3D打印混凝土層間弱面的形成機制與改善方法

田澤皓，王 里,2，張心穎，周鑫華，胡元元

(1.河北工業大學土木與交通學院,天津 300401;2.天津市裝配式建筑與智能建造重點實驗室,天津 300401; 3.堯柏特種水泥技術研發有限公司,西安 710100)

0 引 言

近年來，混凝土3D打印被成功應用到實際土木工程中，受到廣泛關注并表現出巨大的發展潛力。相比傳統模板澆筑的混凝土施工方法，混凝土3D打印具有靈活化、自動化、無模化的智能建造特點，大大降低了施工過程中的能耗與污染，提高了建造效率。發展以混凝土3D打印為核心的智能建造關鍵技術對建筑業的綠色化、工業化發展均具有重要意義[1-5]。

然而，打印過程中逐層疊加的成型方式，難以避免地造成層間界面的薄弱粘結，且在材料沉積過程中沒有外力振搗，層間弱面變得更加明顯。層間弱面在一定程度上成為打印結構潛在的缺陷，導致結構產生不協調的變形、不連續的力學性能，易因應力集中而發生破裂，進而削弱了結構的整體承載能力和長期耐久性能。3D打印結構層間薄弱粘結而導致的滲水現象如圖1所示[6]。另外，層間弱面導致了打印材料的細觀非均質性，使打印結構表現出顯著的力學各向異性[7-8]。層間弱面的存在，制約了3D打印混凝土的發展和工程應用的推廣。

圖1 3D打印結構層間弱面導致的滲水[6]Fig.1 Water seepage caused by weak interlayer surfaces between 3D printing layers[6]

鑒于此，本文綜述和歸納國內外混凝土3D打印在層間弱面相關方面的研究進展和成果，分析層間弱面形成的物理、化學機制，探明層間粘結強度的影響因素，并提出合理的優化和改善措施。

1 層間弱面的微細觀探測

為印證分層擠壓所致弱結合界面的存在，本課題組借助CT掃描發現弱結合界面特征是沿擠壓帶邊界不連續分布微小空隙，如圖2所示。隨著層間間隔時間的增加，弱結合界面愈發明顯。材料受力的過程中，微裂縫將會向弱面處擴展匯聚[9]。Moini等[10]同樣借助CT表征3D打印試樣的微細結構，觀測到打印過程在層間界面處引入的大孔、微細孔的孔道、打印條的路徑自重排現象以及部分未水化的水泥顆粒四種缺陷。與混凝土材料內部的孔隙不同，打印材料內部空隙網絡的形成與材料的配制和成型工藝的參數設置相關，是打印材料的固有特征。

圖2 3D打印混凝土立方體試塊的三維CT掃描圖像[9]Fig.2 3D CT scanning image of 3D printing concrete cube[9]

2 層間弱面的形成機制

2.1 工藝因素-擠出過程造成的弱面

擠出型混凝土3D打印過程中，新拌水泥基材料在泵送管道和擠出裝置內流動，剪切應變(τ)在橫截面中心處最小，在管道外壁最大，膠凝材料則傾向于向中心集中，使外側區域水分含量相對較高，形成潤滑層/水膜，如圖3(a)所示。在材料擠出成型后，水膜的存在造成了材料的不連續，削弱了打印材料相鄰層間的粘結性能，進而促進了層間弱面的形成。

此外，混凝土3D打印的一個難點在于打印運行速度與材料擠出速度的協調。混凝土材料早期的流變性能是隨時間變化的，這就增加了打印工藝與材料性能協調控制的難度。若設定恒定的打印工藝，因材料在隨時間而變化，3D打印的材料成型則受到影響。如圖3(b)所示，在打印結構的水平方向，因材料的水化程度加深，剛度增大，打印條寬度則略有減小，導致相鄰材料之間形成明顯的縫隙/通縫。對于上下層之間的空隙，尚可憑材料的自重得到緩解，然而諸如此類的水平方向的通縫，則較難以優化和削弱。因此，更加智能化的、面向材料性能實時調節的打印工藝是一個有效的探索方向。

圖3 工藝因素所致弱面Fig.3 Weak interfaces caused by processing factors

2.2 幾何因素-擠出噴頭造成的弱面

目前3D打印噴頭的類型和尺寸多種多樣，較為普遍采用的是圓形的噴口，這可能是由于利于擠出、無死角等原因。然而，通過圓形打印頭而擠出的材料，易在相鄰打印條間形成空隙，如圖4(a)所示。若單層打印路徑過長，考慮打印材料的凝結固化時間，打印噴頭幾何因素所致的空隙會愈發明顯。因此，為降低打印工藝形成的空隙，多數采用的打印方式是減小打印層厚，通過對材料物理擠壓的方式來補償層間空隙，圖4(b)為打印的實例。

圖4 幾何因素所致弱面Fig.4 Weak interfaces caused by geometric factors

2.3 物理因素-建造過程造成的弱面

混凝土3D打印采用垂直堆疊的無模成型方式，為確保打印結構的穩定性，無振搗密實的過程，則打印層間的氣泡、空隙等不易消除，以致相鄰打印層間的結合力較弱。Nerella等[6]用掃描電鏡捕獲了養護28 d打印試塊的層間界面微觀結構，發現層間界面大部分都因打印層在沉積過程中空氣的摻入，表現為弱粘結(圖5(a))，僅有小部分表現為緊密結合狀態(圖5(b))。建議改善工藝參數，如采用機械/超聲手段的微振動和適當的養護制度等，以緩解弱粘結現象。

圖5 打印試塊層間界面掃描電鏡照片[6]Fig.5 SEM images of the interlayer interface of the test block[6]

2.4 材料因素-凝結時間造成的弱面

因打印過程中設置的噴頭運行速度以及各打印層路徑總長度不同，以致上下相鄰打印層間的間隔時間不同。打印材料具有一定的流動性，縱向堆疊的材料可以相容，界面不明顯。然而，層間的間隔時間越長，超早齡期水泥等膠凝材料的持續水化以及剛度逐漸變大，打印材料表面的化學活性逐漸降低，相鄰兩層材料間的界面越來越明顯，使層間結合性能降低。上下打印層材料凝結固化程度存在差異。初始層材料剛度隨時間增加呈對數增長。若打印時間較長，當后續層沉積在初始層頂層時，由沉積引起的能量不足以使初始層材料產生相應的變形，則層間界面處出現空隙。圖6為不同間隔時間下，層間界面處空隙。

圖6 層間間隔時間所致弱面[11]Fig.6 Weak surface induced by time intervals[11]

3 層間弱面的粘結性能測試

根據上文分析可得，層間間隔時間對層間粘結強度的影響較為顯著。圖7總結歸納了不同間隔時間下層間粘結強度的測試結果[6-7,11-15]。總體上，層間拉伸強度隨間隔時間延長而降低(圖7(a))。間隔時間較短時，間隔時間延長對層間拉伸強度削弱顯著。間隔時間較長，甚至超過材料初凝時間時，間隔時間延長對層間拉伸強度削弱不明顯。Putten等[12]從孔隙結構角度解釋了間隔時間對層間界面粘結性能的影響。間隔時間較短時，干燥初始層材料會從后續層材料中吸收水分以進行水化反應，使層間界面產生孔隙，削弱了層間拉伸強度。間隔時間較長，甚至超過材料初凝時間時，初始層材料初步固化使吸水現象不明顯。通常打印層表面水分含量隨著間隔時間增加而降低，這也解釋了層間拉伸強度隨間隔時間增加而降低的原因。但Sanjayan等[7]所用打印材料保水性較好，以致間隔時間延長，后續層所加壓力仍使初始層材料內部水分上浮，給打印材料表面帶來額外水分，進而使層間拉伸強度有所恢復，說明打印材料表面需要適量水分來保證層間拉伸性能。然而，如圖7(b)所示，層間剪切強度隨間隔時間延長而增加。原因是間隔時間延長使材料剛度增加，材料表面干燥導致層間界面粗糙度與機械嚙合力增加，進而使層間剪切強度增加[13]。

圖7 間隔時間對層間弱面的影響[6-7,11-15]Fig.7 Effect of delay time on weak planes between layers[6-7,11-15]

為了改善打印材料的拉伸強度和韌性，常加入適量纖維以提高打印材料的韌性以及抗收縮開裂的能力。然而，劉致遠等[13]的試驗數據表明，摻入0.3%～0.9%的玻璃纖維后，打印材料層間拉伸強度降低約44.4%～55.6%。Nematollahi等[16]發現由于短纖維的摻入導致打印試件的層間拉伸強度降低15%～23%。纖維在水泥基復合材料擠出的過程中易定向于打印方向，層間界面會限制纖維的分布，降低連續性，基本消除了層間橋接作用，從而不利于層間界面結合。同時，纖維的摻入在一定程度上增加了打印材料的稠度，被擠出后流動變形能力變差，層間孔隙率增加，不利于層間接觸。

4 層間弱面的改善方法

4.1 優化原材料與配合比

在打印材料中加入適量改性劑，可改善水泥基材料的流變和水化，不僅使打印材料更適用于打印系統，且使打印材料的強度和粘結得到提高。Sakka等[14]在水泥基材料中加入7.5%苯乙烯-丁二烯橡膠(SBR)聚合物，利用聚合物膜使水泥水化產物更好結合，有效降低了間隔時間對打印試件層間拉伸強度的不利影響。間隔時間延長至15 min時，打印試件層間直接拉伸強度僅下降3.5%。Li等[9]在水泥基材料中加入1.5%粘度改性劑(VMA)，有效消除了層間分層對斷裂路徑的影響，使打印試件彎曲強度和斷裂能分別提高25%和55%。Zareiyan等[17]優化可打印水泥基材料的配比，打印試件層間直接拉伸強度達到5.0 MPa。Bong等[18]優化可打印地聚物材料的配比，打印試件28 d層間直接拉伸強度2.7 MPa，是7 d層間直接拉伸強度的3倍。

4.2 優化打印工藝

Zareiyan等[19]通過降低打印條高度以提高層間劈拉強度，發現25.4 mm層厚試樣28 d層間劈拉強度比層厚為50.8 mm時提高了11.4%。但值得注意的是，25.4 mm層厚試樣表現出較高的劈拉裂紋擴展速率。Panda等[15]調整噴頭的運行速度和打印高度(噴頭與打印試樣頂面間距離)等參數，以提高層間拉伸強度。實驗結果表明,70 mm/s噴頭運行速度所制試樣層間直接拉伸強度比110 mm/s噴頭運行速度所制試樣高10.5%，0 mm噴頭高度所制試樣層間直接拉伸強度比4 mm噴頭高度所制試樣高53.3%。

Wolfs等[20]優化打印工藝參數(層間間隔時間、表面脫水)以提高層間拉伸強度。實驗結果表明，降低層間間隔時間可提高層間拉伸強度。間隔時間15 s試件層間拉伸強度和劈拉強度比間隔時間24 h試件分別高19%和27%。此外，對試件進行適當覆蓋可提高層間拉伸強度。間隔時間4 h覆蓋試件層間拉伸強度比間隔時間4 h和24 h的裸露試件分別高102%和36%。層間間隔時間越短，表面覆蓋對層間拉伸強度提高越多。可見因綜合考慮打印工藝參數有助于提高層間粘結強度。

4.3 提高界面粗糙度

Beushausen等[21]為提高新老混凝土界面的結合力，在界面處制作了不同程度的缺口。試驗結果表明，缺口界面處的層間抗剪切強度比光滑表面提高220%。Zareiyan等[22]提出在打印試件層間配置卡接自鎖結構，以改善層間界面的結合力。試驗結果表明，自鎖深度為凹槽寬度一半，打印試件層間劈拉強度增強效果最優。

4.4 研制界面增強材料

在某種情況下，機器、軟件控制或者人為操作難免出現故障，導致打印過程中止，造成打印結構的力學非連續。通常中斷時間比間隔時間長很多，故層間弱面給結構機械性能、耐久性能帶來的負面影響無法忽略。對于此種情況，在打印層間涂刷、噴涂高效粘結劑、界面增強劑等以降低弱面影響，如圖8(a)所示的界面劑增強示意圖,圖8(b)為在初始層頂部涂刷界面增強材料[23]。

圖8 研制界面增強材料[23]Fig.8 Development of interface enhancement materials[23]

然而，目前針對涂刷粘結劑改善打印試件層間粘結性能的研究不多，可借鑒涂刷粘結劑改善新舊混凝土層間粘結性能的研究。粘結劑多選用水泥砂漿類、環氧樹脂類與聚合物類[24-25]。環氧樹脂類：Issa等[26]使用環氧樹脂在重力填充法下修復混凝土裂縫，由于裂縫的存在，立方體抗壓強度下降40.9%，修復后僅下降8.2%。Ahmad等[27]在彎剪裂紋中注入環氧樹脂以對鋼筋混凝土開裂構件進行加固，使承載力提高49%。聚合物類：Hosseini等[28]將砂骨料與碳硫聚合物按3∶2混合制得碳硫聚合物改性水泥砂漿以增強水泥砂漿層間拉伸性能，使碳硫聚合物粘結試件層間抗拉強度比無粘結劑粘結試件提高100%。借助分子動力學模擬碳硫聚合物在水化硅酸鈣層間的粘結行為，發現水化硅酸鈣表現為范德華力，而來自水化硅酸鈣的鈣離子與碳硫聚合物間表現為靜電力，從而揭示了碳硫聚合物能增強水泥砂漿層間拉伸性能的原因。Yang等[29]將水泥與丁苯乳液按3∶2混合制得丁苯乳液改性水泥凈漿以增強混凝土層間拉伸性能，使丁苯乳液粘結試件7 d和28 d層間拉伸強度比無粘結劑試件分別提高了144%和96%。Porto等[30]使用聚合物改性水泥砂漿對鋼筋混凝土柱面層進行修補，使修復后的柱軸向剛度僅損失13%。Pellegrino等[31]使用聚合物改性水泥砂漿對梁的張拉區進行修補，使引起第一條裂縫的荷載值提高30%。

5 結 論

作為智能建造的關鍵技術，混凝土3D打印具有廣闊的發展和應用前景。本文總結了混凝土3D打印在工藝、幾何、物理、材料方面的制約因素，微觀測試印證了層間弱面的存在。

為了降低層間弱面給結構帶來的負面影響，(1)對于垂直方向的層間弱面，建議從優化原材料與配合比、合理設置打印參數、增強后期養護等方面入手，對于打印中斷或層間間隔較長的情況，建議使用界面增強材料來提高層間弱面的連續性。(2)對于水平方向的層間弱面，建議精確地、實時地量化和平衡擠出速度、打印速度、材料流變特性的關系，研發更為智能化的打印工藝。

然而，無模增材建造過程是3D打印的固有屬性，難以通過材料、工藝的手段徹底消除弱面的存在。混凝土3D打印在承載結構方面的應用尚有一段距離，現階段的科學研究仍需進一步探討混凝土3D打印的加筋增韌方法以及尋求3D打印在特殊要求下的應用。