水膠比對3D打印混凝土的擠出及力學性能影響

張楠 藺喜強 霍亮 路蘭 張濤

（1 中國建筑技術中心，北京 101300；2 斯文科技大學土木工程學院，維多利亞州 3122，澳大利亞；3 杭州冠力科技有限公司,浙江 杭州 311201）

0 前言

水泥基材料的增材制造技術又稱3D混凝土打印（3DCP），近年來迅速發展。目前，全球有超過30個團隊正在從事3DCP技術的研究與開發。3D擠出式混凝土打印技術作為3DCP技術的重要分支之一，研究者目前的主要研究方向為水泥基打印材料配合比設計[1-3]、流變性能[4-6]、塑性及硬化力學性能[7-11]、層間結合力[12-13]研究。但是，對打印參數的研究成果還較少[14]。作為打印工藝參數之一，打印頭泵機轉速對擠出式混凝土打印技術起著至關重要的作用。本文以此作為研究對象，針對不同工作性的可打印水泥基材料，探討打印頭泵機轉速對打印材料擠出性能的影響。

1 試驗

1.1 原材料及配比

考慮到所用的打印頭噴嘴直徑為24mm，本文選用最大粒徑4mm的砂粒作為骨料；膠凝材料選用OPC水泥P.O42.5和SAC42.5水泥，其化學成分如表1所示；選用長度為6mm的PVA纖維以降低塑性開裂和變形。

表1 OPC和SAC的化學成分Tab.1 Chemical constituents of OPC and SAC

本研究對澆筑成型試件28天的設計強度為50MPa。通過多次配合比試拌，得到滿足擠出性能和建造性能的基準配合比，見表2。為了探討可打印材料工作性能對可擠出性能的影響，在基準配比基礎上對水膠比進行調整，實現三組具有不同工作性參數的打印材料。

表2 基準拌合物的配合比Tab.2 Mix ratio of standard mixture

1.2 打印過程

本文所用的打印機尺寸為2.8m（長）×1.5m（寬）×1.8m（高）。打印頭配有螺桿擠料泵，可控制出料速度。通過混凝土泵管，將打印頭與混凝土泵（一級輸送泵）連通。混凝土攪拌完成后，注入到一級輸送泵中，然后輸送到打印頭擠料泵中進行打印。

1.3 試驗方法

1.3.1 工作性和凝結時間測試

按照ASTM C1437 標準測試新拌拌合物的工作性能；按照JGJ/T 70-2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》測試新拌拌合物的初終凝時間。

1.3.2 抗壓強度測試

采用澆筑和打印兩種成型方式，制備所有配合比的抗壓強度試樣。考慮到加工試件時可能造成試驗受損，本研究的所有抗壓試驗為每組四塊試樣。對于澆筑成型試樣，選用尺寸150mm×150mm×150mm的模具成型；對于打印成型試樣，首先打印出外部尺寸大致為2500mm×200mm×200mm的試件，如圖1(a)所示，然后通過石材切割設備加工成150mm×150mm×150mm的標準試件。所有試樣在室內成型硬化2天后，置于環境溫度20℃±2℃、相對濕度95%的標準室中養護26天。對于打印試件的取向，設打印方向為X，垂直于打印方向且與打印層間平行的方向（簡稱側向方向）設為Y，垂直于打印層平面的方向（簡稱垂直方向）設為Z，如圖1(b)所示。

圖1 打印試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of printed samples

1.3.3 擠出性能測試

本研究通過比較材料擠出量、擠出線條的形狀和寬度來評價打印材料的可擠出性。其中，將單層打印提升高度和打印速度設為定值，分別為10mm和100mm/s。考慮到打印線條受上層材料擠壓后會發生變形，設計依次垂直打印疊加三條擠出線條，將其作為一組試樣，測量中間層線條的寬度。對于材料擠出量，通過控制打印頭泵機的轉速，測試單位時間內的材料擠出流量，以此評價材料工作性對擠出性能的影響。

2 結果與討論

2.1 工作性與凝結時間

新拌材料在跳桌25次前后的擴展度如表3所示。結果顯示，除了水膠比0.39的拌合物，其他配合比拌合物在跳桌試驗前未出現擴展。此外，基準配比的初、終凝時間分別為25min和35min。

表3 新拌3D打印材料的工作性能Tab.3 Working capability of fresh 3D-printing materials

2.2 抗壓強度

對于澆筑成型試件，水膠比為0.35、0.37和0.39時，28天平均抗壓強度分別為61.2MPa、59.2MPa和56.7MPa。對于打印成型試件，各個承壓方向的抗壓強度測試結果均小于澆筑成型試件強度，此結果與Le[10]和Jay[12]的研究一致。但由于可打印材料的水膠比不同，造成了強度損失率影響程度差異。由圖2可知，水膠比0.37的基準配比試件的各向強度損失率最小，其中X軸向損失率最大，平均值為11.6%，Y軸向損失率7.1%，Z軸向損失率5.7%。對于水膠比0.35的試件，與基準配合比類似，其抗壓強度最大損失率也出現在X軸向，平均值為26.2%，Y軸向損失率23.6%，Z軸向損失率22.1%。但對于具有較大流動度的配合比C2，其抗壓強度損失率規律則有所不同，最大損失率出現在Y軸向，平均值達30.7%，其次是Z軸向，損失率為27.3%，X軸向損失率為20.3%。

圖2 硬化28d試件在不同承壓方向上的抗壓強度損失率Fig.2 Loss rate of compression strength of hardened concrete cured for 28 days

2.3 可擠出性能

2.3.1 擠出形狀

圖3和圖4分別顯示了配合比C1和配合比C2材料的擠出線條外形。盡管C1工作性能相對較差，但仍能從打印頭噴嘴處連續擠出。圖3顯示，擠出線條表面出現了較多的裂縫和孔洞，這對最終成型構件的力學性能和耐久性能造成負面影響。對于工作性能更好的配合比C2，能更加順滑地從打印頭噴嘴處擠出，但擠出線條寬度在打印過程中并不均勻。由此可得，打印材料在一定的工作性能范圍內均可滿足可擠出要求，但打印均質性與工作性能密切有關。

圖3 水膠比為0.35的打印材料擠出線條形狀Fig.3 Shape of extruded filaments for mix C1 with the water-to-binder ratio of 0.35

圖4 水膠比為0.39的打印材料擠出線條形狀Fig.4 Shape of extruded filaments for mix C2 with the water-to-binder ratio of 0.39

2.3.2 單位時間擠料量

單位時間擠料量即單位時間內打印頭噴嘴處的材料擠出量，本研究將其視為評價材料擠出能力的重要指標之一。其主要受打印頭泵機轉速和新拌合材料的工作性兩方面影響。對于流動度較大的新拌打印材料而言，在相同的泵壓下，更易于泵送。因此，隨著泵轉速的提高和流動度的增大，單位時間擠料量隨之增加，且呈現線性變化規律，如圖5所示。圖中的單位材料擠出量計算值由下式所得：

圖5 打印頭泵轉速與單位時間內材料擠出量的關系Fig.5 Relationship between rotating speed of the auger pump in the printer header and extrusion mass in unit time

其中，試驗所選泵螺桿的單轉輸送量設計值為0.07升/轉。

由圖5可知，計算值和試驗值存在差距。隨著泵轉速的加快，差值愈發明顯，其中差值最小值出現在泵轉速為0.7轉/秒。當泵轉速恒定時，此差值會隨著材料流動度增大而有所減小，但不如泵轉速所造成的影響明顯。由此推測，在打印過程中，相對于打印材料坍落度損失造成的拌合物工作性波動，泵轉速對單位材料擠出量造成的影響更明顯。同時，打印頭泵的高轉速會造成實際值與理論值的差距更大，這使得通過打印頭泵轉速來精確控制打印頭擠料量的難度進一步增加。

2.3.3 擠出線條寬度

圖6顯示了打印頭泵的轉速對擠出線條寬度的影響。隨著泵轉速的提高和水膠比的增大，線條寬度增加。擠出線條寬度計算值由下式可得：

圖6 打印頭泵轉速與擠出線條寬度的關系Fig.6 Relationship between rotating speed of the auger pump in the printer header and extrusion width of filaments

其中，打印高度為10mm；打印移動速度為10cm/s。

由圖6可知，對于不同水膠比的打印材料而言，計算值與試驗值的差值均隨著擠料轉速的增加而變大，但差值的變化量并沒有呈現線性變化。對于流動性較小的拌合物，此差值隨轉速的增加愈發明顯；對于流動性較大的拌合物，轉速小于2轉/秒時，差值保持相對穩定，但達到2.5轉/秒時，差值增大。導致此現象的原因有待在后續研究中進一步討論。

3 結論

本研究探討了打印材料工作性能對抗壓強度各向異性的影響。對于流動性較小的拌合物，最大強度損失率出現在承壓面垂直于打印的方向，但對于流動性較大的拌合物，最大抗壓強度損失率出現在承壓面垂直于打印側向的方向。同時，只有將新拌打印材料工作性控制在一個合理范圍內時，才能保證抗壓強度損失的最小化。此外，單位時間材料擠出量隨打印頭泵轉速的加快和水膠比的增大而線性增加。但泵轉速越快，試驗值與設計值的差距越大，而提高材料流動性能夠縮小此差距。由于擠出線條寬度與單位時間材料擠出量直接相關，因此隨打印頭泵轉速提高和水膠比的增加，擠出線條寬度也增寬，但變化規律相比于單位時間材料擠出量則有所不同。