水胶比对3D打印混凝土的挤出及力学性能影响

张楠 蔺喜强 霍亮 路兰 张涛

（1 中国建筑技术中心，北京 101300；2 斯文科技大学土木工程学院，维多利亚州 3122，澳大利亚；3 杭州冠力科技有限公司,浙江 杭州 311201）

0 前言

水泥基材料的增材制造技术又称3D混凝土打印（3DCP），近年来迅速发展。目前，全球有超过30个团队正在从事3DCP技术的研究与开发。3D挤出式混凝土打印技术作为3DCP技术的重要分支之一，研究者目前的主要研究方向为水泥基打印材料配合比设计[1-3]、流变性能[4-6]、塑性及硬化力学性能[7-11]、层间结合力[12-13]研究。但是，对打印参数的研究成果还较少[14]。作为打印工艺参数之一，打印头泵机转速对挤出式混凝土打印技术起着至关重要的作用。本文以此作为研究对象，针对不同工作性的可打印水泥基材料，探讨打印头泵机转速对打印材料挤出性能的影响。

1 试验

1.1 原材料及配比

考虑到所用的打印头喷嘴直径为24mm，本文选用最大粒径4mm的砂粒作为骨料；胶凝材料选用OPC水泥P.O42.5和SAC42.5水泥，其化学成分如表1所示；选用长度为6mm的PVA纤维以降低塑性开裂和变形。

表1 OPC和SAC的化学成分Tab.1 Chemical constituents of OPC and SAC

本研究对浇筑成型试件28天的设计强度为50MPa。通过多次配合比试拌，得到满足挤出性能和建造性能的基准配合比，见表2。为了探讨可打印材料工作性能对可挤出性能的影响，在基准配比基础上对水胶比进行调整，实现三组具有不同工作性参数的打印材料。

表2 基准拌合物的配合比Tab.2 Mix ratio of standard mixture

1.2 打印过程

本文所用的打印机尺寸为2.8m（长）×1.5m（宽）×1.8m（高）。打印头配有螺杆挤料泵，可控制出料速度。通过混凝土泵管，将打印头与混凝土泵（一级输送泵）连通。混凝土搅拌完成后，注入到一级输送泵中，然后输送到打印头挤料泵中进行打印。

1.3 试验方法

1.3.1 工作性和凝结时间测试

按照ASTM C1437 标准测试新拌拌合物的工作性能；按照JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》测试新拌拌合物的初终凝时间。

1.3.2 抗压强度测试

采用浇筑和打印两种成型方式，制备所有配合比的抗压强度试样。考虑到加工试件时可能造成试验受损，本研究的所有抗压试验为每组四块试样。对于浇筑成型试样，选用尺寸150mm×150mm×150mm的模具成型；对于打印成型试样，首先打印出外部尺寸大致为2500mm×200mm×200mm的试件，如图1(a)所示，然后通过石材切割设备加工成150mm×150mm×150mm的标准试件。所有试样在室内成型硬化2天后，置于环境温度20℃±2℃、相对湿度95%的标准室中养护26天。对于打印试件的取向，设打印方向为X，垂直于打印方向且与打印层间平行的方向（简称侧向方向）设为Y，垂直于打印层平面的方向（简称垂直方向）设为Z，如图1(b)所示。

图1 打印试样示意图Fig.1 Schematic diagram of printed samples

1.3.3 挤出性能测试

本研究通过比较材料挤出量、挤出线条的形状和宽度来评价打印材料的可挤出性。其中，将单层打印提升高度和打印速度设为定值，分别为10mm和100mm/s。考虑到打印线条受上层材料挤压后会发生变形，设计依次垂直打印叠加三条挤出线条，将其作为一组试样，测量中间层线条的宽度。对于材料挤出量，通过控制打印头泵机的转速，测试单位时间内的材料挤出流量，以此评价材料工作性对挤出性能的影响。

2 结果与讨论

2.1 工作性与凝结时间

新拌材料在跳桌25次前后的扩展度如表3所示。结果显示，除了水胶比0.39的拌合物，其他配合比拌合物在跳桌试验前未出现扩展。此外，基准配比的初、终凝时间分别为25min和35min。

表3 新拌3D打印材料的工作性能Tab.3 Working capability of fresh 3D-printing materials

2.2 抗压强度

对于浇筑成型试件，水胶比为0.35、0.37和0.39时，28天平均抗压强度分别为61.2MPa、59.2MPa和56.7MPa。对于打印成型试件，各个承压方向的抗压强度测试结果均小于浇筑成型试件强度，此结果与Le[10]和Jay[12]的研究一致。但由于可打印材料的水胶比不同，造成了强度损失率影响程度差异。由图2可知，水胶比0.37的基准配比试件的各向强度损失率最小，其中X轴向损失率最大，平均值为11.6%，Y轴向损失率7.1%，Z轴向损失率5.7%。对于水胶比0.35的试件，与基准配合比类似，其抗压强度最大损失率也出现在X轴向，平均值为26.2%，Y轴向损失率23.6%，Z轴向损失率22.1%。但对于具有较大流动度的配合比C2，其抗压强度损失率规律则有所不同，最大损失率出现在Y轴向，平均值达30.7%，其次是Z轴向，损失率为27.3%，X轴向损失率为20.3%。

图2 硬化28d试件在不同承压方向上的抗压强度损失率Fig.2 Loss rate of compression strength of hardened concrete cured for 28 days

2.3 可挤出性能

2.3.1 挤出形状

图3和图4分别显示了配合比C1和配合比C2材料的挤出线条外形。尽管C1工作性能相对较差，但仍能从打印头喷嘴处连续挤出。图3显示，挤出线条表面出现了较多的裂缝和孔洞，这对最终成型构件的力学性能和耐久性能造成负面影响。对于工作性能更好的配合比C2，能更加顺滑地从打印头喷嘴处挤出，但挤出线条宽度在打印过程中并不均匀。由此可得，打印材料在一定的工作性能范围内均可满足可挤出要求，但打印均质性与工作性能密切有关。

图3 水胶比为0.35的打印材料挤出线条形状Fig.3 Shape of extruded filaments for mix C1 with the water-to-binder ratio of 0.35

图4 水胶比为0.39的打印材料挤出线条形状Fig.4 Shape of extruded filaments for mix C2 with the water-to-binder ratio of 0.39

2.3.2 单位时间挤料量

单位时间挤料量即单位时间内打印头喷嘴处的材料挤出量，本研究将其视为评价材料挤出能力的重要指标之一。其主要受打印头泵机转速和新拌合材料的工作性两方面影响。对于流动度较大的新拌打印材料而言，在相同的泵压下，更易于泵送。因此，随着泵转速的提高和流动度的增大，单位时间挤料量随之增加，且呈现线性变化规律，如图5所示。图中的单位材料挤出量计算值由下式所得：

图5 打印头泵转速与单位时间内材料挤出量的关系Fig.5 Relationship between rotating speed of the auger pump in the printer header and extrusion mass in unit time

其中，试验所选泵螺杆的单转输送量设计值为0.07升/转。

由图5可知，计算值和试验值存在差距。随着泵转速的加快，差值愈发明显，其中差值最小值出现在泵转速为0.7转/秒。当泵转速恒定时，此差值会随着材料流动度增大而有所减小，但不如泵转速所造成的影响明显。由此推测，在打印过程中，相对于打印材料坍落度损失造成的拌合物工作性波动，泵转速对单位材料挤出量造成的影响更明显。同时，打印头泵的高转速会造成实际值与理论值的差距更大，这使得通过打印头泵转速来精确控制打印头挤料量的难度进一步增加。

2.3.3 挤出线条宽度

图6显示了打印头泵的转速对挤出线条宽度的影响。随着泵转速的提高和水胶比的增大，线条宽度增加。挤出线条宽度计算值由下式可得：

图6 打印头泵转速与挤出线条宽度的关系Fig.6 Relationship between rotating speed of the auger pump in the printer header and extrusion width of filaments

其中，打印高度为10mm；打印移动速度为10cm/s。

由图6可知，对于不同水胶比的打印材料而言，计算值与试验值的差值均随着挤料转速的增加而变大，但差值的变化量并没有呈现线性变化。对于流动性较小的拌合物，此差值随转速的增加愈发明显；对于流动性较大的拌合物，转速小于2转/秒时，差值保持相对稳定，但达到2.5转/秒时，差值增大。导致此现象的原因有待在后续研究中进一步讨论。

3 结论

本研究探讨了打印材料工作性能对抗压强度各向异性的影响。对于流动性较小的拌合物，最大强度损失率出现在承压面垂直于打印的方向，但对于流动性较大的拌合物，最大抗压强度损失率出现在承压面垂直于打印侧向的方向。同时，只有将新拌打印材料工作性控制在一个合理范围内时，才能保证抗压强度损失的最小化。此外，单位时间材料挤出量随打印头泵转速的加快和水胶比的增大而线性增加。但泵转速越快，试验值与设计值的差距越大，而提高材料流动性能够缩小此差距。由于挤出线条宽度与单位时间材料挤出量直接相关，因此随打印头泵转速提高和水胶比的增加，挤出线条宽度也增宽，但变化规律相比于单位时间材料挤出量则有所不同。