擠出型3D打印混凝土力學(xué)性能研究進(jìn)展

來源：《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：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，y和z方向的破壞模式與整澆試件類似，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ECC）應(yīng)用于3D打印技術(shù)。ECC基體初裂后，通過纖維的橋接作用實(shí)現(xiàn)多縫開裂進(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�。簓方向、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，見圖5。

MARCHMENT等提出了通過在打印層之間增加黏結(jié)層來提高有效接觸面積，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提高3D打印混凝土的力學(xué)性能，比如上海某公司通過兩個(gè)噴嘴在預(yù)先鋪設(shè)的鋼筋兩側(cè)進(jìn)行打印，見圖 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(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）尚沒有專門針對(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。