擠出型3D打印混凝土力學性能研究進展

來源：《混凝土與水泥制品》雜志2021年第3期

起源于20世紀末的3D打印技術被譽為“第三次工業(yè)革命的重要標志”，已被廣泛應用于航天、建筑、藝術、工業(yè)制造等多個領域。1997年，美國學者PEGNA首次將3D打印思想應用于建筑工程領域，提出了一種水泥基增材制造的建造方法。2012 年，英國拉夫堡大學首次開發(fā)出一套商用的混凝土3D打印系統(tǒng)，并成功應用于工程建造。目前，3D打印混凝土技術已在國內外諸多工程案例中實踐應用。

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

混凝土3D打印技術目前還處在發(fā)展階段，存在較多的技術問題，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。擠出型工藝的獨特性決定了其對漿體的特殊要求：在流變性能方面，需要較好的流動性，以避免堵塞或斷續(xù)現(xiàn)象的同時，應具有較高的黏度和較短的凝結時間，以保證層間的黏結與成型；在力學性能方面，需要良好的后期力學性能，以達到一定的結構要求。

隨著3D打印混凝土的推廣應用，對其力學性能的要求也越來越高。因此，國內外學者在研究3D打印混凝土配合比的同時也重點研究了3D打印混凝土的后期力學性能。本文對國內外各種配合比和工藝下的擠出型3D打印混凝土的力學性能、破壞模式和機理，以及增強措施進行分析總結，以期為3D打印混凝土技術的進一步研究和應用提供參考。


1.3D打印混凝土的力學性能
區(qū)別于一體成型，層疊工藝易在層間產生大量孔隙而形成薄弱界面，導致力學強度降低且表現(xiàn)出各向異性。為方便描述，本文對各試驗的荷載方向采用統(tǒng)一坐標，見圖1。

1.1   抗壓強度
混凝土的抗壓強度作為結構設計的基本參數(shù)，對3D打印混凝土的應用至關重要。既有研究表明，層疊工藝層間孔隙的增多可能引起各項異性。

圖 2為各文獻的3D打印混凝土抗壓強度試驗結果和破壞模式。由圖2可知，3D打印試件的抗壓強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度，使得x方向形成均勻、密實的短柱承壓而提高了承載力，而y、z方向的抗壓強度受層間孔隙率影響較大。從MA等試驗中的破壞模式亦可見，y和z方向的破壞模式與整澆試件類似，而x方向破壞時出現(xiàn)豎向裂縫。表 1為各學者的試驗方案。由于材料配合比、養(yǎng)護方法和取樣方法等不盡相同，方向性差異并不是絕對的。如WOLFS采用水浴養(yǎng)護的素混凝土打印試件并沒有出現(xiàn)明顯的各向異性；但三個方向上的強度均低于整澆試件，這可能與基體組成有關。這種不一致的結論說明了3D打印構件的力學性能受諸多因素的影響，可調控范圍較廣，如打印設備參數(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，強度提高；骨料的顆粒越細，抗壓強度越大。此外，MA等用比表面積更大的細銅礦渣來代替40%的砂，抗壓強度提高了20%以上。NERELLA等用PC+FA+MSS作為膠凝材料，可以顯著提高抗壓強度，且高效減水劑（SP）可提高層間的黏結強度，從而提高抗壓強度。

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

1.2   抗拉強度
目前，3D打印混凝土的抗拉強度測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，這對抗拉性能產生了較大的影響，受拉破壞往往發(fā)生在在黏結層，且呈脆性破壞。

對于3D打印素混凝土而言，三個方向上的抗拉強度相差不大，且比整澆混凝土低10%左右。而對于纖維混凝土，各向異性較為突出。在MA等的劈裂拉伸試驗中，玄武巖纖維3D打印混凝土試件x方向的抗拉強度比整澆試件高9.4%，而y、z方向分別比整澆試件低24.7% 和37.2%。此外，一些學者將高延性水泥基復合材料（以下簡稱ECC）應用于3D打印技術。ECC基體初裂后，通過纖維的橋接作用實現(xiàn)多縫開裂進而提高抗拉強度與延性，且纖維能降低混凝土表面因水分蒸發(fā)產生的拉應力，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度；而垂直方向的抗拉強度仍取決于層間黏結強度。已有研究表明，纖維可能會引入更多的微觀裂縫而降低層間黏結強度。因此，3D打印纖維混凝土抗拉強度的各項異性更加顯著。

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

因此，必須從材料組成、打印參數(shù)、養(yǎng)護措施等方面全方位調控以提高層間黏結強度，降低層間黏結薄弱界面的影響。

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

圖3為各文獻3D打印混凝土抗折強度試驗結果。由圖 3可知，抗折強度普遍受加載方向變化的影響，各方向的強度大�。簓方向、z方向>整澆>x方向。對于素混凝土， x方向的抗折強度比z方向降低了14%，且隨打印間隔時間的增加而不斷降低。在PAUL等的試驗中，z、y方向的抗折強度分別比整澆試件高7%和14%左右。對于纖維混凝土，不同方向加載的抗折強度相差更大。MA等對玄武巖纖維混凝土進行了“三點彎”試驗，結果表明，z方向的抗折強度比整澆試件提高了56.1%，但x方向的強度有所降低。這與層間抗拉強度所述結論一致。不同纖維對抗折強度的提高程度與纖維自身的抗拉強度和彈性模量的變化趨勢一致。

抗折強度仍然受層間黏結強度的影響，影響層間黏結效果的因素均能間接影響抗折強度。因此，研究增強層間黏結強度的方法對改善3D打印混凝土的力學性能尤為重要。

1.4   抗剪強度
目前，對3D打印混凝土材料的抗剪強度測試方法主要有十字交叉法、直接剪切試驗和雙剪切試驗。劉致遠等用十字交叉法測試發(fā)現(xiàn)，3D打印素混凝土的層間抗剪強度與打印間隔時間密切相關，見圖 4。當打印間隔時間小于終凝時間時，層間抗剪強度隨打印間隔時間的增加而降低，隨著打印間隔時間的進一步增加，層間抗剪強度又不斷提高。這可能是新舊交界面的機械咬合作用所致，隨著打印間隔時間增加，咬合作用隨著水泥的硬化而不斷提高。RAHUL等通過剪切試驗發(fā)現(xiàn)，素混凝土的層間抗剪強度比整澆試件低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度達20%~63%，但x方向的層間抗剪強度依然較低。這是因為二維排布的纖維抑制了y、z方向的剪切變形；而x方向的剪應力平行于薄弱界面，易產生裂縫而導致破壞。

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

2   增強措施
如前所述，層間薄弱是制約3D打印混凝土發(fā)展的關鍵問題。同時，工藝的獨特性使配筋更困難。因此，探究改善力學性能的增強措施至關重要。關于提高層間黏結強度，國內外學者在材料和工藝方面做了大量研究，見圖5。

MARCHMENT等提出了通過在打印層之間增加黏結層來提高有效接觸面積，從而提高層間黏結強度的打印方法，見圖 5 （a），層間抗拉強度可提高59%。ZAREIYAN等將互鎖結構應用到3D打印中，通過層間咬合增大接觸面積，可提高層間黏結強度17%左右，見圖 5 （b）。LI等采用90 ℃蒸汽養(yǎng)護，抗折強度可達到標準養(yǎng)護和水養(yǎng)護的4倍左右。此外，打印路徑決定了纖維的走向，所以選擇適當?shù)拇蛴÷窂讲粌H能降低孔隙率，還能改變纖維分布方向，從而改善打印構件的力學性能。GOSSELIN等考慮工藝的諸多約束條件對打印路徑進行了優(yōu)化，打印出了超高強混凝土（UHPC）構件，對取芯試件進行四點彎曲試驗，測得的抗折強度可達14.3 MPa。關于配筋，已有研究采用人工布筋的方法來提高3D打印混凝土的力學性能，比如上海某公司通過兩個噴嘴在預先鋪設的鋼筋兩側進行打印，見圖 5（c），實現(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打印喪失了自動化的意義。有學者將鋼索直接置入噴嘴，使其在擠料的同時擠出鋼索，見圖 5（d），結果表明，抗折強度可提高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嵌入鋼索網(wǎng)的增強方法，見圖 5 （e），抗折強度能提高170%~290%。

綜上，從黏結強度、布筋工藝和打印工藝等方面采取措施可大幅改善3D打印混凝土的力學性能，但部分增強方法仍處在研究階段，在應用上仍存在較多工藝問題亟待解決。

3   總結與展望
混凝土3D打印技術作為一種新型智能化建造技術，具有廣闊的發(fā)展前景，同時也面臨著諸多挑戰(zhàn)。在力學性能方面，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。這導致力學強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度，但同時會引入更多的層間空隙而降低層間黏結強度。因此，其各向異性更加顯著。

（2）改善3D打印混凝土力學性能的關鍵在于提高層間黏結強度。調整材料組成、降低打印間隔時間、控制水分蒸發(fā)、改善養(yǎng)護環(huán)境等均能改善打印質量，改善后的力學強度可以達到甚至超過傳統(tǒng)澆筑試件。

（3）無模板施工使得表面水分更易蒸發(fā)而形成更多干縮裂紋，這對后期的強度發(fā)展及耐久性不利。應采取水浴養(yǎng)護控制水分蒸發(fā)，減緩干縮現(xiàn)象。

需要研究和解決的問題：
　�。�1）層間黏結強度決定著3D打印混凝土的各項力學性能，提高層間黏結強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水泥基材料方面，而粗骨料打印和配筋打印技術還不夠成熟。
　　（3）尚沒有專門針對3D打印混凝土力學試驗方法的規(guī)范，各學者的試驗大多遵循普通混凝土力學性能的試驗方法進行。需要建立一定的標準，對3D打印混凝土的本構模型進行深入研究。

隨著研究的不斷深入，3D打印混凝土的力學性能不斷得到改善，3D打印技術將在建筑工程領域得到更廣泛的應用。