王 里，李丹利，葉珂含，關(guān)景元，馮 舵

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.河北省建筑3D打印工程研發(fā)中心，天津 300401)

0 引 言

建筑業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。信息化技術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革進(jìn)入智能化時(shí)代。建筑業(yè)工業(yè)化、數(shù)字化、智能化發(fā)展已成為大勢(shì)所趨?；炷?D打印是一種典型的智能建造技術(shù)，顛覆了傳統(tǒng)的混凝土產(chǎn)業(yè)模式，具有靈活、快速和智能化的建造優(yōu)勢(shì)，可以減少人力、節(jié)約成本、提高效率，并已在裝配式橋梁、建筑景觀、房屋結(jié)構(gòu)以及基礎(chǔ)設(shè)施建造領(lǐng)域取得應(yīng)用，表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿1-3]。

然而，混凝土3D打印過(guò)程中易出現(xiàn)材料堵塞、中斷、變形、撕裂甚至坍塌現(xiàn)象。3D打印穩(wěn)定成型的關(guān)鍵在于連續(xù)打印過(guò)程中材料與工藝的協(xié)調(diào)性、兼容性和適應(yīng)性。3D可打印性的量化、優(yōu)化是保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定快速成型的基礎(chǔ)。同時(shí)，制定3D打印水泥基復(fù)合材料性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于加快3D打印的工程化應(yīng)用和推廣具有重要的實(shí)踐指導(dǎo)意義[4-6]。

1 3D可打印性的量化

3D可打印性是指混凝土拌合物能夠被打印頭連續(xù)、均勻擠出，保持被擠出時(shí)的形狀，且在逐層堆疊的過(guò)程中保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的能力，其主要包括流動(dòng)性、擠出性、建造性、開(kāi)放時(shí)間和濕坯強(qiáng)度五個(gè)方面[7-8]。

1.1 流動(dòng)性測(cè)試

流動(dòng)性是指混凝土拌合物容易被泵送、輸送以及從打印頭出料口擠出的性能。Zhang等[9]參照《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》(GB/T 8077—2012)規(guī)定的水泥凈漿流動(dòng)度測(cè)試方法，研究了減水劑和緩凝劑對(duì)拌合物流動(dòng)性的影響。章蘇陽(yáng)等[10]用該方法測(cè)試拌合物的流動(dòng)度經(jīng)時(shí)變化，建議流動(dòng)度控制在170～190 mm?；袅恋萚11]用跳桌試驗(yàn)(GB/T 2419—2005)測(cè)試了沙漠砂對(duì)拌合物流動(dòng)性的影響，建議流動(dòng)度控制在170～220 mm。Tay等[12]用坍落度試驗(yàn)(ASTM C230)和坍落度流動(dòng)試驗(yàn)(ASTM C1437)研究了混凝土3D可打印區(qū)間，認(rèn)為坍落度在4～8 mm、流動(dòng)度在150～190 mm的拌合物具有較好的打印性能。本課題組[13]用跳桌試驗(yàn)(GB/T 2419—2005)和坍落度試驗(yàn)(GB/T 14902—2012)測(cè)試了銅尾礦砂替代率對(duì)3D打印拌合物流動(dòng)性的影響，建議流動(dòng)度控制在174～210 mm，坍落度控制在3.2～8.8 mm。

1.2 擠出性測(cè)試

擠出性是指混凝土拌合物具有足夠的流動(dòng)性，能夠通過(guò)打印頭均勻、連續(xù)擠出的性能。Le等[14]將從9 mm寬的噴嘴擠出總長(zhǎng)為4 500 mm的條帶沒(méi)有發(fā)生堵塞或斷裂，作為滿足擠出性的標(biāo)準(zhǔn)。Lafhaj等[15]通過(guò)觀測(cè)打印長(zhǎng)500 mm、寬350 mm的條帶在堆疊20層過(guò)程中拌合物是否堵塞管道來(lái)評(píng)價(jià)擠出性，具體設(shè)置的工藝參數(shù)為打印噴頭口徑15 mm，打印速度100 mm/s。Chen等[16]利用沖壓擠出機(jī)量化不同拌合物的擠出壓力進(jìn)而表征擠出性。本課題組[13]依據(jù)從8 mm×8 mm的方形噴嘴擠出總長(zhǎng)度2 000 mm條帶的表觀質(zhì)量來(lái)評(píng)估拌合物的擠出性。

1.3 建造性測(cè)試

建造性是指3D打印混凝土逐層堆疊的過(guò)程中，在堆疊方向上發(fā)生允許的壓縮變形，在打印條帶寬度方向上發(fā)生允許的擴(kuò)展變形，堆疊形成的3D打印制品不發(fā)生屈曲、倒塌，及整體尺寸不隨時(shí)間推移發(fā)生改變的性能。Long等[17]使用打印噴頭口徑20 mm，打印速度80 mm/s，制備尺寸為400 mm×150 mm×100 mm的5層中空結(jié)構(gòu)，以結(jié)構(gòu)坍落度表征拌合物的建造性。Yuan等[18]使用加載裝置來(lái)檢測(cè)20層打印結(jié)構(gòu)的變形，加載速率依打印建造方案而設(shè)定，當(dāng)變形量小于0.2%時(shí)認(rèn)為滿足建造性要求。Bhattacherjee等[19]打印300 mm×300 mm的矩形中空薄壁結(jié)構(gòu)，垂直堆疊建造20層之后，測(cè)量實(shí)際建造高度與設(shè)計(jì)高度的差值以及首層打印層的厚度來(lái)評(píng)價(jià)建造性。本課題組[13]打印20層250 mm×30 mm的條帶，以擠出條帶保持10 min不塌陷作為滿足建造性的標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 開(kāi)放時(shí)間測(cè)試

開(kāi)放時(shí)間是指3D打印混凝土拌合物從加水拌和后保持打印性能的時(shí)間。Chen等[20]在30 min的靜置時(shí)間后開(kāi)始，每間隔10 min打印一根800 mm×40 mm的條帶，將出現(xiàn)破裂的時(shí)間記為開(kāi)放時(shí)間。本課題組[13]以拌合物表現(xiàn)出可接受的擠出性的時(shí)間段來(lái)確定開(kāi)放時(shí)間，每間隔10 min打印2條250 mm×30 mm的條帶，將發(fā)生擠出中斷的時(shí)間記為開(kāi)放時(shí)間。

1.5 濕坯強(qiáng)度與彈性模量測(cè)試

3D打印混凝土材料快速穩(wěn)定堆疊一定高度并且不發(fā)生或發(fā)生允許的坍落變形的前提是具有良好的超早齡期力學(xué)性能，可使用濕坯強(qiáng)度和彈性模量來(lái)量化3D打印混凝土材料超早齡期的力學(xué)性能。濕坯強(qiáng)度是指混凝土拌合物終凝前在無(wú)側(cè)向壓力條件下抵抗軸向壓力的極限強(qiáng)度。彈性模量是指3D打印混凝土拌合物在終凝前受壓力時(shí)抵抗變形的能力。Wolfs等[21]的測(cè)試結(jié)果表明，濕坯強(qiáng)度和彈性模量可用于評(píng)估3D打印混凝土的早期力學(xué)行為?；谠囼?yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，建立了有限元分析模型，對(duì)3D打印圓柱筒試樣的建造高度和變形情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，數(shù)值結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合良好。Chen等[20]用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)配備10 kN測(cè)力傳感器進(jìn)行濕坯強(qiáng)度試驗(yàn)，加載速度為0.2 mm/s，直至加載位移為20 mm，記錄垂直和水平方向變形，根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線確定濕坯強(qiáng)度，并計(jì)算彈性模量。Perrot等[22]用貫入試驗(yàn)與公式推導(dǎo)來(lái)測(cè)試和計(jì)算拌合物的濕坯強(qiáng)度與彈性模量，試驗(yàn)所用貫入儀針頭為直徑12 mm、高20 mm的圓柱體，試驗(yàn)時(shí)控制貫入速度為1 mm/min，直至貫入深度為10 mm。

1.6 流變性測(cè)試

流變性參數(shù)主要包括靜態(tài)屈服應(yīng)力、動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力、塑性粘度和觸變性等。Huang等[23]使用安東帕Rheolab QC型流變儀研究了硅酸鹽熟料-硫鋁酸鈣-熟石膏三元拌合物的流變行為，測(cè)試過(guò)程分為動(dòng)態(tài)、靜態(tài)兩種。動(dòng)態(tài)測(cè)試是先以100 s-1的剪切速率預(yù)剪切60 s，停止15 s后在60 s內(nèi)剪切速率從0 s-1增加到100 s-1，取20 s-1到100 s-1的曲線來(lái)計(jì)算流變參數(shù)。靜態(tài)測(cè)試是在0.005 s-1的恒定剪切速率下持續(xù)60 s。試驗(yàn)得出，熟石膏能夠推遲拌合物水化作用，增加拌合物早期流動(dòng)性。Panda等[24]使用安東帕MCR102型流變儀研究了高摻量粉煤灰拌合物的流變行為。整個(gè)測(cè)試過(guò)程包括三步，先進(jìn)行60 s剪切速率為0.1 s-1的恒定速率剪切，然后再進(jìn)行30 s剪切速率為300 s-1的高速率剪切，最后再進(jìn)行60 s剪切速率為0.1 s-1的恒定速率剪切。前后兩部分可得到高剪切速率對(duì)材料靜態(tài)屈服應(yīng)力的影響，中間的高速剪切部分是為了通過(guò)表觀粘度來(lái)評(píng)價(jià)剪切流動(dòng)對(duì)材料的影響。試驗(yàn)得出，粉煤灰可以提高材料的可打印性。Zhang等[25]研究了Si/Na對(duì)3D打印地聚合物的影響，發(fā)現(xiàn)拌合物在18 s-1的恒定剪切速率下剪切5 min能夠達(dá)到能量最低的平衡狀態(tài)。并定義了結(jié)構(gòu)重建能力，分析得出Si/Na越小，拌合物的結(jié)構(gòu)重建能力越強(qiáng)。楊錢榮等[26]使用RVDV-2型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量了3D打印材料的流變學(xué)特性。

2 3D可打印性的優(yōu)化

2.1 3D打印工藝多參數(shù)優(yōu)化方法

打印工藝參數(shù)直接影響打印過(guò)程的穩(wěn)定以及最終質(zhì)量。Panda等[27]研究了打印速度和噴嘴間距對(duì)拌合物拉伸粘結(jié)強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)打印速度由110 mm/s下降到70 mm/s時(shí)，拉伸粘結(jié)強(qiáng)度提高了11%。噴嘴間距由4 mm減小至0 mm時(shí)，拉伸粘結(jié)強(qiáng)度提高了53%。Tay等[28]提出通過(guò)調(diào)節(jié)流速和打印速度來(lái)優(yōu)化拌合物建造性的思路，觀察條帶表觀質(zhì)量和表面積來(lái)確定適合的泵送速度和打印速度區(qū)間。武雷等[29]研究了分層厚度和搭接寬度對(duì)打印精度的影響，發(fā)現(xiàn)分層厚度由18 mm下降到12 mm時(shí)，體積偏差率下降了51%，搭接寬度約為噴頭口徑1/4時(shí)成型精度最高。

2.2 礦物摻合料復(fù)配調(diào)控方法

Zhang等[30]通過(guò)在拌合物中復(fù)摻2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的硅灰和2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的納米粘土，增加了拌合物的觸變性，改善了拌合物的建造性，使建造高度提高了261%。楊錢榮等[26]研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)摻5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的硅灰和10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的礦粉可以改善拌合物的顆粒級(jí)配，降低拌合物的表觀粘度，同時(shí)可延長(zhǎng)其開(kāi)放時(shí)間。章蘇陽(yáng)等[10]通過(guò)優(yōu)化納米粘土的摻量來(lái)改善建造性,納米粘土摻量為0.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的拌合物比摻量為0.6%時(shí)，塑性強(qiáng)度增加0.9～1.4 kPa，開(kāi)放時(shí)間延長(zhǎng)74 s，成型建造層數(shù)多2層。李維紅等[31]指出粉煤灰的摻入能夠提高拌合物的流動(dòng)性，但降低其建造性，而硅灰的摻入效果相反。趙穎等[32]研究了石灰石粉對(duì)3D打印水泥基材料工作性和力學(xué)性能的影響,研究表明，摻量10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的石灰石粉可配制工作性能優(yōu)異、力學(xué)性能良好的3D打印水泥基復(fù)合材料。晏娟等[33]研究發(fā)現(xiàn)，8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右的再生骨料微粉可提高拌合物的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度。

2.3 顆粒級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

優(yōu)化3D打印水泥基復(fù)合材料的顆粒級(jí)配有助于改善擠出性和流動(dòng)性，并提高材料強(qiáng)度。Mohan等[34]研究發(fā)現(xiàn)，增大骨料摻量可提高拌合物的屈服應(yīng)力和塑性粘度，改善其打印性。Malaeb等[35]建議選用的骨料最大粒徑為打印噴嘴口徑的1/10,以便于拌合物的順利擠出。Khalil等[36]認(rèn)為骨料最大粒徑小于1/5打印噴嘴口徑時(shí)，拌合物不會(huì)堵塞噴嘴。Zhang等[37]研究發(fā)現(xiàn)，拌合物流動(dòng)性與最佳集料摻量之間線性相關(guān)，骨料用量相同但粒徑較小時(shí)有利于改善拌合物的建造性。

2.4 多元外加劑協(xié)同調(diào)控方法

在拌合物中摻入不同的外加劑可實(shí)現(xiàn)流變性和打印質(zhì)量的調(diào)控。Le等[14]使用0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的緩凝劑、1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))超塑化劑制備3D打印水泥基復(fù)合材料，該材料的開(kāi)放時(shí)間為100 min，剪切強(qiáng)度為0.55 kPa，1 d抗壓強(qiáng)度為20 MPa。Shakor等[38]在普通硅酸鹽水泥和鋁酸鈣水泥的混合物中加入了4.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的碳酸鋰促使打印材料快速凝結(jié)，進(jìn)而改善建造性。Malaeb等[35]研究發(fā)現(xiàn)，與緩凝劑和速凝劑復(fù)配的超塑化劑摻量為0.5%～1.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，拌合物可以達(dá)到理想和易性和建造性的要求。藺喜強(qiáng)等[39]在快硬硫鋁酸鹽水泥中同時(shí)添加減水劑、復(fù)合調(diào)凝劑、復(fù)合體積穩(wěn)定劑等外加劑來(lái)制備快硬早強(qiáng)3D打印水泥基復(fù)合材料，該材料2 h抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)20 MPa。任常在等[40]將0.06%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的碳酸鋰和0.04%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的葡萄糖酸鈉復(fù)合摻入硫鋁酸鹽水泥中，拌合物初終凝時(shí)間在5～30 min內(nèi)可控，2 h的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到16 MPa。朱艷梅等[41]研究發(fā)現(xiàn):隨著羥丙基甲基纖維素(HPMC)摻量增加，拌合物表觀粘度、屈服應(yīng)力和塑性粘度顯著增大，建造性提升；觸變性隨摻量增加先增大后減小，打印性提升，并建議HPMC摻量不超過(guò)0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。王亞坤等[42]研究表明：當(dāng)保塑劑(HMC)摻量為0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，拌合物的觸變性為2 448.57 Pa/s，屈服應(yīng)力為202.46 Pa，擠出性和建造性最好；當(dāng)塑化劑(KHC)摻量為0.025%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，建造性最佳。

2.5 特種水泥復(fù)摻優(yōu)化方法

Shakor等[38]使用32.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的普通硅酸鹽水泥與67.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鋁酸鹽水泥復(fù)摻，制備了3D打印水泥基復(fù)合材料。Khalil等[43]使用7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的硫鋁酸鈣水泥和93%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的普通硅酸鹽水泥制備3D打印水泥基復(fù)合材料，該材料前1 200 s屈服應(yīng)力增加的恒定速率為1.85 Pa/s，可以達(dá)到打印所需的擠出性和建造性。楚宇揚(yáng)等[44]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)快硬硫鋁酸鹽水泥在混合水泥中占比為14%～20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，拌合物初凝時(shí)間在40～70 min內(nèi)可控。

2.6 超聲振動(dòng)優(yōu)化方法

3 3D可打印性的標(biāo)準(zhǔn)化

混凝土3D打印發(fā)展?jié)摿薮?，是建筑業(yè)數(shù)字化、工業(yè)化和智能化發(fā)展的重要突破口。3D打印的快速發(fā)展亟需對(duì)混凝土拌合物材料性能建立標(biāo)準(zhǔn)化的參數(shù)指標(biāo)體系。3D打印混凝土材料設(shè)計(jì)和性能的標(biāo)準(zhǔn)化是降低3D打印技術(shù)壁壘，提升3D打印材料各項(xiàng)性能，加快3D打印行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。3D打印混凝土的工作性能具有獨(dú)特的工藝依賴性，因而3D打印混凝土材料的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)具有一定的靈活性和包容性。

經(jīng)過(guò)廣泛調(diào)研與深入分析國(guó)內(nèi)外混凝土3D打印發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀，河北工業(yè)大學(xué)和東南大學(xué)聯(lián)合主編了《3D打印混凝土材料性能試驗(yàn)方法》，該標(biāo)準(zhǔn)兼容了3D打印混凝土拌合物制備與成型的全過(guò)程，規(guī)定了3D打印混凝土流動(dòng)性、擠出性、開(kāi)放時(shí)間、建造性、濕坯強(qiáng)度、彈性模量和凝結(jié)時(shí)間的試驗(yàn)方法，所述方法簡(jiǎn)單易操作，有助于3D打印材料測(cè)試的廣泛性和通用性，該標(biāo)準(zhǔn)適用于建設(shè)工程中3D打印混凝土拌合物的打印性能試驗(yàn)。

作為建筑材料，3D打印混凝土的力學(xué)性能是實(shí)現(xiàn)實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)的重要保障。現(xiàn)存的3D打印混凝土力學(xué)性能測(cè)試方法是參照普通混凝土或水泥膠砂的力學(xué)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有針對(duì)3D打印混凝土力學(xué)性能測(cè)試的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。東南大學(xué)與河北工業(yè)大學(xué)等單位通過(guò)開(kāi)展大量試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)選出適合3D打印混凝土的基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法，并主編了《3D打印混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法》，規(guī)定了3D打印混凝土試件的制作和養(yǎng)護(hù)以及抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、靜力受壓彈性模量和抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)方法，適用于建設(shè)工程中3D打印混凝土的基本力學(xué)性能試驗(yàn)。

此外，馬國(guó)偉教授撰著了《水泥基復(fù)合材料3D打印關(guān)鍵技術(shù)》，對(duì)水泥基復(fù)合材料3D可打印性的量化指標(biāo)和測(cè)試方法進(jìn)行了系統(tǒng)探討，分析了3D打印水泥基復(fù)合材料力學(xué)各向異性及路徑規(guī)劃對(duì)宏觀力學(xué)行為的影響機(jī)制，同時(shí)對(duì)混凝土3D打印的硬件設(shè)備、建模分析軟件等進(jìn)行了歸納，對(duì)研究人員全面了解3D打印混凝土，推進(jìn)3D打印技術(shù)的普及和推廣具有重要的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論與建議

混凝土拌合物的3D可打印性是一個(gè)綜合的性能，其量化與評(píng)估應(yīng)基于3D打印過(guò)程中的輸送、擠出、成型等各個(gè)階段的性能需求?？紤]試驗(yàn)的易操作性，推薦從流動(dòng)性、擠出性、建造性、開(kāi)放時(shí)間和濕坯強(qiáng)度五個(gè)方面來(lái)表征混凝土拌合物的3D可打印性。然而，如何用流變性的一次試驗(yàn)測(cè)試所獲取的流變性參數(shù)指標(biāo)表征和量化3D可打印性，尚需進(jìn)一步的分析和研究。

3D打印快速穩(wěn)定成型的關(guān)鍵是材料性能與工藝參數(shù)的匹配協(xié)調(diào)。因此，制備3D打印材料應(yīng)科學(xué)設(shè)置原材料的顆粒級(jí)配、礦物摻合料等配合比，對(duì)于不滿足3D打印要求的材料，建議先從調(diào)節(jié)工藝參數(shù)入手，其次考慮使用多元外加劑進(jìn)行調(diào)控，必要時(shí)可考慮優(yōu)化打印裝置的構(gòu)造以及使用超聲振動(dòng)等外部裝置來(lái)保證打印過(guò)程的均勻性和穩(wěn)定性。

構(gòu)建3D打印混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法，明確可打印性和基本力學(xué)性能等測(cè)試和評(píng)估方法，制定系統(tǒng)全面的3D打印混凝土規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，是推進(jìn)3D打印結(jié)構(gòu)化應(yīng)用和工程化推廣的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。