3D打印混凝土性能评价及配合比设计研究进展_沈亮.pdf

建筑施工第45卷第1期2133D打印混凝土性能评价及配合比设计研究进展沈 亮1 崔维久1,2 于 琦1,3 王 胜41.青岛理工大学土木工程学院 山东 青岛 266520；2.青岛理工大学滨海环境人居中心 山东 青岛 266035；3.青岛青建新型材料集团有限公司 山东 青岛 266108；4.青建集团股份公司 山东 青岛 266071摘要：3D打印混凝土成为行业研究热点，并在材料制备、工艺控制、性能评价等方面取得显著成果。然而，3D打印混凝土配合比设计研究较为有限，且尚未形成标准化方法。因此，基于目前公开发表的研究成果，首先梳理了3D打印混凝土关键性能及其测试方法，重点阐述了3D打印混凝土常用组分及其性能的影响，最后分类总结了3D打印混凝土配合比设计方法，在此基础上提出相关配合比设计的建议，以期推动3D打印混凝土配合比设计方法标准化。关键词：3D打印混凝土；性能评价；测试方法；材料组成；配合比设计方法中图分类号：TU528 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)01-0213-07 DOI：10.14144/ki.jzsg.2023.01.054Research Progress of 3D Printing Concrete Performance Evaluation and Mix DesignSHEN Liang1 CUI Weijiu1,2 YU Qi1,3 WANG Sheng41.School of Civil Engineering,Qingdao University of Technology,Qingdao 266520,Shandong,China;2.Binhai Environment Habitat Center,Qingdao University of Technology,Qingdao 266035,Shandong,China;3.Qingdao Qing Jian New Material Group Co.,Ltd.,Qingdao 266108,Shandong,China;4.Qing Jian Group Co.,Ltd.,Qingdao 266071,Shandong,ChinaAbstract:3D printing concrete has become a research hotspot in the industry,and has made remarkable achievements in material preparation,process control,performance evaluation,etc.However,the research on 3D printing concrete mix design is limited,and a standardized method has not been formed yet.Therefore,based on the currently published research results,this paper first sorts out the key performance and testing methods of 3D printing concrete,focuses on the influence of common components of 3D printing concrete and their performance,and finally classifies and summarizes the mix proportion design methods of 3D printing concrete.On this basis,it puts forward suggestions on relevant mix proportion design,with a view to promoting the standardization of 3D printing concrete mix proportion design methods.Keywords:3D printing concrete;performance evaluation;test method;material composition;mix proportion design method设计相关的建议，以期为3DPC工程化应用提供理论支撑。1 3DPC评价性能及测试方法3DPC的大致过程为先建立打印结构的三维实体几何或边界模型，再进行模型分层切片设计及其打印路径规划，最后通过喷嘴逐层堆积形成结构构件。3DPC特殊的建造方式带来了特殊的性能要求，当前3DPC常用的性能评价指标主要包括：流动性、可挤出性、可建造性、凝结时间和力学性能8。1.1 流动性流动性能直观地评价3DPC的可挤出性，跳桌试验（图1）具有操作简单且耗时短的特点，是3DPC流动性常用的测试方法。学者们分析跳桌试验的结果，筛选出不适宜打印的材料并给出适宜打印混凝土的流动性区间。Ma等9指出跳桌流动度在174210 mm范围内，铜尾矿替代天然砂的3DPC满足挤出性要求；Tay等10通过大量试验得出跳桌流动度在140210 mm范围内的3DPC打印性能良好；Li等11通过材料间的复配并确定最优的跳桌流动度为随着信息化、工业化不断进步，3D打印混凝土（3DPC）在建筑领域取得了长足发展。3DPC可以提高施工速度、减少人力消耗、节约原材料，进而降低碳排放1-3。国内外研究学者开展了大量的研究，主要集中在流变性能、材料制备、性能评价等方面，还有学者对水下3D打印可行性4、钢筋植入5进行了探索。混凝土配合比设计是决定其能否成功打印的前提，当前研究仍需进一步探索。现有研究主要采用试错法来探索可打印混凝土配合比设计6-7，整个探寻的过程存在不确定性和烦琐性。本文以现有的研究成果为基础，在梳理了3DPC的关键性能及评价方法基础上，讨论了混凝土常用组分及其性能的影响，最后介绍了3DPC配合比设计方法并提出了配合比科学研究SCIENTIFIC RESEARCH基金项目：国家青年科学基金项目（53008224）作者简介：沈 亮（1998），男，硕士，工程师。通信地址：山东省青岛市黄岛区嘉陵江东路777号（266520）。电子邮箱：收稿日期：2022-11-1120231Building Construction214197.5 mm；Baz等12通过改变高效减水剂的用量，得到了流动度范围在145180 mm的混凝土材料适宜打印。试验前试验前试验后试验后D2D1图1 3DPC流动性测试1.2 可挤出性可挤出性是直观评价3DPC能否成功打印的关键参数，观察法是材料可挤出性的常用评价方法（图2）。Le等13提出了一种通过打印5组9 mm宽、300 mm长细丝来评估可挤出性，每组连续打印15段，以打印细丝裂缝或断裂的情况评价可挤出性。Ma等9采取类似方法，不同之处在于利用88 mm2的方形打印喷嘴挤出长丝的连续性和稳定性来评价可挤出性。Nerella等14等采用测量单位挤出混凝土所消耗能量的方法来定量评估可挤出性能。杨钱荣等15利用自制3D打印建筑砂浆工作性测试装置表征不同砂浆挤出时间，并根据挤出时间定量评估可挤出性。5条4条3条 2条 1条300图2 观察法评价可挤出性1.3 可建造性可建造性是混凝土材料能否符合打印要求的重要性能。目前，研究人员提出了不同的评价方法。Le等13最先提出通过打印层数来评价可建造性。Wolfs等16通过单轴无侧限压缩试验以材料应力-应变曲线来评价可建造性，如图3所示。Panda等17利用定制板材堆垛试验监测加载层的变形来评价可建造性。Long等18以打印构件整体塌陷高度和单层高度来评价可建造性。Nguyen等19使用激光距离传感器（Panasonic HG-C1100）记录每层条带的形变量，并以形变量大小来反映混凝土的可建造性。Perrot等20提出了一种分析模型，随着打印层逐层增加，观察质量增加对底层早期强度的影响来衡量可建造性。Kruger等21基于混凝土结构率以及静态和动态屈服应力提出了一种双线性触变性模型，用于评估3DPC的可建造性。白点为应变测试点负荷传感器承载板特氟龙涂层试件应变测试点光学测试系统特氟龙涂层底板白点为应变测试点图3 单轴无侧限压缩试验示意1.4 凝结时间凝结时间是材料3D打印顺利实施的关键参数之一。基于不同的标准，凝结时间测试方法和仪器各不相同，Ma等22按照国家测试标准GB/T 500802002，利用贯入阻力法测得不同时刻贯入阻力值确定混合物的凝结时间。Khalil等23利用维卡测试仪测量混合物的初、终凝结时间。此外，根据3D打印需求调控凝结时间也是当前研究热点。蔺喜强等24通过改变外加剂掺量实现凝结时间在2060 min之间灵活控制。陈雷等25以快硬性硫铝酸盐水泥为基体添加外加剂调控凝结时间，使初、终凝时间差仅为9 min。Chen等26利用外加剂将改良硫铝酸盐水泥凝结时间延长3539 min。1.5 力学性能3DPC力学性能决定其能否在工程实际中应用的关键指标。3DPC抗压、折强度等力学性能测试可沿用传统混凝土测试方法，但其建造方式所导致的层间黏结强度和各向异性27。在抗压测试时，加载方向平行于层间界面方向时的强度通常大于两者方向垂直时的强度。同时，其层间界面数量越多试件整体力学性能相对越弱28。关于层间黏结强度测试方法如图4所示29，其中直接拉伸和劈裂试验是常用的测试方法30。Panda等31以0.05 m/s进行直接拉伸试验，研究层间打印间隔时间、喷嘴行进速度及高度对层间黏结强度的影响。Wolfs等32研究了喷嘴高度、层间打印时间间隔和表面脱水情况等工艺参数对3DPC层间劈裂抗拉强度的影响。直接拉伸试验劈裂试验楔体劈裂试验扭转黏结试验剪切强度试验斜剪试验图4 层间黏结强度测试方法沈亮、崔维久、于琦、王胜:3D打印混凝土性能评价及配合比设计研究进展建筑施工第45卷第1期2152 3DPC常用组分及其性能材料组分是混凝土性能的内在决定因素，根据性能需求确定其品种和用量是混凝土配合比研究的重点。为满足混凝土3D打印要求，专家学者们从水泥、辅助胶凝材料、骨料、外加剂和纤维组成等方面开展了大量研究，分析总结如下。2.1 水泥水泥是混凝土中提供强度的重要组分。与传统混凝土类似，普通硅酸盐水泥仍是3DPC常用水泥，考虑建造性能，快硬早强型水泥和复合型水泥也广泛使用。Ding等33以普通硅酸盐水泥为胶凝材料，成功打印的再生砂3DPC具有明显的各向异性。Manikandan等34以普通硅酸盐水泥和硅灰作为胶凝材料，当水泥用量占胶凝材料含量97.5%，搭配外加剂制备的3DPC具有良好可打印性。蔺喜强等24选用快硬硫铝酸盐水泥和矿物掺合料作为复合胶凝材料，搭配外加剂制备的3DPC流动性良好、早期强度高，满足3DPC可打印性和强度要求。孙晓燕等35选用42.5级快硬早强型硫铝酸盐水泥作为主要胶凝材料制备了3DPC，其早期强度可达到15.228.5 MPa，28 d抗压强度可达20.3 37.8 MPa。刘凯等36以硼酸溶液作为黏结剂，成功利用磷酸镁水泥胶凝材料打印出高精度3DPC构件。Dorn等37以硫铝酸盐水泥与硅酸盐水泥作为复合胶凝材料，当硫铝酸盐水泥含量为80%时，打印的3DPC具有较高早期强度，并能有效提高混凝土抗收缩性。2.2 辅助胶凝材料辅助胶凝材料的使用可显著降低水泥用量，并改善混凝土的工作性能。Panda等38发现掺加粉煤灰可降低3DPC的屈服应力与塑性黏度，而硅灰的掺加可提高屈服应力与塑性黏度。Papachristoforou等39研究发现，30%粉煤灰替代量可显著提高3DPC抗收缩性能，但其力学性能略有下降。Zhang等40使用2%硅灰替代量制备的3DPC具有良好触变性和早期强度，并能显著提高混凝土建造性。Nerella等14研究发现掺