3D打印細石混凝土調配及其可打印性和力學性能

侯少丹，肖 建莊，段 珍華

（1.同濟大學土木工程學院，上海 200092；2.紹興文理學院土木工程學院，浙江 紹興 312000；3.同濟大學工程結構服役性能演化與控制教育部重點實驗室，上海 200092）

當前大部分3D打印建筑以及研究中所使用的 3D打印混凝土（3DPC）并不含粗骨料，而是3D打印砂漿［1-3］.一方面，是由于打印機擠出口尺寸較小，不能打印粗骨料混凝土；另一方面，粗骨料增大了混凝土可打印性和流變性的離散性，難以調控其早期性能.與砂漿相比，混凝土具有更好的長期性能和更低的造價.因此，實現含粗骨料混凝土的打印是3DPC在建筑行業應用中的迫切要求［4-5］.

當前，含粗骨料3DPC在施工時的制備方式上存在困難與挑戰.由于3D打印要求混凝土具有流動度低、觸變性高、凝結時間短等特點［6-8］，需要使用多種外加劑對其工作性能進行調控，因此運輸過程中可能會發生工作性能損失大、達到初凝時間等問題［9］，因此3DPC不能像普通混凝土一樣在攪拌站制備之后運輸到現場施工.當前在實驗室開展的3DPC研究中，通常是攪拌完成后直接進行打印，如果實際施工時采用這種方法，需要在施工現場準備材料并現場拌和，該方法受現場場地條件以及環境評測要求的限制.

基于此，本文提出通過細石混凝土（SAC）現場調配制備3D打印SAC的方法，并研究了不同增稠材料對SAC工作性能和流變性的調控規律，同時對3D打印SAC試件的可擠出性和早期力學性能進行了測試.

1 試驗

1.1 原材料

水泥（C）為P·O 42.5水泥；細骨料為普通河砂，中砂，細度模數為2.69；細石粗骨料為普通碎石，粒徑為5～10 mm；粉煤灰為F類二級粉煤灰，28 d活性指數為85.00%；再生粉體來源于建筑固體廢棄物，主要含廢棄黏土磚和廢棄混凝土，主要氧化物為Ca O、Si O2、Al2O3和Fe2O3，粒徑為5～40μm，中位粒徑為10μm，28 d活性指數為80.05%，其他基本性能（如水化熱，微觀形貌等）見文獻［10-11］；偏高嶺土（MK）的平均粒徑為10μm，28 d活性指數不小于110.00%；減水劑（SP）為粉末狀聚羧酸減水劑；羥丙基甲基纖維素（HPMC）的黏度為200 Pa·s；拌和水為自來水.SAC水膠比（質量比，文中涉及的比值、用量等均為質量比或質量分數）為0.32，最大粒徑為10 mm，膠凝材料為水泥、粉煤灰和再生粉體，粉煤灰和再生粉體的用量相同，均為水泥質量的15.5%，砂率為60.0%，單位用水量為186 kg/m3，通過調節減水劑的用量，控制SAC的坍落度為200～230 mm.

1.2 3D打印細石混凝土制備方法

考慮到商品混凝土對工作性能的要求與3DPC差異較大，本文提出通過SAC現場調配制備3D打印SAC的方法，具體步驟為：（1）首先進行SAC配合比設計，并在攪拌站制備SAC.考慮到SAC的運輸和泵送要求，同時能夠盡量保證SAC的可打印性的要求，要求SAC的坍落度在160～180 mm，并具有較小的坍落度損失.（2）運輸SAC至施工現場，然后添加相應的材料開展二次攪拌，調控混凝土的工作性能，使其滿足可打印性的要求.該過程中，二次攪拌增稠材料的種類和用量以及二次攪拌時間均與SAC在現場的工作性能有關.（3）通過施工現場二次駁運，將制備的3D打印SAC輸送至打印機中進行施工.

本文提出的3D打印SAC制備方法，一方面有利于解決3DPC的生產運輸難題；另一方面能避免3DPC大批量生產時帶來的現場原料堆放和環保問題.該方法以SAC為基本材料，無需對現有的商品混凝土制備程序進行大幅度調整，工藝簡單，有利于推動3DPC的大批量應用，具有實際工程意義.

1.3 試驗方法

1.3.1 SAC的工作性能和流變性試驗

根據GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》，測試SAC的坍落度和擴展度.采用Con Tec流變儀測試SAC的流變參數.流變儀內筒直徑和高度均為10.0 cm，外筒直徑為14.5 cm.試驗時控制最大速率從0.5 r/s漸變為0.1 r/s，期間共采集6個點的轉速和扭矩，并通過Reiner-Rivlin方程計算出其屈服應力和塑性黏度［12］.

1.3.2 SAC的工作性能調配及早期性能測試

SAC的工作性能和流變性測試完成后，在保持其水膠比不變的條件下進行二次攪拌時加入不同的增稠材料（水泥、HPMC、MK），攪拌5 min，每次加入的增稠材料摻量w以膠凝材料的總質量計，水泥摻量wC分別為1.00%、3.00%、5.00%，HPMC的摻量wHPMC分別為0.03%、0.05%、0.10%，MK的摻量wMK分別為0.50%、1.00%、1.50%.二次攪拌完成后，立即對SAC開展如下試驗：（1）工作性能和流變性試驗，測試方法見1.3.1；（2）擠出性測試，采用自主研發的裝置［13］開展擠出性研究，并通過擠出力的大小評價SAC的可擠出性；（3）濕坯強度（green strength）測 試，根 據ASTM D2166《Standard test method for unconfined compressive strength of cohesive soil》，將混凝土裝入φ70×140 mm的圓柱形模具中，靜置5～10 min后拆除模具，并開展無側限抗壓強度試驗［7］，加載速率為30 mm/min，從二次攪拌后第15 min開始測試，之后每隔15 min進行1次測試，直至90 min結束測試.

1.3.3 3D打印SAC試件的制備及其硬化后力學性能測試

用遼寧格林普公司提供的配備了表面平整系統［14］的龍門架式混凝土3D打印機，尺寸為8 m×6 m×6 m，打印頭采用螺桿擠出方式，擠出口直徑為100 mm.試驗時打印速率為50 mm/min，打印路線為直線，長度為1 000 mm，每層高度為30～50 mm，共打印3層，打印完成后記錄打印條的寬度及高度，用于評價3D打印SAC的可打印性.試件打印完成1 d后，將其切割成100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊和100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試塊，根據GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，測試3D打印SAC的28 d抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度.考慮到3D打印SAC力學性能的各向異性，開展不同加載方向的力學性能試驗，加載方向示意圖見圖1.另外，為開展3D打印試件和澆筑試件的對照試驗，采用相同的3D打印SAC材料制備澆筑試件（cast）.

圖1 加載方向示意圖Fig.1 Diagram of loading direction（size：mm）

2 結果與分析

2.1 不同增稠材料對SAC性能的影響

2.1.1 坍落度和擴展度

不同增稠材料對SAC坍落度和擴展度的影響見表1.由表1可見：SAC的初始坍落度為210～225 mm，擴展度為430～440 mm；二次攪拌時不同增稠材料的加入使SAC的坍落度和擴展度均降低，且隨著增稠材料用量的增大，其降低程度增大.這是因為新拌混凝土中膠凝材料的絮凝作用導致自由水和有效減水劑用量減少，這時再加入其他膠凝材料會加快吸收新拌混凝土中的自由水，導致其工作性能降低，且二次攪拌過程中加入的增稠材料容易團聚，增大了其工作性能損失.與水泥相比，MK對SAC工作性能的影響更大.當水泥、MK的摻量均為1.00%時，SAC的坍落度分別下降了11.4%、31.0%，擴展度分別下降了27.9%、54.5%，這是因為MK的顆粒粒徑較小，比表面積較大，加入新拌SAC后會快速吸收自由水.與水泥、MK相比，HPMC對新拌混凝土工作性能的影響最大，當其摻量為0.10%時，SAC的坍落度、擴展度分別降低了35.6%、37.5%，這是因為高分子化合物HPMC上有很多羥基，能夠與水分子形成氫鍵，增加溶液的黏度，而這種黏彈性液體均勻分散在砂漿內，增大了顆粒間的摩擦力和附著力［15-16］.預試驗結果顯示，當混凝土的坍落度為90～130 mm時，方可實現3D打印的連續、穩定擠出.SAC的二次攪拌過程中，當HPMC、水泥、MK的摻量分別為0.10%、3.00～5.00%、1.50%時，SAC能夠滿足打印性的要求.后文研究中增稠材料HPMC、水泥、MK的摻量分別為0.10%、5.00%、1.50%，制備的SAC分別記為HPMC0.10、C5.00、MK1.50.

表1 不同增稠材料對SAC坍落度和擴展度的影響Table 1 Effect of different viscosity materials on slump and slump flow of SAC

2.1.2 屈服應力和塑性黏度

屈服應力和塑性黏度影響3D打印SAC的擠出性和擠出瞬間的變形能力.當3D打印SAC在擠出過程中受到的剪應力大于屈服應力時，即可保持混凝土的流動狀態，但當屈服應力過小時，會導致擠出瞬間混凝土的變形較大.塑性黏度是混凝土內部阻礙流動的性能，與混凝土的密實性、可加工性有關，當塑性黏度較大時可避免沉降和離析現象的發生.不同增稠材料對SAC屈服應力和塑性黏度的影響見表2.由表2可見，當HPMC、水泥、MK的摻量分別為0.10%、5.00%、1.50%時，二次攪拌后SAC的屈服應力分別增加了27.56%、50.48%和40.94%，塑性黏度分別增加了34.56%、20.25%和23.26%.加入5.00%的水泥或1.50%的MK后，SAC的屈服應力有大幅度提升，塑性黏度的增大程度小于屈服應力.這是因為水泥和MK摻入新拌SAC后快速吸水，導致顆粒間的漿體膜厚度減小，從而增大了顆粒間摩擦力，使得SAC的屈服應力快速增加.HPMC摻入后，由于HPMC在新拌SAC中吸水膨脹后形成膠體膜結構，吸附在水泥顆粒表面，增大了分子間的作用力，從而使SAC塑性黏度有了較大幅度的提升.

表2 不同增稠材料對SAC屈服應力和塑性黏度的影響Table 2 Effect of different viscosity materials on yield stress and plastic viscosity of SAC

2.2 3D打印SAC的早期性能

2.2.1 擠出性

3D打印SAC擠出時的位移與擠出力之間的關系見圖2.由圖2可見：試驗開始時，先開展預擠出試驗，控制擠出速率v為300 mm/min，該過程可使混凝土達到密實狀態；當位移達到140 mm左右時，降低擠出速率至100 mm/min，并持續1～2 min，此時擠出力呈現1個近似平臺的階段，說明混凝土已經達到密實狀態并被勻速擠出；在混凝土被勻速擠出的過程中，擠出力仍呈緩慢上升的趨勢，這是由于在擠壓過程中，隨著混凝土中漿體的減少，粗骨料逐漸被擠壓至變截面的錐形區域，導致擠出力緩慢上升.本文采用圖2所示的擠出流程開展3D打印SAC擠出性測試，記錄擠出階段中擠出速率為100 mm/min、位移為200～300 mm段的擠出力，取該階段擠出力的平均值作為3D打印SAC的擠出力，用于評價3D打印SAC的擠出性.擠出力越大，擠出性越差.

圖2 3D打印SAC擠出時的位移與擠出力之間的關系Fig.2 Relationship between displacement and extrusion force during extrusion of 3D printable SAC

不同增稠材料對3D打印SAC擠出力的影響見圖3，圖中橫坐標t為二次攪拌結束后的靜置時間.由圖3可見：二次攪拌剛結束時，盡管不同組的3D打印SAC坍落度均控制在90～130 mm，其擠出力仍存在較大的差距，摻加1.50%MK的3D打印SAC擠出力最大（605.4 N），是摻加5.00%水泥或0.10%HPMC的3D打印SAC擠出力的4倍左右；隨著靜置時間的延長，MK對擠出力的增長趨勢影響最明顯，其次是水泥和HPMC，當靜置時間為30 min時，摻加MK、水泥、HPMC的3D打印SAC的擠出力分別增長了341%、241%、63%.不同增稠材料對3D打印SAC擠出力的影響可以從混凝土中水泥的水化進程方面解釋：MK較細的顆粒及其較高的活性能夠加快水泥的早期水化進程，隨著水泥水化的進行，水泥顆粒間的作用越來越強，導致其流動性逐漸喪失，進而增大了擠出力；HPMC會吸附在水泥顆粒表面，延緩水泥的早期水化進程，進而對擠出力隨靜置時間變化的影響較小［17］.

圖3 不同增稠材料對3D打印SAC擠出力的影響Fig.3 Effect of different viscosity materials on extrusion force of 3D printable SAC

3D打印SAC坍落度與擠出力之間的關系見圖4.由圖4可見，隨著坍落度的增大，3D打印SAC的擠出力逐漸減小，兩者之間存在較好的擬合關系，這說明在實際工程中，可以通過控制3D打印SAC的坍落度來初步調控其擠出性.另外，3D打印SAC從制備完成到實際擠出需要一定的中間過程，該過程中要求其工作性能滿足打印的要求，因此對坍落度/擠出力的經時變化有較高的要求.將3D打印SAC工作性能滿足打印要求的持續時間稱為“工作時間”，擠出力的經時變化越大，越不利于其工作時間.由圖4建立的坍落度和擠出力的關系以及適合打印的坍落度范圍，可以確定當擠出力大于1 488 N時，3D打印SAC不能被流暢擠出.結合圖3、4可知，1.50%MK摻入之后3D打印SAC擠出力快速增長，且其工作時間在15～30 min，而5.00%水泥或0.10%HPMC調配的3D打印SAC擠出力增長較為緩慢，其工作時間較長，均大于30 min.

圖4 3D打印SAC坍落度與擠出力之間的關系Fig.4 Relationship between slump and extrusion force of 3D printable SAC

2.2.2 濕坯強度

3D打印SAC濕坯強度的增長與其可建造性密切相關，濕坯強度增長速率越快，可建造性越高，在規定時間內的打印層數越高，因此可加快打印速率，提高施工效率.不同增稠材料對3D打印SAC濕坯強度的影響見圖5.由圖5可見：3D打印SAC的濕坯強度隨靜置時間的延長而增長，二次攪拌時摻入5.00%水泥或1.50%MK對3D打印SAC濕坯強度的影響規律近似，90 min內分別增長了1.88、1.98倍，而0.10%HPMC的摻入對3D打印SAC濕坯強度的影響較小，90 min內僅增長了1.3倍.這可由2.2.1討論中的不同增稠材料對水泥水化作用的影響來解釋.

圖5 不同增稠材料對3D打印SAC濕坯強度的影響Fig.5 Effect of different viscosity materials on green strength of 3D printable SAC

2.3 3D打印SAC的實際打印效果及力學性能

由前文分析可知，二次攪拌時通過摻入不同增稠材料可將SAC調配為滿足3D打印要求的工作性能.為了驗證本文提出的方法，用摻入0.10%HPMC的3D打印SAC（HPMC0.10）開展實際打印試驗，并研究了其力學性能.

2.3.1 實際打印效果

3D打印SAC打印后的效果見圖6.由圖6可見：3D打印SAC具有較好的擠出性，能夠被均勻、連續地擠出；由于表面平整系統的作用，3D打印SAC的表面較光滑，存在較小的空隙，能夠觀察到明顯的層間痕跡；擠出后單條的寬度為100 mm，與擠出口的直徑相同；由于限制了水平變形，因此3D打印SAC存在向下的擠壓力，導致其最底層混凝土出現變形（見圖6（a）），這可以通過提高3D打印SAC的可建造性或調整擠出速率或每層打印時間進行改善；圖6（b）顯示在打印路線提升點的周圍存在裂縫，這可以通過調整打印頭在提升時的出料速率和提升速率進行改善.

圖6 3D打印SAC打印后的效果Fig.6 Printing result of 3D printable SAC

2.3.2 力學性能

層層堆疊的打印方式導致3D打印SAC在不同加載方向的力學性能差異較大，即其力學性能具有各向異性［18-19］.3D打印SAC的力學性能見圖7（圖中HPMC0.10-X為試件HPMC0.10的X方向，其他類推）.由圖7可見：3D打印SAC的抗壓強度存在明顯的各向異性；與澆筑試件相比，其X、Y、Z方向的抗壓強度分別降低了38.73%、40.46%和20.03%，X和Y方向的抗壓強度近似，且均小于Z方向的抗壓強度；當劈裂面為X Z或Y Z時，3D打印SAC的劈裂抗拉強度變化較小，分別為澆筑試件的108.07%、95.06%；當劈裂面為X Y平面時，劈裂抗拉強度有明顯的下降，降低幅度為26.46%；3D打印SAC的抗折強度高于澆筑試件，Y、Z方向分別提高了19.54%、17.23%.

圖7 3D打印SAC的力學性能Fig.7 Mechanical properties of 3D printable SCA

3D打印SAC強度的各向異性與層層堆疊的建造方式有關，其會導致層間界面存在空隙，進而使混凝土的密實度、抗壓強度降低.對3D打印SAC的抗壓強度而言：當加載方向為Z方向時，試件的層間界面與加載方向垂直，因此其抗壓強度較高；當沿X和Y方向加載時，試件的層間界面與加載方向平行，裂縫會沿層間界面快速發展，導致其抗壓強度降低.對3D打印SAC的劈裂抗拉強度而言：受力面X Y面與層間界面平行，因此其劈裂抗拉強度最低，由X Z方向的劈裂截面（見圖7（d））可以明顯看到試樣中部存在較多的空隙，這證明了層間界面導致X Y面內存在較多空隙.然而，層間界面對3D打印SAC抗折強度的影響較小，這是因為添加表面平整系統后，3D打印SAC擠出后原本產生的橫向變形被限制，因此會沿Y方向產生擠壓力，導致混凝土更加密實，另外，混凝土上層對下層的壓力也會導致3D打印SAC內部更密實，骨料與漿體之間的黏結力更大，進而提高其抗折強度.與3D打印砂漿一致，3D打印SAC抗壓強度均小于澆筑試件［18-19］.對于3D打印SAC的抗折強度，Ding等［20］的研究結果與本文一致.受試件尺寸、打印方向、層間黏結等影響，不同受力方向3DPC的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度的大小并沒有統一的規律.

3 結論

（1）對于初始坍落度為210～225 mm的細石混凝土（SAC），二次攪拌時當羥丙基甲基纖維素（HPMC）、水泥、偏高嶺土（MK）的摻量分別為膠凝材料質量的0.10%，5.00%、1.50%時，能夠滿足3D打印對混凝土工作性能的要求.

（2）二次攪拌時，0.10%HPMC能夠顯著提高3D打印SAC的塑性黏度，90 min內其濕坯強度增長了1.3倍，對擠出力經時變化、工作時間和可建造性的影響較小；1.50%MK能夠有效提高3D打印SAC的擠出力，但其工作時間低于30 min；5.00%水泥或1.50%MK有利于3D打印SAC的可建造性.

（3）3D打印SAC的28 d抗壓強度具有明顯的各向異性，較澆筑試件明顯降低，降低幅度在20.03%～40.46%；Y、Z方向的抗折強度較澆筑試件提高了17.23%～19.54%.