孫振平 ，孫遠(yuǎn)松，3，龐敏，趙一鶴，徐月梅，，李歡歡，，徐亞玲

（1.同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué)先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；3.成都宏基建材股份有限公司，四川成都 610004；4.上海城建物資有限公司，上海 200063）

近年來(lái)，3D打印技術(shù)憑借其快速、綠色、環(huán)保、節(jié)能、節(jié)材、節(jié)約勞動(dòng)力、高精度及自由度大等優(yōu)點(diǎn)，受到制造業(yè)和工程行業(yè)高度重視。3D打印技術(shù)也給建筑和土木工程領(lǐng)域注入了新活力，成為該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一[1-2]。3D打印技術(shù)是一種基于數(shù)字化模型通過(guò)逐層堆疊累積構(gòu)造物體的快速成型技術(shù)。它將數(shù)字技術(shù)、信息技術(shù)、智能制造和材料工程等諸多學(xué)科集成為一體。3D打印建筑技術(shù)革新了傳統(tǒng)的建造方式，有望應(yīng)用于人煙稀少的沙漠地區(qū)或深海地區(qū)，將來(lái)在月球、火星表面進(jìn)行太空建造時(shí)，3D打印建筑技術(shù)可能也是較佳選擇。

依據(jù)材料形式和工藝模式的不同，3D打印建筑技術(shù)主要可以分為3大類(lèi)：（1）基于漿體擠出堆疊的3D打印技術(shù)；（2）基于粉末粘合的3D打印技術(shù)；（3）基于噴射堆疊的3D打印技術(shù)?；跐{體擠出堆疊的3D打印技術(shù)類(lèi)似于熔融沉積式（FDM）方法[3]，通過(guò)程序控制可以三向移動(dòng)的擠出嘴擠出水泥混凝土實(shí)現(xiàn)逐層打印。

當(dāng)前，3D打印建筑主要是通過(guò)擠出嘴來(lái)實(shí)現(xiàn)，擠出嘴的尺寸限制了混凝土拌合物能采用的顆粒大小，所以對(duì)應(yīng)于某種尺寸的擠出嘴，必須將拌合物中顆粒的最大粒徑限制在一定范圍內(nèi)。骨料粒徑過(guò)大時(shí)，會(huì)堵塞擠出嘴；相反，若骨料粒徑過(guò)小，其比表面積增加，則包裹骨料表面所需的漿體量大，導(dǎo)致混凝土容易開(kāi)裂。

概括起來(lái)，3D打印混凝土難以解決的技術(shù)困難包括：（1）難以配制鋼筋；（2）難以使用粗骨料；（3）噴嘴擠出的相鄰2層混凝土之間較難有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度等。

筆者認(rèn)為，超高性能混凝土一般不使用粗骨料，由于水膠比極低，其抗壓強(qiáng)度高、耐久性優(yōu)異，而且由于摻加較大比例的纖維，具有很高的抗拉強(qiáng)度和斷裂韌性，某些場(chǎng)合甚至可以部分或全部取代鋼材，因而又被稱為“類(lèi)鋼混凝土”[4]。因此，采用超高性能混凝土進(jìn)行3D打印建造，應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)3D打印高層、大型建筑物（構(gòu)筑物）的較佳選擇。

為此，本文通過(guò)試驗(yàn)研究適合于3D打印的超高性能混凝土，希望既能夠?yàn)?D打印建筑提供可靠的超高性能材料，同時(shí)又可以拓展超高性能混凝土的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：南京小野田P·Ⅱ52.5水泥，比表面積345 m2/kg，初、終凝時(shí)間分別為180、235 min；粉煤灰：Ⅰ級(jí)F類(lèi)，比表面積360 m2/kg，燒失量2.6%；礦渣粉：S105級(jí)，比表面積620 m2/kg；硅灰：920型，SiO2含量≥92%，比表面積15 000 m2/kg；石英砂：最大粒徑600 μm；高性能聚羧酸系減水劑：實(shí)驗(yàn)室自制，粉劑，減水率≥30%；P150消泡劑：粉劑；鋼纖維：貝卡爾特公司鍍銅微絲鋼纖維，直徑0.25 mm、長(zhǎng)16 mm；水：自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

超高性能混凝土的攪拌成型方式與常規(guī)混凝土有一定差異，攪拌過(guò)程中先將稱量好的粉體材料加入攪拌鍋內(nèi)，并攪拌1 min，使干粉料混合均勻；然后加入稱量好的水。由于超高性能混凝土超低的水膠比，這一步的用時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)，本試驗(yàn)中攪拌4 min（如需加入鋼纖維，則應(yīng)在此步驟后將鋼纖維均勻的撒入攪拌鍋，并攪拌4 min，使鋼纖維均勻分布于漿體中），隨后即可成型；成型時(shí)，應(yīng)采用從試件一端緩慢倒入的方式，根據(jù)所配制的超高性能混凝土流動(dòng)性，可適當(dāng)振搗。

超高性能混凝土流動(dòng)度及抗折、抗壓強(qiáng)度（試件尺寸40 mm×40 mm×160 mm）參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》進(jìn)行測(cè)試。

超高性能混凝土拉伸全應(yīng)力應(yīng)變曲線測(cè)試參考瑞士SIA—2052規(guī)范。試件尺寸參考王俊顏等[5]改進(jìn)后的試件，如圖1所示。單軸拉伸試驗(yàn)如圖2所示，試件由上下2個(gè)夾具固定，中部拉伸段固定2個(gè)矩形金屬架，二者之間的距離即為試件的測(cè)試標(biāo)距L，本試驗(yàn)中L為150 mm。金屬架四角安裝4個(gè)精度為0.0001 mm的線性可變位移計(jì)（LVDT）以便測(cè)量軸向拉伸變形，即4個(gè)位移計(jì)的平均值與標(biāo)距的比值。最終計(jì)算機(jī)將LVDT數(shù)據(jù)與自動(dòng)采集的軸拉應(yīng)力值繪成拉伸全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。試驗(yàn)加載速度為0.3 mm/min，直至試件拉應(yīng)力小于峰值應(yīng)力的2/3。

圖1 超高性能混凝土單軸拉伸試件

圖2 超高性能混凝土單軸拉伸試驗(yàn)裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 摻合料對(duì)超高性能混凝土性能的影響

膠凝材料占超高性能混凝土固體原材料50%以上，其組成及性能對(duì)于超高性能混凝土的性能有顯著影響。本文采用硅灰、粉煤灰和礦渣粉3種較為常見(jiàn)摻合料，與水泥配合作為超高性能混凝土的膠凝材料，并采用正交試驗(yàn)研究摻合料對(duì)超高性能混凝土性能的影響，以硅灰、粉煤灰和礦粉摻量（均按占膠凝材料質(zhì)量計(jì)）為因素，進(jìn)行3因素3水平正交試驗(yàn)。

經(jīng)過(guò)初步3D打印試驗(yàn)，認(rèn)為當(dāng)超高性能混凝土拌合物的流動(dòng)度控制在（160±40）mm，則在摻加鋼纖維情況下，擠出嘴擠出性和建造性均可滿足要求，且層與層之間的粘結(jié)性也較好。因此，本試驗(yàn)采用砂膠比為1∶0，水膠比為0.16，高性能減水劑摻量為膠凝材料的0.40%，正交試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，極差分析見(jiàn)表3。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 正交試驗(yàn)極差分析

由表2、表3可以看出，3個(gè)因素中，硅灰摻量對(duì)超高強(qiáng)混凝土的流動(dòng)度和抗壓、抗折強(qiáng)度影響最大，隨著硅灰摻量的增加，拌合物流動(dòng)度顯著減小，這主要是因?yàn)楣杌业谋缺砻娣e較大，對(duì)于水分的吸附效應(yīng)明顯，導(dǎo)致可用的自由水減少。同時(shí)，隨著硅灰摻量的增加，拌合物抗壓強(qiáng)度也會(huì)出現(xiàn)一定的降低，這說(shuō)明流動(dòng)度的下降會(huì)顯著影響成型的密實(shí)度，導(dǎo)致強(qiáng)度有所降低。粉煤灰和礦渣粉的摻量對(duì)于超高性能混凝土性能的影響相對(duì)較小，而硅灰摻量是超高性能混凝土的關(guān)鍵影響因素。最優(yōu)因素水平為A1B1C1，即硅灰摻量5%、粉煤灰摻量10%、礦渣粉摻量10%，此時(shí)摻合料總摻量為25%，可以較好地填充水泥顆粒間的空隙，與水泥水化生成的Ca（OH）2發(fā)生二次水化，密實(shí)基體結(jié)構(gòu)，提高強(qiáng)度。這個(gè)結(jié)果與文獻(xiàn)[6]中摻合料占總膠凝材料25%的結(jié)論一致。

2.2 砂膠比對(duì)超高性能混凝土性能的影響

超高性能混凝土不使用粗骨料，這是因?yàn)榇止橇献陨泶嬖谝欢ǖ娜毕菀约八c硬化水泥石的彈性模量不一致，在載荷下會(huì)因?yàn)樽冃尾灰恢露霈F(xiàn)缺陷。剔除粗骨料有利于提高超高性能混凝土的均一性[7]。本文將石英砂作為超高性能混凝土的主要骨料，其用量對(duì)超高性能混凝土的性能有重要影響。采用上述最佳膠凝材料組成（75%水泥+5%硅灰+10%粉煤灰+10%礦渣粉），測(cè)試了砂膠比對(duì)超高性能混凝土抗折、抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 砂膠比對(duì)超高性能混凝土強(qiáng)度的影響

由圖3可以看出，在相同齡期條件下，超高性能混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度均隨砂膠比的增大先提高后降低。同時(shí)可以觀察到，當(dāng)砂膠比為0.9時(shí)，強(qiáng)度離散性較大。通過(guò)觀察試件斷裂截面發(fā)現(xiàn)，砂膠比較低時(shí)，細(xì)骨料沉積在試件底部，分布不均勻。推測(cè)產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是砂膠比較低時(shí)，拌合物整體流動(dòng)性過(guò)大，粘度有所降低，導(dǎo)致漿體對(duì)細(xì)骨料的限制降低，在振搗情況下發(fā)生了沉降，不僅導(dǎo)致強(qiáng)度降低還影響了強(qiáng)度的穩(wěn)定性，增大離散性。隨著砂膠比的增加，漿體可以較好地包覆住細(xì)骨料，強(qiáng)度提高，離散性降低。但是，在超高性能混凝土中膠凝材料水化是基體強(qiáng)度的主要來(lái)源，當(dāng)砂膠比大于1.0后，膠凝材料的用量減少，強(qiáng)度反而會(huì)下降。因此，在試驗(yàn)范圍內(nèi)得出，當(dāng)砂膠比為1.0時(shí)，強(qiáng)度較理想。

2.3 水膠比對(duì)超高性能混凝土的影響

水膠比作為水硬性膠凝材料的重要指標(biāo)，對(duì)超高性能混凝土的性能影響較大，本文通過(guò)2個(gè)角度研究水膠比對(duì)超高性能混凝土的影響：一是僅改變?cè)囼?yàn)中水的用量，探究不同水膠比對(duì)超高性能混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)果如圖4所示；二是同時(shí)改變?cè)囼?yàn)中水和減水劑的用量，保證試驗(yàn)中超高性能混凝土的初始流動(dòng)性一致，探究不同水膠比對(duì)超高性能混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)果如圖5所示。從圖4可以看出，隨著水膠比的增大，超高性能混凝土的強(qiáng)度略有下降，且強(qiáng)度的離散性也隨之增加，離散性增加的原因主要是由于流動(dòng)度增大的情況下，漿體的粘度降低，對(duì)細(xì)骨料包覆能力降低，沉積明顯。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，水膠比為0.15和0.17時(shí)的強(qiáng)度差別并不大，但是水膠比為0.15時(shí)離散性相對(duì)較大。

圖4 水膠比對(duì)超高性能混凝土強(qiáng)度的影響

圖5 水膠比-減水劑對(duì)超高性能混凝土強(qiáng)度的影響

在保持相同初始流動(dòng)度情況下，水膠比為0.15、0.17、0.19、0.21的超高性能混凝土拌合物減水劑用量分別為0.40%、0.35%、0.32%、0.30%，可見(jiàn)低水膠比條件下需要更多的減水劑。高性能減水劑是超高性能混凝土的重要組分，為超高性能混凝土在超低水膠比下保持良好的流動(dòng)性奠定了基礎(chǔ)。從圖5可以看出，在相同初始流動(dòng)度的條件下，超高性能混凝土的強(qiáng)度與水膠比呈現(xiàn)較為明顯的線性關(guān)系，并且各水膠比下超高性能混凝土強(qiáng)度的離散性相差不大。

綜合這2項(xiàng)試驗(yàn)的結(jié)果可以得出：過(guò)高的流動(dòng)度會(huì)導(dǎo)致骨料發(fā)生沉降，引起超高性能混凝土強(qiáng)度的離散性增加，同時(shí)降低水膠比可以顯著提高強(qiáng)度，但是需要保證流動(dòng)性，否則由于低水膠比引起的低流動(dòng)性會(huì)影響成型，導(dǎo)致強(qiáng)度低于預(yù)期；適當(dāng)增加減水劑的摻量有利于流動(dòng)性的保持，且對(duì)于超高性能混凝土的力學(xué)性能影響不大，在有特殊需求的情況下可以采用這種方法。

2.4 鋼纖維對(duì)超高性能混凝土性能的影響

超高性能混凝土具有超高耐久性和超高韌性，其超高耐久性源自于膠凝材料和骨料的緊密堆積形成的密實(shí)結(jié)構(gòu)，而超高韌性主要來(lái)自于鋼纖維對(duì)超高性能混凝土的增韌增強(qiáng)，因此鋼纖維是超高性能混凝土的重要組成部分。鋼纖維體積摻量對(duì)超高性能混凝土力學(xué)性能的影響如圖6、圖7所示。

圖6 鋼纖維體積摻量對(duì)超高性能混凝土強(qiáng)度的影響

圖7 鋼纖維體積摻量對(duì)超高性能混凝土拉伸性能的影響

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，鋼纖維的摻入會(huì)大幅度提高超高性能混凝土的力學(xué)性能。在本文試驗(yàn)范圍內(nèi)，超高性能混凝土的抗折強(qiáng)度最大增幅高達(dá)42%，抗壓強(qiáng)度最大增幅高達(dá)44%。從圖7可以看出，鋼纖維摻量為1.0%時(shí)，超高性能混凝土仍表現(xiàn)為脆性斷裂；隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土逐步表現(xiàn)出韌性，當(dāng)鋼纖維的摻量大于或等于某個(gè)值時(shí)，超高性能混凝土可以表現(xiàn)出一種類(lèi)鋼行為，即應(yīng)變強(qiáng)化。在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，這個(gè)臨界值為2.0%，即當(dāng)鋼纖維摻量大于或等于2.0%時(shí)，超高性能混凝土表現(xiàn)出了應(yīng)變強(qiáng)化的特性。當(dāng)鋼纖維體積摻量不小于2.0%時(shí)，超高性能混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度超過(guò)170.0 MPa，28 d抗折強(qiáng)度超過(guò)40.0 MPa，抗拉強(qiáng)度超過(guò)10.0 MPa，單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出應(yīng)變強(qiáng)化行為，而且當(dāng)鋼纖維摻量為2.5%時(shí)，超高性能混凝土極限拉應(yīng)變可以達(dá)到6000×10-6。從圖7可以看出，鋼纖維體積摻量分別為1.0%、1.5%、2.0%、2.5%時(shí)，超高性能混凝土的強(qiáng)化率（極限拉伸強(qiáng)度與彈性拉伸強(qiáng)度的比值）分別為100%、103%、106%、120%，隨著鋼纖維摻量的增加而增大。

3 結(jié)論

（1）超高性能混凝土不使用粗骨料，其抗壓、抗折強(qiáng)度高，由于摻加纖維，不僅韌性好，而且作為3D打印材料不僅有助于相鄰打印層粘結(jié)性的提高，更是超高層、超大型3D打印建筑的最佳材料。

（2）硅灰、粉煤灰和礦渣粉的摻量分別取5%、10%和10%，砂膠比取1.0，水膠比取0.17，所制備的超高性能混凝土基體強(qiáng)度最高，且強(qiáng)度離散性最小。

（3）當(dāng)鋼纖維體積摻量不小于2.0%時(shí)，超高性能混凝土28 d抗壓強(qiáng)度超過(guò)170.0 MPa，28 d抗折強(qiáng)度超過(guò)40.0 MPa，抗拉強(qiáng)度超過(guò)10.0 MPa，且單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出應(yīng)變強(qiáng)化行為。隨著鋼纖維體積摻量的增加，超高性能混凝土強(qiáng)化率增大。

（4）摻鋼纖維的超高性能混凝土表現(xiàn)出良好的應(yīng)變能力，當(dāng)鋼纖維的體積摻量為2.5%時(shí)，超高性能混凝土的極限拉應(yīng)變可以達(dá)到6000×10-6。