挤出形状/尺寸对3D打印混凝土力学性能的影响

孙晓燕, 乐凯笛, 王海龙, 张治成, 陈 龙

(1.浙江大学 建筑工程学院， 浙江 杭州 310058；2.中骏集团东南区域公司， 上海 201805)

3D打印作为一种依托三维数据信息，直接生成结构模型的方法，被成功应用于多个领域[1-3].其具有智能、无模、快速和精细化成型等优点，越来越广泛地被应用于建筑工程建设.3D打印混凝土深受打印形状、尺寸、路径等参数影响，呈现空间各向异性，其力学性能演变规律异于普通混凝土.现阶段，打印参数对混凝土力学性能的影响成为研究热点[4-6].Paul等[7]研究表明：基体材料在打印过程中挤压成型，可减少孔隙，有望实现更高的强度；圆形打印喷嘴可在不同旋转角度下适应打印工序，但成型材料间隙显著增大；矩形喷嘴对打印工序的空间转动适应不良，但成型材料间隙很少，结构比较致密.Revelo等[8]针对3D打印陶瓷黏土在圆柱形打印喷嘴的挤出流变学和颗粒分布效应开展了研究，认为挤出流量与喷嘴直径呈反比.Perrot等[9]研究证实了打印挤出形状对成型材料力学强度有所影响.Geert等[10]提出打印时间间隔和界面影响因素，认为3D打印的层/条界面质量取决于挤出形状和泵出速度.现阶段常用的混凝土打印喷头尺寸形状多变，从7.0mm×15.0mm的矩形、直径为30.0mm的圆形到38.1mm×25.4mm的矩形不一而足[11-13]，但鲜有针对尺寸形状进行系统研究的报道.Wolfs等[14]曾针对小口径方喷嘴，对比研究了挤出尺寸对打印结构力学性能的影响，但由于试验趋势不稳定，并未得到两者间的关系.Feng等[15]和Ma等[16]对圆口径打印混凝土进行了28d抗压强度和抗折强度测试，但并未对不同出料形状和尺寸予以对比.目前，建筑结构设计规范将混凝土视为均质材料，而3D打印混凝土由于打印工艺导致混凝土孔隙、界面分布均呈现空间各向异性，因此原有力学分析方法不再适用，3D打印混凝土的空间力学性能评估和设计计算面临新的挑战[17-18].但也提供了一个新的研究思路，即通过控制挤出形状和尺寸来探究3D打印混凝土的孔隙空间分布规律，以探寻其宏观力学性能与微细观孔隙分布的对应关系[18-20]，从而研究挤出形状和尺寸等参数对3D打印结构力学性能的影响机制.

鉴于此，本文开展了同挤出流量下不同挤出形状成型、同挤出形状下不同挤出尺寸成型、同挤出形状和同尺寸下不同打印条排列成型混凝土断面形态、力学性能和孔隙空间分布的研究，探讨挤出形状/尺寸对3D打印成型混凝土性能的影响规律.

1 试验

1.1 原材料

3D打印混凝土由水泥(42.5快硬早强型硫铝酸盐水泥)、矿粉(S95级)、硅灰、石英砂、聚乙烯醇(PVA)纤维、减水剂和缓凝剂组成.3D打印混凝土中m(水泥)∶m(矿粉)∶m(硅灰)=5∶4∶1，石英砂中m(中粗砂)∶m(细砂)=5∶1，砂胶比1)0.3，水胶比0.16，PVA纤维掺量(体积分数)0.9%.

1.2 试件制作

利用LCT-19桌面砂浆打印机，先一次性打印出尺寸为400.0mm×400.0mm×200.0mm的大试块，然后切割为70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方体试件和40.0mm×40.0mm×160.0mm的棱柱体试件.打印试件切割示意图如图1所示.将上述2种试件在(20±2)℃和相对湿度≥95%的环境下养护至规定龄期(1、3、7、14、28d)，分别进行抗压强度和抗折强度试验.

图1 打印试件切割示意图Fig.1 Printing specimen cutting sketch(size:mm)

1)文中涉及的砂胶比、水胶比等除特别注明外均为质量比.

本文考虑同挤出流量条件下3种挤出形状(等边三角形(边长30.0mm、面积389.7mm2)、正方形(边长19.6mm、面积384.2mm2)、圆形(直径(d)22.2mm、面积387.1mm2))，同挤出形状(圆形)条件下3种挤出尺寸(直径分别为15、20、25mm)和同挤出形状、同尺寸条件下打印条排列方式(对齐、错列)的影响，制作120个试件开展力学性能试验研究.打印口形状/尺寸及打印条排列方式如图2所示.

图2 打印口形状/尺寸及打印条排列方式Fig.2 Extrusion shapes, dimensions and printing array method

图3给出了不同打印条件下试件的断面形态.由图3可见，打印口形状/尺寸及打印条排列方式对试件层/条间缺陷分布有较为明显的影响.

图3 断面形态随挤出形状/尺寸及打印条排列方式的变化Fig.3 Specimen sections of different extrusion shapes dimension and array of printing strip

2 力学性能变化规律

3D打印混凝土的力学性能与打印方向、加载方向息息相关[21].本文试验加载方向如图4所示.在加载过程中，观察裂缝开展和分布情况，并测试各龄期打印试件的力学性能参数，取3个标准试件的平均值作为代表值进行统计分析.

图4 力学试验加载方向示意图Fig.4 Schematic diagram of loading direction of mechanical test

图5为不同挤出形状打印试件各龄期的抗压强度和抗折强度.由图5可见：打印试件的抗压强度和抗折强度均按三角形、方形和圆形挤出形状的顺序依次降低；在打印试件截面积相同的情况下，采用三角形打印口打印的混凝土试件抗压强度和抗折强度均为最佳.

图5 不同挤出形状打印试件各龄期的抗压强度和抗折强度Fig.5 Compressive strength and flexural strength of printing specimens with different extrusion shapes and ages

图6为相同挤出形状(圆形)、不同挤出尺寸条件下打印试件各龄期的抗压强度和抗折强度.由图6可见，挤出尺寸越大，打印试件的力学性能越高，但均低于模具成型试件.

图6 相同挤出形状(圆形)、不同挤出尺寸条件下打印试件各龄期抗压强度和抗折强度Fig.6 Compressive strength and flexural strength of printing specimens with same extrusion shape(round) and different extrusion diameters and ages

由于采用了挤出打印工艺，层叠压力作用方向与层间接触面相垂直，因此条间缺陷的分布会直接影响打印试件的抗压承载性能和变形能力.图7为抗压试件的破坏模式.由图7可见：由于添加了PVA纤维，与普通混凝土相比，3D打印混凝土破坏时并无明显的表面裂缝；极限荷载时的裂缝条数和宽度按照三角形、方形和圆形的挤出形状顺序呈现增长趋势.

由于逐条挤出、层叠打印的制作工艺导致打印混凝土材料孔隙分布呈现各向异性，与各向同性的模具制作普通混凝土相比，其宏观力学性能会受层/条形状和叠制方式影响.图8为抗折试件的破坏模式.由图8可见：各试件的裂缝均出现在试件中部，且垂直贯穿于层间和条间缺陷处；圆形挤出形状相对于方形和三角形挤出形状，其层间和条间缺陷更加显著，导致试件抗折强度显著下降(见图5).

层条错位并未改变同挤出形状下的层条缺陷数量，但改变了层条缺陷的空间分布.当破坏面上的层条缺陷贯通路径变长，同条件下达到破坏的耗能增加，其力学性能增加.抗折性能的加载方向对层条错位较为敏感.图9为层条错位对打印试件力学性能的影响.由图9可见，错位效应可有效提升抗折强度，其强度提升率为13%～47%.

图7 抗压试件的破坏模式Fig.7 Failure mode of compressive specimens

图8 抗折试件的破坏模式Fig.8 Failure mode of flexural specimens

图9 层条错位对打印试件力学性能的提升Fig.9 Improvement of dislocation arrangement on mechanical performance of printing specimens

3 微观形态分析

取打印切割后的试件进行高精度工业X射线计算机断层扫描成像(XCT)扫描，根据图像像素和试件面积，利用VG(volume graphics)软件分析得到孔隙尺寸、空间分布和孔隙率(φ)等指标.对于不同挤出形状的打印试件，由于挤出和叠制工艺导致孔隙分布各向异性，因此分析时除考虑试件的整体孔隙外，还应考虑条带内、条间、非条间、层间和非层间5种局部区域的孔隙，如图10所示.由于模具成型试件整体较为均匀，因此只分析其整体孔隙率.

图11显示了三角形打印试件的扫描、微观三维结构模型重构及统计分析过程.其余试件的扫描分析过程与此相同.各打印试件扫描得到的孔隙率结果如表1所示.由表1可见，模具成型试件的孔隙率为4.92%，远小于打印试件的孔隙率(三角形打印口打印试件为6.78%，方形打印口打印试件为7.42%，圆形打印口打印试件为7.90%).混凝土试件力学性能通常与其孔隙率及缺陷形态直接相关.图12给出了挤出形状层条的缺陷分布示意.由图12可见，打印试件具有较大的孔隙率和原始缺陷，其宏观力学性能也有显著降低，且降低率与孔隙率有较明显的相关性.尽管由于打印层条缺陷使得打印试件整体孔隙率高于模具成型试件，但是打印条带内的材料孔隙率均低于模具成型20%左右，且孔隙绝对尺寸更小.这主要是因为打印过程中的锥形出料口和打印挤压力对材料有一定的压实作用.因此，3D打印结构的薄弱环节存在于条间和层间的连接处.由于打印过程中的上层结构对下层未硬化结构的重力挤压作用可改善层间缺陷，因此层间孔隙率小于条带间孔隙率.

图10 空间孔隙分布分析区域Fig.10 Analysis region of spatial micro-defects distribution

图11 三角打印口打印试件扫描分析Fig.11 Scanning analysis of triangle extruded specimen

表1 挤出形状对空间孔隙率分布影响

图12 挤出形状层条的缺陷示意图Fig.12 Defect diagram of extrusion shape interface between layers and strips

由表1还可见：圆形挤出形状由于出料流畅，其条带内孔隙率最低，但因为条带层间接触面积小，其条层间的孔隙率最大；三角形和方形挤出条带的接触面积较大，且由于三角形挤出条带将其上覆层的重力分配向条间，使得其条间缺陷最小，而且非条间孔隙率(3.66%)和非层间孔隙率(4.00%)均小于模具组孔隙率(4.92%)，接近条带内的孔隙率；此外，锯齿状的层条空间咬合增加了连接强度，导致同体积的三角形打印体宏观力学性能高于圆形和方形；正方形基础形状可以更好地传递上层结构的重力挤压作用，因此具有最好的层间密实度.

由于当下打印设备的挤出形状多为圆形，因此本文研究了圆形出料口直径对打印试件性能的影响，两者间的关系曲线见图13.由图13可见，大直径出料口意味着相同体积的打印试件具有较少的层间和条间，缺陷数量的降低必然带来力学性能的提升；随着打印出料口直径的增大，混凝土试件孔隙率减小、抗压强度和抗折强度增大.由于本研究所采用的打印口直径均大于内掺纤维的长度，因此试件打印导致的纤维定向分布不太明显.图14为打印试件力学性能与整体孔隙率的关系.由图14可见，打印试件的基本力学性能与整体孔隙率近似线性相关，随着整体孔隙率的增大，试件强度逐渐减小；打印试件的抗折强度、抗压强度与整体孔隙率均呈现良好的负相关关系.综合考虑挤出形状和尺寸的影响，打印成型混凝土的力学性能随着整体孔隙率的增加呈近似线性下降趋势，抗折强度下降更为显著.

图13 打印试件性能与挤出尺寸的关系Fig.13 Effects of material property of printed specimens on extrusion diameters

图14 打印试件力学性能与整体孔隙率的关系Fig.14 Effects of mechanical performance of printed specimens on intergrit porosity

4 结论

(1)在挤出流量一定的情况下，三角形挤出条带可将上覆层的重力分配向条间，其条间缺陷最小.此外锯齿状交错排列增加了空间咬合和连接强度，使得与其他挤出形状相比，三角形挤出打印成型混凝土试件在力学性能上具有显著优势.

(2)相同挤出形状和尺寸条件下，错位排列打印可提升打印试件力学性能13%～47%.

(3)相同挤出形状条件下，挤出尺寸大的出料口意味着相同体积的打印试件具有较少的层间和条间，缺陷数量的降低使得打印试件的力学性能得以提升.

(4)综合考虑挤出形状和尺寸的影响，3D打印成型混凝土的力学性能随着整体孔隙率的增加，呈近似线性下降趋势，其中抗折强度下降更为显著.