3D打印水泥基材料性能評價方法研究

林家超，吳雄，楊文，趙日煦

（中建商品混凝土有限公司 國家企業(yè)技術中心，湖北 武漢 430000）

0 引言

3D打印被譽為是“第三次工業(yè)革命”的技術代表，如今正被運用到高端制造、工業(yè)設計、航空航天、醫(yī)療、藝術設計、建筑、教育等諸多領域中。與傳統(tǒng)制造技術相比，3D打印技術是依托3D數(shù)據(jù)模型，通過電腦控制將材料以逐層疊加的方式進行立體構造物的建造，因其無需在制造過程中去除大量的材料，也不必通過復雜的鍛造工藝就可以得到最終產品，所以又稱作增材制造技術[1-4]。

類似于打印機的噴墨打印過程，油墨的性能是實現(xiàn)打印不可或缺的基礎，而3D打印的“油墨”是3D打印技術發(fā)展的重要物質基礎，在某種程度上也決定著3D打印能否有更廣泛的應用。目前相對成熟的3D打印基礎材料為高分子材料（光敏樹脂、可分解塑料粉末）、金屬粉末、陶瓷粉末、復合粉末等[5]。而將水泥基材料作為3D打印“油墨”，是3D打印技術的有益拓展，是混凝土發(fā)展史上的重大轉折，更是綠色建筑領域的重大革新。但是由于水泥基材料（混凝土）本身獨特的流變性能、自凝結性能又給3D打印技術帶來了設備匹配性不佳、建造工藝不完善，打印精度欠佳等問題，阻礙了3D打印技術在建筑領域的發(fā)展。

相較于傳統(tǒng)建造模式下混凝土材料的高性能化發(fā)展，建筑3D打印混凝土的性能設計要求卻并不趨同，而如何系統(tǒng)地設計及評價混凝土的3D打印性能便顯得十分重要。然而目前還沒有相應的國家標準或行業(yè)標準，也缺乏針對建筑材料建造性能的測試及評價方法，這極大地制約了3D打印技術在建筑領域的應用及發(fā)展。因此，如何設計及評價混凝土打印性能，是突破建筑3D打印技術瓶頸的重點。

1 現(xiàn)有測試方法分析

為較好地模擬3D打印過程中混凝土材料擠出施工條件，測試材料的擠出性能、可建造性，分析建筑3D打印材料的性能，現(xiàn)就目前測試評價方法進行適用性分析。

1.1 流動性測試

對于測試介質為含粗集料的混凝土材料，對流動度的測試一般皆基于坍落度筒，測試方法包含：坍落度、擴展度等。該測試方法簡單易行，能夠準確地評價混凝土的工作性能，但一般需要目測判斷混凝土的粘聚性及勻質性。對于測試介質為只含細集料的砂漿材料，一般采用砂漿流動度測試，根據(jù)跳桌振動后砂漿的攤鋪直徑來評價砂漿的性能。該測試方法根據(jù)振動條件下漿體的觸變性不同，可量化反映砂漿的工作性能。

3D打印混凝土材料性能偏向于低流態(tài)、高塑性，更接近塑性混凝土性能范圍。坍落度筒測試可一定程度上反映材料的可建造特性，但并不能區(qū)分干硬性漿體或極高塑性的類牙膏流態(tài)漿體等極端性能。而砂漿流動度測試，其測試過程能較好地還原3D打印施工后的成型，取下錐形試模的漿體狀態(tài)及攤鋪的形變大小可一定程度反映材料打印性能，但振動過程針對的是已堆積成型的材料，且振動過于極限，量化指標無法匹配3D打印。同時，以上的2種測試都無法評價材料的打印多圖層的堆積能力及形變大小。

1.2 流動速度測試

流動速度測試的主要原理是利用新拌漿體受自重作用從上至下全部流出，采用流出時間評價材料性能，例如：Orimet流速儀試驗、倒坍落度筒試驗、V型漏斗等。此類檢測方法主要反應的是混凝土的塑性粘度。該類檢測方法可直觀模擬3D打印材料在管道的輸送性能（擠出性），但對擠出后材料的可建造性及層間銜接性能無法考量。同時也存在一些局限：由于它的豎管直徑取決于測定拌合物中集料的最大粒徑，而且與其下端連接的插口還呈縮徑（以便對拌合物產生剪切力）。當拌合物有超徑集料存在時，容易堵管造成較大測試誤差。

1.3 流變性能測試

一般認為[6-7]，混凝土拌合物可以視為一種粘、彈、塑性材料，其流變性質可用Bingham模型的流變參數(shù)來描述?；炷亮髯儍x通過測試混凝土的流變性參數(shù)屈服應力（τ0）和塑性粘度（μ）能定量描述混凝土的工作性能，且物理意義明確。理論上，3D打印材料應該具有較高的塑性粘度及較低的極限剪切應力，該方法可以通過合適的參數(shù)區(qū)間來評價材料的打印性能。但實際上，該方法存在操作繁瑣，量化指標的影響因素過多的弊端[8]。加之其無法模擬材料層疊工藝下的性能狀態(tài)，并不完全適用于3D打印材料性能的表征。

1.4 3D打印砂漿工作性測試

我國專利《3D打印建筑砂漿工作性測試裝置及應用》[9]發(fā)明了一種可以表征不同打印砂漿工作性能的方法，利用專利描述設備通過擠壓注射筒內的砂漿，測試擠出時間，量化砂漿的工作性能。該方法類似于流動測試方法，主要是可模擬一定壓力材料的擠出性能變化趨勢，但仍存在對擠出后材料的堆積及塑造性能無法考量的問題。

1.5 可擠出性能測試

Le T T等[10]建立了一套評價標準對擠出性進行測試評價。具體方法是使用打印機打印5組絲狀混凝土試樣，絲狀試樣長度均為300 mm，混凝土絲數(shù)由1條逐漸增至5條，在5組試樣打印完畢后由打印試樣的均勻連續(xù)性來定性判斷該組混凝土配合比的擠出性能是否合格，見圖1。該方法依托的是實際建筑用3D打印設備，毫無疑問該方法能準確衡量材料的工作性及可擠出性，但測試方法需動用打印設備進行實際建造，并不適合在實驗室對材料性能進行試驗性評價。

圖1 可擠出性評價測試

綜上所述，常見的混凝土性能測試方法，諸如流動性測試、流動速度測試及流變性能測試等都不足以表征建筑3D材料的打印性能，而現(xiàn)有的針對性測試方法因表征參數(shù)較少或測試方法過于繁瑣，無法試驗性評價混凝土材料的打印性能，特別是對在層疊工藝下材料的3D打印性能的測試及評價。

2 3D打印性能測試方法及裝置

基于3D打印混凝土材料性能設計要求，并結合現(xiàn)有測試手段的利弊，為分析在3D打印層疊工藝下混凝土材料的打印性能的優(yōu)劣，現(xiàn)提供了一種針對混凝土材料性能的測試方法及裝置。

（1）裝置設計原理

模擬3D打印施工中多層材料連續(xù)擠出時逐層堆積的建造過程，利用等量組分的漿體通過相同擠出口的流出速度評價漿體工作性能；根據(jù)兩側材料堆疊后成型的高度、擴展度及狀態(tài)，測試漿體的堆積性能及單層形變程度，綜合分析建筑材料的3D打印性能。

（2）測試裝置

裝置包括測試筒、堆砌高度測量器和擴展測試板，測試筒上部設有兩側料斗，測試筒下部設有出料管，并附有振動器；出料管頂端有2個沿料斗切面的滑動開關。單側料斗打開后，漿體通過振動后，擴展測試板水平置于測試筒下方，堆砌高度測量器垂直立于擴展測試板上，測量指針垂直于堆砌高度測量器，見圖2。

圖2 可建造評價裝置

（3）試驗過程

打開第1料斗的滑動開關及振動器，采用秒表紀錄材料流空時間t1，并測試擴展度S1及堆砌高度H1；打開第2料斗的滑動開關及振動器，采用秒表紀錄材料流空時間t2，并測試擴展度S2及堆砌高度H2。通過式（1）計算該材料的3D打印性能J3D：

3 3D打印性能評價指標研究

基于上文提供的3D打印性能測試評價方法，試驗通過對比傳統(tǒng)檢測方法及實際3D打印效果，從量化性評價材料性能入手，探索材料的3D打印性能影響規(guī)律，同時，驗證及分析3D打印性能測試評價方法可行性。

試驗采用強度等級為C70的水泥基砂漿為基礎配比：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（硅灰）∶m（砂）∶m（水）=40∶9∶5∶74∶15。其中膠凝材料包括亞東P·O42.5水泥、陽邏Ⅰ級粉煤灰、朗天硅灰（SiO2含量92%），基本性能見表1；骨料選用細度模數(shù)為3.4的連續(xù)級配機制砂。

表1 膠凝材料的基本性能

為排除凝結時間對打印性能的影響，在未摻加速凝組分情況下，通過調整配合比及外加劑組分配制砂漿流動度為150～290 mm的測試漿體，測試漿體3D打印性能差異及規(guī)律，結果見表2。其中，穩(wěn)定打印層數(shù)是依托打印尺寸為2 m×2 m×2 m的3D打印設備（選用為螺桿泵擠出輸出，使用32 mm的高壓橡膠管及φ30 mm噴嘴）對試驗漿體進行單層13 mm的封閉圖形的逐層堆疊，形成結構致密、層間銜接良好的打印層數(shù)，因此，漿體穩(wěn)定打印層數(shù)直接表征材料的3D打印效果。

表2 砂漿3D打印性能測試試驗配比和結果

試驗發(fā)現(xiàn)，在同配比組數(shù)中，隨外加劑摻量的增加，漿體的流動度逐漸增大，材料的3D打印穩(wěn)定層數(shù)總體呈先上升后下降的趨勢。當打印漿體流動度小于190 mm，在實際打印中雖可形成較高的打印層數(shù)，卻無法形成較高的打印質量，這是因為漿體呈干硬性，砂漿可擠出性差，對泵送設備造成較大負擔，極易出現(xiàn)擠出困難及間斷擠出現(xiàn)象，甚至堵管，如4#試驗組雖能勉強擠出，但無法形成致密的穩(wěn)定的打印層數(shù)[見圖3（a）]。而當漿體流動度大于245 mm時，漿體擁有較高的可擠出性，不會出現(xiàn)打印不連續(xù)的現(xiàn)象，由于擠出后的漿體仍具有不錯的流動性，在打印堆積過程中易產生較大形變量，致使其穩(wěn)定打印層數(shù)均不超過12層[見圖3（b）]。當漿體流動度介于205～240 mm時，材料都可以穩(wěn)定完成20層的打印建造[見圖3（c）]，具有較好的3D打印性能，這說明流動度可在一定程度上限定材料3D打印性能區(qū)間。

圖3 砂漿的3D打印效果

但需要指出的是，漿體的打印性能與流動性并無較強線性關系，見圖4。在5#～8#試驗組中，控制漿體流動度在（215±15）mm區(qū)間，隨著水泥用量的降低，穩(wěn)定打印層數(shù)也逐漸降低，最大打印層數(shù)差距達15層。其主要原因是水泥用量的增加，提高了漿體粘稠度，在相同流動性下，可有效減少打印過程中單層堆積形變量，從而提高穩(wěn)定打印的層數(shù)。而在5#、13#、15#試驗組中，流動度在（205±5）mm區(qū)間時，漿體穩(wěn)定打印層數(shù)差距卻達20層，其中15#試驗組的穩(wěn)定層數(shù)更是超過了40層（見圖5），這也是由于漿體粘稠度差異造成的。隨著漿體中增稠組分的提高，漿體的粘稠度有了較明顯的改善，打印成型的穩(wěn)定性更好，層間漿體結合也更為密實。由此可見，漿體的粘稠度對3D打印性能有較大的影響，制備打印漿體時，在保證一定流動性的前提下，應適當提高漿體粘聚性以獲得較好的3D打印性能。

圖4 流動度與穩(wěn)定打印層數(shù)的相關性

圖5 15#試驗組的打印效果

J3D與漿體流動度的相關性見圖6。

圖6 J3D與漿體流動度的相關性

由圖6可知，當漿體具有較高流動性（流動度＞245 mm）時，材料穩(wěn)定打印層數(shù)低于20層，此時漿體的J3D值均低于11，3D打印效果不佳；當漿體流動度為220±20 mm時，穩(wěn)定打印層數(shù)均大于20層，此時漿體的J3D值均高于22，3D打印效果較好；同時，對比添加增稠劑試驗組發(fā)現(xiàn)，漿體黏度的增加有助于材料3D打印性能的提升，相應的在J3D參數(shù)變化趨勢也有反映。因此，J3D測試結果同實際3D打印效果吻合度較高，J3D值越高，穩(wěn)定打印層數(shù)越高。

J3D與材料3D打印性能的相關性見圖7。

對圖7進行分析發(fā)現(xiàn)，剔除試驗機械工況無法連續(xù)擠出漿體的區(qū)域后，穩(wěn)定打印層數(shù)同漿體J3D值的線性關系較強。綜上分析，本試驗提出的J3D性能指標能較好地量化材料的當砂漿J3D≥25，材料的3D打印性能處于較優(yōu)性能區(qū)間。3D打印性能。結合砂漿的流動度，可認定當砂漿的J3D≥25，材料的3D打印性能處于較優(yōu)性能區(qū)間。

圖7 J3D與材料3D打印性能的相關性

4 結語

3D打印混凝土作為一種新型混凝土，其性能應滿足可擠出性、可建造性及可控工作時間等要求。針對現(xiàn)有性能檢測方法因表征參數(shù)較少或測試方法過于繁瑣，無法試驗性評價混凝土材料打印性能的問題，本文提出了一種新的3D打印性能評價測試方法，通過對比研究流動度150～290 mm的砂漿實際3D打印效果，可得到以下結論：

（1）漿體的流動度逐漸增大，材料的3D打印穩(wěn)定層數(shù)總體呈先上升后下降的趨勢；流動度在（220±20）mm時，砂漿具有較高的3D打印性能。

（2）漿體的打印性能與流動性并無強線性關系；相同流動度區(qū)間，砂漿的粘聚性越高，材料的3D打印穩(wěn)定層數(shù)越高。

（3）J3D測試方法能較為量化的測試材料的3D打印性能，