楊錢榮 趙宗志 劉巧玲 李晶

（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) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

0 前言

3D打印建筑技術(shù)是近年來興起的一種智能化建造技術(shù)，與一般的3D打印技術(shù)不同，3D打印建筑技術(shù)使用的打印材料為水泥基材料，不需要加熱或熔融，經(jīng)泵送、擠出后就可逐層堆疊形成實(shí)體構(gòu)件或建筑物[1-2]。與傳統(tǒng)的施工建造方式相比，3D打印建筑技術(shù)不需要支撐模板，可快速打印建筑物，縮短施工時(shí)間，并大幅降低建筑工人的工作量和施工成本；由于自動(dòng)化和智能化程度較高，可根據(jù)設(shè)定的工作指令精確打印建筑物，還可降低材料的損耗和建筑廢棄物的排放[3-5]。

由于3D打印混凝土技術(shù)不同于傳統(tǒng)的混凝土施工建造方式，對(duì)打印混凝土的性能提出了更高要求[6]，如打印混凝土幾乎沒有坍落度但仍具有可泵性，此外，3D打印混凝土的材料組分和工作性能也發(fā)生了巨大變化[7]，這必然要求制定相應(yīng)的性能測(cè)試和表征方法。然而，目前用于測(cè)試和表征普通建筑材料工作性能的方法，如表征建筑砂漿和混凝土工作性能的坍落度、擴(kuò)展度、流動(dòng)度、分層度、可泵性等，并不適用于表征3D打印建筑材料的工作性能[8]。

對(duì)于3D打印混凝土的工作性和可建造性，目前國(guó)內(nèi)外沒有明確的定義。作者認(rèn)為3D打印混凝土的工作性指3D打印混凝土在固定的泵送驅(qū)動(dòng)力下，通過打印擠出裝置能夠被連續(xù)均勻擠出的能力。這不僅要求打印混凝土具有良好的可擠出性，還要求擠出打印條的寬度、厚度均勻且連續(xù)。具體地，可以從擠出性能、可操作時(shí)間、出料連續(xù)性等方面對(duì)3D打印混凝土的工作性進(jìn)行表征。3D打印混凝土的可建造性指打印條擠出后具有良好的穩(wěn)定性，不產(chǎn)生明顯變形和滑移，且能夠產(chǎn)生足夠的強(qiáng)度以支撐粘結(jié)在其上的打印層不變形、不坍塌，層與層之間形成良好銜接的能力。具體地，可以從打印混凝土的塑性變形性能（打印一致性）、堆積性能以及層間的銜接性能等方面對(duì)3D打印混凝土的可建造性能進(jìn)行表征。

本文在參考國(guó)內(nèi)外關(guān)于3D打印混凝土工作性和可建造性測(cè)試與評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合3D打印混凝土的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出關(guān)于3D打印混凝土的工作性能、可建造性能以及流變性能的測(cè)試與評(píng)價(jià)方法，以期為3D打印混凝土的制備和性能評(píng)價(jià)提供參考。

1 國(guó)內(nèi)外關(guān)于3D打印混凝土工作性和可建造性的測(cè)試方法

英國(guó)拉夫堡大學(xué)的T.T.Le等[2]研究認(rèn)為可擠出性與可建造性是新拌3D打印建筑材料最重要的性能，而打印材料的施工性能與可操作時(shí)間與其密切相關(guān)。在該研究中，采用打印機(jī)打印寬度為9mm、長(zhǎng)度為300mm且總長(zhǎng)為4500mm的線條，以發(fā)生堵塞或斷裂與否來表征3D打印混凝土的可擠出性，可建造性是基于可擠出性試驗(yàn)，以打印堆積的層高來衡量。

美國(guó)南加州大學(xué)的Ali Kazemian等[8-9]提出了以打印質(zhì)量、形狀穩(wěn)定性、可打印時(shí)間等來定性表征新拌打印材料的工作性能，其中，打印質(zhì)量包括打印層表面質(zhì)量（表面完整、沒有開裂、無缺陷等）、打印層的一致性與尺寸連續(xù)性；打印材料的形狀穩(wěn)定性檢測(cè)主要通過打印層沉降測(cè)試和圓柱穩(wěn)定性測(cè)試這兩種不同的測(cè)試方法來表征；可打印時(shí)間指在考慮工作性能隨時(shí)間延續(xù)，打印材料仍能從噴頭擠出的時(shí)間范圍，以可打印性極限時(shí)間與堵塞發(fā)生時(shí)間來表征。

Arnaud Perrot等[10]模擬了3D打印建造過程中在逐層疊加打印層的垂直應(yīng)力作用下第一層打印層發(fā)生的塑性變形過程，試驗(yàn)中將模擬第一層打印層的高35mm、直徑60mm的圓柱體試樣置于兩個(gè)平行板之間，在其上每隔一定時(shí)間（模擬建造速率）增加1.5N的載荷，記錄打印材料發(fā)生的位移和應(yīng)力隨時(shí)間的變化，以試樣表面產(chǎn)生的裂紋和上板發(fā)生的位移作為試樣的塑性變形指標(biāo)。結(jié)果表明，第一層打印層的塑性變形與材料的屈服應(yīng)力有關(guān)，打印建造過程中后續(xù)打印層產(chǎn)生的垂直應(yīng)力應(yīng)不超過底層的極限應(yīng)力。

由于3D打印建筑不需要模板支撐，因此傳統(tǒng)的混凝土材料不可直接用于3D打印建筑施工，為了保證打印層的變形程度在合理范圍內(nèi)，經(jīng)擠出后的打印層應(yīng)具有合適的強(qiáng)度支撐后續(xù)打印層，所以，打印材料的觸變性對(duì)打印材料的可建造性能至關(guān)重要[7]。李宗津等[11]對(duì)基于擠出法施工的纖維增強(qiáng)水泥基材料的研究表明，擠出過程能否順利進(jìn)行不僅與擠出裝置有關(guān)，更主要的是取決于纖維增強(qiáng)半固態(tài)水泥砂漿的流變性能，而用于大流動(dòng)性的新拌水泥基材料的傳統(tǒng)流變性測(cè)試方法并不適用于以擠出法施工具有高粘度的半固態(tài)水泥凈漿或砂漿[12]。通常用以評(píng)價(jià)混凝土工作性能的坍落度法和維勃稠度法，測(cè)試范圍較為單一，得到的數(shù)據(jù)難以具體描述3D打印混凝土的特性[13]。

3D打印混凝土的制備是實(shí)現(xiàn)3D打印建造過程的關(guān)鍵技術(shù)之一[14]，3D打印混凝土性能的優(yōu)劣決定著整個(gè)建造技術(shù)的成敗，而建立起相應(yīng)的表征方法和評(píng)價(jià)體系是3D打印建筑技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的工作基礎(chǔ)。

2 3D打印混凝土工作性和可建造性測(cè)試與評(píng)價(jià)方法探討

3D打印混凝土工作性和可建造性的測(cè)試方法應(yīng)簡(jiǎn)單可靠，能有效地模擬或準(zhǔn)確反映出打印材料的實(shí)際工作性能?；趯?duì)3D打印混凝土工作性能的研究，本文提出以下關(guān)于3D打印混凝土工作性能、可建造性能及流變性能的測(cè)試方法。

2.1 擠出性能

3D打印混凝土必須具有良好的泵送擠出性能，擠出性能是實(shí)現(xiàn)打印堆積過程的前提。3D打印建筑材料擠出性能的測(cè)試方法可參照專利“3D打印建筑砂漿工作性測(cè)試裝置及應(yīng)用”[15]。測(cè)試裝置的注射筒端部示意圖如圖1，為開口倒圓錐體，注射口直徑為d1，擠出筒內(nèi)徑為d2，注射筒體長(zhǎng)度為L(zhǎng)，其中d1為5mm，d2為45mm，L為180mm。測(cè)試時(shí)，將該擠出裝置內(nèi)壁用丙酮等溶液清洗干凈并干燥，用小刮刀將拌好的3D打印混凝土填入擠出筒內(nèi)，將推桿對(duì)齊擠出筒的0刻度線，并垂直扶正，在推桿上加5000g的鐵塊，采用秒表記時(shí)，記錄此過程中推桿下降高度h所用的時(shí)間t(s)，即為擠出時(shí)間。

圖1 擠出性能測(cè)試裝置端部示意圖Fig.1 Schematic diagram of the end of extrudability test device

實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，這種方法對(duì)于評(píng)價(jià)屈服應(yīng)力較小，且易于擠出的3D打印建筑材料的擠出性能是合適的，但對(duì)于屈服應(yīng)力較大、需要經(jīng)機(jī)械外力攪拌才能泵送擠出的打印材料來說，不能有效評(píng)價(jià)實(shí)際擠出性能的好壞。因此，為了更真實(shí)有效地模擬打印材料泵送擠出的狀況，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，使用輸送泵作為擠出動(dòng)力裝置，擠出性能測(cè)試裝置由擠出裝置、輸料管、支架和輸送泵組成。測(cè)試前，先將輸送泵料斗及輸料管道通水潤(rùn)濕1min，待水從管道中完全排盡后，將攪拌好的打印建筑材料裝入泵送料斗中，啟動(dòng)攪拌泵，通過調(diào)節(jié)泵送機(jī)轉(zhuǎn)速控制泵送壓力（輸送泵轉(zhuǎn)速固定為80r/min），待打印材料從擠出裝置端部被擠出后，用秒表記時(shí)90s，記錄此過程中擠出材料的凈重m，精確至1g，用以表征打印材料的擠出性能，即打印材料擠出性能的好壞與單位時(shí)間內(nèi)擠出的材料的質(zhì)量相關(guān)。

2.2 可操作時(shí)間

3D打印混凝土的可操作時(shí)間指打印材料的可泵性、工作性能以及可建造性能滿足打印堆積的性能要求所能持續(xù)的最長(zhǎng)時(shí)間[16]。盡管凝結(jié)時(shí)間的測(cè)試在實(shí)踐中方便、快捷，但卻不能有效表征3D打印混凝土的實(shí)際可操作時(shí)間，這是由于在實(shí)踐中，當(dāng)打印材料處于初凝狀態(tài)時(shí)往往不能被擠出，甚至未到初凝時(shí)打印材料就無法被擠出。因此，打印材料的可操作時(shí)間應(yīng)以打印材料的擠出狀態(tài)來表征，根據(jù)作者實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般當(dāng)打印材料單位時(shí)間內(nèi)的擠出質(zhì)量小于新拌打印材料初始擠出質(zhì)量的50%時(shí)，打印材料即達(dá)到最大可操作時(shí)間，超過該時(shí)間繼續(xù)泵送擠出打印材料則易發(fā)生堵管風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 出料連續(xù)性

3D打印混凝土的出料連續(xù)性是實(shí)現(xiàn)打印堆積過程的關(guān)鍵。出料連續(xù)性指打印過程中，打印材料經(jīng)泵送擠出后可持續(xù)、穩(wěn)定擠出，打印條不間斷。測(cè)試時(shí)，可以固定打印機(jī)的泵送出料速度、輸料管內(nèi)徑與長(zhǎng)度以及打印噴頭內(nèi)徑，在保證打印材料穩(wěn)定供應(yīng)的前提下，以3D打印混凝土經(jīng)泵送能夠連續(xù)擠出的最大長(zhǎng)度（精確到1cm）來表征出料連續(xù)性。

2.4 打印尺寸一致性

3D打印混凝土打印尺寸一致性指3D打印混凝土以同一泵送出料速度、同一打印速度進(jìn)行打印時(shí)，連續(xù)打印條的寬度變化。當(dāng)同一配比材料的打印條沿構(gòu)件長(zhǎng)度方向的寬度變化過大時(shí)，說明打印條的打印尺寸不一致，如圖2所示，這不僅影響打印墻體的外觀質(zhì)量，甚至影響打印結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。由于打印過程中打印材料的凝結(jié)硬化，擠出性能下降，隨時(shí)間延長(zhǎng)，打印條的寬度變化出現(xiàn)一定的波動(dòng)屬于正?，F(xiàn)象，但應(yīng)控制在合理的變化范圍內(nèi)。Ali Kazemian等[8]認(rèn)為實(shí)際打印出的打印層的寬度在打印層設(shè)定寬度10%的誤差范圍內(nèi)是可接受的。

圖2 同一打印條打印尺寸不一致現(xiàn)象Fig.2 Inconsistency of printing size in the same printing f ilament

2.5 塑性變形

3D打印混凝土的塑性變形指混凝土在3D打印過程中經(jīng)擠壓后逐層堆疊時(shí)打印層的側(cè)向變形和下垂性。測(cè)試方法可參照專利“3D打印建筑砂漿塑性變形性能測(cè)試模具及其應(yīng)用”[17]。本文采用自行設(shè)計(jì)制造的模具進(jìn)行3D打印混凝土的抗下垂和抵抗側(cè)向變形的性能測(cè)試，如圖3所示。用鐵板或鋁合金制成無氣孔且光滑的槽形模具，長(zhǎng)度（300±0.2）mm，下端開口，中間150±0.5mm處設(shè)置一塊同材質(zhì)分割插板，槽型模具的橫截面內(nèi)部尺寸為寬（30±0.2）mm，深（30±0.2）mm。

圖3 下垂度及側(cè)向變形度測(cè)試模具Fig.3 Sag (left) and lateral deformation (right) test device

將下垂度模具清洗干凈并擦干，平放在桌面上，將攪拌好的打印建筑材料用刮刀填入模具帶封頭的一側(cè)，沿模具內(nèi)表面插搗15下，并用直尺刮平打印建筑材料的表面。將模具垂直放置在桌面上，開口端向下，抽出分割插板，用秒表計(jì)時(shí)，測(cè)量90秒內(nèi)打印建筑材料下垂的距離，精確到毫米。

將下垂度模具清洗干凈并擦干，稱取模具的重量W0，精確到0.1g。將模具平放在桌面上，將攪拌好的打印建筑材料用刮刀填入模具帶封頭的一側(cè)，沿模具內(nèi)表面插搗15下，并用直尺刮平打印建筑材料表面，稱取裝有打印建筑材料的模具重量W1。將裝有打印建筑材料的模具開口向外側(cè)向放置在桌面上，90秒后沿模具側(cè)面切除變形流出的打印建筑材料，稱取帶打印建筑材料的模具重量W2。按公式（2）計(jì)算打印建筑材料的側(cè)向變形度D。

3D打印混凝土的塑性變形可反映打印材料的形狀穩(wěn)定性。若3D打印混凝土的下垂度或側(cè)向變形度太大，甚至能自由流淌，則不利于3D打印的堆積過程，因此，3D打印混凝土應(yīng)具有一定的抗下垂性（≤20mm）及適宜的側(cè)向變形度（≤5%）。

2.6 堆積性能

3D打印混凝土的堆積性能指打印堆積時(shí)在垂直方向上可持續(xù)堆積的高度。測(cè)試方法可參照專利“一種3D打印建筑砂漿堆積性能測(cè)試裝置”[18]。打印材料的堆積高度表征其可建造性能。有效堆積高度越高，堆積性能越好。測(cè)試裝置示意圖如圖4。

圖4 3D打印砂漿堆積高度性能測(cè)試裝置Fig.4 Schematic diagram of 3D printing mortar buildability test device

將自制的擠出裝置擠料筒內(nèi)壁用丙酮等溶液清洗干凈并干燥，用小料勺將拌好的打印建筑材料填入擠出裝置內(nèi)部，用直徑8mm小鐵棒插搗數(shù)下，使打印材料填滿擠出筒，筒口用濕抹布擦凈，使打印材料至少距筒口20mm，并在推桿密封圈上涂抹少量潤(rùn)滑油，插入推桿至零刻度線位置，將擠出筒置于升降支架上，調(diào)整好升降機(jī)架的擠出高度，使擠出筒口距地面5mm高度，將恒定荷載在豎直方向上壓在擠出筒推桿上端部，勻速推動(dòng)升降支架的推桿直到密封圈的位置，去除荷載，搖動(dòng)升降支架的搖柄，使擠出筒口上升5mm高度，繼續(xù)施加荷載，重復(fù)前面步驟直至最終堆積試件坍塌，并計(jì)算坍塌試件的最終堆積高度（堆積層數(shù)n）。在此前提下，重新配料，堆積n-2層。

按照以上操作重新試驗(yàn)，在堆積n-2層后，還需計(jì)算堆積構(gòu)件高度的有效性。先用游標(biāo)卡尺測(cè)量水平方向堆積構(gòu)件的最突出層的寬度d1及最窄層的寬度d2，分別以其與堆積條理論寬度d的差值與d之比作為橫向最大變形和橫向最小變形，若兩者均在d的15%以內(nèi)，則視為在有效變形范圍內(nèi)；再測(cè)量堆積構(gòu)件的最小高度h1與最大高度h2，取兩者的算術(shù)平均值作為實(shí)際堆積高度hS，即hS=（h1+h2）/2，將hS與理論堆積高度hL進(jìn)行對(duì)比，其中hL=h0+h(n-3)，以作為該堆積構(gòu)件的豎向變形，若該值小于或等于15%，且橫向最大變形和橫向最小變形在d的15%以內(nèi)，則hS有效，否則無效。試驗(yàn)重復(fù)打印三次，以三次測(cè)試結(jié)果的平均值作為該砂漿的有效堆積高度，精確至1mm。

2.7 層間銜接性能

參照專利“3D打印建筑砂漿銜接性能測(cè)試方法”[19]測(cè)試3D打印建筑砂漿的層間銜接性能，通過測(cè)試層狀堆積的打印砂漿硬化試件的空隙率表征打印砂漿層與層之間銜接質(zhì)量的好壞。步驟如下：

1）試件制備。采用3D打印設(shè)備分層打印砂漿，打印的單層砂漿長(zhǎng)、寬、高分別為L(zhǎng)、W和H，尺寸分別為200m、40mm和15mm（L、W和H尺寸可根據(jù)打印設(shè)備和打印砂漿工作性調(diào)整）。按上述尺寸打印3層砂漿，如圖5，待砂漿硬化后移入養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d。

圖5 3D打印建筑砂漿層與層銜接性能測(cè)試試件Fig.5 3D printing mortar specimen for inter-layer bonding performance test

2）干燥質(zhì)量測(cè)定。取出養(yǎng)護(hù)至齡期的試件，為了消除邊界條件對(duì)測(cè)試結(jié)果的干擾，將試件在長(zhǎng)度方向的兩端用鋸刀各鋸除20mm，將加工好的試件放入溫度105±5℃的烘箱中烘干，直至試件達(dá)到恒重，將試件放入干燥器中自然冷卻至室溫，稱量試樣的質(zhì)量為m1，數(shù)據(jù)讀數(shù)精確至0.01g。

3）飽和試樣表觀質(zhì)量測(cè)定。將飽和試樣裝入金屬絲吊籃內(nèi)，完全浸入裝有水的容器中，容器放在鐵架臺(tái)上，鐵架臺(tái)不與天平底盤接觸，再將裝有試樣的吊籃吊在天平的掛鉤上稱量，此時(shí)試樣完全浸入水中不與器壁接觸，測(cè)得飽和試樣的表觀質(zhì)量m2，精確至0.01g。表觀質(zhì)量相當(dāng)于飽和試樣懸掛在液體中的質(zhì)量。

4）飽和試樣質(zhì)量測(cè)定。從浸液中取出試樣，用飽和了液體的毛巾擦去試樣表面多余的液滴，但不能把氣孔中的液體吸出，迅速稱量飽和試樣在空氣中的質(zhì)量m3，精確至0.01g。

空隙率按公式(3)計(jì)算：

式中：q—試樣的空隙率，%；m1—試樣的干燥質(zhì)量，g；m2—飽和試樣在水中的質(zhì)量，即表觀質(zhì)量，g；m3—飽和試樣在空氣中的質(zhì)量，g。

2.8 流變性能

通過流變?cè)囼?yàn)得到3D打印混凝土的表觀粘度、屈服應(yīng)力以及觸變性，可較為準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)3D打印混凝土的工作性能變化[20]，目前，3D打印混凝土的流變參數(shù)可用相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)出（見圖6）。測(cè)試方法如下：將攪拌好的打印材料裝入測(cè)試容器內(nèi)，根據(jù)所測(cè)材料的粘度范圍選擇合適的轉(zhuǎn)子和測(cè)試程序，測(cè)試時(shí)打印材料的表觀粘度、剪切速率、剪切應(yīng)力等可直接顯示在屏幕上；剪切速率由低到高逐步增加，至最高剪切速率后再逐步降低，以所測(cè)的兩條流變曲線所包圍的面積來表示觸變性的大小。以賓漢姆流體模型，即τ=τ0+ηγ，對(duì)剪切速率和剪切應(yīng)力進(jìn)行線性擬合，可得打印砂漿的塑性粘度和屈服應(yīng)力。

圖6 旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)Fig.6 Rotary viscosimete

3D打印混凝土的流變參數(shù)在實(shí)踐中并不總能方便地測(cè)得，相比而言，工作性能的測(cè)試更為簡(jiǎn)單直接，因此，若能建立3D打印混凝土的工作性、可建造性與流變性參數(shù)之間的關(guān)系，則可為3D打印混凝土的制備以及打印材料性能的測(cè)試與評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考[21]。

3 結(jié)語

1）目前，3D打印混凝土技術(shù)尚處于研究探索階段，關(guān)于3D打印混凝土材料性能的測(cè)試與評(píng)價(jià)方法有待進(jìn)一步的探索與完善。

2）本文提出的3D打印混凝土的工作性能、可建造性能、流變性能的測(cè)試與評(píng)價(jià)方法可為3D打印混凝土的制備和性能評(píng)定提供參考。