3D打印混凝土相关性能研究进展

3D 打印混凝土相关性能研究进展
段严袁秦先涛
(武汉轻工大学土木工程与建筑学院,湖北武汉430023)
摘要:从流动性、黏结强度、凝结时间、纤维增强等方面概括了目前3D 打印混凝土的研究进展,分析了外加剂、骨料级配和特殊材料应用于改善3D 打印混凝土流动性的现状;总结了3D 打印混凝土层间黏结强度的不足及改善措施;从外加剂和水泥的选择上探讨了3D 打印混凝土凝结时间的控制方案,分析了纤维用于3D 打印混凝土中的优势以及特殊性;结合现状对3D 打印混凝土未来研究方向进行了展望。

关键词:3D 打印混凝土;流动性;黏结强度;凝结时间;纤维增强中图分类号:TU528
文献标识码:A
doi:10.19761/j.1000-4637.2020.09.005.06
Research Progress on the Properties of 3D Printed Concrete
DUAN Yan,QIN Xian-tao
(School of Civil Engineering and Architecture,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China)
Abstract:The research progress of 3D printed concrete (3DPC)from fluidity,bond strength,setting time and fiber
reinforcement is summarized.Specifically,the fluidity of 3DPC is analyzed based on the additive,gradation and special materials.While the weaknesses of bond strength of 3DPC and improvement measures are summarized.Then,the control scheme for the setting time is researched from the point of additive and cement.Meanwhile,the advantage and particularity of the use of fiber in 3DPC are analyzed.At last,the future research directions of 3DPC are proposed for
promoting the development of 3DPC.
Key words:3D printed concrete;Fluidity;Bond strength;Setting time;Fiber reinforcement
基金项目:湖北省自然科学基金项目(2018CFB325);硅酸盐建筑材料国家重点实验室(武汉理工大学)开放基金项目(SYSJJ2017-18)。

0前言
3D 打印混凝土技术,又称增材制造或快速成型
技术,是在3D 打印技术的基础上发展起来应用于混凝土施工的新技术,施工时按照预先设置好的打印程序将配置好的混凝土浆体通过挤出装置中的喷嘴进行挤出打印,最终得到设计形状的混凝土构件。

由于在建造过程中避免了支模、拆模工序,在很大程度上简化了施工的过程,使得3D 打印混凝土技术施工速率可以提高到普通混凝土的10倍以上;而且可以实现混凝土的充分利用,降低水泥用量,还可以提高建筑物的服役寿命,降低建筑垃圾的产生,减少重复建设。

同时,3D 打印技术减少了施工
人员和物料的数量,符合未来发展趋势[1]。

因此,3D
打印混凝土近年来吸引了越来越多的关注和研究,取得了相对丰硕的成果。

本文重点从流动性、黏结强度、凝结时间、纤维增强等方面对3D 打印混凝
土的最新研究动态进行总结分析,并对这种极具潜力的混凝土建造技术的未来发展与研究趋势进行展望。

1流动性
流动性是评价3D 打印混凝土可挤压性的关键参数,由于3D 打印材料通常需要通过打印喷嘴挤出。

因此,控制良好的流动性能确保打印材料顺利从喷嘴中挤出,并且易于沉积成型。

一般而言,传统混凝土施工中主要通过控制含水量来控制材料的流动性,但在3D 打印过程中,较高的含水量会导致多种问题,如较大的孔隙含量、力学强度的下降、较高的变形率等[2]。

所以,为了更好的流动性而提高含
水量的做法并不完全适用于3D 打印混凝土的施工。

事实上,在大多数情况下,选用高效减水剂是在
保证力学强度的前提下提高流动性的重要方法[3]。

此外,调节颗粒级配也能有效地改善材料的流
动性和流变性[4],这主要是因为通过调整粉末的含
量、粗骨料的含量等方法能使骨料的粒度分布更广,达到更高的填充密度性,从而产生更好的流动性[5-6]。

使用粉煤灰、高炉矿渣等精细矿物掺合料可
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混凝土与水泥制品
2020No .99月CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS September
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(a )无胶凝材料黏结层试样和使用1mm 黏结层试样
(c )黏结层和3D 打印层的
双喷嘴挤出示意图
黏结层喷嘴黏结层
挤出喷嘴3D 打印层
(b )砂浆从45°角喷嘴中
挤出(无黏结层)
以填充较大颗粒之间的空隙且取代空隙中的水,从而获得一定的润滑作用,增强浆料的流动性[7]。

但是细粉末直径过小会增加浆料的黏度,从而对流动性造成不利影响[8]。

ZHANG 等研究了流动性与骨料含量和骨料细度的关系,结果表明,流动性与骨料之
间存在线性关系[9]。

而文献[10]的结果显示,砂和水泥比例大于1.5时,会显著降低流动性,导致无法挤出,而小于0.8则会导致成品易于变形。

TING 等的研究论证了利用再生玻璃作为细骨
料应用于3D 打印混凝土中的可行性,根据剪应力试验结果可以看出,使用再生玻璃颗粒能显著改善混凝土的流动性[11],但力学强度试验结果表明会对
混凝土的力学性能造成不利影响。

因此,回收玻璃的大范围应用仍需要就可建造性、力学性能等方面做进一步研究。

文献[12]使用以工业废渣为原材料制成的中空玻璃微珠作为混凝土的部分细骨料,结果表明,流动性改善最为显著,相比于普通混凝土而言,15%、30%、45%的细骨料取代率可将混凝土的流动性分别提升36.8%、42.3%、47.4%,并延长混凝土的凝结时间。

此外,另有研究发现,使用再生玻璃可能会带来其他方面的改善,如混凝土耐久性、抗腐蚀性、绿色环保性等,不过再生玻璃作为细骨料
使用仍需进一步探究[13-17]。

2黏结强度
3D 打印混凝土施工过程中浆料是一层层堆积
成整体的,浆料的力学性能不仅要支撑自己本身的
重量,还要足以承受随后在其上层堆积的浆料重量。

此外,3D 打印技术相比于传统施工技术的一大优势是能打印出任何形状的物体,例如文献[18]研究的曲面结构。

因此,考虑其施工工艺特点的前提下,3D 打印混凝土除了与常规混凝土一样对抗压强度有着较高要求以外,黏结强度是维持结构稳定的必要条件,这也是3D 打印混凝土性能较为特殊的方面之一。

有研究认为,层间打印间隔时间是影响黏结强
度的关键因素[19]。

对不同间隔时间(15min 、30min ;
1h 、2h 、4h 、8h 、18h 和1d 、3d 、7d )的3D 打印混
凝土圆柱体试件进行拉伸试验发现,间隔时间超
过15min ,拉伸过程中破坏界面开始出现在打印施工的层间位置。

且随着间隔时间的增长,试样的黏结强度逐渐减小,间隔时间在30min~7d 时,层间黏结强度降低了53%~77%。

因此,对于3D 混凝土材料而言,需在保证层间黏结牢固与自身强度发展速度能支撑自重之间找到平衡。

MARCHMENT [20]则通过在上下两层打印混凝土材料之间增设一个1mm 厚的胶凝材料层(见图1)来减小空隙并增加黏结面积,从而增加界面层黏结强度,而且提供了一种定量评价接触面积的方法。

另外,对比层间黏结强度的平均值发现,使用1mm 胶凝材料层后黏结强度最高可提升60%。

文献[21]则在3D 打印混凝土的相邻层间加入了一种由炭黑和硫磺组成的新型聚合物材料(SBCS )来起黏结作用,通过分子动力学和密度泛函
理论计算,得知黏结强度提升效果明显。

同时,拉伸试验结果也表明,加入SBCS 层后,3D 打印材料的拉伸强度由0.75MPa 提高至1.5MPa ,但仍然低于正常砂浆试件的拉伸强度(4MPa )。

从上述研究来看,3D 打印混凝土材料相邻打印层之间的黏结强度确实是影响其整体性能的重要方面,而且黏结强度影响因素也较多,比如层与层之间的打印间隔时间、有效黏结面积、有无设置黏结层等。

目前,研究人员已充分认识到黏结层的问题,也作出了针对性研究,但从效果来看,未来针对3D 打印混凝土材料层间黏结性的问题还需继续深入探索,其直接拉伸强度仍需进一步增强。

此外,文献[22]比较了国内外多项研究后认为不同黏结强度测试方法存在一定差异,且大多都是基于普通混凝土的测试方法。

因此,有必要进一步系统性综合分析3D 打印混凝土的各项性能,并在此基础上开发出针对3D 打印混凝土黏结强度的测试方法。

3凝结时间
(1)促凝剂与缓凝剂结合使用调节凝结时间由于混凝土3D 打印施工过程中浆料需要从喷
嘴中挤出,而喷嘴的流速有限。

因此,在一定时间内材料应保持一致的流速以获得良好的可挤出性,
这
图1无黏结层和有黏结层3D 打印混凝土[20]
(无黏结层)
(有黏结层)
50mm
30mm
15mm 15mm 30mm
50mm 15mm
15mm
1mm 胶凝材料
层
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6--
就需要适当的缓凝剂和促凝剂来控制凝结时间。

另
外,材料从喷嘴挤出后应在较短时间内凝结并获得
一定的早期强度。

在普通硅酸盐水泥混凝土中,常
用的缓凝剂主要分为有机缓凝剂和无机缓凝剂,其
中有机缓凝剂目前研究较多的主要是糖类及其衍
生物,蔗糖对水泥的缓凝作用优于其他糖醇[23-24],但许多糖类的缓凝作用易受到pH值影响,具体使用
需要进一步考虑[25]。

其他有机物对混凝土也有缓凝作用,比如酒石酸、柠檬酸等[26],无机缓凝剂主要包括石膏[27-28]、硼砂[29]等。

然而,上述利用缓凝剂调控凝结时间的研究需要在3D打印混凝土中进一步对比和验证。

(2)使用磷酸镁水泥调节凝结时间
由于硅酸盐水泥的凝结时间较长、早期强度不
高,因此,不适合直接用于3D打印混凝土中。

近年
来,不少学者提出使用其他水泥材料作为胶凝材
料。

其中,磷酸镁水泥具有快凝的特征,在不加缓凝
剂时凝结时间为1~10min,1h后抗压强度即可达
到50~60MPa[30],经研磨后比表面积可达400m2/kg,在3D打印混凝土中具有极大的应用潜力[31]。

但是磷酸镁水泥存在低延展性、水化热较高等不足,有待进一步研究。

此外,为了满足混凝土打印施工条件,需要使用缓凝剂来调控凝结时间。

在普通磷酸镁水泥混凝土中,宋旭艳等研究中使用硼砂和蔗糖的组合作为缓凝剂,当硼砂掺量为0.7%、蔗糖掺量为4.9%时,磷酸镁水泥的凝结时间延长至31min,1d 净浆抗压强度仍保持在45.8MPa,同时在反应过程中最高温度的降低幅度明显,与只把硼砂作为缓凝剂的体系相比,该种复合缓凝剂能使水泥硬化体不再是多孔难看的外观,能明显改善其表面状况[32]。

(3)使用硫铝酸盐水泥调节凝结时间
与磷酸镁水泥相似,硫铝酸盐水泥也具有较
高的早期强度、较快的凝结时间,同时硫铝酸盐水
泥还具有良好的抗冻性和抗渗性。

因此,受到一些
学者的关注和研究[33]。

CHEN等的研究发现,通过使用羟丙基甲基纤维素(HPMC)、减水剂(WRA)、碳酸锂(Li2CO3)可以改善体系的流变性能和抗压强度,并基于试验结果提出应控制HPMC、WRA和Li2CO3在0.15%~0.35%,0.1%~0.4%和0~0.015%的范围内[34]。

此外,还研究了酒石酸对硫铝酸盐水泥在流变性能和力学性能等方面的作用。

结果表明,一定掺量的酒石酸将体系的初凝时间延长至20~30min,而终凝时间可延长至92~123min,并可改善其流变性,并能将最终体系的变形率控制在10%以下[35]。

相对于其它方面性质而言,3D打印混凝土凝结时间的调控是相对容易的,因为在普通混凝土中促凝剂、缓凝剂单独使用和搭配使用均较为常见,但如何在保证3D打印混凝土凝结时间适宜于打印施工和强度发展,同时又能利于其黏结强度发展,是未来研究中应统筹考虑和发展的方向。

4纤维增强混凝土
在传统混凝土领域,纤维增强被视为实现改善抗压强度、抗折强度等力学性能的有效手段。

但是在3D打印混凝土中,纤维含量过高不仅会降低流动性、增加堵塞喷嘴的风险,还会降低黏结强度,纤维的长度也会影响流动性和力学性能。

因此,仍需要进一步研究[36]。

LE等的试验结果表明,微聚丙烯纤维的添加量为1.2kg/m3时,抗压强度可控制在107MPa左右,并且其抗弯强度也提升到6MPa以上,同时也观察到了各向异性对力学性能的影响[37]。

而根据该理论,有学者开发出一种掺加0.5%玄武岩纤维的3D打印混凝土,使得纤维能按照固定的方向排列,使其对力学强度的增强效果更加明显,并具有良好的可挤出性和可建造性,并且分析了材料的各向异性,发现了力学性能的各向异性和超声波信号之间的经验关系[38]。

SHAO等研究发现,挤出纤维混凝土相较于传统注模纤维混凝土在强度、刚度、韧性方面表现更好[39],随着纤维长度与掺量的增加,材料的抗折强度将进一步增加,但同时纤维长度与掺量的增大都会降低材料的流动性,最终导致材料无法打印。

WU等测试了微晶纤维素(MCC)对打印材料的影响,通过比较0.5%、1%、1.5%三种掺量,发现添加1%的微晶纤维素表现最好,认为当砂浆的W/B为0.35时,添加1%的微晶纤维素是最佳用量,此种条件下打印材料能保持一定的流动性和较好的抗压、抗折强度,同时还通过基于BIM的LCA模型发现添加1%的微晶纤维素可降低打印材料中6.82%的CO2排放,主要是由于添加微晶纤维素后,能在更少的水泥用量的情况下保持其力学性能[40]。

HAMBACH和VOLKMER比较了不同打印路径时(见图2),1%体积掺量下碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维对力学性能的影响,表1和表2中的试验结果显示,使用碳纤维可提升抗折强度,而玻璃纤维和玄武岩纤维的作用较小,并且对于抗压强度的提升则具有明显的各向异性,而纤维种类的差异对于抗压强度的影响较小[41]。

文献[42]中进行了PVA纤维用于3D打印混凝土的研究,随着PVA纤维含量增加凝结时间相应的
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段严,秦先涛
7--
表2单轴抗压强度试验测定的抗压强度[41]
表1按路径A 和B 打印成型的试验梁在三点弯曲
试验下的抗折强度
[41]
(f )测试方向Ⅰ(d )打印路径D
(e )三点弯曲试验
图2不同打印路径示意图[41]
12mm
(a )打印路径A
(b )打印路径B
(c )打印路径C
12mm
会有一定影响,但相比于缓凝剂的显著作用可以忽略不计。

流动性随着纤维含量的增加而降低,PVA 纤维掺量在1.0%~1.4%时可满足打印施工的要求。

另外,PVA 纤维对混凝土的抗压强度和抗折强度均有较大的提升作用,PVA 纤维掺量从0.8%提高到
1.6%时,1d 抗压强度和抗折强度均有30%~40%的提高。

当PVA 纤维掺量为1.2%时,3D 打印混凝土
在黏聚性、流动性、堆积稳定性和可施工性等方面比较均衡。

但对于玻璃纤维而言,混凝土中所含的碱性成分会缩短玻璃纤维的寿命。

因此,一直制约着其后续开发与规模运用,文献[43]发现通过复掺
粉煤灰和矿粉的方法可以降低混凝土碱度以延长玻璃纤维的寿命,并提高玻璃纤维混凝土的抗压强度和耐久性。

基于目前研究来看,得益于普通混凝土中纤
维的广泛应用,纤维增强3D 打印混凝土的优势已
得到充分认可,但与普通混凝土相比,3D 打印混凝土中的纤维使用也存在特殊的挑战性:①如何在保证流动性和可打印性的前提下实现纤维增强效应
最大化;②是否可以利用纤维来改善3D 打印
混凝
(g )测试方向Ⅱ
F
F
F
第一层第二第一第二样本打印路径A 打印路径B 无纤维
1.0%体积碳纤维
1.0%体积玻璃纤维
1.0%体积玄武岩纤维
10.6±0.729.1±1.812.4±0.813.8±0.5
11.4±0.613.9±0.510.3±0.710.2±0.6
样本打印路径C ,测试方向Ⅰ打印路径C ,测试方向Ⅱ打印路径D ,测试方向Ⅰ打印路径D ,测试方向Ⅱ
无纤维
1.0%体积碳纤维
1.0%体积玻璃纤维
1.0%体积玄武岩纤维
81.1±10.060.6±9.8
61.0±15.163.0±15.729.6±10.727.4±7.920.6±6.8
33.7±10.777.9±29.382.3±26.084.5±22.585.0±31.2
30.0±10.830.8±14.128.1±7.9
38.6±15.7土的层间黏结强度?5总结与展望
(1)3D 打印混凝土避免了施工养护过程中的模
板工程和振动成型过程,从而减少模板造成的材料和人工成本,减少材料浪费,缩短施工时间,减少人为失误。

同时,3D 打印混凝土也可实现复杂形状混凝土结构的定制化施工,且随着硬件设备的不断升级,3D 打印混凝土技术在未来可能成为建造和修复基础设施的重要辅助方式。

(2)现阶段针对3D 打印混凝土的研究侧重于
材料组成设计方面,主要胶凝材料是硅酸盐水泥,重点考虑的性能包括流动性、力学性能、凝结时间等方面,但从阶段性成效来看暂时还没有专门的理论来指导材料的配合比设计以适应3D 打印在材料上的所有要求。

目前,比较成熟的理论是由LE 等提出的从混凝土添加剂出发,通过调节高效减水剂、
缓凝剂、促凝剂和纤维的用量控制力学性能和流动性,兼顾了混凝土的打印效果和可施工性,并已有不少学者根据其理论开发出不少可用于3D 打印的混凝土材料,普遍具有较高的抗压强度和流动性,但该理论仅针对硅酸盐混凝土材料提出,这也是出于成本控制的考虑,但不可忽视的是其他矿物材料水泥混凝土在早期强度、凝结时间等方面具有一定优势,并可专用于某些施工领域。

因此,在更大范围内研究其他矿物水泥用于3D 打印混凝土中的可能性对推动3D 打印混凝土的发展有很大帮助。

(3)从3D 打印混凝土的流动性和可施工性的
需求出发,其新拌浆体材料应能通过喷嘴顺利挤出并能快速凝结成型,现有研究已经证明流动性不仅可以通过使用高效减水剂来调节,骨料的细度、掺量和种类也与流动性有着密切关系,同时使用其他的可回收骨料也能大大减少成本及碳排放,但在此方
MPa MPa
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面的研究较少,未来也值得关注。

(4)长远地看,3D打印混凝土更大的潜力是用来建造大跨度、曲面等传统施工方式不能或者难以建造的现代建筑,其对混凝土的抗压强度、抗折强度等力学性能方面提出更高要求。

因此,结合传统经验采用纤维增强是适宜的选择。

但要注意的是,现有试验已经证明纤维的添加量应被控制在一定范围,即其对于力学性能的提升是有一定限度的,并且使用纤维会增强材料力学性能各项异性,可能会在实际运用时造成不利影响。

而相对于传统硅酸盐水泥,其他矿物材料水泥虽然会存在成本高、寿命短等问题,但可使3D打印混凝土获得适宜的凝结时间和更高的早期强度。

因此,也值得深入研究。

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收稿日期:2019-12-25
作者简介:段严(2000—),男,本科。

通讯作者:秦先涛(1987—),男,讲师,博士。

通讯地址:湖北省武汉市常青花园学府南路68号
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2020年第9期混凝土与水泥制品总第293期。