3D打印水泥基材料的可挤出性表征方法

赵攀，辛鹏浩，刘晓，王子明

（北京工业大学 材料科学与工程学院，北京 100124）

0 引言

建筑3D打印技术能够降低复杂曲线建筑的成本，自动化和智能化的建造方式能够减少劳动事故发生率、降低材料损耗、缩短施工时间、更加绿色环保。在施工过程中，材料能否通过打印机顺利打印成型[1-2]成为关键部分。因此，新拌水泥基材料的性能测试尤为重要。

Le T T等[3-4]提出3D打印的水泥基材料应具有4个性能指标：挤出性能、工作性能、开放时间和建造性能。李璇[5]针对3D打印水泥基材料提出如下5个性能要求：可挤出性、可建造性、粘结性、施工时间、高强度。雷斌等[6]将3D打印混凝土的可塑造性能分为可塑性和建造性。章苏阳等[7]总结3D打印水泥基材料主要性能为挤出性和建造性。王栋民等[8]认为，挤出成型和逐层制造的打印工艺导致3D打印混凝土需要具有特殊的挤出性和可建造性，并将挤出性视为连续打印施工的保障。

在可挤出性方面，李永超[9]设计了用于3D打印的水泥基材料，通过测试其坍落度来初判其可打印性能，对材料的可打印性利用是否渗水、是否需要压力才可挤出、挤出是否连续来表述挤出效果，并未提出相应指标。薛龙[2]测试了流变调节组分对3D打印砂浆的可打印性能的影响，得出当坍落度在60~105 mm时材料具有良好的可打印性。Kazemian A等[10]对于可打印性能提出3个指标：表面无缺陷、体积稳定不变、尺寸一致性。Le T T等[3-4]认为，连续挤出长度为4500mm条状水泥基材料的过程中不发生断裂，即证明材料具有良好的可打印性能。杨钱荣等[11]设计出一种实验室用挤出装置，进行了砂浆挤出性能测试，能较好地反映砂浆挤出性能的变化。Lafhaj Z等[12]通过观测打印长500 mm、宽350 mm的条带在堆叠20层过程中拌合物是否堵塞管道来评价挤出性。Chen等[13]利用冲压挤出机量化不同拌合物的挤出压力进而表征挤出性。Ma等[14]依据从8 mm×8 mm的正方形喷嘴挤出总长度为2000 mm条带的表观质量来评估拌合物的挤出性。可见，无论是从可打印性的含义、表征指标，还是检测设备和试验方法方面，目前尚没有统一的认识和规定。研究人员根据自己的理解和条件进行可打印性研究，结果没有可比性。

3D打印水泥基材料的可挤出性是指水泥基材料在一定压力下顺利通过管道并且在喷头处连续不断裂的性能。因此，评价适合于3D打印水泥基材料的性能指标，使得性能测试方法与性能相匹配有着重要的意义。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·Ⅰ42.5基准水泥，比表面积341 m2/kg，28 d抗压强度50.2 MPa；砂：ISO标准砂，粒径0.25～0.65 mm，其中0.24～0.40 mm颗粒占60%，0.40～0.65 mm颗粒占40%；水：自来水；聚羧酸减水剂（PCE）：减水率约30%；增黏剂：羟丙基甲基纤维素醚（HPMC），黏度200 Pa·s。

1.2 试验方法

采用基于打印机的输送试验、稠度试验和可挤出率表征材料的可挤出性能。通过以上试验确定3D打印水泥基材料所需要满足的性能指标。

（1）输送试验是测试材料能否通过输料装置，及一定时间输料管内材料被输送的长度。建筑3D打印机的输料系统如图1所示。

螺杆的输送流量按式（1）计算：

式中：Q——输送流量，cm3/s；

p——螺距，mm；

h——螺棱的宽度，mm；

D、d——螺纹的大径和小径，mm；

v——螺杆转速，r/min；

φ——物料填充系数。

根据输料装置的参数得到Q=（1.5649 cm3/s）×φ。将20 s内材料通过输送管的长度计为输送长度。由式（1）可以得到理论输送长度（φ为100%时）为27.69 cm。

（2）稠度试验：按照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》测试新拌3D打印砂浆的稠度及经时变化。

（3）为分析砂浆在输送、挤出过程中受挤压和摩擦等因素的影响，设计了可挤出率试验，试验装置如图2所示。

可挤出率测试步骤：将不锈钢挤出筒冲洗后甩干，用铁片将挤出口封闭；将体积为V0的新拌砂浆分3次装入挤出筒，每次装完用捣棒轻敲挤出筒外侧5次以排除浆体中的孔隙；装完后将挤出筒竖直放于装置架上，并依次将直径与挤出筒内径相同的棉质垫片、不锈钢棒放入挤出筒内；移除铁片，开放挤出口，利用水泥基材料的自重和不锈钢棒的质量将材料挤出，流入到烧杯中；当20 s内无砂浆掉落于烧杯中时，烧杯中浆体体积为V1，挤出率η按式（2）计算：

（4）试验配比设计：本试验通过改变水胶比和胶砂比制备性能不同的水泥砂浆。胶砂比为8∶12时，水胶比分别为0.25、0.30、0.35、0.40、0.45；水胶比为0.35时，胶砂比分别为4∶12、5∶12、6∶12、7∶12、8∶12、9∶12、10∶12。减水剂、增黏剂掺量分别为水泥质量的0.09%、0.25%。

2 结果与讨论

2.1 水胶比和胶砂比对砂浆可挤出性的影响

采用3D打印设备的输料设备对3D打印水泥基材料的可挤出性进行直接验证。表1为输送时间为20 s时，不同水胶比和胶砂比的砂浆在输料管中的输送长度。

表1 水胶比和胶砂比对砂浆输送长度的影响

由表1可见，随着水胶比从0.25逐渐增大到0.45，输送长度从0逐渐增加到26.5 cm，砂浆的可挤出性能越来越好。这是因为水胶比增大，砂浆颗粒之间、砂浆与设备管壁之间的摩擦力变小，填充系数增大，流量变大。随着胶砂比从4∶12逐渐增大到10∶12，输送长度先从0逐渐增加到25 cm，然后基本保持稳定。这是因为随着胶砂比的增大，砂浆中水泥浆体变多，砂浆颗粒之间、砂浆与设备管壁之间的摩擦减少，砂浆的可挤出性变好。当胶砂比为8∶12，水胶比为0.45时，砂浆的输送长度最大，达到了26.5 cm。

2.2 稠度表征可挤出性

表2为不同稠度砂浆在输料管中的输送长度。

表2 稠度与输送长度的关系

由表2可见，砂浆的稠度越大，可挤出性越好，稠度与可挤出性有正相关关系。随着水胶比的增大，砂浆的稠度增大，除水化反应需要的水之外，其它大部分游离水都吸附在骨料表面，使砂浆被稀释，从而具有更大的稠度。随着胶砂比的增大，砂浆的稠度也会增大，主要是因为水泥作为胶凝材料在骨料之间起到润滑的“滚珠”作用，并使骨料之间的摩擦力减小，从而使砂浆具有更好的流动性、更大的稠度。

随着砂浆稠度从2.1 cm增大到11.1 cm，其在输料管中的阻力变小，输送长度也增加到了26.5cm。由A2试样可知，当稠度为4.1 cm时，输送长度为17 cm，超过了理论输送长度（27.69 cm）的一半，所以认为当稠度大于4 cm时，砂浆在3D打印机的输料系统中开始具有良好的挤出性。

2.3 材料放置时间对可挤出性能影响

前述试验表明，稠度能够反映出打印材料挤出的难易。当稠度超过4 cm时，打印材料具有可挤出性，所以用稠度的经时损失时间可以作为打印材料具有可挤出性的放置时间。不同水胶比及胶砂比砂浆的稠度经时损失如图3所示。

由图3（a）可见，随着时间的延长，砂浆的稠度逐渐减小，其可挤出性逐渐变差。但砂浆稠度由初始值下降到4 cm的时间区间变大。由图3（b）可见，随着时间的延长，砂浆稠度由初始值下降到4 cm的时间区间变大。

初始稠度在4 cm以上的砂浆可打印时间都能够达到25 min以上，对于打印小型建筑构件已经足够[15-16]。另外，通过掺加外加剂来调节可打印时间是可行的，Malaeb等[17]发现，当水灰比小于0.42时，高掺量高效减水剂可以提高3D打印水泥基材料的流动性，延长可打印时间。

2.4 可挤出率表征可挤出性

可挤出率试验装置与3D打印机的打印喷口相同，可模拟打印材料在一定压力下的可挤出性能。图4为试样在1.03 kPa压力下可挤出率与实际3D打印中的输送长度的对比。

由图4可见，当水胶比为0.30、胶砂比为5∶12时，砂浆具有一定的被输送能力，但可挤出率试验结果几乎为0。这说明对于低流动度的水泥砂浆，可挤出率试验并不能灵敏地反映出砂浆的挤出性能。但对于其它试样来说，随着可挤出率的增大，材料的输送长度增加，且对于不同配比的材料，能够随着材料可挤出性的变化产生不同的变化，这点显然比实际中其它传统的试验还要有规律性和准确性。打印材料可挤出率增大时，输送长度增加，表明材料的可挤出性越好。可挤出率与输送长度的正相关性表明可挤出率试验可以用来表征水泥基材料的可打印性。当可挤出率大于70%时，水泥基材料具有良好的可挤出性。

3 结论

（1）3D打印水泥基材料的输送长度、稠度和可挤出率试验可以用来表征其可挤出性。稠度和可挤出率与材料的可挤出性能都呈正相关。

（2）当稠度大于4 cm时，砂浆具有良好的挤出性，其中，稠度经时损失可以表征可打印时间。

（3）当施加压力为1.03kPa时，可挤出率和可挤出性表现出一致性，当可挤出率大于70%时，水泥基材料具有良好的可挤出性。