3D打印混凝土變形試驗方法對比分析

李志鵬，楊榮偉，張津瑞

（天津大學 建筑工程學院，天津 300350）

英國Joseph Aspdin發明的波特蘭水泥讓人們意識到混凝土材料原料易得，造價較低，在全世界迅速傳播并開創了現代混凝土的歷史。隨后法國Monier發明了鋼筋混凝土結構，以解決混凝土抗拉性能弱的問題。美國Abram D建立了水灰比理論，奠定了混凝土強度理論的基礎。在20世紀初，法國橋梁工程師Freyssinet使得預應力混凝土取得重大發展。20世紀60年代，減水劑的發明使混凝土的用水量降低，也增強了混凝土的工作性。但混凝土的使用存在高能耗、高污染的缺點，也制約了混凝土的發展[1]。

在20世紀80年代初期，美國3M公司的Alan Hebert等人首先提出了通過連續的物理層疊加生成三維實體的3D打印概念。其方法包括光固化方法、熔融沉積制造法、選擇性激光燒結法、粘結劑噴射法、分層實體制造法和三維打印法等。2000年，Hanan Gothait在北美推出了可用于辦公室環境的商品化3D打印機[2]。

近年來，3D打印技術飛速發展，開始應用到航空航天、生物醫療等領域，給傳統的生產方式提供了新思路。同樣，3D打印技術與傳統的鋼筋混凝土技術結合后，形成了全新的3D打印混凝土技術，也為混凝土的發展指明了新方向。3D打印混凝土技術作為一種新型的混凝土施工技術，因其快速準確成型、免安裝模板工序等優勢，現已得到了廣泛的推廣應用。3D打印混凝土技術是通過計算機自動化控制打印機逐層打印累積最終形成一個具有自由形式的建筑結構成品。這對混凝土打印材料的工作性能要求非常嚴格，例如：材料的流動度較大，由于沒有模板的約束，在逐層打印混凝土的時候將會出現上層混凝土打印完成后造成下層混凝土材料變形超差的問題。所以對于打印材料在自身重力作用下其橫向變形值的大小需要儀器進行測定，合格后方可進行3D打印混凝土的施工。然而由于3D打印混凝土技術是新發展起來的一種施工技術，針對材料的性能檢測方法還不成熟，特別是自重作用下打印材料自身變形量的測定方法還未提出。由于建造方式存在差異，與傳統混凝土相比，采用3D打印方式混凝土技術對其工作性能要求也不同。首先要保證具有良好的粘聚性和可擠出性，其次在3D打印過程中，還要求已打印完成的部分保持良好的狀態，即變形不能過大、不能出現坍塌、傾斜等現象。這就需要對3D打印混凝土的變形進行測定，來判斷材料是否可以順利完成3D打印混凝土的施工[3-4]。但如今國內尚缺少3D打印混凝土變形試驗的相關標準，對于3D打印混凝土變形的測量缺少可靠依據。本文介紹了5種測量3D打印混凝土變形的試驗方法，并與普通混凝土相關試驗方法進行對比。

1 普通混凝土變形試驗

普通新拌混凝土的工作性，也稱和易性，目前還沒有一種能夠全面反映工作性的測定方法。通常是測定新拌混凝土的流動性，而粘聚性和保水性則憑經驗目測評定，然后綜合評定新拌混凝土的新工作性。其中新拌混凝土的流動性非常關鍵，一般采用坍落度、維勃稠度或擴展度表示。坍落度檢驗適用于坍落度10～40 mm的新拌混凝土；維勃稠度檢驗適用于維勃稠度在5～30 s，且最大粒徑小于40 mm的新拌混凝土；擴展度檢驗適用于大流動性的大坍落度混凝土或自密實新拌混凝土。測試新拌混凝土流動性的方法，目前最常用的為坍落度法。

坍落度法用來測定新拌混凝土在自重力作用下的流動性，適用于測量塑性混凝土及流動性較大的新拌混凝土，目前被世界各國普遍采用。測定時，將新拌混凝土再次手工拌和均勻后按規定的方法裝入混凝土坍落度筒內，并按照規定方式插搗，待裝滿刮平后將坍落度筒垂直向上提起，新拌混凝土因自重力作用而產生坍落，新拌混凝土靜止后坍落的高度（以mm計）稱為坍落度。坍落度越大，則新拌混凝土的流動性越大。

對于大流動性的新拌混凝土可采用坍落度與擴展度試驗檢驗或評價其工作性。該試驗是在傳統的坍落度試驗基礎上，把新拌混凝土均勻裝入坍落度筒內無需插搗，裝滿刮平后向上提起坍落度筒，同時測定水平擴展度（以mm計）和擴展到某一直徑（一般為500 mm）時所用的時間T500，以此來反映新版混凝土的變形能力和變形速度，主要用于評價自密實混凝土(SCC)。擴展度越大，則混凝土的自流平性與自密實性越高，說明新拌混凝土的粘度越小，流動能力越強。

在進行普通混凝土的變形試驗時，需使用壓力試驗機與微變形測量儀等設備。試驗過程中，壓力試驗機連續均勻地施加荷載至規定數值，記錄普通混凝土試件測點的變形讀數。與普通混凝土相比，水工混凝土的骨料粒徑較大，強度等級也較低，且長期處于潮濕環境中。與普通混凝土的試驗方法不同的是，測試時試件需要保持潮濕來模擬水工混凝土在實際使用時所處的環境[5]。

2 3D打印混凝土變形試驗

3D打印混凝土是分層打印，為了防止打印過程中下層混凝土因變形過大而引發坍塌、傾斜等問題，需要對3D打印混凝土進行變形試驗。但相比于普通混凝土，3D打印混凝土需要測量其新拌狀態時的變形，這與3D打印混凝土能否順利完成打印息息相關。本文總結了5種測量3D打印混凝土變形的試驗方法，并進行了對比分析。

2.1 3D打印混凝土塑性變形性能測試方法

文獻[6]設計了一種模具進行3D打印混凝土塑性變形性能的測試，該模具由3塊板材形成模具的側面結構，由一端板形成模具的底面。在模型中間設置一塊分割插板。測量模具的結構形式如圖1所示。該模具既可以測量3D打印建筑砂漿的側向變形度，也可以測量下垂度。本文主要介紹測量側向變形的方法。具體測試流程見表1。

表1 3D打印混凝土塑性變形性能測試流程

圖1 3D打印混凝土塑性變形性能測試模具

該試驗方法測試結果為3D打印混凝土的側向變形度，操作簡單，所用工具方便易得，經濟性較好，能快速反映3D打印混凝土的變形性能，也填補了現有評價3D打印建筑材料的變形性能的空缺。但該實驗方法卻不能進行定量分析，只適用于間接評價3D打印混凝土變形性能。

2.2 3D打印混凝土漿體材料變形量的測試方法

文獻[7]等設計了一種可以測定3D打印混凝土漿體材料變形量的測試儀器，該儀器不僅可以測出具體的變形值，還可以測定任意層3D打印混凝土材料的橫向和豎向變形值。測試儀器主要由矩形平板、水平滑塊、2個豎向標尺和豎向滑塊組成。其中，矩形平板中部設有凹槽與螺紋孔，且沿著凹槽標有2條水平刻度線，與其垂直的方向標有點劃線；水平滑塊與凹槽形狀相吻合，可以自由滑動；2個豎向標尺底部與水平滑塊相連，且上面標有豎向刻度線，內部有長孔，橫截面成C型；豎向滑塊可以在豎向標尺內部自由滑動，且通過連接桿與測試探頭相連，探頭中間標有測試基準線，豎向滑塊上標有指針。測量儀器結構形式如圖2所示。具體測定流程見表2。

表2 3D打印混凝土漿體材料變形量測定流程

圖2 測定3D打印混凝土漿體材料變形量的測試儀器

該試驗方法所測結果為3D打印混凝土材料的具體變形值，可用來評價3D打印混凝土材料的變形性能，分析3D打印混凝土材料的可建造性。同時，該方法在3D打印機打印過程中進行測量，其結果更加接近真實值；還可以測量各層混凝土打印材料的變形值。但這種測試方法探頭與打印出的混凝土接觸可能會造成混凝土產生輕微變形，引起試驗誤差，且只能測出3D打印混凝土材料在自重下的變形。

2.3 測量新拌3D打印混凝土荷載下變形量的試驗方法

為填補3D打印混凝土在荷載作用下變形量的測量方法的空缺，文獻[8]設計了一種測定新拌3D打印混凝土承載力及變形量的裝置。該裝置由支架、固定在支架水平部分上的壓力傳感器平臺、連接壓力傳感器的托盤、彈簧壓力桶、模擬壓片和壓力荷載盤組成。其中，支架為L型支架，豎向部分與彈簧壓力桶相連；彈簧壓力桶外部是與支架相連的定位筒，上部是支撐復位彈簧，下部是壓力桿，壓力桿底端與模擬壓片相連，上部穿過定位筒和支撐復位彈簧與壓力荷載盤相連，模擬壓片上帶有指針，且朝向支架上的豎向刻度線；托盤的截面為圓形，且上部標有基準線、刻度線和標定線；壓力傳感平臺帶有數顯屏。測量裝置的結構形式如圖3所示。具體測量流程見表3。

表3 新拌3D打印混凝土承載力及變形量測量流程

圖3 測量新拌3D打印混凝土承載力及變形量的裝置

該試驗方法所測結果為3D打印混凝土在荷載下的豎向變形值與橫向變形值及其所對應的壓力值，可以真實地反應出3D打印混凝土的工作性能及施工的適用性。同時，該方法適用于各種組分拌合的砂漿，適用范圍廣泛，方法簡便、直觀，易于推廣。但該方法待測材料通過人工擠出，與3D打印過程中的機器擠出的效果相差較大，且無法模擬3D打印混凝土的打印過程。

2.4 3D打印混凝土變形量測量裝置及方法

為模擬3D打印混凝土的施工過程，文獻[9]設計了一種測試裝置，用來精確測定3D打印混凝土在打印過程中的變形量。該裝置通過加水的質量和加載的間隔時間來模擬不同的打印情況。該裝置由一上部開口、底部密封的荷載容器、支架、成模模具和激光測距儀組成，支架上部為支撐套，且支撐套通過支撐桿與底板相連；激光測距儀由安裝在荷載容器側壁的傳感器、安裝在底板上的傳感器及顯示器組成。該裝置的主要構造如圖4所示。具體測量流程見表4。

圖4 3D打印混凝土建造性測試裝置

表4 3D打印混凝土變形量測量流程

該試驗方法可以精確地測量出3D打印混凝土在荷載作用下的變形值，為3D打印混凝土的建造性能測試提供了可靠的依據。同時，該方法以水作為荷載，克服了無法模擬3D混凝土打印過程的困難，為測量3D打印混凝土的變形提供了可靠的試驗方法。但由于所用荷載為水，在加水過程中液體產生的波動也會對測量結果造成影響，致使試驗結果產生誤差。

2.5 3D打印混凝土在荷載作用下變形量自動測試方法

文獻[10]設計了一種3D打印砂漿經時承載力及變形量的自動測試裝置。以獲得大量、連續的測量數據。該裝置引入了配電箱、顯示器、控制面板、伺服電動缸及微型壓電傳感器；可以通過顯示器隨時掌握測試情況；控制面板可以調整加壓速率，保持加壓速率恒定；伺服電動缸提高了控制性和控制精度；微型壓點傳感器可使砂漿式樣受力均勻。測試裝置如圖5所示。具體測試流程見表5。

圖5 3D打印砂漿在荷載作用下的變形量測試裝置

表5 3D打印混凝土在荷載作用下變形量自助測試流程

該自動測試裝置可以連續采集大量數據，得到3D打印混凝土材料在荷載作用下的變形曲線，用來評價3D打印混凝土材料的可建造性能，分析變形量與承載力之間的關系。該方法加壓速率穩定，所得數據較為準確，而且采集數據量大，可以很好地表明3D打印混凝土在荷載作用下的變形。但該方法工作量較大，同時作用試件需要用專屬模具進行專門制作，過程較為復雜。

3 結束語

3D打印混凝土技術作為新興的、數字化、自動化的工程建造方式，對于材料的技術要求與普通混凝土相比差別較大，對材料的可擠出性、流動性以及可建造性都有著較高的要求，因此，為對3D打印混凝土材料的可建造性能進行評價，需要進行3D打印混凝土的變形實驗。本文對5種測量3D打印混凝土變形的方法做了具體描述，同時對其優缺點做了對比分析，為實際工程中3D打印混凝土的變形測試提供了可行方案，對相關規范的制定具有一定的借鑒意義。