擠出型3D打印混凝土力學(xué)性能研究進(jìn)展

來(lái)源：《混凝土與水泥制品》雜志2021年第3期

起源于20世紀(jì)末的3D打印技術(shù)被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志”，已被廣泛應(yīng)用于航天,、建筑、藝術(shù),、工業(yè)制造等多個(gè)領(lǐng)域,。1997年，美國(guó)學(xué)者PEGNA首次將3D打印思想應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域,，提出了一種水泥基增材制造的建造方法,。2012 年，英國(guó)拉夫堡大學(xué)首次開(kāi)發(fā)出一套商用的混凝土3D打印系統(tǒng),，并成功應(yīng)用于工程建造,。目前，3D打印混凝土技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外諸多工程案例中實(shí)踐應(yīng)用,。

作為智能化施工的重要發(fā)展方向,，3D打印混凝土技術(shù)與傳統(tǒng)的模板澆筑施工工藝相比，具有工期短,、精度高,、可建造異形結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。特別是在我國(guó)大力發(fā)展建筑工業(yè)化期間,，3D打印混凝土技術(shù)具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?D打印混凝土施工工藝主要分兩類(lèi)：干粉層鋪型和擠出層積型,。干粉層鋪型是依次層層“壓實(shí)粉末-噴黏合劑”形成構(gòu)件，再將其從松散的粉末層中挖出,；擠出層積型是通過(guò)自動(dòng)控制的噴頭擠出混凝土漿體,，層疊形成混凝土構(gòu)件。干粉層鋪型精度高,，強(qiáng)度大,，但因其可打印規(guī)模有限，在工程建造領(lǐng)域應(yīng)用較少,，更多應(yīng)用于制造建筑藝術(shù)作品,。擠出層積型可取代模板澆筑施工，大幅縮短工期,，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜外形構(gòu)件的快速自動(dòng)化施工,，在實(shí)際工程中已有較好的應(yīng)用，且應(yīng)用前景較好。因此,，本文主要討論擠出層積型3D打印混凝土技術(shù)的相關(guān)研究,。

混凝土3D打印技術(shù)目前還處在發(fā)展階段，存在較多的技術(shù)問(wèn)題,，其中打印材料更是制約著3D打印混凝土發(fā)展的決定性因素,。擠出型工藝的獨(dú)特性決定了其對(duì)漿體的特殊要求：在流變性能方面，需要較好的流動(dòng)性,，以避免堵塞或斷續(xù)現(xiàn)象的同時(shí),，應(yīng)具有較高的黏度和較短的凝結(jié)時(shí)間，以保證層間的黏結(jié)與成型,；在力學(xué)性能方面,，需要良好的后期力學(xué)性能，以達(dá)到一定的結(jié)構(gòu)要求,。

隨著3D打印混凝土的推廣應(yīng)用,，對(duì)其力學(xué)性能的要求也越來(lái)越高。因此,，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究3D打印混凝土配合比的同時(shí)也重點(diǎn)研究了3D打印混凝土的后期力學(xué)性能,。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外各種配合比和工藝下的擠出型3D打印混凝土的力學(xué)性能、破壞模式和機(jī)理,，以及增強(qiáng)措施進(jìn)行分析總結(jié),，以期為3D打印混凝土技術(shù)的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供參考。


1.3D打印混凝土的力學(xué)性能
區(qū)別于一體成型,，層疊工藝易在層間產(chǎn)生大量孔隙而形成薄弱界面,，導(dǎo)致力學(xué)強(qiáng)度降低且表現(xiàn)出各向異性。為方便描述,，本文對(duì)各試驗(yàn)的荷載方向采用統(tǒng)一坐標(biāo),，見(jiàn)圖1。

1.1   抗壓強(qiáng)度
混凝土的抗壓強(qiáng)度作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本參數(shù),，對(duì)3D打印混凝土的應(yīng)用至關(guān)重要,。既有研究表明，層疊工藝層間孔隙的增多可能引起各項(xiàng)異性,。

圖 2為各文獻(xiàn)的3D打印混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果和破壞模式,。由圖2可知，3D打印試件的抗壓強(qiáng)度具有基本一致的各向異性,，但各方向差異不大,。噴嘴的壓力提高了混凝土的密實(shí)度，使得x方向形成均勻,、密實(shí)的短柱承壓而提高了承載力,，而y,、z方向的抗壓強(qiáng)度受層間孔隙率影響較大。從MA等試驗(yàn)中的破壞模式亦可見(jiàn),，y和z方向的破壞模式與整澆試件類(lèi)似,，而x方向破壞時(shí)出現(xiàn)豎向裂縫,。表 1為各學(xué)者的試驗(yàn)方案,。由于材料配合比、養(yǎng)護(hù)方法和取樣方法等不盡相同,，方向性差異并不是絕對(duì)的,。如WOLFS采用水浴養(yǎng)護(hù)的素混凝土打印試件并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的各向異性；但三個(gè)方向上的強(qiáng)度均低于整澆試件,，這可能與基體組成有關(guān),。這種不一致的結(jié)論說(shuō)明了3D打印構(gòu)件的力學(xué)性能受諸多因素的影響，可調(diào)控范圍較廣,，如打印設(shè)備參數(shù),、配合比、打印路徑,、外加劑,、取樣方法等。良好的打印工藝可使材料在打印過(guò)程中受到較大的擠壓而比整澆試件密度大,。采用矩形噴頭比圓形噴頭的層間空隙更少,，強(qiáng)度提高；骨料的顆粒越細(xì),，抗壓強(qiáng)度越大,。此外，MA等用比表面積更大的細(xì)銅礦渣來(lái)代替40%的砂,，抗壓強(qiáng)度提高了20%以上,。NERELLA等用PC+FA+MSS作為膠凝材料，可以顯著提高抗壓強(qiáng)度,，且高效減水劑（SP）可提高層間的黏結(jié)強(qiáng)度,，從而提高抗壓強(qiáng)度。

總之,，3D打印混凝土的抗壓強(qiáng)度各向異性較小,，但層間孔隙率增加可能會(huì)降低抗壓強(qiáng)度。上述研究表明,，通過(guò)水浴養(yǎng)護(hù),、優(yōu)化配比設(shè)計(jì)和打印參數(shù)等措施可顯著提高抗壓強(qiáng)度。

1.2   抗拉強(qiáng)度
目前,，3D打印混凝土的抗拉強(qiáng)度測(cè)試方法主要有直接拉伸法,、劈裂拉伸法和十字交叉法,。層疊工藝決定了3D打印試件存在層間薄弱現(xiàn)象，這對(duì)抗拉性能產(chǎn)生了較大的影響,，受拉破壞往往發(fā)生在在黏結(jié)層,，且呈脆性破壞。

對(duì)于3D打印素混凝土而言,，三個(gè)方向上的抗拉強(qiáng)度相差不大,，且比整澆混凝土低10%左右。而對(duì)于纖維混凝土,，各向異性較為突出,。在MA等的劈裂拉伸試驗(yàn)中，玄武巖纖維3D打印混凝土試件x方向的抗拉強(qiáng)度比整澆試件高9.4%,，而y,、z方向分別比整澆試件低24.7% 和37.2%。此外,，一些學(xué)者將高延性水泥基復(fù)合材料（以下簡(jiǎn)稱(chēng)ECC）應(yīng)用于3D打印技術(shù),。ECC基體初裂后，通過(guò)纖維的橋接作用實(shí)現(xiàn)多縫開(kāi)裂進(jìn)而提高抗拉強(qiáng)度與延性,，且纖維能降低混凝土表面因水分蒸發(fā)產(chǎn)生的拉應(yīng)力,，使干縮裂紋減少。3D打印ECC比澆筑混凝土具有更好的抗拉性能,，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象,。由于纖維在噴嘴的作用下沿打印平行方向定向分布，提高了平行方向的抗拉強(qiáng)度,；而垂直方向的抗拉強(qiáng)度仍取決于層間黏結(jié)強(qiáng)度,。已有研究表明，纖維可能會(huì)引入更多的微觀裂縫而降低層間黏結(jié)強(qiáng)度,。因此,，3D打印纖維混凝土抗拉強(qiáng)度的各項(xiàng)異性更加顯著。

層間抗拉強(qiáng)度是3D打印混凝土力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一,，層間薄弱的根本原因是新舊打印層交界處孔隙率增加,，層間黏結(jié)強(qiáng)度不足，這在NERELLA等的微觀圖像分析中得到了印證,。此外,，較多的孔隙對(duì)混凝土的耐久性不利。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)層間黏結(jié)強(qiáng)度的影響因素做了大量試驗(yàn)研究,。首先,，打印間隔時(shí)間決定了新舊打印層間的黏結(jié)劑能否順利黏合，對(duì)層間黏結(jié)強(qiáng)度的影響較大,。研究表明,，層間黏結(jié)強(qiáng)度隨著打印間隔時(shí)間的增加而降低,；當(dāng)間隔時(shí)間超過(guò)終凝時(shí)間后，由于下層硬化后的黏結(jié)力有限且基本不變,，層間黏結(jié)強(qiáng)度變化趨于平緩,。此結(jié)論與眾多學(xué)者的結(jié)論基本一致。其次,，不同膠凝材料在水化反應(yīng)中形成的層間孔隙大小和數(shù)量不同,，從而影響層間黏結(jié)性能。例如加入顆粒較細(xì)的硅粉和粉煤灰的漿體形成的層間條形孔隙較少,，層間黏結(jié)效果較好,。此外,，層間黏結(jié)強(qiáng)度還與噴嘴高度和移動(dòng)速度以及水分蒸發(fā)情況等有關(guān),。試驗(yàn)表明，當(dāng)打印層暴露在干燥環(huán)境中時(shí),，層間黏結(jié)強(qiáng)度最大可降低50%左右,。

因此，必須從材料組成,、打印參數(shù),、養(yǎng)護(hù)措施等方面全方位調(diào)控以提高層間黏結(jié)強(qiáng)度，降低層間黏結(jié)薄弱界面的影響,。

1.3   抗折強(qiáng)度
層間薄弱使x方向在抗折試驗(yàn)中表現(xiàn)較差,，而在受薄弱界面影響不大的y、z方向上,，由于打印過(guò)程中混凝土受到較大的壓力而更加密實(shí),，抗折強(qiáng)度可能比整澆試件高。因此,，抗折強(qiáng)度具有比抗壓強(qiáng)度更明顯的各向異性,。

圖3為各文獻(xiàn)3D打印混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。由圖 3可知,，抗折強(qiáng)度普遍受加載方向變化的影響,，各方向的強(qiáng)度大小：y方向,、z方向>整澆>x方向,。對(duì)于素混凝土， x方向的抗折強(qiáng)度比z方向降低了14%,，且隨打印間隔時(shí)間的增加而不斷降低,。在PAUL等的試驗(yàn)中，z,、y方向的抗折強(qiáng)度分別比整澆試件高7%和14%左右,。對(duì)于纖維混凝土,，不同方向加載的抗折強(qiáng)度相差更大。MA等對(duì)玄武巖纖維混凝土進(jìn)行了“三點(diǎn)彎”試驗(yàn),，結(jié)果表明,，z方向的抗折強(qiáng)度比整澆試件提高了56.1%，但x方向的強(qiáng)度有所降低,。這與層間抗拉強(qiáng)度所述結(jié)論一致,。不同纖維對(duì)抗折強(qiáng)度的提高程度與纖維自身的抗拉強(qiáng)度和彈性模量的變化趨勢(shì)一致。

抗折強(qiáng)度仍然受層間黏結(jié)強(qiáng)度的影響,，影響層間黏結(jié)效果的因素均能間接影響抗折強(qiáng)度,。因此，研究增強(qiáng)層間黏結(jié)強(qiáng)度的方法對(duì)改善3D打印混凝土的力學(xué)性能尤為重要,。

1.4   抗剪強(qiáng)度
目前,，對(duì)3D打印混凝土材料的抗剪強(qiáng)度測(cè)試方法主要有十字交叉法、直接剪切試驗(yàn)和雙剪切試驗(yàn),。劉致遠(yuǎn)等用十字交叉法測(cè)試發(fā)現(xiàn),，3D打印素混凝土的層間抗剪強(qiáng)度與打印間隔時(shí)間密切相關(guān)，見(jiàn)圖 4,。當(dāng)打印間隔時(shí)間小于終凝時(shí)間時(shí),，層間抗剪強(qiáng)度隨打印間隔時(shí)間的增加而降低，隨著打印間隔時(shí)間的進(jìn)一步增加,，層間抗剪強(qiáng)度又不斷提高,。這可能是新舊交界面的機(jī)械咬合作用所致，隨著打印間隔時(shí)間增加,，咬合作用隨著水泥的硬化而不斷提高,。RAHUL等通過(guò)剪切試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，素混凝土的層間抗剪強(qiáng)度比整澆試件低24%左右,，層間孔隙率比整澆試件高12%左右,。加入纖維后，能有效提高垂直方向的抗剪強(qiáng)度達(dá)20%~63%,，但x方向的層間抗剪強(qiáng)度依然較低,。這是因?yàn)槎�維排布的纖維抑制了y、z方向的剪切變形,；而x方向的剪應(yīng)力平行于薄弱界面,，易產(chǎn)生裂縫而導(dǎo)致破壞。

目前,，對(duì)3D打印材料抗剪性能的研究還有所欠缺,，對(duì)各個(gè)方向的抗剪機(jī)理尚不清楚，但研究發(fā)現(xiàn),，新舊混凝土層間的抗剪強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度有一定相關(guān)性,，約為抗壓強(qiáng)度的0.1左右,。若能采取措施提高3D打印混凝土的層間黏結(jié)強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，其抗剪性能也能得到改善,。

2   增強(qiáng)措施
如前所述,，層間薄弱是制約3D打印混凝土發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。同時(shí),，工藝的獨(dú)特性使配筋更困難,。因此，探究改善力學(xué)性能的增強(qiáng)措施至關(guān)重要,。關(guān)于提高層間黏結(jié)強(qiáng)度,，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在材料和工藝方面做了大量研究，見(jiàn)圖5,。

MARCHMENT等提出了通過(guò)在打印層之間增加黏結(jié)層來(lái)提高有效接觸面積,，從而提高層間黏結(jié)強(qiáng)度的打印方法，見(jiàn)圖 5 （a）,，層間抗拉強(qiáng)度可提高59%,。ZAREIYAN等將互鎖結(jié)構(gòu)應(yīng)用到3D打印中,，通過(guò)層間咬合增大接觸面積,，可提高層間黏結(jié)強(qiáng)度17%左右，見(jiàn)圖 5 （b）,。LI等采用90 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù),，抗折強(qiáng)度可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和水養(yǎng)護(hù)的4倍左右。此外,，打印路徑?jīng)Q定了纖維的走向,，所以選擇適當(dāng)?shù)拇蛴÷窂讲粌H能降低孔隙率，還能改變纖維分布方向,，從而改善打印構(gòu)件的力學(xué)性能,。GOSSELIN等考慮工藝的諸多約束條件對(duì)打印路徑進(jìn)行了優(yōu)化，打印出了超高強(qiáng)混凝土（UHPC）構(gòu)件,，對(duì)取芯試件進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn),，測(cè)得的抗折強(qiáng)度可達(dá)14.3 MPa。關(guān)于配筋,，已有研究采用人工布筋的方法來(lái)提高3D打印混凝土的力學(xué)性能,，比如上海某公司通過(guò)兩個(gè)噴嘴在預(yù)先鋪設(shè)的鋼筋兩側(cè)進(jìn)行打印,，見(jiàn)圖 5（c），實(shí)現(xiàn)了豎向和水平向的配筋,，并成功打印出400 m2的兩層建筑,。但人工介入使3D打印喪失了自動(dòng)化的意義,。有學(xué)者將鋼索直接置入噴嘴，使其在擠料的同時(shí)擠出鋼索,，見(jiàn)圖 5（d）,，結(jié)果表明,，抗折強(qiáng)度可提高2~5倍以上,；但鋼索只能沿著打印方向單一布置,。MARCHMENT等提出在打印的同時(shí)嵌入鋼索網(wǎng)的增強(qiáng)方法，見(jiàn)圖 5 （e）,，抗折強(qiáng)度能提高170%~290%,。

綜上，從黏結(jié)強(qiáng)度,、布筋工藝和打印工藝等方面采取措施可大幅改善3D打印混凝土的力學(xué)性能,，但部分增強(qiáng)方法仍處在研究階段,，在應(yīng)用上仍存在較多工藝問(wèn)題亟待解決,。

3   總結(jié)與展望
混凝土3D打印技術(shù)作為一種新型智能化建造技術(shù),，具有廣闊的發(fā)展前景，同時(shí)也面臨著諸多挑戰(zhàn),。在力學(xué)性能方面，3D打印混凝土具有以下特性：

（1）層間孔隙率的增大形成了薄弱界面。這導(dǎo)致力學(xué)強(qiáng)度在沿打印方向上降低的程度大于其他方向,，從而表現(xiàn)出明顯的各向異性。對(duì)于纖維混凝土,，沿打印方向定向分布的纖維能提高該方向的抗拉強(qiáng)度,，但同時(shí)會(huì)引入更多的層間空隙而降低層間黏結(jié)強(qiáng)度。因此,，其各向異性更加顯著。

（2）改善3D打印混凝土力學(xué)性能的關(guān)鍵在于提高層間黏結(jié)強(qiáng)度,。調(diào)整材料組成、降低打印間隔時(shí)間,、控制水分蒸發(fā),、改善養(yǎng)護(hù)環(huán)境等均能改善打印質(zhì)量，改善后的力學(xué)強(qiáng)度可以達(dá)到甚至超過(guò)傳統(tǒng)澆筑試件,。

（3）無(wú)模板施工使得表面水分更易蒸發(fā)而形成更多干縮裂紋，這對(duì)后期的強(qiáng)度發(fā)展及耐久性不利,。應(yīng)采取水浴養(yǎng)護(hù)控制水分蒸發(fā),，減緩干縮現(xiàn)象,。

需要研究和解決的問(wèn)題：
　�,。�1）層間黏結(jié)強(qiáng)度決定著3D打印混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能,，提高層間黏結(jié)強(qiáng)度的工藝措施仍有待深入研究,。
　�,。�2）已有研究大多集中在水泥砂漿和纖維增強(qiáng)水泥基材料方面,，而粗骨料打印和配筋打印技術(shù)還不夠成熟。
　�,。�3）尚沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)3D打印混凝土力學(xué)試驗(yàn)方法的規(guī)范，各學(xué)者的試驗(yàn)大多遵循普通混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)方法進(jìn)行,。需要建立一定的標(biāo)準(zhǔn),，對(duì)3D打印混凝土的本構(gòu)模型進(jìn)行深入研究。

隨著研究的不斷深入,，3D打印混凝土的力學(xué)性能不斷得到改善，3D打印技術(shù)將在建筑工程領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用,。