焦?jié)衫ぃ鯒澝?，王啟寶，黃天勇，王吉祥，李林坤

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2．北京建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，固廢資源化利用與節(jié)能建材國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100041)

0 引 言

建筑3D打印這一概念最早由美國(guó)學(xué)者Joseph[1]于1997年提出，是一種基于材料堆積的方法進(jìn)行快速建造的技術(shù)，事先根據(jù)要打印的建筑輪廓建立三維模型，之后將輪廓分層切片，轉(zhuǎn)化成層片模式，再根據(jù)切片輪廓數(shù)據(jù)規(guī)劃打印路徑，將這些路徑輸入程序中，最終由3D打印機(jī)完成建造過(guò)程[2]。相對(duì)于傳統(tǒng)建筑工藝，3D打印技術(shù)具有建筑耗時(shí)短、勞動(dòng)力需求小、建筑安全保障高、材料損耗少的優(yōu)點(diǎn)，并且可以顯著降低建造成本[3-5]。因此，混凝土3D打印技術(shù)必將成為混凝土發(fā)展史上的重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)，未來(lái)將廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)傳統(tǒng)建筑工藝形成沖擊，成為改變未來(lái)建筑行業(yè)的創(chuàng)造性技術(shù)[6]。

材料是建筑3D打印的核心，由于混凝土3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)建筑工藝不同，傳統(tǒng)水泥基材料不能直接應(yīng)用于3D打印。傳統(tǒng)水泥基材料已滿足以下幾點(diǎn)要求：(1)滿足運(yùn)送和澆搗要求的流動(dòng)性;(2)不為外力作用產(chǎn)生脆斷的可塑性;(3)不產(chǎn)生分層、泌水和易于澆搗密致的密實(shí)性。這也是3D打印混凝土材料可打印性的基本要求，因此有些測(cè)試方法可以借鑒，如砂漿擴(kuò)展度測(cè)試、混凝土坍落度測(cè)試、凝結(jié)時(shí)間測(cè)試以及流變特性測(cè)試。但是3D打印對(duì)材料的要求更加苛刻，傳統(tǒng)混凝土工作性試驗(yàn)并不能全面評(píng)價(jià)3D打印材料的優(yōu)劣。尚未實(shí)施的《混凝土3D打印技術(shù)規(guī)程》中增加了兩個(gè)要求，以可擠出性和支撐性命名，具體要求為：(1)擠出的混凝土條帶連續(xù)均勻，無(wú)明顯拉裂，管路與噴口無(wú)堵塞；(2)擠出后形狀保持穩(wěn)定且不坍塌。這就要求材料具有低流動(dòng)性、可控的凝結(jié)時(shí)間和較高的早期強(qiáng)度等[7]。Le等[8]將這兩個(gè)要求概括為可擠出性與可建造性，這兩種特性不僅與材料有關(guān)，還與3D打印的工藝參數(shù)有關(guān)，如噴口大小、打印速度、建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。近年來(lái)許多文章、專利以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)3D打印提出了幾種不同的測(cè)試方法，這些測(cè)試方法各有特點(diǎn)。本文針對(duì)3D打印混凝土的可打印性與相應(yīng)測(cè)試方法進(jìn)行介紹，并對(duì)這些方法的優(yōu)點(diǎn)及不足進(jìn)行評(píng)價(jià)，為可打印性的量化與評(píng)估提供了一些建議，以便之后的研究者借鑒。

1 流動(dòng)度

流動(dòng)度可以作為材料可打印性的一項(xiàng)參考指標(biāo)。目前3D打印混凝土材料大多是不含粗骨料的砂漿，因此相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及國(guó)內(nèi)多數(shù)研究參照《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》[9]測(cè)試材料的流動(dòng)度[10-14]，結(jié)合打印測(cè)試的結(jié)果，總結(jié)出適合用于3D打印的材料流動(dòng)度范圍，部分國(guó)外研究者們也采用了類似方法[15-18]，參照ASTM C230標(biāo)準(zhǔn)[19]測(cè)試其流動(dòng)度。

目前已有大量關(guān)于3D打印材料流動(dòng)度的研究，但由于原料特性與打印設(shè)備的不同，對(duì)材料的要求也不統(tǒng)一，因此得出的最佳流動(dòng)度范圍各不相同。林家超等[20]從可擠出性和堆疊層數(shù)兩個(gè)方面來(lái)總結(jié)適用于3D打印的材料流動(dòng)度范圍，流動(dòng)度在150 mm以上時(shí)才能從噴口順利擠出不產(chǎn)生堵塞，同時(shí)打印條帶銜接不發(fā)生斷裂；而流動(dòng)度在250 mm以下時(shí)才能至少堆疊3層高度。Tay等[15]通過(guò)大量試驗(yàn)得出流動(dòng)度在140～210 mm范圍內(nèi)才能用于3D打印，但低流動(dòng)度下打印條帶斷裂現(xiàn)象嚴(yán)重。Zou等[16]提出了更嚴(yán)格的要求，將范圍縮小到168～201 mm。章蘇陽(yáng)等[21]還將試件上相鄰打印條帶之間的冷縫考慮在內(nèi)，設(shè)計(jì)出“打得出、立得住、無(wú)冷縫”材料的流動(dòng)度在170～190 mm。

3D打印材料的流動(dòng)度可以通過(guò)細(xì)骨料、膠凝材料、外加劑以及纖維來(lái)調(diào)節(jié)。Ma等[22]使用銅尾礦代替部分天然砂來(lái)調(diào)節(jié)3D打印材料的流動(dòng)度，將流動(dòng)度在174～217 mm的新拌漿體靜置40 min，然后再進(jìn)行打印。Li等[17]用銅尾礦、鐵尾礦與粉煤灰復(fù)配調(diào)節(jié)打印材料，確定最優(yōu)組的流動(dòng)度為197.5 mm。朱艷梅等[23]使用羥丙基甲基纖維素來(lái)優(yōu)化打印材料，最終確定流動(dòng)度在170～180 mm時(shí)，打印出的試件形狀保持最好，堆疊層數(shù)也最高。

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，材料或打印要求的差異導(dǎo)致了這些研究得出的最佳流動(dòng)度各不相同；從理論上分析，流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果也不能完全反映材料的流變特性；因此流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果僅能作為評(píng)價(jià)3D打印混凝土材料的參考指標(biāo)之一。但由于流動(dòng)度試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、用時(shí)短，研究者們已總結(jié)出性能優(yōu)良的3D打印材料流動(dòng)度的大致范圍，可以快速篩選出不適用的材料。目前3D打印混凝土還在探索起步階段，流動(dòng)度試驗(yàn)仍在3D打印材料的調(diào)配中扮演著快速檢驗(yàn)的角色。

綜上所述，流動(dòng)度試驗(yàn)具有操作簡(jiǎn)單和用時(shí)短的特點(diǎn)，在3D打印混凝土材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用中仍是不可或缺的一部分。

2 凝結(jié)時(shí)間

凝結(jié)時(shí)間是3D打印混凝土材料的重要指標(biāo)，理想狀態(tài)的打印材料其初凝時(shí)間為每層打印時(shí)間的2～3倍，凝結(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使導(dǎo)致打印構(gòu)件變形甚至塌陷；凝結(jié)時(shí)間過(guò)短則會(huì)降低層間粘結(jié)強(qiáng)度，對(duì)摻雜纖維的打印材料的影響會(huì)更大[24]。而終凝時(shí)間要盡可能接近初凝時(shí)間，為后續(xù)打印提供足夠支撐力。

早期的研究中，研究者們的精力主要放在縮短3D打印混凝土的凝結(jié)時(shí)間來(lái)使材料達(dá)到良好的可建造性。陳雷等[25]以快硬性硫鋁酸鹽水泥為基體，添加四硼酸鈉緩凝劑，發(fā)現(xiàn)當(dāng)四硼酸鈉摻量為0.05%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，制得的材料初、終凝時(shí)間差僅為9 min，由于這種材料初凝到終凝的時(shí)間非常短，因此認(rèn)為其適合3D打印。藺喜強(qiáng)等[26]以碳酸鋰、氫氧化鋰和硫酸鈉為促凝劑，以葡萄糖酸鈉、酒石酸鈉、四硼酸鈉、偏磷酸鈉和檸檬酸為緩凝劑，進(jìn)一步調(diào)節(jié)硫鋁酸鹽水泥基材料的凝結(jié)時(shí)間，使初凝時(shí)間在20～50 min范圍內(nèi)可控，終凝時(shí)間在30～60 min。這些研究是基于理想化的3D打印設(shè)備而提出的，當(dāng)3D打印現(xiàn)場(chǎng)可以連續(xù)攪拌、直接出料打印時(shí)，凝結(jié)時(shí)間短的材料的優(yōu)勢(shì)才得以顯現(xiàn)，然而目前無(wú)論是研究還是實(shí)際應(yīng)用，鮮有設(shè)備滿足此要求。

目前階段，由于混凝土3D打印設(shè)備的局限，打印材料是由混凝土攪拌機(jī)預(yù)先拌好，然后泵送至打印機(jī)進(jìn)行打印，這使得混凝土材料由拌和至打印的時(shí)間大大延長(zhǎng)，為了留出足夠的時(shí)間進(jìn)行操作，材料的凝結(jié)時(shí)間不宜過(guò)短?；谶@一現(xiàn)狀，大多數(shù)文章并沒(méi)有對(duì)凝結(jié)時(shí)間提出嚴(yán)格要求，初凝時(shí)間可以適當(dāng)長(zhǎng)一些，甚至可以在攪拌機(jī)內(nèi)靜置，等待合適的時(shí)間再進(jìn)行打印[22-23,27]，但不能特別短，避免打印過(guò)程中漿體凝結(jié)導(dǎo)致堵管。

基于目前先拌和后打印的生產(chǎn)方式，一些研究者們[22,27-28]引入了可打印時(shí)間的概念：即材料從開(kāi)始拌和到初凝，可打印性隨時(shí)間不斷變化，其中僅有一段時(shí)間能滿足3D打印要求，這段時(shí)間稱為可打印時(shí)間。Ma等[22]將材料靜置10 min所打印出的試件無(wú)法堆疊，但相同的材料靜置30～70 min則可堆疊20層高度不坍塌?？纱蛴r(shí)間可以使用礦物摻合料與外加劑來(lái)調(diào)節(jié)，趙穎等[27]用石灰石粉作為摻合料，將可打印時(shí)間延長(zhǎng)到90～120 min不等；Chen等[29]使用緩凝劑和硅藻土來(lái)改良硫鋁酸鹽水泥，將可打印時(shí)間延長(zhǎng)了35～39 min。延長(zhǎng)可打印時(shí)間可以使打印操作更靈活，但是也延長(zhǎng)了材料靜置的時(shí)間，使操作更繁瑣。先拌和后打印的方式僅滿足于小作坊式的生產(chǎn)，對(duì)于大型建筑建造來(lái)說(shuō)場(chǎng)地和操作需求都難以滿足。未來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)兩種3D打印發(fā)展模式：一種為預(yù)拌混凝土，統(tǒng)一由攪拌站拌和，再運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)施工打??；另一種將原料運(yùn)往施工現(xiàn)場(chǎng)，由連續(xù)設(shè)備邊拌和邊打印?？梢灶A(yù)見(jiàn)，后者對(duì)材料的要求較低，施工過(guò)程容錯(cuò)率也較高，可能會(huì)成為今后建筑3D打印的主流模式。

目前混凝土3D打印工藝與設(shè)備并不完善，打印材料的凝結(jié)時(shí)間盡量以滿足設(shè)備需要為主，即可以適當(dāng)延長(zhǎng)，但不宜太短。但隨著工藝的不斷開(kāi)發(fā)，連續(xù)性的攪拌-打印一體化設(shè)備的出現(xiàn)只是時(shí)間問(wèn)題，凝結(jié)時(shí)間短的3D打印材料仍具有開(kāi)發(fā)價(jià)值。

3 流變特性

3D打印混凝土材料的流變特性相比于流動(dòng)度、坍落度等試驗(yàn)更能準(zhǔn)確地描述混凝土材料的可打印性[30-31]，尤其在流動(dòng)度較低的材料中，流變?cè)囼?yàn)的優(yōu)勢(shì)更加明顯[24]。打印材料的流動(dòng)性、坍落度、可擠出性、可建造性理論上都可以用流變特性量化表示[18,32-35]。此外，如第二章所述，打印材料的可打印性是隨時(shí)間不斷變化的，而流變?cè)囼?yàn)可以對(duì)同一個(gè)樣品進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，因此能很好地追蹤各參數(shù)隨時(shí)間的變化。因此，流變?cè)囼?yàn)在3D打印材料的開(kāi)發(fā)中有著不可替代的作用。

水泥基材料與地聚物材料都滿足賓漢姆流變模型[36-38]，該模型包含三個(gè)參數(shù)：屈服應(yīng)力、觸變性和塑性粘度。其中屈服應(yīng)力影響材料的可建造性，而可擠出性與可泵送性由屈服應(yīng)力與塑性粘度共同決定[36,39]。楊錢榮等[7]經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)，以材料的可擠出性和打印高度為指標(biāo)，總結(jié)出性能較好材料的共同流變特點(diǎn)：表觀粘度在4.0～7.0 Pa·s之間，動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力在50～80 Pa之間，漿觸變性主要分布在900～2 000 Pa/s之間。當(dāng)塑性粘度過(guò)低時(shí)，泵送和攪拌過(guò)程中材料會(huì)受擠壓導(dǎo)致泌水，影響擠出的連續(xù)性，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致堵管，而塑性粘度過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致材料不易泵送。屈服應(yīng)力較高的材料有良好的可建造性，但是擠出時(shí)可能導(dǎo)致條帶斷裂，泵的揚(yáng)程較低時(shí)，也難以將其泵送和擠出。材料的流變特性也可以通過(guò)礦物摻合料、外加劑和骨料來(lái)調(diào)節(jié)，張大旺等[38]使用鋼渣改良3D打印材料的可打印性，鋼渣摻量在一定范圍內(nèi)可以增強(qiáng)屈服應(yīng)力并且降低塑性粘度，但觸變性也隨之降低。Chen等[29]摻入硅藻土使動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力提升至509～722 Pa范圍內(nèi)，得到了結(jié)構(gòu)變形率小于10%的打印材料；朱艷梅等[23]在打印材料中添加纖維素醚，改良了材料的屈服應(yīng)力與觸變性，使可堆疊層數(shù)顯著增高；劉巧玲等[40]使用多種聚合物來(lái)改善水泥基材料性能，將材料的流變特性在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)；王亞坤等[37]還通過(guò)替換輕骨料改善打印材料的容重來(lái)提高堆積高度。

由于混凝土漿體中在不斷反應(yīng)，水泥顆粒會(huì)產(chǎn)生交聯(lián)在一起的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致屈服應(yīng)力增大，攪拌速度提升至一定程度時(shí)，交聯(lián)結(jié)構(gòu)被打開(kāi)，屈服應(yīng)力變小，這種現(xiàn)象稱為觸變現(xiàn)象。流變?cè)囼?yàn)中將觸變性表達(dá)為一定剪切速率范圍內(nèi)滯回曲線形成的觸變環(huán)面積[41-43]，盡管許多文章使用觸變性這一概念來(lái)評(píng)價(jià)3D打印材料的優(yōu)劣，但觸變性并不能完整表示材料在攪拌和靜止?fàn)顟B(tài)下的差異，因此由觸變性來(lái)評(píng)價(jià)3D打印材料是不合適的。楊錢榮等[7]在試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了觸變性與打印高度沒(méi)有明顯關(guān)系的現(xiàn)象。因此，一些研究者們使用靜態(tài)與動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力來(lái)代替觸變性描述漿體兩種狀態(tài)的區(qū)別[21,36-37,39,44]。材料在泵送及擠出時(shí)處于流動(dòng)狀態(tài)，表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力；擠出后屈服應(yīng)力逐漸增加至靜態(tài)屈服應(yīng)力。3D打印材料要求高靜態(tài)屈服應(yīng)力以滿足建造支撐需要，還要求低動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力滿足泵送，擠出的需要。靜態(tài)與動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力對(duì)材料可打印性的描述比觸變性更為準(zhǔn)確，也更具說(shuō)服力。Chen等[29]在研究中指出，滿足可擠出性則需要材料的塑性粘度和動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力分別低于2 901 Pa·s和722 Pa，靜態(tài)屈服應(yīng)力低于895 Pa，而滿足可建造性要求材料靜態(tài)和動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力分別高于590 Pa和509 Pa。動(dòng)態(tài)到靜態(tài)屈服應(yīng)力的演變非常重要[39,45]，章蘇陽(yáng)等[21]測(cè)試了摻有納米黏土的水泥材料不同靜置時(shí)間時(shí)的靜態(tài)屈服應(yīng)力，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，靜態(tài)屈服應(yīng)力在800 s前變化較快，800 s后降至穩(wěn)定值。Moeini等[18]給出了更詳細(xì)的試驗(yàn)方法，并測(cè)試了拌和20 min后再攪拌時(shí)靜態(tài)屈服應(yīng)力的時(shí)變速率，結(jié)果顯示時(shí)變速率隨時(shí)間減少，6 min后趨于穩(wěn)定。靜態(tài)屈服應(yīng)力的時(shí)變速率這一指標(biāo)不僅可以作為材料性能指標(biāo)之一，也對(duì)3D打印每層打印的最小間隔時(shí)間等工藝指標(biāo)有著非凡的參考價(jià)值。

圖1 砂漿靜態(tài)屈服應(yīng)力的時(shí)變速率[21]Fig.1 Time-varying rate of static yieldstress of mortar[21]

流變學(xué)方法可以精確量化3D打印材料的各項(xiàng)性能，塑性粘度與屈服應(yīng)力對(duì)泵送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有非常重要的指導(dǎo)意義。由于3D打印材料要求特殊，觸變性并不適合用來(lái)描述材料攪拌狀態(tài)和靜止?fàn)顟B(tài)下的差異[39]，僅有參考價(jià)值。打印材料不能只考慮流動(dòng)狀態(tài)下流體的屈服應(yīng)力，靜止?fàn)顟B(tài)下屈服應(yīng)力與其演變有著更重要的研究意義。

4 可擠出性

可擠出性是3D打印混凝土材料的關(guān)鍵參數(shù)之一，指可擠出性良好的材料可用順利通過(guò)噴口進(jìn)行打印，并且具有一定粘聚性，能夠形成均勻、連續(xù)的打印條帶[46]，可擠出性良好的材料打印出的條帶不會(huì)出現(xiàn)裂紋和撕裂等現(xiàn)象[27]。

材料的可擠出性可以通過(guò)礦物摻合料、外加劑、骨料來(lái)調(diào)節(jié)，礦粉與增稠劑可以顯著增加材料粘度，增強(qiáng)材料的內(nèi)聚力與粘結(jié)性，使材料不易泌水與離析[12,24,46]；但粘度太高不利于泵送，可使用石灰石粉與鋼渣降低材料粘度[27,38]；粉煤灰與減水劑可以增加材料流動(dòng)性，使材料更易擠出[11,14,40]?？蓴D出性的好壞也與設(shè)備密切相關(guān)：如在較大噴嘴可以順利擠出的材料，換用小噴嘴時(shí)可能導(dǎo)致堵管[27]。因此，可擠出性并不僅僅是材料本身的性能，也是材料與設(shè)備匹配關(guān)系的體現(xiàn)。

最早由Le等[8]提出了可擠出性的測(cè)試方法，可擠出性測(cè)試試驗(yàn)如圖2所示。將材料用直徑為9 mm的極小噴口打印長(zhǎng)度為300 mm長(zhǎng)絲，每次打印分別連續(xù)打印1～5段，總長(zhǎng)4 500 mm，如果打印條帶出現(xiàn)撕裂則判定可擠出性不合格，反之為合格。小噴口雖然可以打印出更精細(xì)的構(gòu)件，但打印出來(lái)的條帶較細(xì)，堆疊時(shí)易發(fā)生扭曲，并且影響施工效率。Ma等[22]將試驗(yàn)進(jìn)行改良，使用尺寸為φ8 mm×8 mm、φ30 mm×10 mm和φ40 mm×10 mm等噴口正常打印長(zhǎng)絲[47]測(cè)試材料的可擠出性，雖然能通過(guò)小噴口的材料在各個(gè)噴口都可以順利擠出，但這些材料的可建造性較差，實(shí)際應(yīng)用不必對(duì)可擠出性過(guò)于苛求，只需能在對(duì)應(yīng)噴口表現(xiàn)良好即可?？蓴D出性還與漿體流速和噴口移動(dòng)速度有關(guān)，圖3為不同噴口移動(dòng)速度下打印條帶形態(tài)。如圖3所示，材料固定時(shí)，漿體流速高或打印噴嘴速度低的情況下，打印條帶的寬度往往大于噴嘴的直徑，較厚的條帶使層與層之間有更好的結(jié)合力，因此也將具有更好的機(jī)械性能，但打印過(guò)程中卻會(huì)產(chǎn)生無(wú)法填補(bǔ)的微小間隙。漿體擠出速度與噴口移動(dòng)速度相適宜時(shí)，條帶的寬度接近噴嘴的直徑，打印出的模型更為精準(zhǔn)。低漿體流速或高噴口移動(dòng)速度的情況下，條帶的寬度仍與噴口直徑相近，但打印條帶與下層材料發(fā)生位移，當(dāng)條帶足夠長(zhǎng)時(shí)，會(huì)因摩擦力產(chǎn)生撕裂[25]。因此討論可擠出性時(shí)，需要將設(shè)備工藝等相關(guān)信息考慮在內(nèi)。

圖2 可擠出性測(cè)試試驗(yàn)[8]Fig.2 Extrusion test experiment[8]

圖3 不同噴口移動(dòng)速度下打印條帶形態(tài)[16]Fig.3 Printed strip morphology under different nozzlemovement velocity[16]

圖4 觀察法測(cè)試打印材料的可擠出性[18]Fig.4 Extrudability of printed material tested by observation[18]

連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間打印時(shí)，可擠出性可能會(huì)受到影響。圖5為漿體分層示意圖。如圖5所示[39]，由于打印速率通常較慢，漿體在管路處于層流狀態(tài)，管路中心漿體流動(dòng)速度較快，靠近管壁部分流動(dòng)速度較慢，當(dāng)連續(xù)打印一定時(shí)間時(shí)，會(huì)使噴口處擠出材料齡期不一致，從而影響材料的可擠出性與可打印性，更嚴(yán)重的情況下靠近管壁部分可能由于停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)發(fā)生凝結(jié)，管路結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變。這種現(xiàn)象可能會(huì)發(fā)生在管路中，也可能發(fā)生在噴口處。Nair等[50]通過(guò)測(cè)試打印材料的休止角來(lái)評(píng)價(jià)這一特性，圖6為打印休止角示意圖。如圖6所示，休止角越小說(shuō)明材料在管路中停留時(shí)間越短，越不易出現(xiàn)分層現(xiàn)象。為了避免分層凝結(jié)導(dǎo)致堵管，可以在材料中添加增稠劑或者纖維，設(shè)計(jì)打印機(jī)管路時(shí)也要盡可能短[39]。

圖5 漿體分層示意圖[39]Fig.5 Diagram of slurry stratification[39]

圖6 打印休止角示意圖[50]Fig.6 Schematic diagram of printing angle of repose[50]

可擠出性是3D打印混凝土材料的關(guān)鍵參數(shù)之一。目前研究中，大多只通過(guò)觀察法對(duì)可擠出性進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，可以將試塊的空隙率作為可擠出性的量化指標(biāo)?？蓴D出性不僅僅是材料的性能，與打印設(shè)備、工藝也有著密切聯(lián)系，討論可擠出性時(shí)需要將這些相關(guān)信息考慮在內(nèi)。打印時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能會(huì)導(dǎo)致可擠出性變差，噴口擠出材料的齡期不一致，甚至導(dǎo)致堵管，可以通過(guò)在材料中添加增稠劑或者纖維改善這一現(xiàn)象。

5 可建造性

可建造性指3D打印混凝土材料被打印出之后，可以保持靜止?fàn)顟B(tài)，支撐后續(xù)打印條帶的質(zhì)量，不出現(xiàn)變形、傾斜或坍塌的情況。為了使材料可以支撐后續(xù)打印的質(zhì)量，從而保證良好的可建造性，目前有兩種思路：一是使用凝結(jié)時(shí)間較短的材料進(jìn)行打印，可以使構(gòu)件快速獲得支撐能力；二是提高材料的靜態(tài)屈服應(yīng)力并加速其演化，當(dāng)靜態(tài)屈服應(yīng)力足夠大時(shí)，材料也能滿足3D打印要求[29,34]。

Suiker等[51]將3D打印結(jié)構(gòu)的破壞分為彈性彎曲與塑性塌陷方式，如圖7所示，并將彈性彎曲分為四種情況：(1)設(shè)計(jì)時(shí)打印布局錯(cuò)誤引起的彈性彎曲；(2)由墻體結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致的彈性彎曲；(3)由于材料水化反應(yīng)不均勻，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形引起的彈性彎曲；(4)3D混凝土打印過(guò)程中出現(xiàn)故障，造成塌陷或彎曲。Reiter等[39]根據(jù)打印各階段對(duì)屈服應(yīng)力的要求，將塑性塌陷分為三種情況，如圖8所示：一是擠出時(shí)材料的屈服應(yīng)力過(guò)低，不足以支撐自身質(zhì)量；二是材料雖然可以支撐自身質(zhì)量，但屈服應(yīng)力發(fā)展速度過(guò)慢，低層材料發(fā)生塑性塌陷；三是凝結(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，打印過(guò)程中結(jié)構(gòu)整體持續(xù)發(fā)生微小形變，隨著打印高度的增加發(fā)生彎曲甚至塌陷。Souza等[24]補(bǔ)充了一種情況：由于可擠出性問(wèn)題導(dǎo)致打印條帶寬度不一致，或者流動(dòng)方向不同也會(huì)引起塌陷。

圖7 彈性彎曲與塑性塌陷示意圖[51]Fig.7 Schematic diagram of elastic bending and plastic deformation[51]

圖8 材料屈服應(yīng)力與靜置時(shí)間對(duì)可建造性的影響[39]Fig.8 Influences of material yield stress and standing time on buildability[39]

3D打印材料的測(cè)試方法目前并沒(méi)有統(tǒng)一的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，部分研究者用可打印的最大高度或最多層數(shù)來(lái)簡(jiǎn)單表述材料的可建造性[8,17,20-21,39]。打印材料的形變大小可以用來(lái)判斷材料可建造性的優(yōu)劣，Panda等[52]將打印試件橫街面積的形變比定義為“形狀保持因子”，并以此來(lái)對(duì)比材料可建造性的優(yōu)劣。楊錢榮等[7]使用固定層數(shù)的試件理論高度與實(shí)際高度之比來(lái)評(píng)價(jià)可建造性。趙穎等[27]則記錄了不同打印層數(shù)時(shí)，最底層條帶高度的變化率，以此來(lái)評(píng)價(jià)材料的可建造性。結(jié)合上文所述的幾種坍塌情況，這些方法各有優(yōu)劣，如最高打印層數(shù)無(wú)法表示塑性變形的程度，而形變率無(wú)法表示由彈性彎曲導(dǎo)致的塌陷。Nguyen等[53]使用激光距離傳感器(Panasonic HG-C1100)記錄了每層條帶的形變，雖然設(shè)備較為復(fù)雜，但能很好地反映出了材料的可建造性，如圖9所示。在該試驗(yàn)中，Nguyen等發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致塌陷的結(jié)構(gòu)未必是在試件最底層，因此討論單個(gè)條帶的形變對(duì)可建造性的意義十分有限。Tay等[15]在更極端的情況下測(cè)試砂漿的可建造性，用膠砂跳桌試驗(yàn)所得的坍落值和坍落擴(kuò)展值來(lái)表示可建造性，這樣的試驗(yàn)不僅簡(jiǎn)便，還能初步對(duì)比材料保持初始形狀的能力。流變學(xué)可以很好地用來(lái)表述可建造性，靜態(tài)屈服應(yīng)力與材料保持形狀的能力相關(guān)，上文已討論過(guò)觸變性與靜態(tài)屈服應(yīng)力的相關(guān)研究，在此不再贅述。

圖9 圓桶型試件逐層形變[53]Fig.9 Layer-by-layer deformation of drum specimen[53]

材料的可建造性與可擠出性存在一定矛盾，可擠出性最好的材料其可建造性未必最好[54]。Tay等[15]的試驗(yàn)很好地展示了這點(diǎn)，可擠出性與可建造性的矛盾見(jiàn)圖10，可擠出性較好的d組與e組的最大堆疊層數(shù)要低于b組與c組，因此需根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要對(duì)其進(jìn)行取舍。

圖10 不同可擠出性材料的最大打印高度[15]Fig.10 Maximum print height for different extrudable materials[15]

3D打印混凝土材料的可建造性是最為關(guān)鍵的參數(shù)，可建造性好的材料通常有著較高的靜態(tài)屈服應(yīng)力與合適的凝結(jié)時(shí)間。打印構(gòu)件塌陷的方式有彈性彎曲與塑性變形兩種，這使得可建造性對(duì)材料有著更高的要求。由于坍塌存在兩種形式，最大打印層數(shù)和打印試件的形變兩種方法需相互結(jié)合才能用來(lái)評(píng)價(jià)材料的可建造性。也可以使用流變學(xué)參數(shù)對(duì)材料的可建造性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

6 結(jié) 論

混凝土3D打印技術(shù)對(duì)材料提出了更高的要求，盡管近年來(lái)的研究中已經(jīng)取得了很多成果，但對(duì)材料性能的測(cè)試方法沒(méi)有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，本文綜述了近年來(lái)3D打印混凝土材料可打印性的相關(guān)研究，總結(jié)出以下結(jié)論：

流動(dòng)度試驗(yàn)具有操作簡(jiǎn)單和用時(shí)短的特點(diǎn)，可以快速篩選出不合適的材料，今后的研究中，研究者們對(duì)流動(dòng)度的關(guān)注度可能會(huì)漸漸降低，但流動(dòng)度試驗(yàn)在新材料的開(kāi)發(fā)與3D打印工業(yè)應(yīng)用中仍是不可或缺的一部分。

目前3D打印混凝土工藝與設(shè)備并不完善，打印材料的凝結(jié)時(shí)間盡量以滿足設(shè)備需要為主，即可以適當(dāng)延長(zhǎng)，但不宜太短。通過(guò)緩凝劑與促凝劑可以調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間。隨著工藝的不斷優(yōu)化，攪拌-擠出一體式3D打印機(jī)將會(huì)被開(kāi)發(fā)，屆時(shí)凝結(jié)時(shí)間短的3D打印材料的優(yōu)勢(shì)將會(huì)顯現(xiàn)。

流變學(xué)方法可以精確量化3D打印材料的各項(xiàng)性能，屈服應(yīng)力影響材料的可建造性；而可擠出性與可泵送性由屈服應(yīng)力與塑性粘度共同決定，流變特性的研究無(wú)論是對(duì)于材料或者設(shè)備工藝的開(kāi)發(fā)都有著重要意義。目前研究中，靜態(tài)與動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力比常用的觸變性更能反應(yīng)打印材料特性，但靜態(tài)屈服應(yīng)力隨時(shí)間的演變還需要進(jìn)一步研究。

可擠出性是3D打印混凝土材料的關(guān)鍵參數(shù)之一。目前研究中，大多只通過(guò)觀察法對(duì)可擠出性進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，缺乏量化可擠出性的測(cè)試方法。試塊的空隙率可以作為可擠出性的量化指標(biāo)之一?？蓴D出性與設(shè)備工藝聯(lián)系密切，所開(kāi)發(fā)的材料應(yīng)與設(shè)備相適應(yīng)。連續(xù)打印時(shí)間也是影響可擠出性因素之一，從設(shè)備方面，應(yīng)盡可能縮短管路長(zhǎng)度來(lái)改善這一現(xiàn)象，從材料方面，也可以通過(guò)添加增稠劑或纖維來(lái)改善。

3D打印混凝土材料的可建造性是最為關(guān)鍵的參數(shù)。目前，多數(shù)文章只通過(guò)某一種方式來(lái)評(píng)價(jià)材料的可打印性，但試件坍塌的存在兩種方式，僅通過(guò)一種測(cè)試未必能全面評(píng)價(jià)材料的可建造性，應(yīng)將最大打印層數(shù)與打印試件的形變情況結(jié)合起來(lái)判斷材料可建造性的優(yōu)劣?？山ㄔ煨耘c可擠出性存在一定矛盾，應(yīng)對(duì)二者進(jìn)行權(quán)衡，新材料的開(kāi)發(fā)中要求滿足實(shí)際應(yīng)用需求，切忌對(duì)其中之一指標(biāo)過(guò)于苛求。