3D打印再生聚氯乙烯砂漿可打印性及力學各向異性研究

摘 要： 為了研究再生聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）摻量對3D打印砂漿可打印性及力學性能的影響，配制了4種不同PVC摻量的3D打印砂漿，探究了不同PVC摻量對擠出性和建造性的影響，從而判斷其可打印性.通過研究不同PVC摻量對3D打印砂漿密度、吸水率以及在X、Y和Z方向上的抗壓性能和抗折性能的影響，探討力學各向異性.結果表明：隨PVC摻量增大，打印PVC砂漿可擠出性提高，建造性變差；表觀密度減小，吸水率增大；抗壓強度和抗折強度均下降；砂漿抗折強度力學各向異性加劇.X軸方向抗壓強度最高，Y軸方向抗折強度最高.砂漿抗壓強度各向異性在后期更明顯，抗折強度在前期更顯著，且摻加PVC顆粒對抗折強度力學各向異性整體影響更大.

關鍵詞： 3D打印；聚氯乙烯砂漿；可打印性；力學性能；各向異性

中圖分類號：TU528.041 文獻標志碼：A 文章編號：1673-4807（2025）01-057-08

Study on printability and mechanical anisotropy of3D printed recycled PVC mortar

WU Jinwei，PAN Zhihong ZHOU Juanlan，ZHENG Hongrun，ZHANG Xuan

（School of Architecture and Civil Engineering，Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212100， China）

Abstract：[WT]In order to study the effect of recycled polyvinyl chloride （PVC） content on the printability and mechanical properties of 3D printed mortar， four kinds of 3D printed mortar with different PVC content were prepared. The influence of different PVC content on extrudability and constructability was investigated， so as to judge its printability. The mechanical anisotropy of 3D printed mortar was investigated by studying the effect of different PVC content on density， water absorption， compressive and flexural properties in X、 Y and Z directions. The results show that the extrudability of printed PVC mortar increases and the constructability deteriorates with the increase of PVC content. The apparent density decreases and the water absorption increases， and both compressive strength and flexural strength decrease. The mechanical anisotropy of mortar flexural strength has intensified. The compressive strength in the X direction is the highest， and the flexural strength in the Y direction is the highest. The anisotropy of the compressive strength of mortar is more obvious in the late stage， the flexural strength is more significant in the early stage， and the addition of PVC particles has a greater effect on the anisotropy of flexural strength mechanics.

Key words：3D printing， polyvinyl chloride mortar， printability， mechanical property， anisotropy

砂漿為應用最廣泛的建筑材料.作為細骨料的天然河砂因地域儲備、運輸與國內限采政策情況影響，優質資源日趨匱乏.聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）是一種廣泛使用的材料.將廢棄PVC回收處理后替代部分細骨料應用于3D打印再生砂漿，有望成為緩解優質資源匱乏和廢棄塑料大量堆存的有效途徑.3D打印砂漿技術作為建筑科學與工程領域一個熱門研究方向，利用3D智能建模、計算機及自動化控制技術，將早強速凝的砂漿逐層堆積，從而實現三維智能布料.有施工速度快、設計建造自由度高以及大量減少人力與施工成本支出等優點[1-3].

采用廢棄材料生產再生骨料是建筑行業重要的發展趨勢之一[4].廢石粉、陶砂、塑料、再生砂和碎玻璃等都是常見的固體廢棄物材料，摻入3D打印砂漿中取代部分細骨料，不僅降低3D打印建筑成本，而且能優化砂漿材料性能[5-9].文獻[10]用再生細骨料（recycled fine aggregate，RFA）完全替代天然細骨料（natural fine aggregate，NFA）用于3D砂漿打印.研究發現100%更換RFA對3D打印試樣的影響非常有限，在摻加適量纖維后，100%RFA混合的3D打印砂漿比100%NFA的無纖維砂漿具有更高的力學性能和更好的變形能力.文獻[11]用（polyethylene terephthalate，PET）顆粒等體積替代天然骨料制作3D打印砂漿.進行強度測試、抗凍融試驗和高溫性能試驗，結果表明，PET顆粒由于其可構建性和可擠出性而可用于3D打印但是當PET摻量達到30%～50%時，3D打印砂漿強度大幅下降.在抗凍融試驗后，樣品強度降低達80%，而暴露在超過PET熔點的溫度下會導致樣品的抗壓強度下降68.8%.文獻[12]研究發現隨著再生玻璃在3D打印混凝土中摻量增加，動態屈服應力與塑料粘度均會增加.文獻[13-14]使用再生PVC替代部分細骨料摻入混凝土與砂漿中，發現隨摻量增加，混凝土與砂漿抗壓強度先增大后減小.使用硅烷偶聯劑對PVC表面改性后，28 d抗壓強度與抗彎強度均有提高.

目前，尚無3D打印PVC砂漿材料制備研究.基于此，文中用再生PVC顆粒等體積替代部分細骨料，并探究了PVC摻量對3D打印砂漿可打印性、物理性能與力學性能及其力學各向異性的規律，判斷3D打印PVC砂漿的可行性.

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥為山東諸城市楊春水泥有限公司生產的楊春牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥性能指標見表1；細骨料為普通河砂，中砂，細度模數2.7，表觀密度為2.61 g/cm3，級配曲線見圖1；粉煤灰采用 II級；硅灰為河南鼎諾進化材料有限公司生產的普通淺灰色微硅灰，SiO₂≥92%；拌合水為普通自來水；減水劑為聚羧酸系高性能減水劑粉，減水率32%；增稠劑為惠得利牌羥乙基甲基纖維素，牌號為10WS；消泡劑為聚醚消泡劑，PH值為6～8；玄武巖纖維為上海臣啟化工科技有限公司生產的6 mm短切玄武巖纖維，玄武巖纖維性能指標見表2；再生PVC塑料顆粒為由東莞市鴻韜高分子科技有限公司生產，原材來自車棚用的廢棄PVC膜材，回收粉碎沖洗，送入塑料熱解爐加熱融化后，將其呈條狀擠壓到水槽冷卻切割成小顆粒，顆粒呈黑色短圓柱狀，再生PVC性能指標見表3.

試驗制備了4種不同PVC摻量的3D打印砂漿，膠砂質量比為1∶1，水膠質量比為0.24，PVC的體積摻量分別為0、5%、10%、15%，配合比見表4.4組砂漿復合細骨料級配曲線見圖2.

1.2 打印參數及可打印性測試方法

采用分HC-3DPRT型砂漿3D打印機，設置打印參數為單層高度10 mm，擠出寬度30 mm，水平移動速率50 mm/s，豎向提升速率5 mm/s，打印頭距試驗所鋪設塑料薄膜墊10 mm.

為保證后續試驗打印過程中條帶連續且均勻、表面光滑無裂紋與擠出建造砂漿模型穩定，先對3D打印PVC砂漿擠出性及建造性進行評估.擠出性能評判參考文獻[15]，[JP]設計如圖3（a）7個打印往返過程，每段540 mm，總長度3 780 mm，若打印過程流暢且打印條帶無斷裂，則說明滿足基本3D打印砂漿擠出性能要求.建造性能測試參考文獻[16]，進行長200 mm單條砂漿連續堆疊直至倒塌，模型設計如圖3（b），通過記錄比較砂漿倒塌或有較大局部變形前最大有效堆疊層數、最大有效實際建造高度與設計高度差異判斷建造性能的好壞.

1.3 表觀密度和吸水性測試

表觀密度和吸水性是砂漿材料的兩種基本物理性能.用電子秤稱量砂漿試塊質量并采取排水法測量砂漿的體積，計算3D打印PVC砂漿的表觀密度.養護28 d齡期的試件在（60±5）℃溫度下烘烤48 h后稱重，并將烘干后的砂漿浸入水中48 h，取出擦干表面并稱量，計算3D打印PVC砂漿吸水率.

1.4 樣品制備及力學性能測試

試驗使用條形打印線段填充方式，分別打印用于抗壓抗折性能測試的矩形砂漿試塊，尺寸為300 mm×300 mm×100 mm與540 mm×240 mm×60 mm，見圖4.于常溫養護24 h后，送入標準養護室分別養護3、7和28 d.養護至規定齡期后，參考文獻[17]力學試驗所用構件，依據JGJ/T 70-2009 《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》，將用于抗壓抗能測試的砂漿試塊切割打磨成尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體，依據GB/T 17671-2021 《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》，將用于抗折性能測試的砂漿試塊切割打磨成尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體，分別測試3、7和28 d抗壓抗折強度.考慮機器量程與試件試驗荷載相匹配，則抗壓試驗加載機器采用2000KNWAW-2000型號微機控制電液伺服萬能試驗機，抗折試驗加載采用HYZ-300.10A恒載水泥抗折抗壓試驗機，試驗加載機器如圖5.

抗壓強度測量為靜態加壓，加載速度為0.5 MPa/s，抗折強度測量為三分點靜載，加載速度為0.05 MPa/s.為研究3D打印PVC砂漿力學性能各向異性，分別對切割后的試件施加3個方向X、Y、Z的荷載，荷載施加方向X、Y、Z與實際打印試件坐標方向相一致，并觀察破壞形態.加載方向見圖6.

2 試驗結果與分析

2.1 3D打印PVC砂漿可打印性測試

2.1.1 擠出性測試

根據圖3（a）擠出性模型路徑如圖8（a～c），分別用A0、A5、A10和A15共4組配合比進行擠出性測試.擠出性測試結果如圖7，砂漿擠出過程中，打印機內攪拌桿與打印頭處均無堵塞現象，每條所打印的砂漿條帶均無斷裂現象，擠出性良好.

2.1.2 建造性測試

打印圖3（b）所示建造性測試模型，圖8為4組3D打印PVC砂漿配合比最大建造層數.打印最大層時實際建造高度與設計高度數據比較匯總于表5.

試驗結果表明，隨著PVC摻量的提高，3D打印砂漿條帶有效最大堆疊層數降低，建造性變差.砂漿條帶堆疊實際最大高度與預計模型高度差值均在3 mm以內，4組打印模型豎直方向高度變化率為08%～1.7%.無PVC摻量時，可建造高度明顯高于其他組.如圖8（a～c），PVC摻量在0～10%時均是達到最大打印高度后，[JP2]產生失穩發生整體倒塌.A10組于打印第6層時發生小范圍局部變形，但后續砂漿條帶疊加覆蓋仍可維持整體穩定.當PVC摻量為15%時，由圖8（d）可見，在打印17層時發生變形且后續打印過程未恢復正常，于打印20層時發生整體倒塌，因此判定最大有效層數為17層.發生局部變形的原因是在砂漿條帶堆疊的過程中，隨著PVC摻量增大，下層砂漿變形與流動趨勢變大，且由于無側向支撐，最終使砂漿整體失穩倒塌.

據相關研究顯示，PVC具有較多的亞甲基基團（-CH2-）、（-CHCI-）等非親水基團，導致PVC疏水性較強[18]， PVC吸水率為0.1%～0.4%遠小于細骨料[19]，會導致自由水的增加，從而增加漿體的流動性.這是PVC摻量增大使砂漿漿體變形流動趨勢增大的主要原因.

2.2 3D打印PVC砂漿表觀密度與吸水率測試

砂漿的表觀密度是指在不考慮混凝土中氣孔體積的情況下，混凝土的質量和體積之比.表觀密度測量是為了探究PVC摻量變化對砂漿密度與砂漿內部結構緊密程度的影響.一般當砂漿表觀密度增大時，內部氣孔體積減小，結構更緊密，力學性能強度增大，且不易受到環境侵蝕與破壞，具有更好的耐久性.

為進一步判斷砂漿內部孔隙大小，測試了砂漿吸水率，吸水率是指在一定溫度、濕度和時間條件下混凝土所吸收的水分的重量與混凝土干燥質量的比值.吸水率不僅可以很好地反映砂漿內部孔隙結構狀態，也可以評估其耐久性.當吸水率增大時，砂漿內部密實性變好，力學性能與耐久性變強.

因為試樣不同切割方向對表觀密度與吸水率影響不大，故僅計算統計4組配合比樣品28 d的立方體試塊表觀密度及吸水率，繪制折線圖，見圖9.

由圖9可知，隨著PVC摻量的增加，砂漿表觀密度減小，近似成反比，斜率K1約為-5.7.同時吸水率增大，近似正比，斜率K2約為1.3.究其原因，從材料物理性能分析，細骨料的密度為2.61 g/cm3，而再生PVC顆粒密度約為1.5 g/cm3，砂漿中PVC等體積取代細骨料是造成表觀密度下降的主要原因.從微觀作用分析，由于PVC疏水性，無法與砂漿水泥基材緊密結合，PVC摻量增大引起成間隙變多.相關研究發現PVC摻加量分別為0、5%、10%、20%時，孔隙率分別為7.1%、9.5%、162%、20.6%[20]，[JP2]說明塑性骨料的存在，誘導孔隙率的增加.未浸水前間隙被氣體填充，浸水后間隙被水填充，吸水質量增大，且吸水率為樣品吸水質量與樣品干質量的比值，這造成樣品吸水率增大.

2.3 力學性能

砂漿條帶通過層層堆疊的方式建造構件，導致3D打印PVC砂漿因不同加載方向而力學性能存在巨大差異，即存在力學各向異性[21-22].圖10為4組不同PVC摻量（0、5%、10%、15%）不同受力方向（X、Y、Z）不同齡期（3、7、28 d）的抗壓抗折性能測試結果.[FL）]

通過比較不同摻量PVC的砂漿樣品的抗壓抗折強度，不難發現，隨再生PVC摻量增加，打印樣品的抗壓強度與抗折強度總體均呈下降趨勢，且樣品早期強度下降幅度更大.加入3組不同摻量PVC的樣品較空白組樣品，3 d抗壓強度分別約下降6%、14%、22%，抗折強度分別下降9%、17%、29%；28 d的抗壓強度分別下降4%、10%、16%，抗折強度分別下降5%、13%、24%.這主要是由于PVC表面較為光滑，在界面過渡區處，PVC和水泥基材之間缺乏粘接力，造成水泥漿體和塑性骨料之間的粘合不良，這是摻加PVC導致的強度下降主要原因.

縱觀不同齡期砂漿樣品，4組PVC砂漿樣品3d與7d的抗壓強度平均值分別達到28 d的57%～62%和81%～86%.4組PVC砂漿樣品3 d與7 d的抗折強度平均值分別達到28 d的59%～65%和82%～89%.普通砂漿3 d時強度達28 ""d的30%、7 d時強度達28 d的50%，[JP2]而3D打印砂漿強度發展速率遠大于普通砂漿，這是因為3D打印砂漿不需要模板，為了確保擠出材料可以快速成型并具有一定的早期強度來承受上層的重量，因此摻加減水劑與增稠劑等多種添加劑，以保證3D打印砂漿的可打印性的同時，也造成了砂漿早期強度的增大.[JP]

2.4 力學各向異性評價

評價樣品力學各向異性，實質上是評價各個方向上力學強度數值的離散程度.引用數學思想，可引用極差、方差、標準差、平均差、異種比率和離散系數等思想.為探究各個方向強度具體離散程度差異，以及4組PVC摻量砂漿組間力學各向異性，參考文獻[16]給出的不同加載方向強度均值的差異率公式，評價各個加載方向上的力學差異；文獻[23]給出的各向異性指數計算方法，綜合評價各組力學各向異性大小：

結果表明，所有齡期3D打印PVC砂漿樣品無論PVC摻量大小，抗壓強度與抗折強度均有明顯的力學各向異性.抗壓強度力學各向異性總趨勢為Xgt;Zgt;Y.3D打印砂漿樣品由水平和垂直平面上的多個砂漿條帶疊加組成.X方向上抗壓強度最大，是由于砂漿條帶延伸方向與加壓荷載方向一致，發揮“短柱”效應[24].Z方向強度高于Y方向，其原因是砂漿漿體在被擠出的過程中，被攪拌桿旋轉擠壓受到顯著的壓力，使砂漿在Z方向上更密實.而在Y方向上，因為打印時四周均無約束，所有密實性略有欠缺.抗折強度力學各向異性總趨勢為Ygt;Zgt;X.究其緣由，樣品受X軸方向受力時，跨中受拉，拉力與砂漿條帶延伸方向垂直，且砂漿條帶間存在層間縫隙，粘結性能較弱.樣品層間及條帶間縫隙如圖11.在Y、Z軸受力時，拉力平行于砂漿條帶延伸方向垂直.因此強度較Y、Z軸較差.

由表6與表7知，同摻量PVC時，3 d，7 d，28 d三軸方向上抗壓強度均值差異率Ni極差和分別為42.48%、43.97%、47.25%，28d較3 d與7 d增大了7%～11%，說明3D打印砂漿抗壓強度各向異性在砂漿后期表現得更為明顯.而抗折強度卻剛好相反，3 d，7 d，28 d三軸方向上抗折強度均值差異率Ni極差和分別為104.87%、103.33%、96.23%，3 d較7 d和28減小了2%～9%，前期樣品砂漿抗者強度各向異性更為顯著.

在本試驗中，PVC摻量為5%、10%、10%的3組與空白組的樣品相比，砂漿抗折強度各向異性指數Ia逐級提高，表明PVC摻量增大會導致樣品抗折強度各向異性加劇，而PVC摻量變化對砂漿抗壓強度力學各向異性無顯著影響.同時，樣品抗壓抗折強度Ni范圍在-6.1%～6.8%與-15.08%～17.94%，各向異性指數Ia范圍是0.065 1～0.088 6與0.158 4～0.226 9.且摻加PVC顆粒對抗折強度力學各向異性整體影響更大.

2.5 破壞形態

圖12（a）、（b）、（c）是齡期為28 d、PVC摻量為15%的3D打印砂漿原試件切割成標準抗壓試件后，分別以原打印試件坐標軸X、Y、Z方向進行施加荷載的抗壓性能測試各平面破壞形態圖，圖12（d）是現澆試塊受壓破壞形態圖.

試驗中，現澆試塊首先在試塊邊緣位置產生裂縫，逐漸向中央延伸，而3D打印砂漿試件受壓先產生局部破壞，在持續受壓的過程中，裂縫向兩端延伸形成貫穿裂縫.如圖12（a）、（c），X和Z方向受壓時，主要在砂漿條帶間產生裂縫，X方向上受壓極限荷載為390.5 kN，Z方向上受壓極限荷載為359.9 kN，如圖12（b），在Y方向受壓時，砂漿樣品先是出現第一條豎向層間裂縫，此時荷載大小為254.9 kN，其后豎向裂縫逐漸擴張延伸，此時荷載大小為340.7 kN，而后裂縫逐漸沿砂漿條帶間縫隙發展產生橫向裂縫，此時極限荷載大小為346.8 kN，裂縫變化過程見圖13.這主要是因為樣品Z、X方向缺陷主要存在于砂漿條帶間，而Y方向在于砂漿層間.同時由于樣品在打印時，砂漿條帶擠出疊加時存在擠出壓力與砂漿重力作用，層間缺陷小于條帶間，因此Y方向受壓時，裂縫有向砂漿條帶間發展的趨勢，形成橫向裂縫.裂縫的產生是由于荷載作用下，砂漿樣品內的孔隙發生連續破壞并連通.在3D打印砂漿中，這種現象主要發生于砂漿條帶的層間與條帶間粘結處，所以外在裂縫主要出現在砂漿條帶間與層間，且受加載方向與打印方式的影響[25].

3 結論

文中制備不同摻量3D打印PVC砂漿，研究其可打印性，并通過3D打印的形式實現砂漿的筑造，測試了X、Y、Z3個方向上的抗壓性能與抗折性能，得到以下結論：

（1） 隨著再生PVC摻量的提高，3D打印砂漿條帶擠出時均無斷裂現象，擠出性良好，但有效最大堆疊層數降低，建造性變差.表觀密度減小，吸水率增大.

（2） [JP2]再生PVC的摻加降低了3D打印砂漿抗壓強度與抗折強度，且于早期更加明顯.但文中配合比的砂漿抗壓強度與抗折強度可達61.1～73.2 MPa和14.4～18.9 MPa，且有很高的發展速率，抗壓強度3 d與7 d分別可達28 "d強度的57%～62%和81%～86%，抗折強度可達59%～65%和82%～89%.[JP]

（3） 3D打印再生PVC砂漿抗壓強度與抗折強度均有明顯各向異性，且PVC摻量增大會導致樣品抗折強度力學各向異性加劇.抗壓強度力學各向異性總趨勢為Xgt;Zgt;Y.抗折強度力學各向異性總趨勢為Ygt;Zgt;X.砂漿抗壓強度各向異性在后期更明顯，抗折強度在前期更顯著，且摻加PVC顆粒對抗折強度力學各向異性整體影響更大.

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（責任編輯：顧琳）