水膠比對(duì)3D打印混凝土的擠出及力學(xué)性能影響

張楠 藺喜強(qiáng) 霍亮 路蘭 張濤

（1 中國(guó)建筑技術(shù)中心，北京 101300；2 斯文科技大學(xué)土木工程學(xué)院，維多利亞州 3122，澳大利亞；3 杭州冠力科技有限公司,浙江 杭州 311201）

0 前言

水泥基材料的增材制造技術(shù)又稱(chēng)3D混凝土打印（3DCP），近年來(lái)迅速發(fā)展。目前，全球有超過(guò)30個(gè)團(tuán)隊(duì)正在從事3DCP技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。3D擠出式混凝土打印技術(shù)作為3DCP技術(shù)的重要分支之一，研究者目前的主要研究方向?yàn)樗嗷蛴〔牧吓浜媳仍O(shè)計(jì)[1-3]、流變性能[4-6]、塑性及硬化力學(xué)性能[7-11]、層間結(jié)合力[12-13]研究。但是，對(duì)打印參數(shù)的研究成果還較少[14]。作為打印工藝參數(shù)之一，打印頭泵機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)擠出式混凝土打印技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。本文以此作為研究對(duì)象，針對(duì)不同工作性的可打印水泥基材料，探討打印頭泵機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)打印材料擠出性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及配比

考慮到所用的打印頭噴嘴直徑為24mm，本文選用最大粒徑4mm的砂粒作為骨料；膠凝材料選用OPC水泥P.O42.5和SAC42.5水泥，其化學(xué)成分如表1所示；選用長(zhǎng)度為6mm的PVA纖維以降低塑性開(kāi)裂和變形。

表1 OPC和SAC的化學(xué)成分Tab.1 Chemical constituents of OPC and SAC

本研究對(duì)澆筑成型試件28天的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為50MPa。通過(guò)多次配合比試拌，得到滿(mǎn)足擠出性能和建造性能的基準(zhǔn)配合比，見(jiàn)表2。為了探討可打印材料工作性能對(duì)可擠出性能的影響，在基準(zhǔn)配比基礎(chǔ)上對(duì)水膠比進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)三組具有不同工作性參數(shù)的打印材料。

表2 基準(zhǔn)拌合物的配合比Tab.2 Mix ratio of standard mixture

1.2 打印過(guò)程

本文所用的打印機(jī)尺寸為2.8m（長(zhǎng)）×1.5m（寬）×1.8m（高）。打印頭配有螺桿擠料泵，可控制出料速度。通過(guò)混凝土泵管，將打印頭與混凝土泵（一級(jí)輸送泵）連通?；炷翑嚢柰瓿珊?，注入到一級(jí)輸送泵中，然后輸送到打印頭擠料泵中進(jìn)行打印。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工作性和凝結(jié)時(shí)間測(cè)試

按照ASTM C1437 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試新拌拌合物的工作性能；按照J(rèn)GJ/T 70-2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試新拌拌合物的初終凝時(shí)間。

1.3.2 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

采用澆筑和打印兩種成型方式，制備所有配合比的抗壓強(qiáng)度試樣。考慮到加工試件時(shí)可能造成試驗(yàn)受損，本研究的所有抗壓試驗(yàn)為每組四塊試樣。對(duì)于澆筑成型試樣，選用尺寸150mm×150mm×150mm的模具成型；對(duì)于打印成型試樣，首先打印出外部尺寸大致為2500mm×200mm×200mm的試件，如圖1(a)所示，然后通過(guò)石材切割設(shè)備加工成150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)試件。所有試樣在室內(nèi)成型硬化2天后，置于環(huán)境溫度20℃±2℃、相對(duì)濕度95%的標(biāo)準(zhǔn)室中養(yǎng)護(hù)26天。對(duì)于打印試件的取向，設(shè)打印方向?yàn)閄，垂直于打印方向且與打印層間平行的方向（簡(jiǎn)稱(chēng)側(cè)向方向）設(shè)為Y，垂直于打印層平面的方向（簡(jiǎn)稱(chēng)垂直方向）設(shè)為Z，如圖1(b)所示。

圖1 打印試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of printed samples

1.3.3 擠出性能測(cè)試

本研究通過(guò)比較材料擠出量、擠出線(xiàn)條的形狀和寬度來(lái)評(píng)價(jià)打印材料的可擠出性。其中，將單層打印提升高度和打印速度設(shè)為定值，分別為10mm和100mm/s?？紤]到打印線(xiàn)條受上層材料擠壓后會(huì)發(fā)生變形，設(shè)計(jì)依次垂直打印疊加三條擠出線(xiàn)條，將其作為一組試樣，測(cè)量中間層線(xiàn)條的寬度。對(duì)于材料擠出量，通過(guò)控制打印頭泵機(jī)的轉(zhuǎn)速，測(cè)試單位時(shí)間內(nèi)的材料擠出流量，以此評(píng)價(jià)材料工作性對(duì)擠出性能的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 工作性與凝結(jié)時(shí)間

新拌材料在跳桌25次前后的擴(kuò)展度如表3所示。結(jié)果顯示，除了水膠比0.39的拌合物，其他配合比拌合物在跳桌試驗(yàn)前未出現(xiàn)擴(kuò)展。此外，基準(zhǔn)配比的初、終凝時(shí)間分別為25min和35min。

表3 新拌3D打印材料的工作性能Tab.3 Working capability of fresh 3D-printing materials

2.2 抗壓強(qiáng)度

對(duì)于澆筑成型試件，水膠比為0.35、0.37和0.39時(shí)，28天平均抗壓強(qiáng)度分別為61.2MPa、59.2MPa和56.7MPa。對(duì)于打印成型試件，各個(gè)承壓方向的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果均小于澆筑成型試件強(qiáng)度，此結(jié)果與Le[10]和Jay[12]的研究一致。但由于可打印材料的水膠比不同，造成了強(qiáng)度損失率影響程度差異。由圖2可知，水膠比0.37的基準(zhǔn)配比試件的各向強(qiáng)度損失率最小，其中X軸向損失率最大，平均值為11.6%，Y軸向損失率7.1%，Z軸向損失率5.7%。對(duì)于水膠比0.35的試件，與基準(zhǔn)配合比類(lèi)似，其抗壓強(qiáng)度最大損失率也出現(xiàn)在X軸向，平均值為26.2%，Y軸向損失率23.6%，Z軸向損失率22.1%。但對(duì)于具有較大流動(dòng)度的配合比C2，其抗壓強(qiáng)度損失率規(guī)律則有所不同，最大損失率出現(xiàn)在Y軸向，平均值達(dá)30.7%，其次是Z軸向，損失率為27.3%，X軸向損失率為20.3%。

圖2 硬化28d試件在不同承壓方向上的抗壓強(qiáng)度損失率Fig.2 Loss rate of compression strength of hardened concrete cured for 28 days

2.3 可擠出性能

2.3.1 擠出形狀

圖3和圖4分別顯示了配合比C1和配合比C2材料的擠出線(xiàn)條外形。盡管C1工作性能相對(duì)較差，但仍能從打印頭噴嘴處連續(xù)擠出。圖3顯示，擠出線(xiàn)條表面出現(xiàn)了較多的裂縫和孔洞，這對(duì)最終成型構(gòu)件的力學(xué)性能和耐久性能造成負(fù)面影響。對(duì)于工作性能更好的配合比C2，能更加順滑地從打印頭噴嘴處擠出，但擠出線(xiàn)條寬度在打印過(guò)程中并不均勻。由此可得，打印材料在一定的工作性能范圍內(nèi)均可滿(mǎn)足可擠出要求，但打印均質(zhì)性與工作性能密切有關(guān)。

圖3 水膠比為0.35的打印材料擠出線(xiàn)條形狀Fig.3 Shape of extruded filaments for mix C1 with the water-to-binder ratio of 0.35

圖4 水膠比為0.39的打印材料擠出線(xiàn)條形狀Fig.4 Shape of extruded filaments for mix C2 with the water-to-binder ratio of 0.39

2.3.2 單位時(shí)間擠料量

單位時(shí)間擠料量即單位時(shí)間內(nèi)打印頭噴嘴處的材料擠出量，本研究將其視為評(píng)價(jià)材料擠出能力的重要指標(biāo)之一。其主要受打印頭泵機(jī)轉(zhuǎn)速和新拌合材料的工作性?xún)煞矫嬗绊憽?duì)于流動(dòng)度較大的新拌打印材料而言，在相同的泵壓下，更易于泵送。因此，隨著泵轉(zhuǎn)速的提高和流動(dòng)度的增大，單位時(shí)間擠料量隨之增加，且呈現(xiàn)線(xiàn)性變化規(guī)律，如圖5所示。圖中的單位材料擠出量計(jì)算值由下式所得：

圖5 打印頭泵轉(zhuǎn)速與單位時(shí)間內(nèi)材料擠出量的關(guān)系Fig.5 Relationship between rotating speed of the auger pump in the printer header and extrusion mass in unit time

其中，試驗(yàn)所選泵螺桿的單轉(zhuǎn)輸送量設(shè)計(jì)值為0.07升/轉(zhuǎn)。

由圖5可知，計(jì)算值和試驗(yàn)值存在差距。隨著泵轉(zhuǎn)速的加快，差值愈發(fā)明顯，其中差值最小值出現(xiàn)在泵轉(zhuǎn)速為0.7轉(zhuǎn)/秒。當(dāng)泵轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，此差值會(huì)隨著材料流動(dòng)度增大而有所減小，但不如泵轉(zhuǎn)速所造成的影響明顯。由此推測(cè)，在打印過(guò)程中，相對(duì)于打印材料坍落度損失造成的拌合物工作性波動(dòng)，泵轉(zhuǎn)速對(duì)單位材料擠出量造成的影響更明顯。同時(shí)，打印頭泵的高轉(zhuǎn)速會(huì)造成實(shí)際值與理論值的差距更大，這使得通過(guò)打印頭泵轉(zhuǎn)速來(lái)精確控制打印頭擠料量的難度進(jìn)一步增加。

2.3.3 擠出線(xiàn)條寬度

圖6顯示了打印頭泵的轉(zhuǎn)速對(duì)擠出線(xiàn)條寬度的影響。隨著泵轉(zhuǎn)速的提高和水膠比的增大，線(xiàn)條寬度增加。擠出線(xiàn)條寬度計(jì)算值由下式可得：

圖6 打印頭泵轉(zhuǎn)速與擠出線(xiàn)條寬度的關(guān)系Fig.6 Relationship between rotating speed of the auger pump in the printer header and extrusion width of filaments

其中，打印高度為10mm；打印移動(dòng)速度為10cm/s。

由圖6可知，對(duì)于不同水膠比的打印材料而言，計(jì)算值與試驗(yàn)值的差值均隨著擠料轉(zhuǎn)速的增加而變大，但差值的變化量并沒(méi)有呈現(xiàn)線(xiàn)性變化。對(duì)于流動(dòng)性較小的拌合物，此差值隨轉(zhuǎn)速的增加愈發(fā)明顯；對(duì)于流動(dòng)性較大的拌合物，轉(zhuǎn)速小于2轉(zhuǎn)/秒時(shí)，差值保持相對(duì)穩(wěn)定，但達(dá)到2.5轉(zhuǎn)/秒時(shí)，差值增大。導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因有待在后續(xù)研究中進(jìn)一步討論。

3 結(jié)論

本研究探討了打印材料工作性能對(duì)抗壓強(qiáng)度各向異性的影響。對(duì)于流動(dòng)性較小的拌合物，最大強(qiáng)度損失率出現(xiàn)在承壓面垂直于打印的方向，但對(duì)于流動(dòng)性較大的拌合物，最大抗壓強(qiáng)度損失率出現(xiàn)在承壓面垂直于打印側(cè)向的方向。同時(shí)，只有將新拌打印材料工作性控制在一個(gè)合理范圍內(nèi)時(shí)，才能保證抗壓強(qiáng)度損失的最小化。此外，單位時(shí)間材料擠出量隨打印頭泵轉(zhuǎn)速的加快和水膠比的增大而線(xiàn)性增加。但泵轉(zhuǎn)速越快，試驗(yàn)值與設(shè)計(jì)值的差距越大，而提高材料流動(dòng)性能夠縮小此差距。由于擠出線(xiàn)條寬度與單位時(shí)間材料擠出量直接相關(guān)，因此隨打印頭泵轉(zhuǎn)速提高和水膠比的增加，擠出線(xiàn)條寬度也增寬，但變化規(guī)律相比于單位時(shí)間材料擠出量則有所不同。