringer. Je niedriger sie ist, desto höher ist die Haftfestigkeit zwischen den Mörtelschichten.