3D打印混凝土变形试验方法对比分析

李志鹏，杨荣伟，张津瑞

（天津大学 建筑工程学院，天津 300350）

英国Joseph Aspdin发明的波特兰水泥让人们意识到混凝土材料原料易得，造价较低，在全世界迅速传播并开创了现代混凝土的历史。随后法国Monier发明了钢筋混凝土结构，以解决混凝土抗拉性能弱的问题。美国Abram D建立了水灰比理论，奠定了混凝土强度理论的基础。在20世纪初，法国桥梁工程师Freyssinet使得预应力混凝土取得重大发展。20世纪60年代，减水剂的发明使混凝土的用水量降低，也增强了混凝土的工作性。但混凝土的使用存在高能耗、高污染的缺点，也制约了混凝土的发展[1]。

在20世纪80年代初期，美国3M公司的Alan Hebert等人首先提出了通过连续的物理层叠加生成三维实体的3D打印概念。其方法包括光固化方法、熔融沉积制造法、选择性激光烧结法、粘结剂喷射法、分层实体制造法和三维打印法等。2000年，Hanan Gothait在北美推出了可用于办公室环境的商品化3D打印机[2]。

近年来，3D打印技术飞速发展，开始应用到航空航天、生物医疗等领域，给传统的生产方式提供了新思路。同样，3D打印技术与传统的钢筋混凝土技术结合后，形成了全新的3D打印混凝土技术，也为混凝土的发展指明了新方向。3D打印混凝土技术作为一种新型的混凝土施工技术，因其快速准确成型、免安装模板工序等优势，现已得到了广泛的推广应用。3D打印混凝土技术是通过计算机自动化控制打印机逐层打印累积最终形成一个具有自由形式的建筑结构成品。这对混凝土打印材料的工作性能要求非常严格，例如：材料的流动度较大，由于没有模板的约束，在逐层打印混凝土的时候将会出现上层混凝土打印完成后造成下层混凝土材料变形超差的问题。所以对于打印材料在自身重力作用下其横向变形值的大小需要仪器进行测定，合格后方可进行3D打印混凝土的施工。然而由于3D打印混凝土技术是新发展起来的一种施工技术，针对材料的性能检测方法还不成熟，特别是自重作用下打印材料自身变形量的测定方法还未提出。由于建造方式存在差异，与传统混凝土相比，采用3D打印方式混凝土技术对其工作性能要求也不同。首先要保证具有良好的粘聚性和可挤出性，其次在3D打印过程中，还要求已打印完成的部分保持良好的状态，即变形不能过大、不能出现坍塌、倾斜等现象。这就需要对3D打印混凝土的变形进行测定，来判断材料是否可以顺利完成3D打印混凝土的施工[3-4]。但如今国内尚缺少3D打印混凝土变形试验的相关标准，对于3D打印混凝土变形的测量缺少可靠依据。本文介绍了5种测量3D打印混凝土变形的试验方法，并与普通混凝土相关试验方法进行对比。

1 普通混凝土变形试验

普通新拌混凝土的工作性，也称和易性，目前还没有一种能够全面反映工作性的测定方法。通常是测定新拌混凝土的流动性，而粘聚性和保水性则凭经验目测评定，然后综合评定新拌混凝土的新工作性。其中新拌混凝土的流动性非常关键，一般采用坍落度、维勃稠度或扩展度表示。坍落度检验适用于坍落度10～40 mm的新拌混凝土；维勃稠度检验适用于维勃稠度在5～30 s，且最大粒径小于40 mm的新拌混凝土；扩展度检验适用于大流动性的大坍落度混凝土或自密实新拌混凝土。测试新拌混凝土流动性的方法，目前最常用的为坍落度法。

坍落度法用来测定新拌混凝土在自重力作用下的流动性，适用于测量塑性混凝土及流动性较大的新拌混凝土，目前被世界各国普遍采用。测定时，将新拌混凝土再次手工拌和均匀后按规定的方法装入混凝土坍落度筒内，并按照规定方式插捣，待装满刮平后将坍落度筒垂直向上提起，新拌混凝土因自重力作用而产生坍落，新拌混凝土静止后坍落的高度（以mm计）称为坍落度。坍落度越大，则新拌混凝土的流动性越大。

对于大流动性的新拌混凝土可采用坍落度与扩展度试验检验或评价其工作性。该试验是在传统的坍落度试验基础上，把新拌混凝土均匀装入坍落度筒内无需插捣，装满刮平后向上提起坍落度筒，同时测定水平扩展度（以mm计）和扩展到某一直径（一般为500 mm）时所用的时间T500，以此来反映新版混凝土的变形能力和变形速度，主要用于评价自密实混凝土(SCC)。扩展度越大，则混凝土的自流平性与自密实性越高，说明新拌混凝土的粘度越小，流动能力越强。

在进行普通混凝土的变形试验时，需使用压力试验机与微变形测量仪等设备。试验过程中，压力试验机连续均匀地施加荷载至规定数值，记录普通混凝土试件测点的变形读数。与普通混凝土相比，水工混凝土的骨料粒径较大，强度等级也较低，且长期处于潮湿环境中。与普通混凝土的试验方法不同的是，测试时试件需要保持潮湿来模拟水工混凝土在实际使用时所处的环境[5]。

2 3D打印混凝土变形试验

3D打印混凝土是分层打印，为了防止打印过程中下层混凝土因变形过大而引发坍塌、倾斜等问题，需要对3D打印混凝土进行变形试验。但相比于普通混凝土，3D打印混凝土需要测量其新拌状态时的变形，这与3D打印混凝土能否顺利完成打印息息相关。本文总结了5种测量3D打印混凝土变形的试验方法，并进行了对比分析。

2.1 3D打印混凝土塑性变形性能测试方法

文献[6]设计了一种模具进行3D打印混凝土塑性变形性能的测试，该模具由3块板材形成模具的侧面结构，由一端板形成模具的底面。在模型中间设置一块分割插板。测量模具的结构形式如图1所示。该模具既可以测量3D打印建筑砂浆的侧向变形度，也可以测量下垂度。本文主要介绍测量侧向变形的方法。具体测试流程见表1。

表1 3D打印混凝土塑性变形性能测试流程

图1 3D打印混凝土塑性变形性能测试模具

该试验方法测试结果为3D打印混凝土的侧向变形度，操作简单，所用工具方便易得，经济性较好，能快速反映3D打印混凝土的变形性能，也填补了现有评价3D打印建筑材料的变形性能的空缺。但该实验方法却不能进行定量分析，只适用于间接评价3D打印混凝土变形性能。

2.2 3D打印混凝土浆体材料变形量的测试方法

文献[7]等设计了一种可以测定3D打印混凝土浆体材料变形量的测试仪器，该仪器不仅可以测出具体的变形值，还可以测定任意层3D打印混凝土材料的横向和竖向变形值。测试仪器主要由矩形平板、水平滑块、2个竖向标尺和竖向滑块组成。其中，矩形平板中部设有凹槽与螺纹孔，且沿着凹槽标有2条水平刻度线，与其垂直的方向标有点划线；水平滑块与凹槽形状相吻合，可以自由滑动；2个竖向标尺底部与水平滑块相连，且上面标有竖向刻度线，内部有长孔，横截面成C型；竖向滑块可以在竖向标尺内部自由滑动，且通过连接杆与测试探头相连，探头中间标有测试基准线，竖向滑块上标有指针。测量仪器结构形式如图2所示。具体测定流程见表2。

表2 3D打印混凝土浆体材料变形量测定流程

图2 测定3D打印混凝土浆体材料变形量的测试仪器

该试验方法所测结果为3D打印混凝土材料的具体变形值，可用来评价3D打印混凝土材料的变形性能，分析3D打印混凝土材料的可建造性。同时，该方法在3D打印机打印过程中进行测量，其结果更加接近真实值；还可以测量各层混凝土打印材料的变形值。但这种测试方法探头与打印出的混凝土接触可能会造成混凝土产生轻微变形，引起试验误差，且只能测出3D打印混凝土材料在自重下的变形。

2.3 测量新拌3D打印混凝土荷载下变形量的试验方法

为填补3D打印混凝土在荷载作用下变形量的测量方法的空缺，文献[8]设计了一种测定新拌3D打印混凝土承载力及变形量的装置。该装置由支架、固定在支架水平部分上的压力传感器平台、连接压力传感器的托盘、弹簧压力桶、模拟压片和压力荷载盘组成。其中，支架为L型支架，竖向部分与弹簧压力桶相连；弹簧压力桶外部是与支架相连的定位筒，上部是支撑复位弹簧，下部是压力杆，压力杆底端与模拟压片相连，上部穿过定位筒和支撑复位弹簧与压力荷载盘相连，模拟压片上带有指针，且朝向支架上的竖向刻度线；托盘的截面为圆形，且上部标有基准线、刻度线和标定线；压力传感平台带有数显屏。测量装置的结构形式如图3所示。具体测量流程见表3。

表3 新拌3D打印混凝土承载力及变形量测量流程

图3 测量新拌3D打印混凝土承载力及变形量的装置

该试验方法所测结果为3D打印混凝土在荷载下的竖向变形值与横向变形值及其所对应的压力值，可以真实地反应出3D打印混凝土的工作性能及施工的适用性。同时，该方法适用于各种组分拌合的砂浆，适用范围广泛，方法简便、直观，易于推广。但该方法待测材料通过人工挤出，与3D打印过程中的机器挤出的效果相差较大，且无法模拟3D打印混凝土的打印过程。

2.4 3D打印混凝土变形量测量装置及方法

为模拟3D打印混凝土的施工过程，文献[9]设计了一种测试装置，用来精确测定3D打印混凝土在打印过程中的变形量。该装置通过加水的质量和加载的间隔时间来模拟不同的打印情况。该装置由一上部开口、底部密封的荷载容器、支架、成模模具和激光测距仪组成，支架上部为支撑套，且支撑套通过支撑杆与底板相连；激光测距仪由安装在荷载容器侧壁的传感器、安装在底板上的传感器及显示器组成。该装置的主要构造如图4所示。具体测量流程见表4。

图4 3D打印混凝土建造性测试装置

表4 3D打印混凝土变形量测量流程

该试验方法可以精确地测量出3D打印混凝土在荷载作用下的变形值，为3D打印混凝土的建造性能测试提供了可靠的依据。同时，该方法以水作为荷载，克服了无法模拟3D混凝土打印过程的困难，为测量3D打印混凝土的变形提供了可靠的试验方法。但由于所用荷载为水，在加水过程中液体产生的波动也会对测量结果造成影响，致使试验结果产生误差。

2.5 3D打印混凝土在荷载作用下变形量自动测试方法

文献[10]设计了一种3D打印砂浆经时承载力及变形量的自动测试装置。以获得大量、连续的测量数据。该装置引入了配电箱、显示器、控制面板、伺服电动缸及微型压电传感器；可以通过显示器随时掌握测试情况；控制面板可以调整加压速率，保持加压速率恒定；伺服电动缸提高了控制性和控制精度；微型压点传感器可使砂浆式样受力均匀。测试装置如图5所示。具体测试流程见表5。

图5 3D打印砂浆在荷载作用下的变形量测试装置

表5 3D打印混凝土在荷载作用下变形量自助测试流程

该自动测试装置可以连续采集大量数据，得到3D打印混凝土材料在荷载作用下的变形曲线，用来评价3D打印混凝土材料的可建造性能，分析变形量与承载力之间的关系。该方法加压速率稳定，所得数据较为准确，而且采集数据量大，可以很好地表明3D打印混凝土在荷载作用下的变形。但该方法工作量较大，同时作用试件需要用专属模具进行专门制作，过程较为复杂。

3 结束语

3D打印混凝土技术作为新兴的、数字化、自动化的工程建造方式，对于材料的技术要求与普通混凝土相比差别较大，对材料的可挤出性、流动性以及可建造性都有着较高的要求，因此，为对3D打印混凝土材料的可建造性能进行评价，需要进行3D打印混凝土的变形实验。本文对5种测量3D打印混凝土变形的方法做了具体描述，同时对其优缺点做了对比分析，为实际工程中3D打印混凝土的变形测试提供了可行方案，对相关规范的制定具有一定的借鉴意义。