3D打印混凝土可建造性的評估方法

謝麟，羅啟靈，于坷坷★

（1.深圳大學土木與交通工程學院，廣東 深圳 518060；2.深圳市寶安區住房和建設事務中心，廣東 深圳 518126）

由于擠出型3D打印混凝土技術已經成熟，目前3D打印混凝土主要指擠出型3D打印。不同于傳統混凝土澆筑到模板中的施工方式，3D打印混凝土通過打印機擠出，施工不需要模板；但對工作性能要求更高，為保證混凝土能夠順利擠出，其流變性需滿足一定要求，此外膠凝材料組成及配合比設計也與普通澆筑混凝土不同，因此需要對3D打印混凝土的工作性能進行評估。現有評估混凝土工作性能的方法不能直接適用于3D打印混凝土，所以需要新的測試方法評估其工作性能。

3D打印混凝土的可建造性指混凝土在經過3D打印機擠出后支撐起自重及上部傳遞的荷載并且維持形狀穩定性；不僅要求打印混凝土具有良好的流變性能，還要求打印條具有均勻連續的寬度和厚度。本文基于目前國內外最新關于評估3D打印混凝土可建造性的成果，結合3D打印混凝土的實踐經驗，提出了關于3D打印混凝土的可建造性評估方法。

1 研究現狀

理想的可建造性是混凝土在擠壓后可以保持形狀并承受上部載荷而不會變形。目前國內外對3D打印混凝土的可建造性研究分為實際測量、理論計算。見表1。

表1 可建造性評價方法

1.1 國內研究現狀

Zhang Y等[4]通過開發一種高可建造性與流變性能的3D打印混凝土材料，證明了流變性能與可建造性具有密切聯系。Ma G W等[5]評估了可建造性和可擠出系數，提出了流動性、凝結特性、剛度三種性能的優化打印參數設計方法，試驗表明在相同的擠出速率下，材料的流動性隨時間增加而降低，擠出的混凝土細絲變薄，最終無法擠出。張心穎[6]測試材料的密度和凝結時間；設計5種打印方案對比層數、齡期以及剪切應力，進行無側限單軸壓縮重復試驗，用這些數據建立數值模型，分析了打印速度、打印層高、打印時間間隔對可建造性的影響，此外還評估了大尺度異形拱的3D打印可建造性。

1.2 國外研究現狀

Perrot A等[7]研究了基礎層厚度對結構整體穩定性的影響，指出結構的失穩主要由第1層的坍塌和自身屈曲引起。WolfsR J M等[8～9]研究了3D打印結構的屈曲破壞并考慮了隨時間變化的摩爾-庫倫理論；通過打印1 m直墻、5 m直墻和長邊5.0 m、短邊0.2 m的矩形結構進行同種材料的可建造性試驗，分別在21～22層、27層和46層破壞，研究表明，復雜形狀的垂直結構以及封閉結構，表現出更高的穩定性。Nerella V N等[10]提出了一種基于實踐經驗的可建造性標準，通過打印所需結構的縮小模型和根據目標結構的經濟可行性確定層與層之間的時間間隔，來評估可建造性。

2 試驗方法

2.1 間接測試理論

壓縮試驗、UUCT[2]和擠壓流動試驗更常用[1]；其他還包括旋轉流變儀、滲透測試、無損超聲波測量和三軸壓縮測試。

UUCT可以測定3D混凝土不同齡期的抗壓強度和楊氏模量；此外，可以計算這些參數隨時間的變化速率。CRV[2]是通過旋轉流變法進行的，在選定的齡期低恒定旋轉速度下對膠凝材料試樣進行扭矩峰值的測定。約束單軸壓縮試驗（CUCT）[2]是一種直接對打印層進行單軸壓縮測量的嘗試。貫入度測試（PT）[2]通過對打印層進行穿透記錄時間、穿透深度等表征3D打印砂漿的可堆疊性。見圖1[8]。

圖1 評估可建造性的間接方法

2.2 間接測試方法

2.2.1 CRV測試

CRV測試所施加的恒定旋轉速度為0.3 r/min，不同靜止時間的峰值扭矩的測量都是在材料的單個樣品上進行，在0、1、2、3、5、10、15、20 min的靜止時間進行靜態屈服應力測量，直到達到5 000 N·mm（大約為7.2 kPa）的扭矩極限，再通過Kruger模型進行數據處理。見圖2[2]。

圖2 CRV測試

2.2.2 UUCT測試

使用D=49 mm和H≈50 mm的圓柱形試件進行無側限單軸壓縮測試，這些樣品是使用具有薄壁的金屬空心圓柱體從兩個隨后打印的層中切出的。上部載荷板直徑為49.5 mm，采用0.5 mm/s的恒定加載速率，記錄時間、力和變形，也顯示了UUCT中獲得的受力變形曲線示例以及測試前后樣品的典型外觀。每次試驗達到12 mm的垂直變形結束，測試時間為2～3 min。見圖3[2]。

圖3 UUCT：不同靜止時間和典型失效模式下的力-變形曲線

2.2.3 CUCT測試

CUCT測試類似于Jayathilakage R等[11]測試楊氏模量。測試裝置、設置參數和計算結果值的原則與UUCT相同，與UUCT不同的是計算采用了兩種方法：第一種方法包括手算分析圖形，確定力-變形曲線上線性區域的大小、抗壓強度和應變值并進一步計算出楊氏模量E，該方法的應用有助于確定線性段末端的力與最大力之比及估計被測試試件的典型變形范圍；第二種方法自動執行計算和數據分析，見圖4[2]。

圖4 CUCT：用于自動計算楊氏模量的模式

2.2.4 貫入度測試

使用快速滲透方法以0.5 mm/s的加載速率進行測試，直到達到19 mm的滲透深度，這對應于穿透器完全浸入樣品中，記錄時間、穿透力和穿透深度。

2.3 直接測試理論

2.3.1 直接打印測試

通過打印機擠出混凝土打印出特定直徑和層厚度的中空圓柱結構，直到坍塌破壞，可以直觀地顯示3D打印混凝土可建造性以及層間黏結性能[1]，還可以通過記錄過程及坍塌時刻分析破壞模式。

2.3.2 雙線性應力-應變理論

采用如下方式：

1）在混合的不同時間從3D打印中提取的圓柱體（代替澆筑圓柱體）進行改進的GCT提取雙線性應力-應變直到屈服點，從該點推導出材料特性；

2）考慮材料失效（例如塑性塌陷）或不穩定性（例如屈曲/破壞）的模型，采用GCT的材料參數（彈塑性屈服應力和模量），使用不同破壞模型預測不同時間下的破壞高度下限，為不同的3D打印混凝土開發破壞曲線。

使用雙線性理論，在不同時間得到材料的彈塑性屈服應力和模量，隨后將其用于失效模型（考慮基于材料和基于穩定性的破壞）以確定理論失效高度。在任何時間由不同失效模式給出的最低破壞高度的包絡線形成了該特定材料的失效曲線。

2.4 直接測試方法

2.4.1 直接打印測試

打印機的轉速取決于材料的性質，在打印過程開始前不久進行調整。試驗采用出口直徑為60 mm的圓形垂直導向噴嘴，打印過程以恒定打印速率50 mm/s[1]，打印直到該結構坍塌破壞才會停止，記錄打印過程及層高。

2.4.2 雙線性應力-應變準則

在GCT測試前打印一個80 mm×60 mm×120 mm的長方體，每層由3條寬20 mm、長80 mm的細絲組成，保持流速，使細絲相互重疊，以避免垂直界面處的不連續性。采用內徑50 mm、長100 mm的圓柱形鋼管對圓柱體進行抽柱GCT。管子的一端被削尖，內表面潤滑，以確保管子在不變形樣品的情況下輕松地穿過打印的長方體。移除管外多余的材料，平整試樣頂部。長方體的打印和圓柱體的提取每隔30 min重復一次，一般重復4次即可。將帶管抽出的試樣放置在位移控制試驗機的加載盤之間，然后慢慢移除帶管，將試樣釋放到位；然后將板放置在試樣的頂部并在不施加任何垂直力的情況下輕微旋轉，以確保適當的接觸。

裝載機的頂板被慢慢降低到頂面，然后向上移動以釋放負載。為了確保接觸面均勻，加載板被降低到1 mm/min的速度移動，然后負載被釋放。在此過程中引起的整體變形，通常＜0.5 mm。確保接觸面盡可能平整并且在測試時將試樣同心放置完全接觸，以避免偏心加載。

將試樣留1 min后開始試驗，采用1 mm/min的加載速率，以確保GCT中的加載速率與打印過程中的加載速率相似，GCT到達10 mm總變形量結束。

3 測試方法的比較與探討

3.1 間接測試方法的比較

3D打印混凝土可建造性的間接評估方法，試驗數據之間有很強的線性相關；但用任何一種方法都不能得到一致準確的材料失效預測。通過貫入度測試獲得的靜態屈服應力值以及CUCT評估的彈性極限抗壓強度值對打印結構中的破壞預測不夠準確，CUCT的最大抗壓強度高估了所有測試混凝土的可建造性；由于設備扭矩有限，對CRV測試的結構破壞預測低估了3D可打印混凝土的實際可建造性；UUCT既費力又費時，數據有較大離散性。

3.2 直接測試方法的比較

直接打印測試雖然能直觀反應3D打印混凝土可建造性，但工作量大；對于雙線性應力-應變準則，如果GCT結果忽略初始彈性屈服，對于屈曲倒塌，破壞高度將被低估；對于圓柱體打印試件來說塑性塌陷是結構的主要破壞形式，而當混凝土獲得更多剛度時，有向屈曲/破壞模式轉變的趨勢。使用雙線性應力-應變準則能看出3D打印混凝土不同時間對可建造性的影響，可以為3D打印混凝土提供適當的材料設計方法。

4 結論與展望

從目前最新關于3D打印混凝土可建造性的研究中可以看出，不論是間接測試方法還是直接測試方法都在往智能化的方向發展，但是這些方法都有一些不足，還有很大改進空間。在間接測試中，CUCT可以得出打印混凝土中與時間相關的彈塑性并且數據處理較為方便；直接測試方法中，雙線性應力-應變準則不僅能夠評估3D打印混凝土的可建造性，還能為其提供適合的配合比設計。

可建造性作為3D打印混凝土工作性能的重要指標之一，研究其評估方法有助推廣3D打印混凝土在建筑領域的應用。在后續的研究中可以將多種指標進行綜合，再進行數據分析，開發仿真模擬軟件，減少工作量以及試錯率，此外研發智能化的打印設備，也可以有效提高3D打印混凝土可建造性的評估。