侯少丹，肖 建莊，段 珍華

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；2.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；3.同濟(jì)大學(xué)工程結(jié)構(gòu)服役性能演化與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

當(dāng)前大部分3D打印建筑以及研究中所使用的 3D打印混凝土（3DPC）并不含粗骨料，而是3D打印砂漿［1-3］.一方面，是由于打印機(jī)擠出口尺寸較小，不能打印粗骨料混凝土；另一方面，粗骨料增大了混凝土可打印性和流變性的離散性，難以調(diào)控其早期性能.與砂漿相比，混凝土具有更好的長期性能和更低的造價(jià).因此，實(shí)現(xiàn)含粗骨料混凝土的打印是3DPC在建筑行業(yè)應(yīng)用中的迫切要求［4-5］.

當(dāng)前，含粗骨料3DPC在施工時(shí)的制備方式上存在困難與挑戰(zhàn).由于3D打印要求混凝土具有流動(dòng)度低、觸變性高、凝結(jié)時(shí)間短等特點(diǎn)［6-8］，需要使用多種外加劑對其工作性能進(jìn)行調(diào)控，因此運(yùn)輸過程中可能會(huì)發(fā)生工作性能損失大、達(dá)到初凝時(shí)間等問題［9］，因此3DPC不能像普通混凝土一樣在攪拌站制備之后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場施工.當(dāng)前在實(shí)驗(yàn)室開展的3DPC研究中，通常是攪拌完成后直接進(jìn)行打印，如果實(shí)際施工時(shí)采用這種方法，需要在施工現(xiàn)場準(zhǔn)備材料并現(xiàn)場拌和，該方法受現(xiàn)場場地條件以及環(huán)境評測要求的限制.

基于此，本文提出通過細(xì)石混凝土（SAC）現(xiàn)場調(diào)配制備3D打印SAC的方法，并研究了不同增稠材料對SAC工作性能和流變性的調(diào)控規(guī)律，同時(shí)對3D打印SAC試件的可擠出性和早期力學(xué)性能進(jìn)行了測試.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥（C）為P·O 42.5水泥；細(xì)骨料為普通河砂，中砂，細(xì)度模數(shù)為2.69；細(xì)石粗骨料為普通碎石，粒徑為5～10 mm；粉煤灰為F類二級粉煤灰，28 d活性指數(shù)為85.00%；再生粉體來源于建筑固體廢棄物，主要含廢棄黏土磚和廢棄混凝土，主要氧化物為Ca O、Si O2、Al2O3和Fe2O3，粒徑為5～40μm，中位粒徑為10μm，28 d活性指數(shù)為80.05%，其他基本性能（如水化熱，微觀形貌等）見文獻(xiàn)［10-11］；偏高嶺土（MK）的平均粒徑為10μm，28 d活性指數(shù)不小于110.00%；減水劑（SP）為粉末狀聚羧酸減水劑；羥丙基甲基纖維素（HPMC）的黏度為200 Pa·s；拌和水為自來水.SAC水膠比（質(zhì)量比，文中涉及的比值、用量等均為質(zhì)量比或質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.32，最大粒徑為10 mm，膠凝材料為水泥、粉煤灰和再生粉體，粉煤灰和再生粉體的用量相同，均為水泥質(zhì)量的15.5%，砂率為60.0%，單位用水量為186 kg/m3，通過調(diào)節(jié)減水劑的用量，控制SAC的坍落度為200～230 mm.

1.2 3D打印細(xì)石混凝土制備方法

考慮到商品混凝土對工作性能的要求與3DPC差異較大，本文提出通過SAC現(xiàn)場調(diào)配制備3D打印SAC的方法，具體步驟為：（1）首先進(jìn)行SAC配合比設(shè)計(jì)，并在攪拌站制備SAC.考慮到SAC的運(yùn)輸和泵送要求，同時(shí)能夠盡量保證SAC的可打印性的要求，要求SAC的坍落度在160～180 mm，并具有較小的坍落度損失.（2）運(yùn)輸SAC至施工現(xiàn)場，然后添加相應(yīng)的材料開展二次攪拌，調(diào)控混凝土的工作性能，使其滿足可打印性的要求.該過程中，二次攪拌增稠材料的種類和用量以及二次攪拌時(shí)間均與SAC在現(xiàn)場的工作性能有關(guān).（3）通過施工現(xiàn)場二次駁運(yùn)，將制備的3D打印SAC輸送至打印機(jī)中進(jìn)行施工.

本文提出的3D打印SAC制備方法，一方面有利于解決3DPC的生產(chǎn)運(yùn)輸難題；另一方面能避免3DPC大批量生產(chǎn)時(shí)帶來的現(xiàn)場原料堆放和環(huán)保問題.該方法以SAC為基本材料，無需對現(xiàn)有的商品混凝土制備程序進(jìn)行大幅度調(diào)整，工藝簡單，有利于推動(dòng)3DPC的大批量應(yīng)用，具有實(shí)際工程意義.

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 SAC的工作性能和流變性試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，測試SAC的坍落度和擴(kuò)展度.采用Con Tec流變儀測試SAC的流變參數(shù).流變儀內(nèi)筒直徑和高度均為10.0 cm，外筒直徑為14.5 cm.試驗(yàn)時(shí)控制最大速率從0.5 r/s漸變?yōu)?.1 r/s，期間共采集6個(gè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速和扭矩，并通過Reiner-Rivlin方程計(jì)算出其屈服應(yīng)力和塑性黏度［12］.

1.3.2 SAC的工作性能調(diào)配及早期性能測試

SAC的工作性能和流變性測試完成后，在保持其水膠比不變的條件下進(jìn)行二次攪拌時(shí)加入不同的增稠材料（水泥、HPMC、MK），攪拌5 min，每次加入的增稠材料摻量w以膠凝材料的總質(zhì)量計(jì)，水泥摻量wC分別為1.00%、3.00%、5.00%，HPMC的摻量wHPMC分別為0.03%、0.05%、0.10%，MK的摻量wMK分別為0.50%、1.00%、1.50%.二次攪拌完成后，立即對SAC開展如下試驗(yàn)：（1）工作性能和流變性試驗(yàn)，測試方法見1.3.1；（2）擠出性測試，采用自主研發(fā)的裝置［13］開展擠出性研究，并通過擠出力的大小評價(jià)SAC的可擠出性；（3）濕坯強(qiáng)度（green strength）測 試，根 據(jù)ASTM D2166《Standard test method for unconfined compressive strength of cohesive soil》，將混凝土裝入φ70×140 mm的圓柱形模具中，靜置5～10 min后拆除模具，并開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)［7］，加載速率為30 mm/min，從二次攪拌后第15 min開始測試，之后每隔15 min進(jìn)行1次測試，直至90 min結(jié)束測試.

1.3.3 3D打印SAC試件的制備及其硬化后力學(xué)性能測試

用遼寧格林普公司提供的配備了表面平整系統(tǒng)［14］的龍門架式混凝土3D打印機(jī)，尺寸為8 m×6 m×6 m，打印頭采用螺桿擠出方式，擠出口直徑為100 mm.試驗(yàn)時(shí)打印速率為50 mm/min，打印路線為直線，長度為1 000 mm，每層高度為30～50 mm，共打印3層，打印完成后記錄打印條的寬度及高度，用于評價(jià)3D打印SAC的可打印性.試件打印完成1 d后，將其切割成100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊和100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試塊，根據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，測試3D打印SAC的28 d抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度.考慮到3D打印SAC力學(xué)性能的各向異性，開展不同加載方向的力學(xué)性能試驗(yàn)，加載方向示意圖見圖1.另外，為開展3D打印試件和澆筑試件的對照試驗(yàn)，采用相同的3D打印SAC材料制備澆筑試件（cast）.

圖1 加載方向示意圖Fig.1 Diagram of loading direction（size：mm）

2 結(jié)果與分析

2.1 不同增稠材料對SAC性能的影響

2.1.1 坍落度和擴(kuò)展度

不同增稠材料對SAC坍落度和擴(kuò)展度的影響見表1.由表1可見：SAC的初始坍落度為210～225 mm，擴(kuò)展度為430～440 mm；二次攪拌時(shí)不同增稠材料的加入使SAC的坍落度和擴(kuò)展度均降低，且隨著增稠材料用量的增大，其降低程度增大.這是因?yàn)樾掳杌炷林心z凝材料的絮凝作用導(dǎo)致自由水和有效減水劑用量減少，這時(shí)再加入其他膠凝材料會(huì)加快吸收新拌混凝土中的自由水，導(dǎo)致其工作性能降低，且二次攪拌過程中加入的增稠材料容易團(tuán)聚，增大了其工作性能損失.與水泥相比，MK對SAC工作性能的影響更大.當(dāng)水泥、MK的摻量均為1.00%時(shí)，SAC的坍落度分別下降了11.4%、31.0%，擴(kuò)展度分別下降了27.9%、54.5%，這是因?yàn)镸K的顆粒粒徑較小，比表面積較大，加入新拌SAC后會(huì)快速吸收自由水.與水泥、MK相比，HPMC對新拌混凝土工作性能的影響最大，當(dāng)其摻量為0.10%時(shí)，SAC的坍落度、擴(kuò)展度分別降低了35.6%、37.5%，這是因?yàn)楦叻肿踊衔颒PMC上有很多羥基，能夠與水分子形成氫鍵，增加溶液的黏度，而這種黏彈性液體均勻分散在砂漿內(nèi)，增大了顆粒間的摩擦力和附著力［15-16］.預(yù)試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)混凝土的坍落度為90～130 mm時(shí)，方可實(shí)現(xiàn)3D打印的連續(xù)、穩(wěn)定擠出.SAC的二次攪拌過程中，當(dāng)HPMC、水泥、MK的摻量分別為0.10%、3.00～5.00%、1.50%時(shí)，SAC能夠滿足打印性的要求.后文研究中增稠材料HPMC、水泥、MK的摻量分別為0.10%、5.00%、1.50%，制備的SAC分別記為HPMC0.10、C5.00、MK1.50.

表1 不同增稠材料對SAC坍落度和擴(kuò)展度的影響Table 1 Effect of different viscosity materials on slump and slump flow of SAC

2.1.2 屈服應(yīng)力和塑性黏度

屈服應(yīng)力和塑性黏度影響3D打印SAC的擠出性和擠出瞬間的變形能力.當(dāng)3D打印SAC在擠出過程中受到的剪應(yīng)力大于屈服應(yīng)力時(shí)，即可保持混凝土的流動(dòng)狀態(tài)，但當(dāng)屈服應(yīng)力過小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致擠出瞬間混凝土的變形較大.塑性黏度是混凝土內(nèi)部阻礙流動(dòng)的性能，與混凝土的密實(shí)性、可加工性有關(guān)，當(dāng)塑性黏度較大時(shí)可避免沉降和離析現(xiàn)象的發(fā)生.不同增稠材料對SAC屈服應(yīng)力和塑性黏度的影響見表2.由表2可見，當(dāng)HPMC、水泥、MK的摻量分別為0.10%、5.00%、1.50%時(shí)，二次攪拌后SAC的屈服應(yīng)力分別增加了27.56%、50.48%和40.94%，塑性黏度分別增加了34.56%、20.25%和23.26%.加入5.00%的水泥或1.50%的MK后，SAC的屈服應(yīng)力有大幅度提升，塑性黏度的增大程度小于屈服應(yīng)力.這是因?yàn)樗嗪蚆K摻入新拌SAC后快速吸水，導(dǎo)致顆粒間的漿體膜厚度減小，從而增大了顆粒間摩擦力，使得SAC的屈服應(yīng)力快速增加.HPMC摻入后，由于HPMC在新拌SAC中吸水膨脹后形成膠體膜結(jié)構(gòu)，吸附在水泥顆粒表面，增大了分子間的作用力，從而使SAC塑性黏度有了較大幅度的提升.

表2 不同增稠材料對SAC屈服應(yīng)力和塑性黏度的影響Table 2 Effect of different viscosity materials on yield stress and plastic viscosity of SAC

2.2 3D打印SAC的早期性能

2.2.1 擠出性

3D打印SAC擠出時(shí)的位移與擠出力之間的關(guān)系見圖2.由圖2可見：試驗(yàn)開始時(shí)，先開展預(yù)擠出試驗(yàn)，控制擠出速率v為300 mm/min，該過程可使混凝土達(dá)到密實(shí)狀態(tài)；當(dāng)位移達(dá)到140 mm左右時(shí)，降低擠出速率至100 mm/min，并持續(xù)1～2 min，此時(shí)擠出力呈現(xiàn)1個(gè)近似平臺(tái)的階段，說明混凝土已經(jīng)達(dá)到密實(shí)狀態(tài)并被勻速擠出；在混凝土被勻速擠出的過程中，擠出力仍呈緩慢上升的趨勢，這是由于在擠壓過程中，隨著混凝土中漿體的減少，粗骨料逐漸被擠壓至變截面的錐形區(qū)域，導(dǎo)致擠出力緩慢上升.本文采用圖2所示的擠出流程開展3D打印SAC擠出性測試，記錄擠出階段中擠出速率為100 mm/min、位移為200～300 mm段的擠出力，取該階段擠出力的平均值作為3D打印SAC的擠出力，用于評價(jià)3D打印SAC的擠出性.擠出力越大，擠出性越差.

圖2 3D打印SAC擠出時(shí)的位移與擠出力之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between displacement and extrusion force during extrusion of 3D printable SAC

不同增稠材料對3D打印SAC擠出力的影響見圖3，圖中橫坐標(biāo)t為二次攪拌結(jié)束后的靜置時(shí)間.由圖3可見：二次攪拌剛結(jié)束時(shí)，盡管不同組的3D打印SAC坍落度均控制在90～130 mm，其擠出力仍存在較大的差距，摻加1.50%MK的3D打印SAC擠出力最大（605.4 N），是摻加5.00%水泥或0.10%HPMC的3D打印SAC擠出力的4倍左右；隨著靜置時(shí)間的延長，MK對擠出力的增長趨勢影響最明顯，其次是水泥和HPMC，當(dāng)靜置時(shí)間為30 min時(shí)，摻加MK、水泥、HPMC的3D打印SAC的擠出力分別增長了341%、241%、63%.不同增稠材料對3D打印SAC擠出力的影響可以從混凝土中水泥的水化進(jìn)程方面解釋：MK較細(xì)的顆粒及其較高的活性能夠加快水泥的早期水化進(jìn)程，隨著水泥水化的進(jìn)行，水泥顆粒間的作用越來越強(qiáng)，導(dǎo)致其流動(dòng)性逐漸喪失，進(jìn)而增大了擠出力；HPMC會(huì)吸附在水泥顆粒表面，延緩水泥的早期水化進(jìn)程，進(jìn)而對擠出力隨靜置時(shí)間變化的影響較?。?7］.

圖3 不同增稠材料對3D打印SAC擠出力的影響Fig.3 Effect of different viscosity materials on extrusion force of 3D printable SAC

3D打印SAC坍落度與擠出力之間的關(guān)系見圖4.由圖4可見，隨著坍落度的增大，3D打印SAC的擠出力逐漸減小，兩者之間存在較好的擬合關(guān)系，這說明在實(shí)際工程中，可以通過控制3D打印SAC的坍落度來初步調(diào)控其擠出性.另外，3D打印SAC從制備完成到實(shí)際擠出需要一定的中間過程，該過程中要求其工作性能滿足打印的要求，因此對坍落度/擠出力的經(jīng)時(shí)變化有較高的要求.將3D打印SAC工作性能滿足打印要求的持續(xù)時(shí)間稱為“工作時(shí)間”，擠出力的經(jīng)時(shí)變化越大，越不利于其工作時(shí)間.由圖4建立的坍落度和擠出力的關(guān)系以及適合打印的坍落度范圍，可以確定當(dāng)擠出力大于1 488 N時(shí)，3D打印SAC不能被流暢擠出.結(jié)合圖3、4可知，1.50%MK摻入之后3D打印SAC擠出力快速增長，且其工作時(shí)間在15～30 min，而5.00%水泥或0.10%HPMC調(diào)配的3D打印SAC擠出力增長較為緩慢，其工作時(shí)間較長，均大于30 min.

圖4 3D打印SAC坍落度與擠出力之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between slump and extrusion force of 3D printable SAC

2.2.2 濕坯強(qiáng)度

3D打印SAC濕坯強(qiáng)度的增長與其可建造性密切相關(guān)，濕坯強(qiáng)度增長速率越快，可建造性越高，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的打印層數(shù)越高，因此可加快打印速率，提高施工效率.不同增稠材料對3D打印SAC濕坯強(qiáng)度的影響見圖5.由圖5可見：3D打印SAC的濕坯強(qiáng)度隨靜置時(shí)間的延長而增長，二次攪拌時(shí)摻入5.00%水泥或1.50%MK對3D打印SAC濕坯強(qiáng)度的影響規(guī)律近似，90 min內(nèi)分別增長了1.88、1.98倍，而0.10%HPMC的摻入對3D打印SAC濕坯強(qiáng)度的影響較小，90 min內(nèi)僅增長了1.3倍.這可由2.2.1討論中的不同增稠材料對水泥水化作用的影響來解釋.

圖5 不同增稠材料對3D打印SAC濕坯強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of different viscosity materials on green strength of 3D printable SAC

2.3 3D打印SAC的實(shí)際打印效果及力學(xué)性能

由前文分析可知，二次攪拌時(shí)通過摻入不同增稠材料可將SAC調(diào)配為滿足3D打印要求的工作性能.為了驗(yàn)證本文提出的方法，用摻入0.10%HPMC的3D打印SAC（HPMC0.10）開展實(shí)際打印試驗(yàn)，并研究了其力學(xué)性能.

2.3.1 實(shí)際打印效果

3D打印SAC打印后的效果見圖6.由圖6可見：3D打印SAC具有較好的擠出性，能夠被均勻、連續(xù)地?cái)D出；由于表面平整系統(tǒng)的作用，3D打印SAC的表面較光滑，存在較小的空隙，能夠觀察到明顯的層間痕跡；擠出后單條的寬度為100 mm，與擠出口的直徑相同；由于限制了水平變形，因此3D打印SAC存在向下的擠壓力，導(dǎo)致其最底層混凝土出現(xiàn)變形（見圖6（a）），這可以通過提高3D打印SAC的可建造性或調(diào)整擠出速率或每層打印時(shí)間進(jìn)行改善；圖6（b）顯示在打印路線提升點(diǎn)的周圍存在裂縫，這可以通過調(diào)整打印頭在提升時(shí)的出料速率和提升速率進(jìn)行改善.

圖6 3D打印SAC打印后的效果Fig.6 Printing result of 3D printable SAC

2.3.2 力學(xué)性能

層層堆疊的打印方式導(dǎo)致3D打印SAC在不同加載方向的力學(xué)性能差異較大，即其力學(xué)性能具有各向異性［18-19］.3D打印SAC的力學(xué)性能見圖7（圖中HPMC0.10-X為試件HPMC0.10的X方向，其他類推）.由圖7可見：3D打印SAC的抗壓強(qiáng)度存在明顯的各向異性；與澆筑試件相比，其X、Y、Z方向的抗壓強(qiáng)度分別降低了38.73%、40.46%和20.03%，X和Y方向的抗壓強(qiáng)度近似，且均小于Z方向的抗壓強(qiáng)度；當(dāng)劈裂面為X Z或Y Z時(shí)，3D打印SAC的劈裂抗拉強(qiáng)度變化較小，分別為澆筑試件的108.07%、95.06%；當(dāng)劈裂面為X Y平面時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度有明顯的下降，降低幅度為26.46%；3D打印SAC的抗折強(qiáng)度高于澆筑試件，Y、Z方向分別提高了19.54%、17.23%.

圖7 3D打印SAC的力學(xué)性能Fig.7 Mechanical properties of 3D printable SCA

3D打印SAC強(qiáng)度的各向異性與層層堆疊的建造方式有關(guān)，其會(huì)導(dǎo)致層間界面存在空隙，進(jìn)而使混凝土的密實(shí)度、抗壓強(qiáng)度降低.對3D打印SAC的抗壓強(qiáng)度而言：當(dāng)加載方向?yàn)閆方向時(shí)，試件的層間界面與加載方向垂直，因此其抗壓強(qiáng)度較高；當(dāng)沿X和Y方向加載時(shí)，試件的層間界面與加載方向平行，裂縫會(huì)沿層間界面快速發(fā)展，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度降低.對3D打印SAC的劈裂抗拉強(qiáng)度而言：受力面X Y面與層間界面平行，因此其劈裂抗拉強(qiáng)度最低，由X Z方向的劈裂截面（見圖7（d））可以明顯看到試樣中部存在較多的空隙，這證明了層間界面導(dǎo)致X Y面內(nèi)存在較多空隙.然而，層間界面對3D打印SAC抗折強(qiáng)度的影響較小，這是因?yàn)樘砑颖砻嫫秸到y(tǒng)后，3D打印SAC擠出后原本產(chǎn)生的橫向變形被限制，因此會(huì)沿Y方向產(chǎn)生擠壓力，導(dǎo)致混凝土更加密實(shí)，另外，混凝土上層對下層的壓力也會(huì)導(dǎo)致3D打印SAC內(nèi)部更密實(shí)，骨料與漿體之間的黏結(jié)力更大，進(jìn)而提高其抗折強(qiáng)度.與3D打印砂漿一致，3D打印SAC抗壓強(qiáng)度均小于澆筑試件［18-19］.對于3D打印SAC的抗折強(qiáng)度，Ding等［20］的研究結(jié)果與本文一致.受試件尺寸、打印方向、層間黏結(jié)等影響，不同受力方向3DPC的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的大小并沒有統(tǒng)一的規(guī)律.

3 結(jié)論

（1）對于初始坍落度為210～225 mm的細(xì)石混凝土（SAC），二次攪拌時(shí)當(dāng)羥丙基甲基纖維素（HPMC）、水泥、偏高嶺土（MK）的摻量分別為膠凝材料質(zhì)量的0.10%，5.00%、1.50%時(shí)，能夠滿足3D打印對混凝土工作性能的要求.

（2）二次攪拌時(shí)，0.10%HPMC能夠顯著提高3D打印SAC的塑性黏度，90 min內(nèi)其濕坯強(qiáng)度增長了1.3倍，對擠出力經(jīng)時(shí)變化、工作時(shí)間和可建造性的影響較??；1.50%MK能夠有效提高3D打印SAC的擠出力，但其工作時(shí)間低于30 min；5.00%水泥或1.50%MK有利于3D打印SAC的可建造性.

（3）3D打印SAC的28 d抗壓強(qiáng)度具有明顯的各向異性，較澆筑試件明顯降低，降低幅度在20.03%～40.46%；Y、Z方向的抗折強(qiáng)度較澆筑試件提高了17.23%～19.54%.