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摘要：随着3D打印技术在建筑领域的不断发展，混凝土3D打印已成为一种具有潜力的建造技术。可打印性是是一个重要指标，其包含建造性、挤出性、流动性，本文通过试验结果数据，浅析3D打印混凝土的可打印性。

关键词：3D打印混凝土；层间粘结性能

引言

近年来，随着技术的进步，3D打印混凝土通过逐层堆积材料制造复杂形状的构件，为设计自由度、施工速度和材料利用带来了新的可能性。然而，3D打印混凝土的广泛应用受限于其可打印性，即混凝土材料的流变性质和快速固化能力，以及它们如何影响打印过程和最终结构的质量[1]。

1 3D打印混凝土基本性能测试

3D打印混凝土材料需具备以下特点：（1）良好的挤出性能；（2）良好的建造性能；（3）具有一定屈服应力可堆积性。

材料配比：水泥20kg、沙子12kg、膨胀剂0.7kg、硅灰0.85kg、双快水泥0.8kg、减水剂0.2kg、水4.5kg。

1.1材料挤出性

材料良好的挤出性能直接影响到3D打印过程的顺利进行和打印结构的质量，使用废弃材料、可循环利用材料配制可打印的水泥基材料，可为充分发挥3D打印在降低建筑成本上的优势，有利于提高其环境效益。使用铜尾矿砂替代传统的河砂制备水泥基打印材料，并应尤其注意材料静置时间对挤出性能的影响，合理优化材料设计以适应挤出性3D打印系统。

图1.1为材料静置时间对挤出性能的影响测试结果，从图中可以看出，30分钟之前，材料在这个阶段正迅速变得更加流动或失去刚度。（约30-50分钟）这个阶段达到稳定，平均在某个固定值附近波动，材料的性质在这段时间内保持相对不变。50分钟之后材料开始逐渐失去流动性或开始固化，刚度在增加，材料已经无法正常挤出，对于3D打印应用来说，掌握材料流动性和固化时间对于确保打印过程的顺利进行和打印物品质量是至关重要的。

1.2材料建造性

材料良好的建造性需要材料具备良好的早期刚度及流动性，以及能够在常温下由液态变为固态，自动凝聚成型，凝结硬化时间短且合适，进行产品打印时，除上述几方面因素，还应注意静止时间对建造性能的影响。

（1）早期刚度影响

通过使用贯入阻力来量测超早期打印材料的刚度变化与发展，进而评价其形状保持能力和外载抵抗能力，以作为凝结性的评价指标。

Rahul等[2]提出的基于屈服应力的3D打印混凝土混合设计方法，强调了屈服应力在保证逐层可建造性方面的重要性。这项研究指出，只有当材料的屈服应力处于特定范围内时，才能实现有效的逐层打印。如果屈服应力过低，会导致打印层之间发生塌陷，影响整体结构的稳定性和打印精度。而屈服应力过高，则会使得混凝土过于硬化，难以通过打印机的喷头挤出，影响打印的连续性和效率。

（2）流动性影响

3D打印混凝土的可打印性与其流变性密切相关，流变性则主要由其组成材料和配合比决定。Liu 等[3]研究了基于 3D 打印新鲜状态下的流变特性，优化了 3D 打印混凝土的配合比设计，提出了3D 打印混凝土混合料设计方法，打印材料的组成成分配比及静置时间均会对材料流动性产生影响。

研究[4]使用基于挤出的打印方法，通过测量挤出特定材料时消耗的电力来定量表征挤出性，并通过对测量挤出物的流速修正，使用单元挤出能量来衡量 3D 打印水泥基材料挤出性。根据建造性和挤出性结果，可看出，材料坍落度的范围为3.3-8.9cm， 扩展直径的推荐范围为17.4-21cm，在该流动度范围内的材料具有良好的可打印性。

（3）静置时间影响

通过对测试材料的研究，静置时间对打印材料建造性能影响显著，静置时间越长，材料的刚度越高，其承载能力以及形状保持能力则越强。然而，水泥基打印材料的流动性、粘稠性则随时间逐渐降低，层间结合力下降，不利于结构整体性能。在选择材料的静置时间时，应考虑材料特性的差异，以确保时间的合理安排。

综合来看，虽然当前存在多种方法来评估3D打印混凝土的建造性能，但这些方法主要基于实验，缺乏统一的评价标准。此外，对于建造性能的理论研究在广度和深度上仍有待加强。因此，未来的研究方向将是寻找标准化的建造性能评价方法。

参考文献

1 张超， 邓智聪， 侯泽宇， 等. 混凝土 3D 打印研究进展[J]. 工业建筑， 2020， 50（8）： 16-21.

2 Rahul A V， Santhanam M， Meena H， et al. 3D printable concrete： Mixture design and test methods[J]. Cement and Concrete Composites， 2019， 97： 13-23.

3 Liu Z， Li M， Weng Y， et al. Mixture Design Approach to optimize the rheological properties of the material used in 3D cementitious material printing[J]. Construction and Building Materials， 2019， 198： 245-255.

4 Nerella V N， Beigh M A B， Fataei S， et al. Strain-based approach for measuring structural build-up of cement pastes in the context of digital construction[J]. Cement and Concrete Research， 2019， 115： 530-544.

作者简介：李毕军 （1998.01），男，汉族，湖北人，学历：研究生，研究方向：3D打印混凝土。