水泥基3D打印材料的組成及力學(xué)特性

鄭捷

（上海市退（離）休高級(jí)專家協(xié)會(huì)土木建筑專業(yè)委，上海 200041）

0 前言

去年年底筆者有幸跟隨上海市退（離）休高級(jí)專家協(xié)會(huì)土木建筑專業(yè)委一行前往上海建工集團(tuán)機(jī)械施工公司南翔基地參觀 3D 打印智能建造中心，實(shí)地感受了 3D 打印的過程和各種打印模型。該智能建造中心用時(shí) 35 天成功打印出一座長(zhǎng) 15.25m、寬 3.8m、高 1.2m的 S 形曲面橋，不久將被安裝在上海桃浦智創(chuàng)城中央公園內(nèi)。建造團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多次對(duì)比和試驗(yàn)，最終選定了在ASA（一種工程塑料）中加入一定比例的玻璃纖維以及抗老化材料，使這座橋具備高耐候性、高抗沖擊性等特點(diǎn)，能承受長(zhǎng)期的日曬雨淋，基本滿足耐久性的要求。

近年來 3D 打印作為一門新興技術(shù)在國(guó)際、國(guó)內(nèi)都備受矚目，并被廣泛地應(yīng)用到更多的行業(yè)中。因此開展 3D 打印材料的研究進(jìn)而在建筑施工領(lǐng)域推廣應(yīng)用不僅僅是建筑施工與當(dāng)下高新技術(shù)的結(jié)合，而且是建筑企業(yè)改變傳統(tǒng)施工作業(yè)自主創(chuàng)新的絕好機(jī)遇。當(dāng)前，在全國(guó)實(shí)施國(guó)務(wù)院印發(fā)的“中國(guó)制造 2025”進(jìn)程中，3D 打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用將扮演著不可或缺的重要角色，從這個(gè)意義上講，開展對(duì) 3D 打印材料的研制是很有必要的。

1 水泥基 3D 打印材料的組成

雖然目前 3D 打印材料主要包含各種工程塑料、石膏、樹脂、金屬系等材料，但上述材料在打印過程中易受工藝條件限制或成型后的力學(xué)性能還達(dá)不到相應(yīng)要求。作為從事水泥混凝土技術(shù)的工程技術(shù)人員更愿意看到依據(jù) 3D 打印的工藝特點(diǎn)和規(guī)律研制出以水泥混凝土為主的 3D 打印材料，推動(dòng) 3D 打印從模型走向?qū)嵨?，從試?yàn)室走向施工現(xiàn)場(chǎng)真正實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)的智能化。

1.1 3D 打印的工藝特點(diǎn)

一般 3D 打印的主要裝置有龍門機(jī)架、料倉(cāng)、輸送泵、噴嘴、PC 機(jī)和工作平臺(tái)。工藝流程大致是：料倉(cāng)中事先攪拌好的打印材料通過管道泵送至噴嘴，在計(jì)算機(jī)控制下根據(jù)對(duì)物體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型或者計(jì)算機(jī)斷層掃描的數(shù)據(jù)，打印噴嘴在工作平臺(tái)上依次循環(huán)打印物件。整個(gè)打印過程是通過材料的 3D 堆積逐層打印成形，因此其工藝特點(diǎn)是分層打印、逐層疊加。

1.2 3D 打印材料應(yīng)具有的特性

既然 3D 打印具有分層打印、逐層疊加的工藝特點(diǎn)，因此打印材料的設(shè)計(jì)必須考慮以下特性：

（1）良好的泵送性能和流動(dòng)度

打印材料是通過管道進(jìn)入噴嘴的，材料本身應(yīng)保持一定的流動(dòng)度以確保輸送管道和噴嘴的暢通。過小的流動(dòng)度容易造成管道或噴嘴的堵塞影響打印速度，而過大的流動(dòng)度使擠壓出來的材料極易變形。因此良好的泵送性和適宜的流動(dòng)度是取得兩者平衡的關(guān)鍵。

（2）整體結(jié)構(gòu)的一致性

根據(jù)分層打印、逐層疊加的工藝特點(diǎn)，層與層之間必須相互融合并且有良好的粘結(jié)性，同時(shí)每一層必須自密實(shí)，不得有空隙，以確保打印對(duì)象符合設(shè)計(jì)所要求的外觀形狀尺寸和力學(xué)性能，達(dá)到打印物體整體結(jié)構(gòu)的一致性。

（3）精準(zhǔn)的凝結(jié)時(shí)間

上層材料與下層材料的融合粘結(jié)應(yīng)該在下層材料尚未完全失去塑性之前，因此循環(huán)打印一次所需時(shí)間必須小于原先這層材料的初凝時(shí)間，同時(shí)層與層之間的打印時(shí)間間隔不宜過長(zhǎng)防止層與層之間的粘結(jié)強(qiáng)度有所降低。

（4）即時(shí)的自立定形能力

打印材料在保持一定的流動(dòng)度的同時(shí)，噴嘴中擠壓出來的材料與下層材料融合時(shí)其本身不因材料的自重而出現(xiàn)變形，即短時(shí)應(yīng)具有的自立定形能力。

1.3 水泥基 3D 打印材料的組成

1.3.1 打印材料的一般組成

3D 打印材料既要適應(yīng) 3D 打印的工藝特點(diǎn)又要達(dá)到 3D 打印材料應(yīng)具有的材料特性，從以往 3D 打印項(xiàng)目材料組成分析（以擠出方式打印為例），基本材料都可采用普通硅酸鹽水泥并可摻用粉煤灰、硅粉，有的摻用短纖維。由于打印的噴嘴直徑很小一般在 9～20mm之間，個(gè)別達(dá) 38mm，因此不使用粗骨料而是采用最大粒徑為 2.5mm 的砂。為了取得滿意的擠出效果，保持一定的流動(dòng)度是必要的，但過大的流動(dòng)度又有可能導(dǎo)致擠出材料發(fā)生變形甚至坍塌，因此如何平衡兩者的關(guān)系是打印成功的關(guān)鍵。為了精準(zhǔn)控制初終凝時(shí)間，高性能外加劑或速凝劑的使用是不可或缺的。

1.3.2 合成短纖維的特殊作用

在打印材料中添加短纖維除了起到防裂、防爆、增強(qiáng)、增韌的作用外，短纖維的摻加還有其特殊的作用。

其一，打印工藝所造成的層與層之間的結(jié)合縫往往是應(yīng)力集中的地方容易導(dǎo)致物體產(chǎn)生疲勞裂紋，而纖維的架橋作用能阻止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大，通過耗散吸收外界的破壞能量從而在水泥基脆性材料的性能上增加塑性材料的特征。

其二，纖維的架橋作用還可以提高層與層之間的粘結(jié)強(qiáng)度。合成纖維與水泥基體之間是不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)作用的，所謂的粘結(jié)強(qiáng)度是指纖維表面在水泥基體包裹下，當(dāng)基體硬化后即形成了界面的粘結(jié)強(qiáng)度。在逐層打印的過程中通過上下層材料彼此交叉滲透，特別是有壓花的纖維，由于纖維表面增加了粗糙度還可進(jìn)一步提高層與層之間的粘結(jié)強(qiáng)度。

其三，與新拌纖維混凝土類似隨著纖維摻量的增加，流動(dòng)度隨之降低，從打印工藝來看材料從管道到噴嘴擠壓出料要保持一定的流動(dòng)度，但擠壓出來的瞬間流動(dòng)度應(yīng)該適當(dāng)減小以確保物體形狀不變形，此時(shí)纖維的添加起到增大摩擦阻尼的作用有利于打印材料的自立定形。

2 水泥基 3D 打印材料的力學(xué)特性

2.1 3D 打印材料的強(qiáng)度等級(jí)

由于目前對(duì) 3D 打印材料的力學(xué)性能試驗(yàn)還未制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程，并且 3D 打印在建筑施工方面的研究及應(yīng)用尚處于初級(jí)階段，為此筆者根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究的事例以及水泥基 3D 打印的材料組成建議其強(qiáng)度等級(jí)可按混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定，合格評(píng)定應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50107—2010《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定。試件的養(yǎng)護(hù)和試驗(yàn)可按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定執(zhí)行。與纖維混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律類似，在3D 打印材料中添加短纖維時(shí)隨著纖維摻量的增加早期強(qiáng)度與未摻纖維的抗壓強(qiáng)度相當(dāng)，但 28d 的抗壓強(qiáng)度略有降低。但只要滿足設(shè)計(jì)要求，強(qiáng)度的損失與纖維所起的作用相比還是容易取舍的。

2.2 3D 打印材料的抗彎強(qiáng)度與彎曲韌性指數(shù)

由于 3D 打印的特性是逐層打印、層層相疊，層與層之間的黏附及打印物體的整體彎曲強(qiáng)度顯得格外重要，何況層與層的疊合極易產(chǎn)生應(yīng)力集中使打印物體產(chǎn)生疲勞裂紋。法國(guó)的試驗(yàn)人員對(duì) 3D 打印物體進(jìn)行了抗彎強(qiáng)度測(cè)試，設(shè)計(jì)的 3D 打印材料的水膠比為26%，其中水泥占 70%，粉煤灰 20%，硅粉 10%，細(xì)骨料采用最大粒徑為 2mm 的砂，聚羧酸系高性能外加劑和緩凝劑各占 1.0% 和 0.5%。所打印的 (500×350×120)mm3物體養(yǎng)護(hù) 28d 后，對(duì)物體不同方向切割而形成的 (100×100×400)mm3試件根據(jù) BSEN 12390-5：2009標(biāo)準(zhǔn)施加荷載進(jìn)行抗彎試驗(yàn)見示意圖 1、圖 2[1]。

圖1 抗彎試驗(yàn)示意圖 1

圖2 抗彎試驗(yàn)示意圖 2

圖1、圖 2 左邊圖形中的實(shí)線表示計(jì)算機(jī)控制下打印噴嘴運(yùn)動(dòng)的軌跡，虛線分別表示打印物體 (500×350×120)mm3平面圖形上的切割部位。圖 1 的切割方向與打印軌跡平行，圖 2 的切割方向與打印軌跡垂直。圖 1 中 P1、P2 表示切割形成的 (100×100×400)mm3長(zhǎng)方體試件正視圖上的荷載方向，圖 2 中 P3 是切割形成的(100×100×400)mm3長(zhǎng)方體試件正視圖上的荷載方向。試驗(yàn)結(jié)果[1]顯示不同加荷方向所獲得的平均抗彎強(qiáng)度大小依次為 WP1＞W(wǎng)P2＞W(wǎng)P3，其中 P3 方向的抗彎強(qiáng)度平均值僅為 7MPa，強(qiáng)度變動(dòng)系數(shù)較大，說明打印物體的抗彎強(qiáng)度呈現(xiàn)各相異性的特征。日本村田哲等人也進(jìn)行了類似試驗(yàn)，試件尺寸和荷載方向與圖 1 相同，采用的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是 JSCE-G552：2013，除了測(cè)試抗彎強(qiáng)度外同時(shí)測(cè)試了彎曲韌性指數(shù)，使用的材料是以普通硅酸鹽水泥為主要成分的粉體材料 B、最大粒徑為 2.5mm的砂 S、緩凝劑 R 及纖維長(zhǎng)度為 12mm 的短纖維 F，打印材料配合比見表 1[2]，試驗(yàn)結(jié)果見表 2[2]。

根據(jù)表 2 的試驗(yàn)結(jié)果剔除試驗(yàn)編號(hào) F0.3 的抗彎強(qiáng)度較大的 6.5 外，基本在 4.7～5.2 范圍內(nèi)，短纖維摻量為 0.1% 時(shí)的彎曲韌性指數(shù)都較小，隨著纖維添加量的增加，抗彎強(qiáng)度和彎曲韌性指數(shù)均得到了提高。同時(shí)從不同的荷載方向分析 P1 的彎曲韌性指數(shù)要大于 P2 方向，呈現(xiàn)各相異性的特征，上述兩者的研究表明雖然依據(jù)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)不同，但是都說明 3D 打印物體的各個(gè)受力面在抗彎強(qiáng)度及彎曲韌性指數(shù)上存在差異具有各相異性的特征。作為增韌材料，短纖維的摻入對(duì)水泥基 3D打印材料起到的作用是提高抗彎強(qiáng)度及彎曲韌性指數(shù)，但纖維材料的摻加并不能改變各向異性的特性，究其原因可能與試件的切割方向有關(guān)。當(dāng)切割方向與打印軌跡平行時(shí)，所切割的試件可以看作是由水平逐層疊加形成的，或者是由逐層橫向粘合而形成的，而當(dāng)切割方向與打印軌跡垂直時(shí)，切割成的試件可以看作是逐層豎向粘合形成的，顯然豎向粘合的層數(shù)要大于橫向粘合的層數(shù)。由材料力學(xué)可知層與層的疊合處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，即便在切割方向與打印方向平行，試件在 P1、P2不同方向上施加荷載時(shí)，彎曲韌性指數(shù)也存在差異，只是這種差異比之 P3 方向要小。3D 打印物體在力學(xué)性能上存在的各向異性的特點(diǎn)，為今后研究如何加固、補(bǔ)強(qiáng)從而改進(jìn)打印工藝提供了依據(jù)。

表1 3D 打印材料配合比

表2 抗彎強(qiáng)度及彎曲韌性指數(shù)

2.3 3D 打印材料的粘結(jié)強(qiáng)度

在粘結(jié)強(qiáng)度方面因?yàn)?3D 打印的物體是逐層打印疊加而成，層與層之間的粘合程度如何是人們所關(guān)心的問題。法國(guó)的試驗(yàn)人員采用與 2.2 中所述相同的水膠比及相應(yīng)材料，首先打印第一層隨后擱置一段時(shí)間打印第二層并切割為 ?58mm 的圓柱體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28d 后根據(jù) BSEN14488-4：2005+AI：2008 標(biāo)準(zhǔn)，采用單軸拉伸試驗(yàn)方法。結(jié)果顯示[1]，第一層打印結(jié)束至第二層打印開始的間隔時(shí)間越長(zhǎng)則粘結(jié)強(qiáng)度越小。若打印間隔為 15分鐘時(shí)粘結(jié)強(qiáng)度為 2.3MPa，則打印間隔為 30 分鐘～7天的情況下粘結(jié)強(qiáng)度降低了 55%～77%，因此期望達(dá)到應(yīng)有的粘結(jié)強(qiáng)度并保持打印物體整體強(qiáng)度的一致性，控制好打印間隔時(shí)間是至關(guān)重要的。

3 結(jié)語(yǔ)

3D 打印物體是打印設(shè)備在計(jì)算機(jī)控制下一層一層打印出來的，經(jīng)逐層粘結(jié)、融合、堆積而成。針對(duì)以上打印特點(diǎn)以普通硅酸鹽水泥為主的 3D 打印材料其材料組成及硬化后力學(xué)性能上的特點(diǎn)值得我們?cè)诮窈蟮难兄浦屑右灾匾暋?/p>

（1）以普通硅酸鹽水泥為主的 3D 打印材料其拌合物既有與一般泵送混凝土相似的技術(shù)要求即保持符合施工要求的坍落度或擴(kuò)展度，但又與泵送混凝土不同，除了泵送性能外還必須確保每一層打印后的材料因自重產(chǎn)生的變形控制在最小范圍內(nèi)，同時(shí)層與層之間必須密實(shí)不應(yīng)有空隙，以保持整體結(jié)構(gòu)的一致性。

（2）合成短纖維在 3D 打印材料中所起到的改善脆性材料性能、提高層間粘結(jié)強(qiáng)度、增大摩擦阻尼等特殊作用方面有助于提高打印材料的彎曲強(qiáng)度和自立定形。

（3）硬化后的 3D 打印物體各受力面具有各向異性的特點(diǎn)且層間粘結(jié)強(qiáng)度隨打印間隔的延長(zhǎng)而降低，因此在材料設(shè)計(jì)上如何改善各受力面抗彎強(qiáng)度的差異性，保持打印物體整體結(jié)構(gòu)的一致性是 3D 打印技術(shù)值得進(jìn)一步研究的內(nèi)容之一。

在建筑施工領(lǐng)域引入 3D 打印技術(shù)提高智能建造水平離不開 3D 打印材料的研究。雖然目前用于 3D 打印的各種材料日趨完善，但在水泥基 3D 打印材料研究應(yīng)用方面還存在不小差距，首先在打印材料的基礎(chǔ)性研究上，如材料的成分設(shè)計(jì)、力學(xué)性能、試驗(yàn)方法、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面還不夠深入有的還未開展。其次打印工藝上如何配置鋼筋并與預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)相結(jié)合從而在構(gòu)件生產(chǎn)上實(shí)現(xiàn)智能化以及由 3D 打印工藝所形成的層與層之間的凹凸形狀在美觀上存在的問題同樣是值得研究的課題。相信在大家的共同努力下以普通水泥為基本材料的3D 打印勢(shì)必向著工廠化、產(chǎn)業(yè)化的方向發(fā)展，并在工程應(yīng)用中取得新的突破。