挤出型3D打印混凝土力学性能研究进展

来源：《混凝土与水泥制品》杂志2021年第3期

起源于20世纪末的3D打印技术被誉为“第三次工业革命的重要标志”，已被广泛应用于航天、建筑、艺术、工业制造等多个领域。1997年，美国学者PEGNA首次将3D打印思想应用于建筑工程领域，提出了一种水泥基增材制造的建造方法。2012 年，英国拉夫堡大学首次开发出一套商用的混凝土3D打印系统，并成功应用于工程建造。目前，3D打印混凝土技术已在国内外诸多工程案例中实践应用。

作为智能化施工的重要发展方向，3D打印混凝土技术与传统的模板浇筑施工工艺相比，具有工期短、精度高、可建造异形结构等优点。特别是在我国大力发展建筑工业化期间，3D打印混凝土技术具有巨大的发展潜力。3D打印混凝土施工工艺主要分两类：干粉层铺型和挤出层积型。干粉层铺型是依次层层“压实粉末-喷黏合剂”形成构件，再将其从松散的粉末层中挖出；挤出层积型是通过自动控制的喷头挤出混凝土浆体，层叠形成混凝土构件。干粉层铺型精度高，强度大，但因其可打印规模有限，在工程建造领域应用较少，更多应用于制造建筑艺术作品。挤出层积型可取代模板浇筑施工，大幅缩短工期，实现复杂外形构件的快速自动化施工，在实际工程中已有较好的应用，且应用前景较好。因此，本文主要讨论挤出层积型3D打印混凝土技术的相关研究。

混凝土3D打印技术目前还处在发展阶段，存在较多的技术问题，其中打印材料更是制约着3D打印混凝土发展的决定性因素。挤出型工艺的独特性决定了其对浆体的特殊要求：在流变性能方面，需要较好的流动性，以避免堵塞或断续现象的同时，应具有较高的黏度和较短的凝结时间，以保证层间的黏结与成型；在力学性能方面，需要良好的后期力学性能，以达到一定的结构要求。

随着3D打印混凝土的推广应用，对其力学性能的要求也越来越高。因此，国内外学者在研究3D打印混凝土配合比的同时也重点研究了3D打印混凝土的后期力学性能。本文对国内外各种配合比和工艺下的挤出型3D打印混凝土的力学性能、破坏模式和机理，以及增强措施进行分析总结，以期为3D打印混凝土技术的进一步研究和应用提供参考。


1.3D打印混凝土的力学性能
区别于一体成型，层叠工艺易在层间产生大量孔隙而形成薄弱界面，导致力学强度降低且表现出各向异性。为方便描述，本文对各试验的荷载方向采用统一坐标，见图1。

1.1   抗压强度
混凝土的抗压强度作为结构设计的基本参数，对3D打印混凝土的应用至关重要。既有研究表明，层叠工艺层间孔隙的增多可能引起各项异性。

图 2为各文献的3D打印混凝土抗压强度试验结果和破坏模式。由图2可知，3D打印试件的抗压强度具有基本一致的各向异性，但各方向差异不大。喷嘴的压力提高了混凝土的密实度，使得x方向形成均匀、密实的短柱承压而提高了承载力，而y、z方向的抗压强度受层间孔隙率影响较大。从MA等试验中的破坏模式亦可见，y和z方向的破坏模式与整浇试件类似，而x方向破坏时出现竖向裂缝。表 1为各学者的试验方案。由于材料配合比、养护方法和取样方法等不尽相同，方向性差异并不是绝对的。如WOLFS采用水浴养护的素混凝土打印试件并没有出现明显的各向异性；但三个方向上的强度均低于整浇试件，这可能与基体组成有关。这种不一致的结论说明了3D打印构件的力学性能受诸多因素的影响，可调控范围较广，如打印设备参数、配合比、打印路径、外加剂、取样方法等。良好的打印工艺可使材料在打印过程中受到较大的挤压而比整浇试件密度大。采用矩形喷头比圆形喷头的层间空隙更少，强度提高；骨料的颗粒越细，抗压强度越大。此外，MA等用比表面积更大的细铜矿渣来代替40%的砂，抗压强度提高了20%以上。NERELLA等用PC+FA+MSS作为胶凝材料，可以显著提高抗压强度，且高效减水剂（SP）可提高层间的黏结强度，从而提高抗压强度。

总之，3D打印混凝土的抗压强度各向异性较小，但层间孔隙率增加可能会降低抗压强度。上述研究表明，通过水浴养护、优化配比设计和打印参数等措施可显著提高抗压强度。

1.2   抗拉强度
目前，3D打印混凝土的抗拉强度测试方法主要有直接拉伸法、劈裂拉伸法和十字交叉法。层叠工艺决定了3D打印试件存在层间薄弱现象，这对抗拉性能产生了较大的影响，受拉破坏往往发生在在黏结层，且呈脆性破坏。

对于3D打印素混凝土而言，三个方向上的抗拉强度相差不大，且比整浇混凝土低10%左右。而对于纤维混凝土，各向异性较为突出。在MA等的劈裂拉伸试验中，玄武岩纤维3D打印混凝土试件x方向的抗拉强度比整浇试件高9.4%，而y、z方向分别比整浇试件低24.7% 和37.2%。此外，一些学者将高延性水泥基复合材料（以下简称ECC）应用于3D打印技术。ECC基体初裂后，通过纤维的桥接作用实现多缝开裂进而提高抗拉强度与延性，且纤维能降低混凝土表面因水分蒸发产生的拉应力，使干缩裂纹减少。3D打印ECC比浇筑混凝土具有更好的抗拉性能，表现出明显的应变硬化现象。由于纤维在喷嘴的作用下沿打印平行方向定向分布，提高了平行方向的抗拉强度；而垂直方向的抗拉强度仍取决于层间黏结强度。已有研究表明，纤维可能会引入更多的微观裂缝而降低层间黏结强度。因此，3D打印纤维混凝土抗拉强度的各项异性更加显著。

层间抗拉强度是3D打印混凝土力学性能的重要指标之一，层间薄弱的根本原因是新旧打印层交界处孔隙率增加，层间黏结强度不足，这在NERELLA等的微观图像分析中得到了印证。此外，较多的孔隙对混凝土的耐久性不利。国内外学者对层间黏结强度的影响因素做了大量试验研究。首先，打印间隔时间决定了新旧打印层间的黏结剂能否顺利黏合，对层间黏结强度的影响较大。研究表明，层间黏结强度随着打印间隔时间的增加而降低；当间隔时间超过终凝时间后，由于下层硬化后的黏结力有限且基本不变，层间黏结强度变化趋于平缓。此结论与众多学者的结论基本一致。其次，不同胶凝材料在水化反应中形成的层间孔隙大小和数量不同，从而影响层间黏结性能。例如加入颗粒较细的硅粉和粉煤灰的浆体形成的层间条形孔隙较少，层间黏结效果较好。此外，层间黏结强度还与喷嘴高度和移动速度以及水分蒸发情况等有关。试验表明，当打印层暴露在干燥环境中时，层间黏结强度最大可降低50%左右。

因此，必须从材料组成、打印参数、养护措施等方面全方位调控以提高层间黏结强度，降低层间黏结薄弱界面的影响。

1.3   抗折强度
层间薄弱使x方向在抗折试验中表现较差，而在受薄弱界面影响不大的y、z方向上，由于打印过程中混凝土受到较大的压力而更加密实，抗折强度可能比整浇试件高。因此，抗折强度具有比抗压强度更明显的各向异性。

图3为各文献3D打印混凝土抗折强度试验结果。由图 3可知，抗折强度普遍受加载方向变化的影响，各方向的强度大小：y方向、z方向>整浇>x方向。对于素混凝土， x方向的抗折强度比z方向降低了14%，且随打印间隔时间的增加而不断降低。在PAUL等的试验中，z、y方向的抗折强度分别比整浇试件高7%和14%左右。对于纤维混凝土，不同方向加载的抗折强度相差更大。MA等对玄武岩纤维混凝土进行了“三点弯”试验，结果表明，z方向的抗折强度比整浇试件提高了56.1%，但x方向的强度有所降低。这与层间抗拉强度所述结论一致。不同纤维对抗折强度的提高程度与纤维自身的抗拉强度和弹性模量的变化趋势一致。

抗折强度仍然受层间黏结强度的影响，影响层间黏结效果的因素均能间接影响抗折强度。因此，研究增强层间黏结强度的方法对改善3D打印混凝土的力学性能尤为重要。

1.4   抗剪强度
目前，对3D打印混凝土材料的抗剪强度测试方法主要有十字交叉法、直接剪切试验和双剪切试验。刘致远等用十字交叉法测试发现，3D打印素混凝土的层间抗剪强度与打印间隔时间密切相关，见图 4。当打印间隔时间小于终凝时间时，层间抗剪强度随打印间隔时间的增加而降低，随着打印间隔时间的进一步增加，层间抗剪强度又不断提高。这可能是新旧交界面的机械咬合作用所致，随着打印间隔时间增加，咬合作用随着水泥的硬化而不断提高。RAHUL等通过剪切试验发现，素混凝土的层间抗剪强度比整浇试件低24%左右，层间孔隙率比整浇试件高12%左右。加入纤维后，能有效提高垂直方向的抗剪强度达20%~63%，但x方向的层间抗剪强度依然较低。这是因为二维排布的纤维抑制了y、z方向的剪切变形；而x方向的剪应力平行于薄弱界面，易产生裂缝而导致破坏。

目前，对3D打印材料抗剪性能的研究还有所欠缺，对各个方向的抗剪机理尚不清楚，但研究发现，新旧混凝土层间的抗剪强度与抗压强度有一定相关性，约为抗压强度的0.1左右。若能采取措施提高3D打印混凝土的层间黏结强度和抗压强度，其抗剪性能也能得到改善。

2   增强措施
如前所述，层间薄弱是制约3D打印混凝土发展的关键问题。同时，工艺的独特性使配筋更困难。因此，探究改善力学性能的增强措施至关重要。关于提高层间黏结强度，国内外学者在材料和工艺方面做了大量研究，见图5。

MARCHMENT等提出了通过在打印层之间增加黏结层来提高有效接触面积，从而提高层间黏结强度的打印方法，见图 5 （a），层间抗拉强度可提高59%。ZAREIYAN等将互锁结构应用到3D打印中，通过层间咬合增大接触面积，可提高层间黏结强度17%左右，见图 5 （b）。LI等采用90 ℃蒸汽养护，抗折强度可达到标准养护和水养护的4倍左右。此外，打印路径决定了纤维的走向，所以选择适当的打印路径不仅能降低孔隙率，还能改变纤维分布方向，从而改善打印构件的力学性能。GOSSELIN等考虑工艺的诸多约束条件对打印路径进行了优化，打印出了超高强混凝土（UHPC）构件，对取芯试件进行四点弯曲试验，测得的抗折强度可达14.3 MPa。关于配筋，已有研究采用人工布筋的方法来提高3D打印混凝土的力学性能，比如上海某公司通过两个喷嘴在预先铺设的钢筋两侧进行打印，见图 5（c），实现了竖向和水平向的配筋，并成功打印出400 m2的两层建筑。但人工介入使3D打印丧失了自动化的意义。有学者将钢索直接置入喷嘴，使其在挤料的同时挤出钢索，见图 5（d），结果表明，抗折强度可提高2~5倍以上；但钢索只能沿着打印方向单一布置。MARCHMENT等提出在打印的同时嵌入钢索网的增强方法，见图 5 （e），抗折强度能提高170%~290%。

综上，从黏结强度、布筋工艺和打印工艺等方面采取措施可大幅改善3D打印混凝土的力学性能，但部分增强方法仍处在研究阶段，在应用上仍存在较多工艺问题亟待解决。

3   总结与展望
混凝土3D打印技术作为一种新型智能化建造技术，具有广阔的发展前景，同时也面临着诸多挑战。在力学性能方面，3D打印混凝土具有以下特性：

（1）层间孔隙率的增大形成了薄弱界面。这导致力学强度在沿打印方向上降低的程度大于其他方向，从而表现出明显的各向异性。对于纤维混凝土，沿打印方向定向分布的纤维能提高该方向的抗拉强度，但同时会引入更多的层间空隙而降低层间黏结强度。因此，其各向异性更加显著。

（2）改善3D打印混凝土力学性能的关键在于提高层间黏结强度。调整材料组成、降低打印间隔时间、控制水分蒸发、改善养护环境等均能改善打印质量，改善后的力学强度可以达到甚至超过传统浇筑试件。

（3）无模板施工使得表面水分更易蒸发而形成更多干缩裂纹，这对后期的强度发展及耐久性不利。应采取水浴养护控制水分蒸发，减缓干缩现象。

需要研究和解决的问题：
　　（1）层间黏结强度决定着3D打印混凝土的各项力学性能，提高层间黏结强度的工艺措施仍有待深入研究。
　　（2）已有研究大多集中在水泥砂浆和纤维增强水泥基材料方面，而粗骨料打印和配筋打印技术还不够成熟。
　　（3）尚没有专门针对3D打印混凝土力学试验方法的规范，各学者的试验大多遵循普通混凝土力学性能的试验方法进行。需要建立一定的标准，对3D打印混凝土的本构模型进行深入研究。

随着研究的不断深入，3D打印混凝土的力学性能不断得到改善，3D打印技术将在建筑工程领域得到更广泛的应用。