3D打印混凝土可建造性的評(píng)估方法

謝麟，羅啟靈，于坷坷★

（1.深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東 深圳 518060；2.深圳市寶安區(qū)住房和建設(shè)事務(wù)中心，廣東 深圳 518126）

由于擠出型3D打印混凝土技術(shù)已經(jīng)成熟，目前3D打印混凝土主要指擠出型3D打印。不同于傳統(tǒng)混凝土澆筑到模板中的施工方式，3D打印混凝土通過(guò)打印機(jī)擠出，施工不需要模板；但對(duì)工作性能要求更高，為保證混凝土能夠順利擠出，其流變性需滿足一定要求，此外膠凝材料組成及配合比設(shè)計(jì)也與普通澆筑混凝土不同，因此需要對(duì)3D打印混凝土的工作性能進(jìn)行評(píng)估。現(xiàn)有評(píng)估混凝土工作性能的方法不能直接適用于3D打印混凝土，所以需要新的測(cè)試方法評(píng)估其工作性能。

3D打印混凝土的可建造性指混凝土在經(jīng)過(guò)3D打印機(jī)擠出后支撐起自重及上部傳遞的荷載并且維持形狀穩(wěn)定性；不僅要求打印混凝土具有良好的流變性能，還要求打印條具有均勻連續(xù)的寬度和厚度。本文基于目前國(guó)內(nèi)外最新關(guān)于評(píng)估3D打印混凝土可建造性的成果，結(jié)合3D打印混凝土的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了關(guān)于3D打印混凝土的可建造性評(píng)估方法。

1 研究現(xiàn)狀

理想的可建造性是混凝土在擠壓后可以保持形狀并承受上部載荷而不會(huì)變形。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)3D打印混凝土的可建造性研究分為實(shí)際測(cè)量、理論計(jì)算。見(jiàn)表1。

表1 可建造性評(píng)價(jià)方法

1.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

Zhang Y等[4]通過(guò)開(kāi)發(fā)一種高可建造性與流變性能的3D打印混凝土材料，證明了流變性能與可建造性具有密切聯(lián)系。Ma G W等[5]評(píng)估了可建造性和可擠出系數(shù)，提出了流動(dòng)性、凝結(jié)特性、剛度三種性能的優(yōu)化打印參數(shù)設(shè)計(jì)方法，試驗(yàn)表明在相同的擠出速率下，材料的流動(dòng)性隨時(shí)間增加而降低，擠出的混凝土細(xì)絲變薄，最終無(wú)法擠出。張心穎[6]測(cè)試材料的密度和凝結(jié)時(shí)間；設(shè)計(jì)5種打印方案對(duì)比層數(shù)、齡期以及剪切應(yīng)力，進(jìn)行無(wú)側(cè)限單軸壓縮重復(fù)試驗(yàn)，用這些數(shù)據(jù)建立數(shù)值模型，分析了打印速度、打印層高、打印時(shí)間間隔對(duì)可建造性的影響，此外還評(píng)估了大尺度異形拱的3D打印可建造性。

1.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

Perrot A等[7]研究了基礎(chǔ)層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響，指出結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)主要由第1層的坍塌和自身屈曲引起。WolfsR J M等[8～9]研究了3D打印結(jié)構(gòu)的屈曲破壞并考慮了隨時(shí)間變化的摩爾-庫(kù)倫理論；通過(guò)打印1 m直墻、5 m直墻和長(zhǎng)邊5.0 m、短邊0.2 m的矩形結(jié)構(gòu)進(jìn)行同種材料的可建造性試驗(yàn)，分別在21～22層、27層和46層破壞，研究表明，復(fù)雜形狀的垂直結(jié)構(gòu)以及封閉結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性。Nerella V N等[10]提出了一種基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的可建造性標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)打印所需結(jié)構(gòu)的縮小模型和根據(jù)目標(biāo)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)可行性確定層與層之間的時(shí)間間隔，來(lái)評(píng)估可建造性。

2 試驗(yàn)方法

2.1 間接測(cè)試?yán)碚?/h3>

壓縮試驗(yàn)、UUCT[2]和擠壓流動(dòng)試驗(yàn)更常用[1]；其他還包括旋轉(zhuǎn)流變儀、滲透測(cè)試、無(wú)損超聲波測(cè)量和三軸壓縮測(cè)試。

UUCT可以測(cè)定3D混凝土不同齡期的抗壓強(qiáng)度和楊氏模量；此外，可以計(jì)算這些參數(shù)隨時(shí)間的變化速率。CRV[2]是通過(guò)旋轉(zhuǎn)流變法進(jìn)行的，在選定的齡期低恒定旋轉(zhuǎn)速度下對(duì)膠凝材料試樣進(jìn)行扭矩峰值的測(cè)定。約束單軸壓縮試驗(yàn)（CUCT）[2]是一種直接對(duì)打印層進(jìn)行單軸壓縮測(cè)量的嘗試。貫入度測(cè)試（PT）[2]通過(guò)對(duì)打印層進(jìn)行穿透記錄時(shí)間、穿透深度等表征3D打印砂漿的可堆疊性。見(jiàn)圖1[8]。

圖1 評(píng)估可建造性的間接方法

2.2 間接測(cè)試方法

2.2.1 CRV測(cè)試

CRV測(cè)試所施加的恒定旋轉(zhuǎn)速度為0.3 r/min，不同靜止時(shí)間的峰值扭矩的測(cè)量都是在材料的單個(gè)樣品上進(jìn)行，在0、1、2、3、5、10、15、20 min的靜止時(shí)間進(jìn)行靜態(tài)屈服應(yīng)力測(cè)量，直到達(dá)到5 000 N·mm（大約為7.2 kPa）的扭矩極限，再通過(guò)Kruger模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。見(jiàn)圖2[2]。

圖2 CRV測(cè)試

2.2.2 UUCT測(cè)試

使用D=49 mm和H≈50 mm的圓柱形試件進(jìn)行無(wú)側(cè)限單軸壓縮測(cè)試，這些樣品是使用具有薄壁的金屬空心圓柱體從兩個(gè)隨后打印的層中切出的。上部載荷板直徑為49.5 mm，采用0.5 mm/s的恒定加載速率，記錄時(shí)間、力和變形，也顯示了UUCT中獲得的受力變形曲線示例以及測(cè)試前后樣品的典型外觀。每次試驗(yàn)達(dá)到12 mm的垂直變形結(jié)束，測(cè)試時(shí)間為2～3 min。見(jiàn)圖3[2]。

圖3 UUCT：不同靜止時(shí)間和典型失效模式下的力-變形曲線

2.2.3 CUCT測(cè)試

CUCT測(cè)試類似于Jayathilakage R等[11]測(cè)試楊氏模量。測(cè)試裝置、設(shè)置參數(shù)和計(jì)算結(jié)果值的原則與UUCT相同，與UUCT不同的是計(jì)算采用了兩種方法：第一種方法包括手算分析圖形，確定力-變形曲線上線性區(qū)域的大小、抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變值并進(jìn)一步計(jì)算出楊氏模量E，該方法的應(yīng)用有助于確定線性段末端的力與最大力之比及估計(jì)被測(cè)試試件的典型變形范圍；第二種方法自動(dòng)執(zhí)行計(jì)算和數(shù)據(jù)分析，見(jiàn)圖4[2]。

圖4 CUCT：用于自動(dòng)計(jì)算楊氏模量的模式

2.2.4 貫入度測(cè)試

使用快速滲透方法以0.5 mm/s的加載速率進(jìn)行測(cè)試，直到達(dá)到19 mm的滲透深度，這對(duì)應(yīng)于穿透器完全浸入樣品中，記錄時(shí)間、穿透力和穿透深度。

2.3 直接測(cè)試?yán)碚?/h3>

2.3.1 直接打印測(cè)試

通過(guò)打印機(jī)擠出混凝土打印出特定直徑和層厚度的中空?qǐng)A柱結(jié)構(gòu)，直到坍塌破壞，可以直觀地顯示3D打印混凝土可建造性以及層間黏結(jié)性能[1]，還可以通過(guò)記錄過(guò)程及坍塌時(shí)刻分析破壞模式。

2.3.2 雙線性應(yīng)力-應(yīng)變理論

采用如下方式：

1）在混合的不同時(shí)間從3D打印中提取的圓柱體（代替澆筑圓柱體）進(jìn)行改進(jìn)的GCT提取雙線性應(yīng)力-應(yīng)變直到屈服點(diǎn)，從該點(diǎn)推導(dǎo)出材料特性；

2）考慮材料失效（例如塑性塌陷）或不穩(wěn)定性（例如屈曲/破壞）的模型，采用GCT的材料參數(shù)（彈塑性屈服應(yīng)力和模量），使用不同破壞模型預(yù)測(cè)不同時(shí)間下的破壞高度下限，為不同的3D打印混凝土開(kāi)發(fā)破壞曲線。

使用雙線性理論，在不同時(shí)間得到材料的彈塑性屈服應(yīng)力和模量，隨后將其用于失效模型（考慮基于材料和基于穩(wěn)定性的破壞）以確定理論失效高度。在任何時(shí)間由不同失效模式給出的最低破壞高度的包絡(luò)線形成了該特定材料的失效曲線。

2.4 直接測(cè)試方法

2.4.1 直接打印測(cè)試

打印機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于材料的性質(zhì)，在打印過(guò)程開(kāi)始前不久進(jìn)行調(diào)整。試驗(yàn)采用出口直徑為60 mm的圓形垂直導(dǎo)向噴嘴，打印過(guò)程以恒定打印速率50 mm/s[1]，打印直到該結(jié)構(gòu)坍塌破壞才會(huì)停止，記錄打印過(guò)程及層高。

2.4.2 雙線性應(yīng)力-應(yīng)變準(zhǔn)則

在GCT測(cè)試前打印一個(gè)80 mm×60 mm×120 mm的長(zhǎng)方體，每層由3條寬20 mm、長(zhǎng)80 mm的細(xì)絲組成，保持流速，使細(xì)絲相互重疊，以避免垂直界面處的不連續(xù)性。采用內(nèi)徑50 mm、長(zhǎng)100 mm的圓柱形鋼管對(duì)圓柱體進(jìn)行抽柱GCT。管子的一端被削尖，內(nèi)表面潤(rùn)滑，以確保管子在不變形樣品的情況下輕松地穿過(guò)打印的長(zhǎng)方體。移除管外多余的材料，平整試樣頂部。長(zhǎng)方體的打印和圓柱體的提取每隔30 min重復(fù)一次，一般重復(fù)4次即可。將帶管抽出的試樣放置在位移控制試驗(yàn)機(jī)的加載盤(pán)之間，然后慢慢移除帶管，將試樣釋放到位；然后將板放置在試樣的頂部并在不施加任何垂直力的情況下輕微旋轉(zhuǎn)，以確保適當(dāng)?shù)慕佑|。

裝載機(jī)的頂板被慢慢降低到頂面，然后向上移動(dòng)以釋放負(fù)載。為了確保接觸面均勻，加載板被降低到1 mm/min的速度移動(dòng)，然后負(fù)載被釋放。在此過(guò)程中引起的整體變形，通常＜0.5 mm。確保接觸面盡可能平整并且在測(cè)試時(shí)將試樣同心放置完全接觸，以避免偏心加載。

將試樣留1 min后開(kāi)始試驗(yàn)，采用1 mm/min的加載速率，以確保GCT中的加載速率與打印過(guò)程中的加載速率相似，GCT到達(dá)10 mm總變形量結(jié)束。

3 測(cè)試方法的比較與探討

3.1 間接測(cè)試方法的比較

3D打印混凝土可建造性的間接評(píng)估方法，試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間有很強(qiáng)的線性相關(guān)；但用任何一種方法都不能得到一致準(zhǔn)確的材料失效預(yù)測(cè)。通過(guò)貫入度測(cè)試獲得的靜態(tài)屈服應(yīng)力值以及CUCT評(píng)估的彈性極限抗壓強(qiáng)度值對(duì)打印結(jié)構(gòu)中的破壞預(yù)測(cè)不夠準(zhǔn)確，CUCT的最大抗壓強(qiáng)度高估了所有測(cè)試混凝土的可建造性；由于設(shè)備扭矩有限，對(duì)CRV測(cè)試的結(jié)構(gòu)破壞預(yù)測(cè)低估了3D可打印混凝土的實(shí)際可建造性；UUCT既費(fèi)力又費(fèi)時(shí)，數(shù)據(jù)有較大離散性。

3.2 直接測(cè)試方法的比較

直接打印測(cè)試雖然能直觀反應(yīng)3D打印混凝土可建造性，但工作量大；對(duì)于雙線性應(yīng)力-應(yīng)變準(zhǔn)則，如果GCT結(jié)果忽略初始彈性屈服，對(duì)于屈曲倒塌，破壞高度將被低估；對(duì)于圓柱體打印試件來(lái)說(shuō)塑性塌陷是結(jié)構(gòu)的主要破壞形式，而當(dāng)混凝土獲得更多剛度時(shí)，有向屈曲/破壞模式轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。使用雙線性應(yīng)力-應(yīng)變準(zhǔn)則能看出3D打印混凝土不同時(shí)間對(duì)可建造性的影響，可以為3D打印混凝土提供適當(dāng)?shù)牟牧显O(shè)計(jì)方法。

4 結(jié)論與展望

從目前最新關(guān)于3D打印混凝土可建造性的研究中可以看出，不論是間接測(cè)試方法還是直接測(cè)試方法都在往智能化的方向發(fā)展，但是這些方法都有一些不足，還有很大改進(jìn)空間。在間接測(cè)試中，CUCT可以得出打印混凝土中與時(shí)間相關(guān)的彈塑性并且數(shù)據(jù)處理較為方便；直接測(cè)試方法中，雙線性應(yīng)力-應(yīng)變準(zhǔn)則不僅能夠評(píng)估3D打印混凝土的可建造性，還能為其提供適合的配合比設(shè)計(jì)。

可建造性作為3D打印混凝土工作性能的重要指標(biāo)之一，研究其評(píng)估方法有助推廣3D打印混凝土在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用。在后續(xù)的研究中可以將多種指標(biāo)進(jìn)行綜合，再進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，開(kāi)發(fā)仿真模擬軟件，減少工作量以及試錯(cuò)率，此外研發(fā)智能化的打印設(shè)備，也可以有效提高3D打印混凝土可建造性的評(píng)估。