El efecto de HPMC en el mortero de impresión 3D

1.1Influencia del HPMC en la imprimibilidad de morteros de impresión 3D

1.1.1El efecto de HPMC sobre la extrudabilidad de morteros de impresión 3D

El grupo en blanco M-H0 sin HPMC y los grupos de prueba con un contenido de HPMC de 0,05 %, 0,10 %, 0,20 % y 0,30 % se dejaron reposar durante diferentes períodos de tiempo y luego se probó la fluidez. Se puede observar que la incorporación de HPMC reducirá significativamente la fluidez del mortero; cuando el contenido de HPMC aumenta gradualmente de 0% a 0,30%, la fluidez inicial del mortero disminuye de 243 mm a 206, 191, 167 y 160 mm, respectivamente. HPMC es un polímero de alto peso molecular. Se pueden entrelazar entre sí para formar una estructura de red y la cohesión de la lechada de cemento se puede aumentar encapsulando componentes como Ca(OH)2. Macroscópicamente, se mejora la cohesividad del mortero. Con la prolongación del tiempo de reposo aumenta el grado de hidratación del mortero. aumenta, la fluidez se pierde con el tiempo. La fluidez del grupo en blanco M-H0 sin HPMC disminuyó rápidamente. En el grupo experimental con HPMC al 0,05%, 0,10%, 0,20% y 0,30%, el grado de disminución de la fluidez disminuyó con el tiempo y la fluidez del mortero después de reposar durante 60 min fue de 180, 177, 164 y 155 mm, respectivamente. . La fluidez es 87,3%, 92,7%, 98,2%, 96,8%. La incorporación de HPMC puede mejorar significativamente la capacidad de retención de la fluidez del mortero, lo cual se debe a la combinación de HPMC y moléculas de agua; por otro lado, HPMC puede formar una película similar. Tiene una estructura de red y envuelve el cemento, lo que reduce efectivamente la volatilización del agua en el mortero y tiene un cierto rendimiento de retención de agua. Vale la pena señalar que cuando el contenido de HPMC es del 0,20%, la capacidad de retención de la fluidez del mortero alcanza el nivel más alto.

La fluidez del mortero de impresión 3D mezclado con diferentes cantidades de HPMC es de 160~206 mm. Debido a los diferentes parámetros de la impresora, los rangos de fluidez recomendados obtenidos por diferentes investigadores son diferentes, como 150~190 mm, 160~170 mm. En la Figura 3, se puede ver intuitivamente que la fluidez del mortero de impresión 3D mezclado con HPMC está mayoritariamente dentro del rango recomendado, especialmente cuando el contenido de HPMC es del 0,20%, la fluidez del mortero en 60 minutos está dentro el rango recomendado, que satisface la fluidez y apilabilidad adecuadas. Por lo tanto, aunque la fluidez del mortero con una cantidad adecuada de HPMC se reduce, lo que conduce a una disminución de la extrudabilidad, todavía tiene una buena extrudabilidad, que está dentro del rango recomendado.

1.1.2El efecto de HPMC en la apilabilidad de los morteros de impresión 3D

En el caso de no utilizar plantilla, el tamaño de la tasa de retención de forma bajo el peso propio depende del límite elástico del material, que está relacionado con la cohesión interna entre la lechada y el agregado. Se proporciona la retención de forma de morteros de impresión 3D con diferentes contenidos de HPMC. La tasa de cambio con el tiempo de reposo. Después de agregar HPMC, la tasa de retención de forma del mortero mejora, especialmente en la etapa inicial y en reposo durante 20 minutos. Sin embargo, con la extensión del tiempo de reposo, el efecto de mejora del HPMC sobre la tasa de retención de forma del mortero se debilitó gradualmente, lo que se debió principalmente a que la tasa de retención aumenta significativamente. Después de reposar durante 60 minutos, solo el 0,20% y el 0,30% de HPMC pueden mejorar la tasa de retención de forma del mortero.

Los resultados de la prueba de resistencia a la penetración del mortero de impresión 3D con diferentes contenidos de HPMC se muestran en la Figura 5. Se puede ver en la Figura 5 que la resistencia a la penetración generalmente aumenta con la extensión del tiempo de reposo, lo que se debe principalmente al flujo del lechada durante el proceso de hidratación del cemento. Gradualmente evolucionó hasta convertirse en un sólido rígido; en los primeros 80 min, la incorporación de HPMC aumentó la resistencia a la penetración, y con el aumento del contenido de HPMC, la resistencia a la penetración aumentó. Cuanto mayor es la resistencia a la penetración, la deformación del material debido a la carga aplicada, mayor es la resistencia del HPMC, lo que indica que el HPMC puede mejorar la apilabilidad temprana del mortero de impresión 3D. Dado que los enlaces hidroxilo y éter en la cadena polimérica de HPMC se combinan fácilmente con agua a través de enlaces de hidrógeno, lo que resulta en una reducción gradual del agua libre y aumenta la conexión entre las partículas, la fuerza de fricción aumenta, por lo que la resistencia a la penetración temprana aumenta. Después de reposar durante 80 minutos, debido a la hidratación del cemento, la resistencia a la penetración del grupo en blanco sin HPMC aumentó rápidamente, mientras que la resistencia a la penetración del grupo de prueba con HPMC aumentó. La velocidad no cambió significativamente hasta aproximadamente 160 min de reposo. Según Chen et al., esto se debe principalmente a que HPMC forma una película protectora alrededor de las partículas de cemento, lo que prolonga el tiempo de fraguado; Pourchez et al. Se conjeturó que esto se debe principalmente a la fibra. Los productos de degradación de éteres simples (como los carboxilatos) o los grupos metoxilo pueden retrasar la hidratación del cemento al retardar la formación de Ca(OH)2. Vale la pena señalar que, para evitar que el desarrollo de la resistencia a la penetración se vea afectado por la evaporación del agua en la superficie de la muestra, este experimento se llevó a cabo en las mismas condiciones de temperatura y humedad. En general, HPMC puede mejorar eficazmente la capacidad de apilamiento del mortero de impresión 3D en la etapa inicial, retrasar la coagulación y prolongar el tiempo de impresión del mortero de impresión 3D.

Entidad de mortero de impresión 3D (largo 200 mm × ancho 20 mm × espesor de capa 8 mm): el grupo en blanco sin HPMC se deformó gravemente, colapsó y tuvo problemas de sangrado al imprimir la séptima capa; El mortero del grupo M-H0,20 tiene buena apilabilidad. Después de imprimir 13 capas, el ancho del borde superior es de 16,58 mm, el ancho del borde inferior es de 19,65 mm y la relación de arriba a abajo (la relación entre el ancho del borde superior y el ancho del borde inferior) es 0,84. La desviación dimensional es pequeña. Por tanto, se ha comprobado mediante impresión que la incorporación de HPMC puede mejorar significativamente la imprimibilidad del mortero. La fluidez del mortero tiene buena capacidad de extrusión y apilabilidad entre 160 y 170 mm; la tasa de retención de forma es inferior al 70 % está gravemente deformada y no puede cumplir con los requisitos de impresión.

1.2Influencia de HPMC en las propiedades reológicas de los morteros de impresión 3D

Se proporciona la viscosidad aparente de la pulpa pura con diferentes contenidos de HPMC: con el aumento de la velocidad de corte, la viscosidad aparente de la pulpa pura disminuye y el fenómeno de adelgazamiento por cizallamiento se produce con un alto contenido de HPMC. Es más obvio. La cadena molecular de HPMC está desordenada y muestra una mayor viscosidad a una velocidad de corte baja; pero a una velocidad de corte alta, las moléculas de HPMC se mueven en paralelo y ordenadamente a lo largo de la dirección de corte, lo que hace que las moléculas se deslicen más fácilmente, por lo que la viscosidad aparente de la suspensión es relativamente baja. Cuando la velocidad de corte es superior a 5,0 s-1, la viscosidad aparente de P-H0 en el grupo en blanco es básicamente estable dentro de 5 Pa s; mientras que la viscosidad aparente de la suspensión aumenta después de que se añade HPMC y se mezcla con HPMC. La adición de HPMC aumenta la fricción interna entre las partículas de cemento, lo que aumenta la viscosidad aparente de la pasta, y el rendimiento macroscópico es que la extrudabilidad del mortero de impresión 3D disminuye.

Se registró la relación entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte de la suspensión pura en la prueba reológica y se utilizó el modelo de Bingham para ajustar los resultados. Los resultados se muestran en la Figura 8 y la Tabla 3. Cuando el contenido de HPMC fue del 0,30%, la velocidad de corte durante la prueba fue mayor que 32,5. Cuando la viscosidad de la suspensión excede el rango del instrumento en s-1, los datos correspondientes Los puntos no se pueden acumular. Generalmente, el área encerrada por las curvas ascendentes y descendentes en la etapa estable (10,0 ~ 50,0 s-1) se utiliza para caracterizar la tixotropía de la suspensión [21, 33]. La tixotropía se refiere a la propiedad de que la lechada tiene gran fluidez bajo la acción de una fuerza de corte externa y puede volver a su estado original después de que se cancela la acción de corte. Una tixotropía adecuada es muy importante para la imprimibilidad del mortero. Puede verse en la Figura 8 que el área tixotrópica del grupo en blanco sin HPMC fue sólo de 116,55 Pa/s; después de agregar 0,10% de HPMC, el área tixotrópica de la pasta neta aumentó significativamente a 1 800,38 Pa/s; Con el aumento de , el área tixotrópica de la pasta disminuyó, pero aún era 10 veces mayor que la del grupo en blanco. Desde la perspectiva de la tixotropía, la incorporación de HPMC mejoró enormemente la imprimibilidad del mortero.

Para que el mortero mantenga su forma después de la extrusión y resista la carga de la capa extruida posterior, el mortero debe tener un límite elástico más alto. Puede verse en la Tabla 3 que el límite elástico τ0 de la suspensión neta mejora significativamente después de agregar HPMC y es similar al de HPMC. El contenido de HPMC está correlacionado positivamente; cuando el contenido de HPMC es 0,10 %, 0,20 % y 0,30 %, el límite elástico de la pasta neta aumenta a 8,6, 23,7 y 31,8 veces el del grupo en blanco, respectivamente; la viscosidad plástica μ también aumenta con el aumento del contenido de HPMC. La impresión 3D requiere que la viscosidad plástica del mortero no sea demasiado pequeña, de lo contrario la deformación después de la extrusión será grande; al mismo tiempo, se debe mantener una viscosidad plástica adecuada para garantizar la consistencia del material extruido. En resumen, desde el punto de vista de la reología, la incorporación de HPMC tiene un efecto positivo en la mejora de la apilabilidad del mortero de impresión 3D. Después de incorporar HPMC, la pasta pura todavía se ajusta al modelo reológico de Bingham y la bondad de ajuste R2 no es inferior a 0,99.

1.3El efecto de HPMC sobre las propiedades mecánicas del mortero de impresión 3D

Resistencia a la compresión y a la flexión de 28 d del mortero de impresión 3D. Con el aumento del contenido de HPMC, la resistencia a la compresión y a la flexión de 28 d del mortero de impresión 3D disminuyó; cuando el contenido de HPMC alcanzó el 0,30%, la resistencia a la compresión a los 28 días y la resistencia a la flexión son 30,3 y 7,3 MPa, respectivamente. Los estudios han demostrado que el HPMC tiene un cierto efecto incorporador de aire y, si su contenido es demasiado alto, la porosidad interna del mortero aumentará significativamente; La resistencia a la difusión aumenta y es difícil descargarlo todo. Por lo tanto, el aumento de la porosidad puede ser la razón de la disminución de la resistencia del mortero de impresión 3D causada por HPMC.

El exclusivo proceso de moldeo por laminación de la impresión 3D conduce a la existencia de áreas débiles en la estructura y las propiedades mecánicas entre capas adyacentes, y la fuerza de unión entre capas tiene una gran influencia en la resistencia general del componente impreso. Para la impresión 3D, se cortaron muestras de mortero mezcladas con 0,20% de HPMC M-H0.20 y se probó la resistencia de la unión entre capas mediante el método de división entre capas. La fuerza de unión entre capas de las tres partes fue superior a 1,3 MPa; y cuando el número de capas era bajo, la fuerza de unión entre capas era ligeramente mayor. La razón puede ser que, por un lado, la gravedad de la capa superior hace que las capas inferiores estén más densamente unidas; por otro lado, la superficie del mortero puede tener más humedad al imprimir la capa inferior, mientras que la humedad superficial del mortero se reduce debido a la evaporación e hidratación al imprimir la capa superior, por lo que la unión entre las capas inferiores es más fuerte.

1.4Efecto de HPMC sobre la micromorfología del mortero de impresión 3D

Las imágenes SEM de las muestras M-H0 y M-H0.20 a los 3 días de edad muestran que los poros superficiales de las muestras M-H0.20 aumentan significativamente después de agregar 0,20% de HPMC, y el tamaño de los poros es mayor que el de el grupo en blanco. Esto, por un lado, se debe a que el HPMC tiene un efecto incorporador de aire, que introduce poros uniformes y finos; por otro lado, puede ser que la adición de HPMC aumente la viscosidad de la suspensión, aumentando así la resistencia a la descarga del aire dentro de la suspensión. El aumento puede ser la razón principal de la disminución de las propiedades mecánicas del mortero. En resumen, para garantizar la resistencia del mortero de impresión 3D, el contenido de HPMC no debe ser demasiado grande (≤ 0,20%).

En conclusión

(1) La HPMC de hidroxipropilmetilcelulosa mejora la imprimibilidad del mortero. Con el aumento del contenido de HPMC, la capacidad de extrusión del mortero disminuye pero todavía tiene una buena capacidad de extrusión, se mejora la capacidad de apilamiento y se prolonga el tiempo de impresión. Se ha verificado mediante impresión que la deformación de la capa inferior del mortero se reduce después de agregar HPMC, y la relación superior-inferior es de 0,84 cuando el contenido de HPMC es del 0,20%.

(2) HPMC mejora las propiedades reológicas del mortero de impresión 3D. Con el aumento del contenido de HPMC, aumentan la viscosidad aparente, el límite elástico y la viscosidad plástica de la suspensión; la tixotropía primero aumenta y luego disminuye, y se obtiene la imprimibilidad. Mejora. Desde la perspectiva de la reología, agregar HPMC también puede mejorar la imprimibilidad del mortero. Después de agregar HPMC, la suspensión todavía se ajusta al modelo reológico de Bingham y la bondad de ajuste R2≥0,99.

(3) Después de agregar HPMC, la microestructura y los poros del material aumentan. Se recomienda que el contenido de HPMC no supere el 0,20%, de lo contrario tendrá un gran impacto en las propiedades mecánicas del mortero. La fuerza de unión entre diferentes capas del mortero de impresión 3D es ligeramente diferente y el número de capas cuando es menor, la fuerza de unión entre las capas de mortero es mayor.