3D打印粗骨料混凝土力學性能

汲廣超， 肖建莊

（同濟大學 土木工程學院，上海200092）

建筑3D 打印是一種基于計算機數(shù)字模型的增材成型技術(shù)，主要通過逐層打印建筑材料的方式來快速成型，具有效率高、成本低、環(huán)保等建造優(yōu)勢［1-3］。水泥基材料由于其硬化快、來源廣等特點被認為是最適合的建筑3D打印材料之一，目前已經(jīng)得到了廣泛的研究［4-6］。2004 年，Khoshnevis［7］首次提出將增材制造工藝應用于建筑自動化施工，并采用輪廓工藝打印水泥基材料形成建筑構(gòu)件。以往開展的3D打印細骨料混凝土材料的性能研究與配合比優(yōu)化主要是在實驗室條件下完成的［8-11］。Le 等［12］采用砂漿材料連續(xù)打印61 層0.8 m 高的試件，實現(xiàn)了110 MPa 高性能細骨料混凝土的3D 打??；Malaeb 等［13］也成功打印出10 cm 高、抗壓強度接近42 MPa 的水泥砂漿試件；Panda 等［14］測試了3D 打印試件不同加載方向的抗壓和抗折強度，結(jié)果表明，3D 打印試件力學性能受打印方向的影響。目前已有砂漿3D 打印建筑項目落地，如同濟大學使用再生砂漿作為3D打印材料實現(xiàn)了一個尺寸為2.5 m×2.5 m×3.0 m的橢圓形建筑的整體打?。?5］；東南大學采用3D打印砂漿構(gòu)件在南京實現(xiàn)了裝配式建筑的施工［16］；河北工業(yè)大學通過3D 打印模板與澆筑工藝結(jié)合的方式實現(xiàn)了模仿趙州橋3D打?。?7］。

Han 等［18］對砂漿3D 打印技術(shù)進行了綜述與分析，發(fā)現(xiàn)3D打印砂漿中的水泥用量比傳統(tǒng)施工的水泥用量多25%以上，在碳排放和材料成本上都沒有明顯優(yōu)勢。雖然Ding 等［19］研究了再生砂替代天然砂作為3D打印骨料的方法，但是仍然沒有解決水泥用量高、塑性收縮嚴重等問題。與砂漿3D打印材料相比，粗骨料混凝土具有低收縮、低成本、低水泥用量等優(yōu)點。Mechtcherine 等［20］在實驗室條件下采用小型3D打印設備實現(xiàn)了最大粒徑8 mm的粗骨料混凝土的打印。Rahul 等［21］打印了最大粒徑10 mm 的輕質(zhì)粗骨料混凝土，并測試了材料0～420 min 的早期力學性能與可擠出性，其研究表明輕質(zhì)粗骨料體積率為30%時可以同時滿足3D打印混凝土的可擠出性和可建造性。劉化威等［22-23］研究了高粗骨料摻量3D 打印混凝土的孔隙缺陷特性對其力學性能的影響，并提出了“多重分區(qū)-界面模型”來揭示這一影響機理。此外，3D打印再生粗骨料混凝土的可打印性也正在被研究和優(yōu)化［24］。到目前為止，關于3D打印粗骨料混凝土技術(shù)的研究仍然很少，導致其研究進展緩慢的原因主要有兩點：一是粗骨料混凝土在打印頭中擠出難度較大，傳統(tǒng)的螺桿泵容易堵塞，難以實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的擠出；二是粗骨料混凝土需要較高的流動性滿足可擠出性以及較高的早期強度滿足可建造性，目前的3D打印系統(tǒng)難以實現(xiàn)對打印頭中新拌粗骨料混凝土的實時監(jiān)測與調(diào)節(jié)。雖然各類新型材料3D打印機的研發(fā)如火如荼，例如纖維混凝土打印機［25-26］、地聚物材料打印機［27］、偏高嶺土材料打印機［28］等，但是這些新型建筑3D打印材料與粗骨料混凝土相比，從可打印性、經(jīng)濟性到商業(yè)化量產(chǎn)都沒有明顯的優(yōu)勢。因此，對粗骨料混凝土3D打印系統(tǒng)及力學性能的研究迫在眉睫。

1 3D打印粗骨料混凝土系統(tǒng)

1.1 3D打印機及運行流程

自主研發(fā)的粗骨料混凝土3D 打印機為立柱式機械結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)和應用如圖1 所示。3D 打印機分為幾個部分：x軸軌道、y軸軌道、z軸立柱軌道、打印頭以及頂部環(huán)形拉結(jié)穩(wěn)固系統(tǒng)。其中x軸和y軸軌道可以控制打印頭水平方向的運行，z軸軌道控制垂直方向的升降，從而滿足打印頭在x、y、z3個方向的運行，打印頭可以在x-y-z軸的空間內(nèi)運行到任意位置。此立柱式建筑3D 打印機x軸尺寸為15 m、y軸尺寸為9 m，z軸尺寸為9 m，打印頭在x、y軸方向最大打印速度為200 mm·s-1，z軸最大提升速度為20 mm·s-1，單層打印高度為40～60 mm，打印寬度為100 mm，可以現(xiàn)場整體打印13 m×8 m×8 m 的房屋。在3D打印粗骨料混凝土試件的制備中，單層打印高度為40 mm，x、y軸運行速度為50 mm·s-1，z軸提升速度為20 mm·s-1。

該立柱式粗骨料混凝土3D 打印機通過伺服反饋系統(tǒng)實現(xiàn)了粗骨料混凝土連續(xù)、穩(wěn)定的擠出以及打印軸精確的控制。如圖2 所示，該打印系統(tǒng)的運行流程如下：① 建立建筑三維模型并通過切片軟件生成打印路徑（g 代碼）；② 將g 代碼輸入3D 打印伺服反饋總控制端，控制端分別向打印頭系統(tǒng)和x-y-z軸自動檢測系統(tǒng)發(fā)出檢測信號；③ 打印頭檢測粗骨料混凝土是否滿足打印條件并將信息反饋給總控制端，x-y-z軸自動檢測系統(tǒng)檢查電機狀態(tài)是否良好并將信息反饋給總控制端；④ 若混凝土可打印條件和x-y-z軸可運行條件同時滿足，則總控制端發(fā)出打印信號，3D打印機開始打印。

圖2 3D打印粗骨料混凝土伺服反饋系統(tǒng)Fig. 2 3D printing servo feedback system for concrete with coarse aggregates

該伺服反饋系統(tǒng)實現(xiàn)了閉環(huán)控制，保證了混凝土3D打印的連續(xù)性，準確性和安全性。

1.2 打印頭設計與構(gòu)造

粗骨料混凝土連續(xù)、均勻地擠出是3D打印研究難點，因此打印頭的設計尤其重要。傳統(tǒng)的定子轉(zhuǎn)子螺桿動力系統(tǒng)難以實現(xiàn)5 mm 粒徑以上的粗骨料混凝土打?。?9］。

本文設計的打印頭采用活塞式擠出動力系統(tǒng)，打印噴嘴的尺寸為100 mm，可以擠出10 mm粒徑以下的粗骨料混凝土，動力系統(tǒng)最大扭矩為50 N·m，進料速度為0～1.5 L·min-1，其構(gòu)造如圖3所示。打印頭工作原理如下：粗骨料混凝土先從進料口進入混凝土料倉，料倉內(nèi)的扭矩測試電機測試范圍為0～100 N·m，電機前端連接70 mm 直徑，25 mm 螺距，120 mm 長度的螺旋葉片，固定扭矩電機轉(zhuǎn)速為0.5 r·s-1，通過實時測試螺旋葉片在粗骨料混凝土中的扭矩以及圖4 中扭矩與坍落度之間測試關系，可以得出粗骨料混凝土是否滿足該系統(tǒng)打印的優(yōu)選區(qū)間；如不滿足，外加劑注入系統(tǒng)加入適量外加劑直到粗骨料混凝土滿足可打印性，然后打開自動閥門，通過活塞動力系統(tǒng)擠出混凝土，同時采用自動刮板系統(tǒng)進行3D打印墻體的平整工作。

圖3 打印頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造Fig. 3 Structure details of print head

圖4 粗骨料混凝土扭矩與坍落度的關系Fig. 4 Relationship between torque and slump of coarse aggregate concrete

眾所周知，混凝土的儲存、運輸和供料過程會改變其工作性能，給3D打印擠出過程帶來不確定的變化。因此，在打印頭內(nèi)對即將擠出的混凝土進行測試和調(diào)節(jié)可以使料倉內(nèi)的混凝土滿足可擠出性和可建造性。圖3中的扭矩電機檢測系統(tǒng)可以實時檢測攪拌葉片在混凝土中的扭矩，通過反復試驗，得出了混凝土扭矩與坍落度的關系，試驗過程和結(jié)果如圖4所示。105～115 mm坍落度為粗骨料混凝土的可打印性優(yōu)選區(qū)間，通過流變儀測試其動態(tài)屈服應力區(qū)間為649～783 Pa。因此，通過扭矩電機反饋的數(shù)據(jù)可以計算出混凝土對應的坍落度，如不滿足可打印性，可以通過外加劑定量注入系統(tǒng)每次注入0.1～0.4 mL減水劑或速凝劑，從而調(diào)整混凝土的流變性能。之后循環(huán)檢測和調(diào)節(jié)過程，直到電機的扭矩在優(yōu)選區(qū)間范圍，最后開始擠出和打印粗骨料混凝土。

2 力學性能試驗

2.1 油墨配合比

3D打印領域中大多數(shù)材料為熱熔材料，遇冷直接凝固，不僅成型容易而且連續(xù)打印難度低，無需考慮下層強度。而建筑3D打印系統(tǒng)在打印過程中，如果使用粗骨料混凝土作為油墨材料，需要較強的早期強度來滿足其可建造性，同時需要較高的流動性來滿足其可擠出性。因此，本研究使用了聚羧酸超塑化劑（SP）、纖維素醚（HPMC）、鋁酸鹽速凝劑（Ac）作為外加劑；OPC42.5 水泥（Cem）和粉煤灰（FA）作為膠凝材料；0～5 mm 粒徑的天然河沙，以及5～10 mm粒徑的天然礫石作為骨料。同時，配比中加入了適量的硅粉（SF）來提高混凝土的流動性、可建造性以及力學性能。3D打印粗骨料混凝土油墨配合比如表1所示。

表1 3D打印混凝土配合比Tab. 1 Proportion of 3D printing concrete

2.2 力學性能測試方法

已有研究表明，層層堆疊的3D打印工藝會造成打印構(gòu)件力學性能的各向異性［30-32］。因此，在力學性能測試中需要定義加載方向，水平打印平面定義為x-y軸，垂直打印方向定義為z軸，x-y-z軸方向與圖1 中設備的x-y-z軸方向相同，具體測試方法如圖5及圖6 所示。本文測試了3D 打印粗骨料混凝土試件在不同加載方向下的抗壓強度和抗折強度，在抗壓強度測試中，分別對垂直方向抗壓強度（Pv）和水平方向抗壓強度（Pp）進行了加載測試。在抗折強度測試中，分別對x方向抗折強度（Fx）、y方向抗折強度（Fy）和z方向抗折強度（Fz）進行了加載測試。

圖5 3D打印粗骨料混凝土不同加載方向抗壓與抗折測試（單位：mm）Fig. 5 Compressive and flexural tests of 3D printed coarse aggregate concrete in different loading directions（unit:mm）

圖6 抗壓及抗折強度測試Fig. 6 Tests of compressive and flexural strengths

單層打印高度為40 mm，打印試件的層數(shù)為11層（440 mm），長度1 m，寬度100 mm，并在溫度為（20±2）℃，相對濕度為（95±5）%環(huán)境下養(yǎng)護28 d?？箟涸嚰叽鐬?00 mm×100 mm×100 mm 的立方體，抗折試件為100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱體，均為在硬化后的打印試件上切割而成，如圖5所示?？箟汉涂拐蹚姸葴y試均采用100 kN·min-1的加載速率。此外，在同一配比下對澆筑試件抗壓和抗折強度進行了測試，每組分別取6 個試樣做測試并取平均值。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

為深入分析3D打印工藝對粗骨料混凝土力學性能的影響機理，使用NIKON XTH 225/320 LC型設備對試件進行CT掃描，測量微觀孔隙結(jié)構(gòu)的孔隙尺寸以及空間分布，CT掃描設備及圖像如圖7所示。該CT掃描設備具有2 000×2 000像素的高分辨率探測器，可放置最大樣品質(zhì)量為100 kg，放射源最大管電壓為320 kV。CT掃描后，將每個樣品的原始投影數(shù)據(jù)集加載到基于反投影算法的CTPro軟件中，在進一步分析之前生成許多灰度圖像，并通過手動控制來調(diào)節(jié)光束硬化、噪音以及環(huán)形偽影。然后，圖像集被加載到VG Studio MAX 3.1軟件中進行微觀結(jié)構(gòu)分析。μ-XCT測試的體素尺寸為30 μm。

圖7 CT掃描設備及圖像Fig. 7 CT scanning device and image

用于CT掃描的混凝土澆筑試件和3D打印試件為100 mm×100 mm×100 mm的立方體，掃描的3D打印試件與2.2節(jié)中的抗壓強度試件尺寸和獲取方式相同，本試驗單層打印高度為40 mm，100 mm 高度可以包含2個打印層間。

本文通過3D微觀圖像計算總的孔隙率，孔隙按照體積大小不同被分為3 類：①小孔隙（10-4～0.1 mm3）；②中等孔隙（0.1～10 mm3）；③大孔隙（＞10 mm3）。其中，CT 掃描儀可識別的最小孔隙體積為10-4mm3。通過計算不同孔隙尺寸所占的比例，可以有效地對比模具澆筑與3D 打印粗骨料混凝土的孔隙分布。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 抗壓及抗折強度

澆筑試件和3D 打印混凝土試件的抗壓和抗折強度如圖8a 和8b 所示。可以看出，3D 打印粗骨料混凝土具有各向異性，雖然平行于打印方向的抗壓強度Pp和垂直于打印方向的抗壓強度Pv、y軸加載方向抗折強度Fy和z軸加載方向抗折強度Fz相差并不大，均在5%左右，但是x軸加載方向的抗折強度Fx比Fy和Fz分別降低了25%和21%。此外，澆筑混凝土的抗壓強度比3D 打印粗骨料混凝土抗壓強度高10%～15%，抗折強度比Fy和Fz高10%～15%，比Fx高30%～35%。當混凝土擠出時，上層混凝土僅靠重力鋪在下層混凝土的上面，兩層混凝土之間沒有很緊密的連接，導致層與層之間黏結(jié)薄弱。因此，3D 打印混凝土上、下層間的薄弱區(qū)可能是造成其抗折及抗壓強度低的主要原因。

圖8 澆筑試件和3D打印試件的抗壓與抗折強度Fig. 8 Compressive and flexural strengths of both cast and 3D printed specimens

3.2 試件微觀結(jié)構(gòu)

從表2 可以看出，同一配合比的粗骨料混凝土澆筑試件總孔隙率比3D 打印試件的總孔隙率高0.15%，但是其孔的分布主要集中在10-4～10-1mm3的小孔和10-1～10 mm3的中孔。而大于10 mm3的大孔隙率比3D打印試件低了10.6%。

表2 澆筑試件和3D打印試件的孔隙率Tab.2 Porosity of cast cubes and 3D printed cubes

圖9 是澆筑試件和3D 打印試件的微觀結(jié)構(gòu)3D與2D圖。采用了圖像處理的方法對3D打印粗骨料混凝土孔隙分布進行了定量的分析，對1 000×1 000像素的2D微觀結(jié)構(gòu)圖的每一個像素進行灰度計算?；叶戎捣秶鷱? 到255，亮度最低為0，亮度最高為255，通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，砂漿的平均灰度值為165，粗骨料的平均灰度值為197，孔隙的平均灰度為82。為了不干擾平均灰度值的計算，將粗骨料的灰度值全部修訂為與砂漿灰度值一致的165。最后，計算每一行像素的平均灰度值，并與2D微觀結(jié)構(gòu)圖結(jié)合來分析其孔隙分布，如圖10 所示。可以看出，澆筑試件的孔隙結(jié)構(gòu)是隨機分布的，其平均灰度值為115～158，而3D 打印試件的微觀結(jié)構(gòu)則有兩條明顯超低灰度值區(qū)域，其最小灰度值分別為106 和103，說明這個區(qū)域的孔隙相對集中，比其他區(qū)間的平均灰度值（139）分別低23%和26%。這種層間薄弱區(qū)會形成“連通孔”，導致3D打印試件的大孔隙率高于澆筑試件。同時，層間薄弱區(qū)也解釋了3.1 節(jié)中混凝土3D打印試件抗壓強度與抗折強度比澆筑試件低，以及其力學性能存在各向異性的原因。

圖9 澆筑試件與3D打印試件的微觀結(jié)構(gòu)Fig. 9 Microstructure of both cast and 3D printed specimens

圖10 澆筑試件與3D打印試件灰度分布Fig. 10 Gray distribution of both cast and 3D printed specimens

3.3 討論

目前，建筑3D打印研究中仍以水泥砂漿為主要“油墨”，表3 列出了不同“油墨”3D 打印工藝中水泥與骨料的用量。從表3 中可以發(fā)現(xiàn)，每立方米打印材料中，采用的3D打印粗骨料混凝土的水泥用量比之前研究中3D 打印砂漿的水泥用量減少17.8%～49.6%，使用3D 打印粗骨料混凝土在防止墻體開裂、經(jīng)濟性和碳排放等方面具有顯著的優(yōu)勢［20，29］。然而，3D 打印粗骨料混凝土還具有一定局限性，比如最大粗骨料粒徑、層間薄弱區(qū)等。因此，建筑3D打印設備和材料都需要進一步的優(yōu)化來滿足該技術(shù)的應用和推廣。

表3 不同油墨3D打印工藝中水泥及骨料用量Tab. 3 Dosage of cement and aggregate in different 3D printing inks

4 結(jié)論

本文提出了一種可以打印10 mm以下粒徑粗骨料混凝土的3D打印系統(tǒng)，閉環(huán)控制系統(tǒng)可以實時檢測打印頭中螺旋葉片的扭矩，通過扭矩-坍落度的關系和外加劑定量注入系統(tǒng)，可以將新拌粗骨料混凝土調(diào)節(jié)到打印的優(yōu)選區(qū)間，同時滿足可擠出性和可建造性。伺服反饋機制實時檢測電機負荷、溫度等信息并儲存打印位置，提高了系統(tǒng)的安全性、準確性以及容錯性，從而實現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定的打印。通過對3D 打印粗骨料混凝土力學性能測試和微觀結(jié)構(gòu)試驗分析，得出以下主要結(jié)論：

（1）10 mm以下粒徑粗骨料混凝土3D打印試件的抗壓強度呈現(xiàn)細微的各向異性特征，平行于打印方向的抗壓強度（Pp）比垂直于打印方向的抗壓強度（Pv）高4.8%。其抗折強度呈現(xiàn)顯著的各向異性，平行于打印方向的抗折強度（Fx）比垂直于打印方向的抗折強度（Fy與Fz）分別低25%和21%。同一配比下，3D打印粗骨料混凝土試件的抗壓強度比模具澆筑試件抗壓強度低10%～15%，F(xiàn)y與Fz比澆筑試件抗折強度低10%～15%，F(xiàn)z比澆筑試件抗折強度低30%～35%。

（2）與澆筑試件相比，3D 打印粗骨料混凝土的總孔隙率相近，但是大孔隙（＞10 mm3）的比例高10.6%，同時粗骨料混凝土3D打印結(jié)構(gòu)有明顯的層間薄弱區(qū)，其灰度值比平均灰度值低25%左右，說明在層間薄弱區(qū)的孔隙分布更加密集。

（3）3D打印粗骨料混凝土的水泥用量比之前研究中3D打印砂漿的水泥用量減少17.8%～49.6%。

作者貢獻聲明：

汲廣超：具體工作的開展和論文撰寫。

肖建莊：論文的選題、指導、修改。