3D打印混凝土性能要求及相关外加剂研究进展

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摘要：混凝土是当代建筑用量最大、范围最广、最经济的建筑材料，它虽然只有不到200年的历史，却已成为当今世界使用量巨大的建筑工程材料，为人类社会的发展与前进做出了不可取代的贡献。然而随着工程建设的不断加快，混凝土在生产应用方面的高能耗、高污染的弊端也逐渐显露出来，严重阻碍了其发展。为适应绿色制造发展需求，混凝土需要不断地注入新鲜的血液。3D打印（3D-printing）作为第三次工业革命的重要标志，广泛应用于各个研究领域，对传统社会生产产生巨大冲击，成为改变未来的创造性技术。以3D打印为基础的3D打印混凝土技术作为一种新型技术，必将成为混凝土发展史上的重大转折点。

关键词：3D打印;混凝土;材料选取;性能指标

引言

3D打印混凝土技术被认为能够改变传统建筑施工形式，可以助力建筑业转型升级。相比于传统的混凝土施工过程，3D打印混凝土技术明显缩短施工周期，降低人工成本，减少建筑废物及对周边环境的影响，还能提升工程安全性。国内外针对3D打印混凝土技术的研究和综述多集中在配合比设计，对工作性能和力学性能的要求以及测试方法，而面向3D打印混凝土施工工艺及工程应用场景的研究则很少。近年来，中国大批科研院所及企业对3D打印混凝土设备、材料和工程应用进行了研究，结合国际文献的梳理。中国有关3D打印混凝土技术的文献数量自2016年便居世界领先地位，逐渐成为研究热点，并成功应用于不同建筑形式。

1 3D打印细石混凝土制备方法

考虑到商品混凝土对工作性能的要求与3DPC差异较大，本研究提出了一种通过SAC现场调配制备3DPC-SCA的方法。本研究中采用的SAC最大粒径为10mm，具体制备方法如下：（1）首先进行SAC配合比设计，并在搅拌站制备SAC。考虑到SAC的运输和泵送要求同时能够尽量接近可打印性的要求，要求SAC的塌落度在160-180mm范围内，并具有较小的塌落度损失。另外，还需要考虑3D打印机挤出口的尺寸确定SAC中粗骨料的最大粒径。（2）运输SAC至施工现场，然后添加相应的材料开展二次搅拌，调控混凝土的工作性能，使其满足可打印性的要求。该过程中，二次搅拌材料的种类和用量以及二次搅拌时间均与SAC在现场的工作性能有关。（3）通过施工现场二次驳运，将制备的3DPC-SCA输送到打印机中进行施工。

2试验材料与方法

2.1原料

本文选用的3D建筑砂浆原料如下：南京小野田P·Ⅱ52.5水泥，与《通用硅酸盐水泥》要求相符;选择主成分为柠檬酸钠的缓凝剂;巴斯夫中国有限公司生产的聚羟酸高效减水剂，减水率控制在20%以内;70～100目石英砂为骨料[2];黏度为100Pa·S的保塑机，成分包括纤维素醚与木质纤维等;乙烯/醋酸乙烯酯共聚物为可再分散乳胶粉;成分为淀粉醚与触变润滑剂的自制塑化剂。

2.2试件制作

试件按照ASTMD2166[9]的标准试验方法制作高150mm、直径75mm的圆柱体，在圆柱形钢模中浇筑，钢模内部粘贴特氟龙片以降低摩擦力。试件制作流程如下：将再生砂、天然砂和水泥混合搅拌3min，得到均匀的干粉拌合物;随后加入预先配制的添加剂，搅拌2min，直到达到均匀状态;接着将配制的水倒入拌合物，搅拌2min;最后将充分搅拌好的砂浆倒入准备好的模具中，振动并放置不同的时间。

2.3外加剂的运用

3D打印混凝土建造技术的关键性问题是实现材料的凝结时间和强度的控制，如何才能解决这两个指标的精确控制，是保证3D打印混凝土施工连续性和安全性的保障。混凝土常用的材料有减水剂、促凝剂、缓凝剂、早强剂、引气剂、增稠剂、保塑剂等化学外加剂，它们对混凝土的各项工作性能起到了明显的调节及改善作用。适当地将外加剂运用到3D打印混凝土中，会取得量小而功大的作用。对于特定的施工环境，还应按需选用外加剂，如在水下施工中可以采用水下抗分散剂（antiwashing-outadmixtures）来提高混凝土在水中的性能稳定性。

3实验结果

3.1基于化学外加剂

减水剂的建筑砂浆材料流变性能在实验过程中，固定水灰比即0.42，砂灰比即1.51，保塑剂、可再分散乳胶粉、塑化剂、缓凝剂等掺量设定即0.5%、0.05%、0.2%、0.06%。在此基础上，在不同减水剂掺量下，3D打印建筑砂浆材料的表观黏度具体如表1所示。

由表1可知，在剪切速率快速增大时，3D打印建筑砂浆材料表观黏度呈现先下降，随后逐渐趋向稳定的状态（数据仍是下降趋势）;随着减水剂掺量的增加，剪切速率小于20时，砂浆材料表观黏度持续下降;而在剪切速率大于20时，砂浆材料表观黏度的变化幅度明显缩小。这主要是由于减水剂掺量不断增多，同时还会带入一些微小气泡，其与水泥颗粒之间出现电性斥力，在高效减水剂吸附分散作用下，致使水泥颗粒之间出现越来越明显的滑动，从而使得砂浆表观黏度迅速下降。在剪切速率逐渐增大的趋势下，砂浆浆体剪切变得稀疏，分散速率对于浆体造成的影响明显超出了减水剂对于絮凝体的分散性影响，促使各个体系保持于稳定形态，具体表征即不同减水剂掺量下，砂浆材料表观黏度相接近。

3.2屈服应力和塑性粘度

可以看到，当HPMC掺量为0.1%、水泥用量为5%、MK用量为1.5%时，二次搅拌后混凝土的屈服应力分别增加了27.56%，50.48%和40.94%，塑性粘度分别增加了34.56%，20.25%和23.26%。加入5%的水泥或1.5%的MK后，混凝土的屈服应力有大幅度提升，相对来讲，塑性粘度的增大程度小于屈服应力。这是因为水泥和MK颗粒加入新拌混凝土后快速吸水，导致颗粒间的浆体膜厚度变小，增大了颗粒间摩擦力，从而使得屈服应力快速增加。而HPMC加入后，由于HPMC颗粒在新拌混凝土中吸水膨胀后形成胶体膜结构，吸附在水泥颗粒表面，增大了分子间的作用力，从而使塑性粘度有了较大幅度的提升。屈服应力和塑性粘度影响了3DPCSCA的挤出性和挤出瞬间的变形能力。当3DPC-SCA在挤出过程中受到的剪应力大于屈服应力时即可保持混凝土的流动状态，但是屈服应力过小时，会导致挤出瞬间的变形较大。塑性粘度是混凝土内部阻碍流动的性能，与混凝土的密实性、可加工性有关，当塑性粘度较大时可避免沉降和离析现象的发生。

3.3流动性

拌和物的流动扩展度总体上随PP纤维掺量和长度的增加而降低。以PP纤维掺量为1.0%的试件为例，P10L6、P10L9、P10L12组的流动扩展度分别为176mm、164mm、154mm，与基准组（P0）相比分别降低了17.0%、22.6%、27.3%。随着纤维掺量和长度的增加，纤维之间的间距逐渐变小，形成了三维骨架网络结构，从而限制了拌和物的流动性，不利于拌和物的输送和挤出过程。根据笔者课题组的前期研究基础与应用实践得出，拌和物的流动扩展度不应小于180mm。因此，根据流动性试验结果，初步判断PP纤维掺量以0～0.6%为宜，长度以6～9mm为宜。

3.4可建造性

可建造性是评估混凝土材料可打印性能的另一个关键参数，即材料在自重和上层压力作用下保持其挤出形状的能力以及沉积的新鲜材料在负载下抗变形能力。在3D打印混凝土过程中，由于该技术省去了模板，很容易出现打印层的层间缺陷或沉降。可建造性是衡量结构早期刚度的指标，良好的可建造性是3D打印混凝土的基本要求。从目前的研究中发现，除了提高骨料用量之外，矿物掺合料和外加剂的掺入也会对建造性做出积极的贡献。通过掺入2%水泥取代量的硅灰和纳米粘土制备浆料来研究新鲜拌合物的建造性能。实验结果表明，在复掺情况下，浆料的建造性能大幅提升，建造高度由原来的72mm提升到260mm。在混合物中加入了4.5%的碳酸锂促使打印混合物快速凝结，从而到达改善建造性的目的。

3.5流变性

随着PP纤维长度和掺量的提高，τs显著增大。P2L6、P2L9、P2L12组的τs分别为1.25kPa、1.37kPa、1.55kPa，与P0组相比分别提高了38.4%、51.6%、72.7%;P10L6、P10L9、P10L12组的τs与P0组相比分别提高了183.3%、185.1%、170.4%。由于3D打印混凝土材料逐层堆积时需要下层材料具有足够的早期刚度以支撑后续累积层材料的自重，故在一定范围内，τs越高，打印结构的几何形状稳定性越佳，从而有利于提升3D打印混凝土材料的建造性。同时，结合流动性试验结果，建议τs控制在1～3kPa为宜。因此，可进一步判断出PP纤维的适宜掺

3.6纤维掺量的影响

不同纤维掺量的试件在各个龄期时的极限强度。当纤维掺量在0.25%～1.0%之内时，试件早期强度发展与不含纤维的试件没有显著差异，基本与无纤维掺入时的强度相差30%以内;当纤维掺量超过1.0%时，不同龄期下试件的极限强度较无纤维试件均有所下降，在不同龄期下的强度仅为无纤维掺入时的20%～50%，说明过量纤维的掺入减缓了砂浆强度的增长。无纤维掺入的试件在90min时，应力-应变曲线开始出现下降段，而对于所有含纤维的试件，直至150min时，均无下降段的出现，说明应力在随着应变保持逐渐增长的状态，纤维的掺入增强了试件在大变形下的承载力，减缓了破坏。

结论

综上所述，通过基于化学外加剂的3D打印建筑砂浆材料性能分析研究，得出结论，3D打印建筑砂浆降低了不能振捣夯实材料所造成的收缩变形，且凝结时间可控，可挤出性能与力学性能较好;随着减水剂掺量增加，3D打印建筑砂浆材料的表观黏度并未发生显著变化，触变性能呈现先降低并逐步趋向不变化的状态，塑性黏度表征为先下降后上升的趋势，屈服应力则保持持续降低的形态;随着缓凝剂掺量的增加，3D打印建筑砂浆材料的表观黏度呈现递增状态，触变性能变化并不明显，塑性黏度表现为先上升后下降的趋势，屈服应力则表征为递增形态;高效减水剂具备良好吸附分散作用，可加大水泥颗粒之间滑动性，最佳掺量可改善材料流变性能;缓凝剂具备良好增加黏度效果，但是又会在一定程度上阻碍水泥水化生成的絮凝结构，最佳掺量可提高材料流变性能。

参考文献

[1]吴昊一，蒋亚清，潘亭宏，王玉.3D打印水泥基材料层间结合性能研究[J].新型建筑材料，2019，46（12）：5-8.

[2].ECC将在建筑3D打印中发挥更大作用[J].建材发展导向，2019，17（24）：104.

[3]王波.3D打印混凝土技术的建筑工程应用分析[J].建材与装饰，2019（35）：15-16.

[4]刘明鉴.3D打印混凝土墙轴压力学性能试验研究及其工程实践[D].哈尔滨工业大学，2019.

[5]徐捷.3D混凝土打印成形质量分析与路径优化研究[D].华中科技大学，2019.

[6]侯泽宇，张宇，张超，陈逸东，陈春，张亚梅，张云升.3D打印混凝土力学性能试验方法[J].混凝土与水泥制品，2019（11）：1-5.

[7]吴颖萍，严小丽，周迎雪.3D打印技术在建筑业发展中的影响因素研究[J].建筑科学，2019，35（10）：170-175+190.

[8]顾怀全，贾天怡，宋怀印，顾菲，杨华山，车玉君，颜少连.3D打印磷渣粉混凝土的试验研究[J].贵州师范大学学报（自然科学版），2019，37（05）：77-84.