3D打印建筑砂漿的工作性和可建造性及其影響因素

劉巧玲 趙宗志 楊錢榮

（同濟大學材料科學與工程學院，上海 201804）

0 前言

混凝土3D打印施工顛覆了傳統混凝土澆筑施工方法[1]，其擠出并疊加成型的施工特點決定了對其工作性和可建造性的要求與傳統混凝土有很大的差異[2-3]，如打印混凝土對擠出性能[4-5]、塑性變形性能[6]、粘結性能[7]、層間銜接性能[8]都有明確的要求，這必然導致打印混凝土的制備方法與傳統混凝土有根本的差別。

T.T.Le等[9]采用水泥、砂子、粉煤灰、硅粉、超塑化劑、緩凝劑、促凝劑和纖維等材料制備符合擠出施工要求的打印混凝土，并對打印混凝土的新拌性能及硬化性能進行了相關的研究，認為新拌3D打印混凝土最重要的兩項性能是擠出性能（Extrudability）和可建造性能（Buildability），而這兩項性能直接關聯工作性（Workability）和可施工時間（Open time）；該研究組提出了一系列方法來測試打印混凝土的性能，如通過打印頭擠出混凝土的連續性來評價擠出性能，采用測量土壤的切變強度的剪切葉片裝置測試新拌漿體的剪切應力來評價打印的工作性和可施工時間，采用圖像分析工具測量打印條層間孔隙率來評價打印混凝土的缺陷，但這些方法尚處于探索研究中，對于可建造性只是給出了一個概念，并沒有給出具體的評價方法，通過測試剪切應力的方法來評價打印混凝土的施工性能也顯得較為繁瑣。楊錢榮等[10-14]自行設計了一系列方法來評價打印混凝土的工作性和可建造性，如通過試驗裝置測試打印混凝土的擠出性能、可操作時間和出料連續性等來評價打印混凝土的工作性，通過測試打印混凝土的塑性變形、堆積性能和層間銜接性能等來評價可建造性能，這些方法可為3D打印混凝土的制備和性能評定提供參考與借鑒。

與傳統混凝土相比，3D打印混凝土的構成要復雜得多，膠凝材料、聚合物外加劑及骨料等對打印混凝土的性能有重要影響，開展對這些組分及其協同作用下對打印混凝土工作性和可建造性影響的研究，可為打印混凝土組成的優化設計及應用創造條件。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

硅酸鹽水泥為小野田P.II52.5；礦渣粉為S105礦粉；硅灰平均粒徑在0.15～0.20μm，比表面積為15000～20000m2/kg。減水劑為巴斯夫Melflux高效聚羧酸減水劑；乳膠粉（FX）：醋酸乙烯酯/乙烯共聚可再分散；保塑劑（HMC）自制，由纖維素醚、木質纖維等組分復合加工而成；塑化劑（KHC）自制，由淀粉醚、觸變潤滑劑等組分復合加工而成。石英砂粒徑分別為30-60目、70-100目。

1.2 測試方法

1.2.1 擠出性能

3D打印建筑砂漿的擠出性能的測試方法參照文獻[14]中擠出性能測試方法進行。

測試裝置見圖1。

圖1 3D水泥砂漿打印機Fig.1 3D Mortar Printer

1.2.2 堆積性能

3D打印建筑砂漿的堆積性能的測試方法參照文獻[14]中堆積性能測試方法進行。

1.2.3 層間銜接性能

3D打印建筑砂漿的層間銜接性能的測試方法參照文獻[14]中層間銜接性能測試方法進行。

1.2.4 砂漿流動度和容重

砂漿流動度按照GB/T 2419-2005《水泥膠砂流動度測定方法》中的規定進行。砂漿容重按照JGJ/T70-2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》中的規定進行。

1.3 試驗方案

通過前期對3D打印建筑砂漿的力學性能、工作性能的試驗研究[15]，發現FX、HMC和KHC對3D打印建筑砂漿性能的影響較大，本文主要研究FX、HMC和KHC不摻、單摻、兩兩復摻和三摻情況下的新拌3D打印建筑砂漿的工作性和可建造性，探討礦物摻和料及骨料等對其性能的影響。具體的配比見表1，各組分摻量為質量百分比，水膠比為0.4。

表1 3D打印建筑砂漿配合比Tab.1 Mix of 3D printing mortar

2 結果與討論

2.1 擠出性能

表2為本試驗研究的新拌3D打印建筑砂漿的擠出性測試結果。

表2 3D打印建筑砂漿擠出性試驗結果Tab.2 Extrudability test results of 3D printing mortar

通過J-0、L-0組的對比可以看出，采用純水泥或摻加礦物摻和料的砂漿在不摻聚合物的情況下均不能被擠出，且純水泥漿體水料分離均質性非常差。當在純水泥漿體中同時摻加FX、HMC和KHC之后（L-1），其擠出性能立即得到很大的改善，90s擠出了264g漿體材料，流動度和容重較參照配比有所減小。在此基礎上復摻礦物摻和料后（J-5），擠出性能進一步得到提高，90s擠出了414g漿體材料，其流動度和容重進一步降低。因此，復合摻加FX、HMC和KHC及復摻礦物摻和料可顯著改善打印砂漿的泵送擠出性能。

由試驗結果可看出，水泥與礦物摻和料復合使用情況下，FX和KHC分別單摻和復摻時，當泵速控制在30L/h，漿體也不能被擠出；而當HMC單摻時（L-2），打印砂漿90s的擠出量為325g；當HMC與FX復摻時（P-2），90s的擠出量為453g；而當HMC與KHC復摻時（P-1），泵送阻力較大，擠出性變差，泵速為30L/h時打印砂漿無法擠出，只有將泵速提高到40L/h時，打印砂漿才可擠出；當HMC、KHC和FX同時摻加時（J-5），90s的擠出量為414g，此時，采用40-60目骨料替代50%的70-100目骨料（J-4），打印砂漿的流動度和容重有所增加，而擠出性能有所降低。

已有研究表明，適合3D打印的建筑砂漿，其流變性能參數，如表觀粘度、屈服應力和觸變性有一個合適范圍，此范圍內的打印砂漿具有較好的擠出性能和打印性能[16]。打印砂漿沒有添加聚合物時表觀粘度、屈服應力和觸變性均很小，而摻加KX、KHC后對打印的表觀粘度、屈服應力及觸變性影響均不大，即此種情況下，打印砂漿的粘聚性較低、保水能力較差，在泵送時易受擠壓而產生離析泌水，導致堵管，無法擠出。摻加HMC和礦物摻和料后，打印砂漿的表觀粘度、屈服應力以及觸變性增大，HMC與FX復摻或與FX、KHC三摻時可發揮協同效應，在合適摻量下可以得到較適合3D打印的觸變性、粘度及屈服應力，有利于3D打印建筑砂漿的傳送與堆積[17-18]。但當粘度和屈服應力過大，泵送阻力顯著增加，也會造成堵管，使得打印砂漿難以泵送擠出[16]。在復摻聚合物的基礎上，摻加礦物摻和料和調整骨料的顆粒級配有助于改善打印砂漿的擠出性能。

由圖3可見，3D打印建筑砂漿的擠出性能與流動度及容重之間的相關性不大，即使流動度較大，3D打印建筑砂漿也完全有可能無法被正常擠出。從試驗結果看，當漿體粘聚性較差時，其流動度相對較大，反而對漿體擠出性能不利。由此，傳統的砂漿流動度無法有效表征3D打印砂漿的擠出性能。試驗發現，當容重大于2000kg/m3時，打印砂漿均不能被擠出，這是由于容重大于2000kg/m3的砂漿中未摻加聚合物，難以滿足打印砂漿工作性的要求。本試驗中可順利泵送擠出的5個配比砂漿中均摻加有HMC，由此說明HMC對于改善打印砂漿的工作性能是有效的。

圖3 3D打印建筑砂漿擠出性與流動度（a）和容重（b）的關系Fig.3 The relationship between extrudability and fluidity(a) or bulk density(b) of 3D printing mortar

HMC的主要成分是纖維素醚，纖維素醚的長鏈結構決定了其溶液具有很高的粘度，在摻量增加的情況下，砂漿粘度提高；打印砂漿中FX可以改善新拌砂漿的流動性能，含FX的干粉砂漿加水攪拌時，聚合物顆粒自行分散，并不會同水泥粘聚，使砂漿的表觀粘度較低，改善砂漿的和易性；打印砂漿中的KHC主要是對纖維素醚的長鏈結構起著“固定”作用，改善其塑性變形性能。當HMC與FX、KHC共同使用時，可表現出較好的協同工作性，賦予打印砂漿良好的可擠出性、抗墜滑性能和粘結性能。此外，由于纖維素醚中含有烷基基團，使其水溶液的表面能降低，加入纖維素醚后液體不但容易引入氣泡，且氣泡膜的韌性也較純水氣泡的韌性高，減少了排水作用，因此可使引入的氣泡不破裂，不容易被排出，也就是纖維素醚具有突出的引氣作用，從而使打印砂漿的容重明顯下降[19]。但需要指出的是，打印砂漿擠出性能是諸多因素共同作用的結果，砂漿的容重與擠出性能之間并沒有必然聯系。

2.2 出料連續性

表3為本試驗在3D打印建筑砂漿的擠出性試驗結果的基礎上進一步研究打印材料的出料連續性。出料連續性指打印材料在固定的泵送驅動力下，通過打印擠出裝置能夠連續均勻擠出的能力，即擠出的打印條的寬度、厚度均勻且連續。試驗中以打印材料能夠均勻、連續擠出的打印條的最大長度作為該配比材料的出料連續性。測試時，泵速固定為30L/h，當擠出條的寬度變窄或出現斷裂時即停止泵送，測量已擠出的擠出條長度。

表3 3D打印建筑砂漿的出料連續性試驗結果Tab.3 Results of discharge continuity of 3D printing mortar

通過表2和表3可以看出，單摻聚合物HMC時，漿體的連續性較差；當HMC與FX復摻時，漿體的連續性得到了很大的改善；當HMC、FX和KHC同時摻加時，漿體的連續性依舊保持較好。HMC與FX復摻或與FX、KHC三摻，打印砂漿可獲得較適合的流變性能，不但有利于3D打印建筑砂漿的擠出，也有利于穩定的傳輸。與J-5組相比，當采用純水泥為膠凝材料時（L-1），漿體的連續性有所提高；而改變漿體的骨料級配，以較粗的砂替代部分細砂作為3D打印建筑砂漿的骨料時（J-4），漿體的連續性明顯變差，擠出條的寬度不均勻，且時斷時續。

由圖4知，3D打印建筑砂漿的出料連續性與流動度之間也不存在相關性，當打印砂漿的流動度較大或較小時，打印砂漿均可能具有良好的出料連續性，即使在流動度接近的情況下，打印砂漿的出料連續性也可能存在很大的差別，因此，采用傳統流動度無法有效表征打印砂漿的出料連續性。

圖4 3D打印建筑砂漿的出料連續性與流動度的關系Fig.4 Relationship between discharge continuity and fluidity of 3D printing mortar

2.3 堆積性能

本試驗在以上對材料可擠出性、出料連續性測試的基礎上，選取可用于3D打印擠出試驗的配比，進一步測試其堆積高度，表4為新拌漿體堆積高度試驗結果。

通過表4可以看出，采用純水泥且在HMC、FX、KHC三摻情況下（L-1），打印砂漿的豎向變形非常大，有效堆積高度為0，不能形成有效堆積；而采用復合膠凝材料體系、單摻HMC的砂漿（L-2）的豎向變形明顯得到改善，但橫向變形較大，理論和實際堆積高度都增大，但還不能形成有效堆積。在此基礎上再復摻FX（P-2），砂漿豎向變形明顯增加，但橫向變形顯著降低，理論和實際堆積高度均降低，也不能實現有效堆積；當同時摻加HMC、FX和KHC三種聚合物時（J-5），砂漿的豎向變形和橫向變形均較小，理論堆積高度和實際堆積高度之差在理論堆積高度的15%以內，可滿足打印要求，有效堆積高度為24.5cm。

表4 3D打印建筑砂漿堆積高度試驗結果Tab.4 Results of stacking height of 3D printing mortar

由此可知，當復摻礦物摻和料且HMC、FX和KHC同時摻加時，才可以保證打印材料在較小的形變下具有較大的堆積高度。圖5為堆積高度測試時J-5的打印樣品，圖5(a)是堆積高度測試時打印到最大極限高度時坍塌樣品，圖5(b)是在圖5(a)基礎上減少2層進行打印的試驗樣品。

圖5 堆積高度測試樣品Fig.5 Test of stacking height

2.4 層間銜接性能

為了進一步研究可打印砂漿在實際打印過程中打印構件的層間銜接性能，采用自主設計的方法測試打印砂漿的空隙率來表征其層間銜接性能，試驗結果如表5所示。試驗結果還與打印建筑砂漿的流動度、容重和豎向變形做了比較。

表5 3D打印建筑砂漿層間銜接試驗結果Tab.5 Results of inter-layer bonding performance of 3D printing mortar

從表5可見，不同配比打印砂漿的層間銜接的測試結果差別并不顯著，從試件的剖面來看（圖6），采用上述配比打印的構件層與層之間并沒有明顯的缺陷，總體來說均可形成較好的銜接。

圖6 打印構件層間剖面圖Fig.6 Sectional view of 3D printing building components

此外，從表5可看到，流動度、容重與空隙率之間沒有太大的關系，而豎向變形與空隙率有一定的關系。如圖7所示，豎向變形增大，空隙率相對降低，打印層之間更容易形成緊密銜接。但應指出的是，打印構件的層與層之間銜接只有在打印漿體形成良好的堆積時才有意義，因此，此處的測試數據僅作參考，相關測試及評價方法有待進一步完善。

圖7 3D打印建筑砂漿豎向變形與層間銜接的關系圖Fig.7 Relationship between vertical deformation and inter-layer bonding performance of 3D printing mortar

3 結論

1）不摻聚合物或FX、KHC單摻及兩者復摻時，3D打印建筑砂漿的擠出性較差，摻加HMC有利于打印砂漿的擠出，且HMC與FX復摻后可進一步改善打印砂漿擠出性能。

2）HMC、FX復摻或HMC、FX、KHC三摻時，3D打印建筑砂漿均具有較好的連續性；采用較粗的砂取代部分細砂后打印砂漿的連續性變差。以純水泥作為3D打印建筑砂漿的膠凝材料，打印砂漿的連續性較好。

3）HMC、FX和KHC單摻、雙摻或采用純水泥為膠凝材料時，打印建筑砂漿難以形成有效堆積，當復摻礦物摻和料且FX、HMC和KHC同時摻加時，打印材料具較小的形變，且可實現較大的堆積高度。

4）由試驗得到的配比打印建筑構件時，層間銜接良好，層與層之間沒有出現物理分層和其他宏觀缺陷。

5）打印砂漿的工作性、可建造性與其流動度或容重之間沒有必然關系；傳統的砂漿流動性無法有效表征3D打印砂漿的工作性。