水泥基3D打印材料的組成及力學特性

鄭捷

（上海市退（離）休高級專家協會土木建筑專業委，上海 200041）

0 前言

去年年底筆者有幸跟隨上海市退（離）休高級專家協會土木建筑專業委一行前往上海建工集團機械施工公司南翔基地參觀 3D 打印智能建造中心，實地感受了 3D 打印的過程和各種打印模型。該智能建造中心用時 35 天成功打印出一座長 15.25m、寬 3.8m、高 1.2m的 S 形曲面橋，不久將被安裝在上海桃浦智創城中央公園內。建造團隊經過多次對比和試驗，最終選定了在ASA（一種工程塑料）中加入一定比例的玻璃纖維以及抗老化材料，使這座橋具備高耐候性、高抗沖擊性等特點，能承受長期的日曬雨淋，基本滿足耐久性的要求。

近年來 3D 打印作為一門新興技術在國際、國內都備受矚目，并被廣泛地應用到更多的行業中。因此開展 3D 打印材料的研究進而在建筑施工領域推廣應用不僅僅是建筑施工與當下高新技術的結合，而且是建筑企業改變傳統施工作業自主創新的絕好機遇。當前，在全國實施國務院印發的“中國制造 2025”進程中，3D 打印技術的發展與應用將扮演著不可或缺的重要角色，從這個意義上講，開展對 3D 打印材料的研制是很有必要的。

1 水泥基 3D 打印材料的組成

雖然目前 3D 打印材料主要包含各種工程塑料、石膏、樹脂、金屬系等材料，但上述材料在打印過程中易受工藝條件限制或成型后的力學性能還達不到相應要求。作為從事水泥混凝土技術的工程技術人員更愿意看到依據 3D 打印的工藝特點和規律研制出以水泥混凝土為主的 3D 打印材料，推動 3D 打印從模型走向實物，從試驗室走向施工現場真正實現建筑業的智能化。

1.1 3D 打印的工藝特點

一般 3D 打印的主要裝置有龍門機架、料倉、輸送泵、噴嘴、PC 機和工作平臺。工藝流程大致是：料倉中事先攪拌好的打印材料通過管道泵送至噴嘴，在計算機控制下根據對物體的計算機輔助設計（CAD）模型或者計算機斷層掃描的數據，打印噴嘴在工作平臺上依次循環打印物件。整個打印過程是通過材料的 3D 堆積逐層打印成形，因此其工藝特點是分層打印、逐層疊加。

1.2 3D 打印材料應具有的特性

既然 3D 打印具有分層打印、逐層疊加的工藝特點，因此打印材料的設計必須考慮以下特性：

（1）良好的泵送性能和流動度

打印材料是通過管道進入噴嘴的，材料本身應保持一定的流動度以確保輸送管道和噴嘴的暢通。過小的流動度容易造成管道或噴嘴的堵塞影響打印速度，而過大的流動度使擠壓出來的材料極易變形。因此良好的泵送性和適宜的流動度是取得兩者平衡的關鍵。

（2）整體結構的一致性

根據分層打印、逐層疊加的工藝特點，層與層之間必須相互融合并且有良好的粘結性，同時每一層必須自密實，不得有空隙，以確保打印對象符合設計所要求的外觀形狀尺寸和力學性能，達到打印物體整體結構的一致性。

（3）精準的凝結時間

上層材料與下層材料的融合粘結應該在下層材料尚未完全失去塑性之前，因此循環打印一次所需時間必須小于原先這層材料的初凝時間，同時層與層之間的打印時間間隔不宜過長防止層與層之間的粘結強度有所降低。

（4）即時的自立定形能力

打印材料在保持一定的流動度的同時，噴嘴中擠壓出來的材料與下層材料融合時其本身不因材料的自重而出現變形，即短時應具有的自立定形能力。

1.3 水泥基 3D 打印材料的組成

1.3.1 打印材料的一般組成

3D 打印材料既要適應 3D 打印的工藝特點又要達到 3D 打印材料應具有的材料特性，從以往 3D 打印項目材料組成分析（以擠出方式打印為例），基本材料都可采用普通硅酸鹽水泥并可摻用粉煤灰、硅粉，有的摻用短纖維。由于打印的噴嘴直徑很小一般在 9～20mm之間，個別達 38mm，因此不使用粗骨料而是采用最大粒徑為 2.5mm 的砂。為了取得滿意的擠出效果，保持一定的流動度是必要的，但過大的流動度又有可能導致擠出材料發生變形甚至坍塌，因此如何平衡兩者的關系是打印成功的關鍵。為了精準控制初終凝時間，高性能外加劑或速凝劑的使用是不可或缺的。

1.3.2 合成短纖維的特殊作用

在打印材料中添加短纖維除了起到防裂、防爆、增強、增韌的作用外，短纖維的摻加還有其特殊的作用。

其一，打印工藝所造成的層與層之間的結合縫往往是應力集中的地方容易導致物體產生疲勞裂紋，而纖維的架橋作用能阻止裂紋進一步擴大，通過耗散吸收外界的破壞能量從而在水泥基脆性材料的性能上增加塑性材料的特征。

其二，纖維的架橋作用還可以提高層與層之間的粘結強度。合成纖維與水泥基體之間是不會產生化學作用的，所謂的粘結強度是指纖維表面在水泥基體包裹下，當基體硬化后即形成了界面的粘結強度。在逐層打印的過程中通過上下層材料彼此交叉滲透，特別是有壓花的纖維，由于纖維表面增加了粗糙度還可進一步提高層與層之間的粘結強度。

其三，與新拌纖維混凝土類似隨著纖維摻量的增加，流動度隨之降低，從打印工藝來看材料從管道到噴嘴擠壓出料要保持一定的流動度，但擠壓出來的瞬間流動度應該適當減小以確保物體形狀不變形，此時纖維的添加起到增大摩擦阻尼的作用有利于打印材料的自立定形。

2 水泥基 3D 打印材料的力學特性

2.1 3D 打印材料的強度等級

由于目前對 3D 打印材料的力學性能試驗還未制定統一的標準規程，并且 3D 打印在建筑施工方面的研究及應用尚處于初級階段，為此筆者根據國內外研究的事例以及水泥基 3D 打印的材料組成建議其強度等級可按混凝土立方體抗壓強度標準值確定，合格評定應符合現行國家標準 GB/T 50107—2010《混凝土強度檢驗評定標準》的規定。試件的養護和試驗可按現行國家標準 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》規定執行。與纖維混凝土強度發展規律類似，在3D 打印材料中添加短纖維時隨著纖維摻量的增加早期強度與未摻纖維的抗壓強度相當，但 28d 的抗壓強度略有降低。但只要滿足設計要求，強度的損失與纖維所起的作用相比還是容易取舍的。

2.2 3D 打印材料的抗彎強度與彎曲韌性指數

由于 3D 打印的特性是逐層打印、層層相疊，層與層之間的黏附及打印物體的整體彎曲強度顯得格外重要，何況層與層的疊合極易產生應力集中使打印物體產生疲勞裂紋。法國的試驗人員對 3D 打印物體進行了抗彎強度測試，設計的 3D 打印材料的水膠比為26%，其中水泥占 70%，粉煤灰 20%，硅粉 10%，細骨料采用最大粒徑為 2mm 的砂，聚羧酸系高性能外加劑和緩凝劑各占 1.0% 和 0.5%。所打印的 (500×350×120)mm3物體養護 28d 后，對物體不同方向切割而形成的 (100×100×400)mm3試件根據 BSEN 12390-5：2009標準施加荷載進行抗彎試驗見示意圖 1、圖 2[1]。

圖1 抗彎試驗示意圖 1

圖2 抗彎試驗示意圖 2

圖1、圖 2 左邊圖形中的實線表示計算機控制下打印噴嘴運動的軌跡，虛線分別表示打印物體 (500×350×120)mm3平面圖形上的切割部位。圖 1 的切割方向與打印軌跡平行，圖 2 的切割方向與打印軌跡垂直。圖 1 中 P1、P2 表示切割形成的 (100×100×400)mm3長方體試件正視圖上的荷載方向，圖 2 中 P3 是切割形成的(100×100×400)mm3長方體試件正視圖上的荷載方向。試驗結果[1]顯示不同加荷方向所獲得的平均抗彎強度大小依次為 WP1＞WP2＞WP3，其中 P3 方向的抗彎強度平均值僅為 7MPa，強度變動系數較大，說明打印物體的抗彎強度呈現各相異性的特征。日本村田哲等人也進行了類似試驗，試件尺寸和荷載方向與圖 1 相同，采用的試驗標準是 JSCE-G552：2013，除了測試抗彎強度外同時測試了彎曲韌性指數，使用的材料是以普通硅酸鹽水泥為主要成分的粉體材料 B、最大粒徑為 2.5mm的砂 S、緩凝劑 R 及纖維長度為 12mm 的短纖維 F，打印材料配合比見表 1[2]，試驗結果見表 2[2]。

根據表 2 的試驗結果剔除試驗編號 F0.3 的抗彎強度較大的 6.5 外，基本在 4.7～5.2 范圍內，短纖維摻量為 0.1% 時的彎曲韌性指數都較小，隨著纖維添加量的增加，抗彎強度和彎曲韌性指數均得到了提高。同時從不同的荷載方向分析 P1 的彎曲韌性指數要大于 P2 方向，呈現各相異性的特征，上述兩者的研究表明雖然依據的試驗標準不同，但是都說明 3D 打印物體的各個受力面在抗彎強度及彎曲韌性指數上存在差異具有各相異性的特征。作為增韌材料，短纖維的摻入對水泥基 3D打印材料起到的作用是提高抗彎強度及彎曲韌性指數，但纖維材料的摻加并不能改變各向異性的特性，究其原因可能與試件的切割方向有關。當切割方向與打印軌跡平行時，所切割的試件可以看作是由水平逐層疊加形成的，或者是由逐層橫向粘合而形成的，而當切割方向與打印軌跡垂直時，切割成的試件可以看作是逐層豎向粘合形成的，顯然豎向粘合的層數要大于橫向粘合的層數。由材料力學可知層與層的疊合處容易產生應力集中，即便在切割方向與打印方向平行，試件在 P1、P2不同方向上施加荷載時，彎曲韌性指數也存在差異，只是這種差異比之 P3 方向要小。3D 打印物體在力學性能上存在的各向異性的特點，為今后研究如何加固、補強從而改進打印工藝提供了依據。

表1 3D 打印材料配合比

表2 抗彎強度及彎曲韌性指數

2.3 3D 打印材料的粘結強度

在粘結強度方面因為 3D 打印的物體是逐層打印疊加而成，層與層之間的粘合程度如何是人們所關心的問題。法國的試驗人員采用與 2.2 中所述相同的水膠比及相應材料，首先打印第一層隨后擱置一段時間打印第二層并切割為 ?58mm 的圓柱體試件，標準養護 28d 后根據 BSEN14488-4：2005+AI：2008 標準，采用單軸拉伸試驗方法。結果顯示[1]，第一層打印結束至第二層打印開始的間隔時間越長則粘結強度越小。若打印間隔為 15分鐘時粘結強度為 2.3MPa，則打印間隔為 30 分鐘～7天的情況下粘結強度降低了 55%～77%，因此期望達到應有的粘結強度并保持打印物體整體強度的一致性，控制好打印間隔時間是至關重要的。

3 結語

3D 打印物體是打印設備在計算機控制下一層一層打印出來的，經逐層粘結、融合、堆積而成。針對以上打印特點以普通硅酸鹽水泥為主的 3D 打印材料其材料組成及硬化后力學性能上的特點值得我們在今后的研制中加以重視。

（1）以普通硅酸鹽水泥為主的 3D 打印材料其拌合物既有與一般泵送混凝土相似的技術要求即保持符合施工要求的坍落度或擴展度，但又與泵送混凝土不同，除了泵送性能外還必須確保每一層打印后的材料因自重產生的變形控制在最小范圍內，同時層與層之間必須密實不應有空隙，以保持整體結構的一致性。

（2）合成短纖維在 3D 打印材料中所起到的改善脆性材料性能、提高層間粘結強度、增大摩擦阻尼等特殊作用方面有助于提高打印材料的彎曲強度和自立定形。

（3）硬化后的 3D 打印物體各受力面具有各向異性的特點且層間粘結強度隨打印間隔的延長而降低，因此在材料設計上如何改善各受力面抗彎強度的差異性，保持打印物體整體結構的一致性是 3D 打印技術值得進一步研究的內容之一。

在建筑施工領域引入 3D 打印技術提高智能建造水平離不開 3D 打印材料的研究。雖然目前用于 3D 打印的各種材料日趨完善，但在水泥基 3D 打印材料研究應用方面還存在不小差距，首先在打印材料的基礎性研究上，如材料的成分設計、力學性能、試驗方法、技術標準等方面還不夠深入有的還未開展。其次打印工藝上如何配置鋼筋并與預應力張拉技術相結合從而在構件生產上實現智能化以及由 3D 打印工藝所形成的層與層之間的凹凸形狀在美觀上存在的問題同樣是值得研究的課題。相信在大家的共同努力下以普通水泥為基本材料的3D 打印勢必向著工廠化、產業化的方向發展，并在工程應用中取得新的突破。