乾燥環境が3Dプリントコンクリートの機械的特性、内部相対湿度、細孔構造に与える影響

出典: Smart Civil Engineering

3D プリントコンクリートは、テンプレートを必要としない新しいタイプの建設技術です。印刷可能な材料がノズルから押し出され、層ごとに積み重ねられます。従来のコンクリート打設と比較して、プリントコンクリートには、高度な自動化、優れた施工安全性、時間の節約、型枠の削減、人件費の削減など、多くの利点があります。ただし、テンプレート保護がないと、3DPC は印刷プロセス中および堆積後に水分を失います。相対湿度 (RH) が低い、風速が速いなどの環境要因により、コンクリート表面からの水分の蒸発が激しくなります。 3DPC は露出面積が大きいため、内部の水分が外側に移動しやすく、セメントの水和反応が妨げられ、水和生成物が不十分になって細孔を埋めることができません。

研究の出発点

これまでの研究では、乾燥した環境が 3DPC の機械的特性の発達に影響を及ぼす可能性があることが判明しています。しかし、乾燥条件下での3DPCの機械的特性の変化に関する研究はほとんどなく、また、初期の印刷が完了した時点から環境制御を開始した研究もほとんどありません。さらに、乾燥と風が 3DPC の機械的特性の異方性に及ぼす影響はまだ不明です。

研究内容

この研究は、相対湿度、風、および暴露環境の影響下における印刷された試験片から切り出された試験片の機械的特性を特徴付けることを目的としています。乾燥（RH = 60％±5％）、風（3 m / s）、および暴露領域が20°C±5°Cでの3DPCの機械的特性に与える影響を調査しました。さらに、湿度センサーを用いて内部相対湿度の変化を測定し、X線コンピュータ断層撮影法を用いて細孔分布を評価した。これらの機械的特性は、同じ硬化条件下での鋳造試験片の特性と比較されました。同時に、養生条件や調製方法がコンクリートの機械的性質に与える影響を検証するために、コンクリート内部の相対湿度と細孔構造を特性評価しました。

図1 試験片の荷重: (a) 曲げ、(b) 圧縮、(c) 引張割裂図2 内部相対湿度を収集するためのセンサーの位置図3 印刷および鋳造試験片の圧縮強度に対する硬化条件の影響。 X、Y、Z は 3DPC の荷重方向です。図 4 印刷および鋳造試験片の曲げ強度に対する硬化条件の影響。 X、Y、Z は 3DPC の荷重方向です。図 5 異なる養生条件下における上面から 10 mm、20 mm、30 mm の深さでの相対湿度の経時変化図 6 X-CT 再構成コンクリートの細孔構造に対する準備方法の影響: (a) 印刷サンプル、(b) 鋳造サンプル図 7 細孔の連結性 (a) 印刷サンプル、(b) 鋳造サンプル
主な結論

1. 乾燥条件下で印刷された試験片の強度は、標準条件（RH > 95%）で硬化された試験片の強度よりも大幅に低くなります。相対湿度が60%±5%の場合、曲げ強度と圧縮強度は20%～30%低下します。風速（風速 = 3 m/s）により強度の発現がさらに遅くなり、乾燥状態および風乾状態では曲げ強度と圧縮強度が 30% 以上減少しました。しかし、乾燥および風力養生条件が割裂引張強度に与える影響は小さく、そのため、養生条件が 3DPC 内部に与える影響は明らかではありませんでした。
2. 乾燥条件（RH = 60% ± 5%）では、内部相対湿度は時間とともに低下し、風速（風速 = 3 m/s、RH = 60% ± 5%）により内部相対湿度の低下がさらに悪化します。特定の年齢における機械的特性は、3DPC の内部相対湿度と直線的に相関しています。
3. 相対湿度が低い、露出面積が大きい、風があるなどの硬化条件下では、3DPC の異方性への影響は大きくありません。これは、3DPC の異方性を決定する主な要因は印刷されたストリップ層間の性能であり、硬化条件は印刷されたストリップ層間の性能に大きな影響を与えないからです。
4. 鋳造試験片と比較すると、印刷試験片上の切断試験片の強度は環境の影響を受けやすくなります。主な理由は製造プロセスに関係しています。一方では、層の押し出し堆積後、印刷されたサンプルの細孔形状は細長くなる傾向があります。さらに、振動のないプロセスにより、直径 0.1 mm を超える細孔の数が増加し、細孔の連結性が強化されます。

この研究は、東南大学材料科学工学部の張亜梅氏の研究グループが担当し、「3Dプリントコンクリートの機械的特性、内部相対湿度、細孔構造に対する乾燥環境の影響」と題する論文を建設・建築材料誌に発表した。
関連論文リンク: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.125731

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