朱 旻，蘇 棟，楊偉鴻，黃俊杰，李 強

(1. 深圳大學 土木與交通工程學院，廣東 深圳 518060； 2. 深圳大學 濱海城市韌性基礎設施教育部重點實驗室，廣東 深圳 518060； 3. 深圳大學 深圳市地鐵地下車站綠色高效智能建造重點實驗室，廣東 深圳 518060)

0 引 言

近年來，3D打印技術飛速發(fā)展，廣泛應用于醫(yī)療器械、生物材料及工業(yè)設計等領域。該技術在建筑設計領域也進行了一系列的嘗試，使用由Khoshnevis[1]所提出的擠出堆積式工藝進行建筑打印。2014年，10幢3D打印的建筑在上海張江高新青浦園區(qū)投入使用，且打印過程僅花費24 h[2]。2015年盈創(chuàng)建筑科技有限公司在蘇州工業(yè)園打印了全球首個內外裝一體化5層別墅[3]。2019年底，世界上最大的3D打印建筑在迪拜竣工[4]。它們都展現了3D打印技術在大型建筑或構件建造中的巨大潛力。

在建筑構件3D打印過程中，預制漿體通過噴嘴被擠出，在不借助模板和任何后續(xù)振動下，成層堆疊從而構成結構組件[5-7]。因此，3D打印技術在建筑領域的應用與漿體的材料選用密切相關，Le等[8]開發(fā)了一種適用于3D打印的高性能纖維增強混凝土，其水膠比為0.26，第28天抗壓強度達到了110 MPa；Panda等[9]開發(fā)了一種單組分地質聚合物，可在通過打印機擠出堆疊后不會造成底部變形；孫振平等[10]開發(fā)了一種可用于3D打印系統(tǒng)的超高性能混凝土。當前有關建筑3D打印材料方面的研究大多集中在水泥基材料，對于以黏土作為原材料的應用研究較少。廢土是一種常見的建筑垃圾，大量堆積的廢土還會造成嚴重的環(huán)境、經濟和社會問題。目前，廢土該如何處理是中國建筑業(yè)亟待解決的重要問題之一。利用廢棄黏土作為3D打印主要原材料，可使該技術在綠色經濟和生態(tài)保護上發(fā)揮最大優(yōu)勢，符合中國資源循環(huán)利用和建筑節(jié)能的戰(zhàn)略目標，有助于推動“碳達峰、碳中和”國家戰(zhàn)略目標的實現。

與傳統(tǒng)的澆筑工藝不同，3D打印下的黏土漿體應當表現出高擠出性、可堆積性、高機械強度和低坍落度，從而確保漿體能夠在打印噴嘴中被連續(xù)均勻地擠出并以設計的形狀快速建模[11-12]。每個打印層中的漿體應當在被擠出后立即保持原狀并維持后續(xù)層質量，因此材料還需要有足夠的黏性以黏附相鄰層。

目前已有研究表明材料特性(流動性、可擠出性、可堆積性)與打印參數(如打印速度、噴嘴開口和擠出速率等)之間存在一定關系[13-14]，但以黏土作為原材料的3D打印研究主要集中在復雜陶瓷工藝品模型制作上[15-16]，關于黏土3D材料特性和打印參數之間關系的研究卻很少。本文以黏土為原料，研究了影響?zhàn)ね?D打印材料流動性、可擠出性和可堆積性的主要因素；分析含水率和打印參數(線速度和層高)對打印性能的影響，確定上述參數的臨界值。相關研究成果在黏土磚砌筑的舊建筑更新和改造、建造臨時性或非重要性建筑以及黏土治理土壤重金屬等環(huán)境治理方面均有著廣闊的應用前景，也可為以黏土為原材料添加增強纖維或改性劑的3D打印研究提供理論支持。

1 試驗原材料與試驗方法

以黏土為3D打印主要材料，首先對研磨篩分后的黏土使用密度計法進行顆粒分析，得到黏土不均勻系數為57.0，曲率系數為0.53；使用X射線衍射(XRD)對黏土進行化學成分分析，得到黏土主要由二氧化硅、氧化鋁和氧化鈣組成；使用液塑聯合試驗法得到黏土的液限為30.9%，塑限為14.1%，塑性指數為16.8。

3D打印黏土漿體的制備流程如下：

(1)用刀把濕黏土切成小塊。

(2)將黏土塊放入烘箱，在108 ℃條件下烘干24 h至恒重。

(3)將烘干至恒重的黏土轉移至高速粉碎機中以28 000 r·min-1的速度研磨3 min。

(4)將黏土粉末放入孔徑為0.075 mm的篩上濾除粒徑大于0.075 mm的顆粒。

(5)將黏土粉末與水混合，以2%為間隔制備出含水率Rw/c為23%～47%的黏土漿體。由于混合時間、混合速度和溫度等會影響?zhàn)ね翝{體的流變特性[17]，因此研究中所有混合程序均標準化，將差異控制在最小。采用NJ-160A水泥凈漿攪拌機，首先將黏土粉末以65 r·min-1的攪拌速度混合3 min，再加入水以相同的速度攪拌3 min，最后將漿體以125 r·min-1的速度攪拌9 min達到均勻狀態(tài)。

(6)將混合好的黏土漿體倒入料筒中搖動使其分布均勻，然后將其移動到3D打印機進行打印。

(7)將打印試樣在20 ℃環(huán)境下風干24～72 h。

2 打印系統(tǒng)和打印試件

本研究所使用的3D打印機包括滑動軸、加料裝置、驅動系統(tǒng)和打印平臺，如圖1所示。機器的幾何規(guī)格為345 mm×280 mm×335 mm，最高打印線速度為10 mm·s-1。

圖1 3D打印機Fig.1 3D Printing Machine

圖2為3D打印試驗中使用的30 mm立方體3D目標模型，由30層組成，每層高1 mm，在打印過程中無油空壓機通過8 mm直徑軟管將原料從300 mL的桶中泵送至圓形噴嘴，通過調節(jié)氣泵壓力可以控制漿體的擠出速度，壓力范圍為0～0.7 MPa。

圖2 3D打印試樣設計模型Fig.2 Design Model of 3D Printed Specimen

3 打印性能指標

本研究以黏土漿體的打印性能作為研究重點，通過流動性、可擠出性和可堆積性3個方面評估漿體的打印性能。

3.1 流動性

為確保黏土漿體能從料筒中順利輸送到噴嘴，材料應具有較低的屈服應力和較高的流動性。采用Viskomat XL流變儀對材料的流變性進行測試，在流變試驗過程中，流變儀的速度在0～5 min內從0 r·min-1線性增加到60 r·min-1，在5～10 min內線性下降到0 r·min-1。流變儀在測試過程中將自動運行并記錄剪切速率、剪應力、黏度及扭矩等測試結果。靜態(tài)屈服應力可以根據上升階段曲線中的最大扭矩(靜態(tài)扭矩)確定，漿體動態(tài)屈服應力和塑性黏度可根據對下降階段曲線線性擬合后所得到的斜率和截距計算[18]，即

(1)

式中：T為扭矩；ω為同軸圓筒轉速；L和R1分別為探針長度和半徑；R2為同軸圓筒流變儀外筒壁半徑；η為塑性黏度；τv為動態(tài)屈服應力。

塑性黏度η反映了黏土漿體處于靜止狀態(tài)時體系破壞的難易程度，動態(tài)屈服應力τv反映了黏土漿體發(fā)生流動所需的最小剪切應力。這2個參數在3D打印模型結構構建中起重要作用，對流動性、可擠出性和可堆積性均有不同程度的影響。

3.2 可擠出性

可擠出性是衡量黏土漿體能否通過噴嘴擠出連續(xù)均勻黏土條的關鍵參數[18-19]，主要受漿體中黏土粉末分散性的影響。參照Le等[8]提出的方法，通過由1.4 mm直徑噴嘴打印的黏土條連續(xù)性和穩(wěn)定性來評估漿體的可擠出性。具有良好可擠出性的漿體可以隨打印進行長距離移動不分離，同時能夠在狹窄的開口下沉積且不堵塞噴嘴。

在本研究所使用的3D打印系統(tǒng)中漿體的擠出速率Ve由氣泵壓力控制閥控制的擠出壓力Ep決定，Ve可根據擠出的黏土漿料體積V、圓形噴嘴的直徑d和打印持續(xù)時間t計算，即

(2)

為確定Ep和Ve之間的關系，在不同擠出壓力值下進行12次擠出試驗，試驗結果如圖3所示?？梢钥闯?，隨著Ep的增加，Ve呈指數型增加。在后續(xù)的試驗中，可根據指數關系控制Ep，從而調整Ve。

圖3 擠出壓力與擠出速率關系曲線Fig.3 Relation Curves Between Extrusion Pressure and Extrusion Rate

3.3 可堆積性

可堆積性指的是材料在荷載下保持其形狀穩(wěn)定的能力。在打印過程中漿體儲存在加載料筒中，從噴嘴擠出并形成層狀結構。打印試件由30層垂直堆疊的擠壓黏土條組成，每層層高為1 mm。為定量表征可堆積性，試件的相對偏差計算為[15]

(3)

式中：Ds為相對偏差；l0，w0，h0分別為目標試件的長度、寬度和高度；l，w，h分別為打印試件的長度、寬度和高度。

4 試驗結果與討論

4.1 含水率對打印性能的影響

粒徑小于0.075 mm的黏土顆粒具有很強的吸水能力，會形成較厚的黏土-水薄膜。吸水后黏土顆粒的流變性、流動性和黏聚性等膠體特性增強，研究黏土漿體含水率對打印性能的影響非常重要。

4.1.1 含水率對可擠出性的影響

通過對不同含水率的黏土漿體進行打印試驗發(fā)現：當含水率Rw/c<24%時，漿體黏性太強，無法擠出，隨著含水率上升，可擠出性得到改善；當Rw/c>46%時，可以方便地擠出黏土漿體，然而高含水率的黏土漿體具有高流動性和低黏度的膠體特性，使得黏土條的承載力較低。本研究以2%間隔制備含水率從24%到46%的黏土漿體，每組漿體進行5次打印試驗，線速度設置為5 mm·s-1，打印層高為1.0 mm。試驗使用的圓形噴嘴直徑為1.4 mm，該尺寸的噴嘴要求材料具有良好的可擠出性，可以通過觀察打印試件的成型情況來衡量。試件成功成型的標準包括：垂直、穩(wěn)定的堆積構造；結構無明顯變形、傾斜和坍塌；表面無明顯裂縫。

不同含水率下黏土漿體的可擠出性評估試驗結果如圖4所示。從圖4可觀察到含水率為34%的黏土漿體均成功成型。當漿體的含水率增加或降低時，黏土漿體黏度也隨之變化，導致打印成功率下降。就黏土漿體的可擠出性而言，最佳含水率為34%，約比黏土的液限高3%。

圖4 不同含水率下黏土漿體的可擠出性評估試驗Fig.4 Extrudability Evaluation Tests of Clay Slurry with Different Water Contents

4.1.2 含水率對流動性的影響

對含水率在34%～46%范圍內的漿體進行流變試驗，探究含水率對漿體流動性的影響(當Rw/c<34%時，漿體的流動性較低，無法進行流變試驗)。流變試驗由上升階段和下降階段組成，漿體表現出明顯的觸變性。在上升階段，隨著轉速的增加，黏土漿體的觸變網絡結構最終被破壞；在下降階段，扭矩和剪切轉速之間近似為線性關系(圖5)，黏土漿體表現出賓漢姆流體性質。當剪切轉速低于10 r·min-1時，黏土漿體表現出剪切變稀的特點，因此黏土漿體在低剪切轉速(低于10 r·min-1)下屬于假塑性流體，在高剪切轉速(高于10 r·min-1)下屬于賓漢姆流體。

圖5 不同含水率黏土漿體流變試驗(下降階段)Fig.5 Rheological Tests (Decline Phase) for Clay Slurry with Different Water Contents

圖5中下降曲線近似為式(4)所示線性關系。

T=g+h′N

(4)

式中：N為轉速；g為扭矩-轉速擬合曲線的截距，是黏土發(fā)生塑性流動的最小扭矩，與黏土顆粒性質有關；h′為扭矩-轉速擬合曲線的斜率，反映了漿體內部結構對流動的阻礙性。

動態(tài)屈服應力τv和塑性黏度η可以通過g和h′計算。流變性能如表1所示，其中含水率為34%的黏土漿體具有最高的動態(tài)屈服應力和塑性黏度，有較好的可堆積性，確保漿體在通過狹窄的開口時不會出現明顯分離和堵塞。在所有測試漿體中，含水率為46%的塑性黏度最小，這表明其可堆積性可能是最低的。

表1 不同含水率下的流變性能Table 1 Rheological Performance with Different Water Contents

4.1.3 含水率對可堆積性的影響

本研究以1%間隔制備含水率從34%到40%的黏土漿體(含Rw/c>40%的打印試件會在10 min內坍塌)，隨后進行可堆積性評估，分別于打印完成60 s和5，10，30，60 min及3，6，12，24，36，48 h后測量打印試件的高度和長度(沿2個水平方向的長度默認為相同)。用打印完成48 h后的尺寸計算相對偏差，結果如圖6所示。含水率為34%～35%的試件在48 h后的相對偏差不到5%，試件各層均良好地垂直堆疊在一起，試件站立穩(wěn)定，沒有明顯的變形、傾斜或坍塌，具有良好的可堆積性(圖7)；當Rw/c>35%時，隨著含水率的增加，變形量和相對偏差增大；當含水率為40%時，最大垂直變形達到4.7 mm。結果表明，就黏土漿體的可堆積性而言，最佳含水率為34～35%。該值比液限高出3%～4%，48 h后的變形不明顯，就當前含水率而言，由30層黏土條堆疊而成的試樣高度可能為極限堆積高度。

圖6 相對偏差與含水率關系曲線Fig.6 Relation Curve Between Relative Deviation and Water Content

圖7 含水率為34%的黏土漿體打印試件Fig.7 Printed Specimen by Clay Slurry with Water Content of 34%

4.2 打印參數對可堆積性的影響

4.2.1 打印線速度對可堆積性的影響

3D打印試件由垂直堆疊的黏土條組成，層與層之間的黏結性能對結構的穩(wěn)定性至關重要。層間黏附性主要取決于黏土漿體自身黏性及打印層間接觸時的界面含水率。由于漿體在打印后表面蒸發(fā)失水，層間黏結強度逐漸降低。打印線速度越慢，黏土層表面暴露在空氣中的時間越長，黏結強度越低。從這個角度分析，應采用更快的打印速度；然而如果打印速度過快，黏土條可能沒有足夠的時間來硬化并形成承載后續(xù)層黏土條所需的強度，因此又需要控制打印黏土條的速度。

試件打印速度由噴嘴在打印過程中的水平移動時間(由打印儀器線速控制)和噴嘴在垂直方向上的上升時間決定。本試驗通過控制噴嘴上升時間，改變水平線速度來研究1～10 mm·s-1范圍內線速度對可堆積性的影響，每次增大1 mm·s-1的水平線速度并進行5次平行試驗。在試驗中，黏土漿體的含水率為34%，打印層高為1 mm。

圖8統(tǒng)計了圓形噴嘴以不同線速度擠出的成功和不成功打印試件數量。試驗過程中發(fā)現，當線速度相對較低(1～3 mm·s-1)時，線速度與漿體擠出速率不同步，黏土條局部過度堆積，這種情況下底層的黏土條必須承受由于堆積過多所引起的局部高壓，導致試件坍塌與嚴重變形，如圖9所示，同時過大的時間間隔會導致層間黏結力較低而形成薄弱界面，并造成一定的機械強度損失，因此在低線速度下打印成功率很低；當線速度相對較高(7～10 mm·s-1)時，由于時間間隔短，黏土條的強度未完全形成，不足以承受后續(xù)層土條重量，且當線速度在8 mm·s-1以上時黏土條甚至可能被拉斷，因此在高線速度條件下打印成功率也很低。

圖8 不同線速度下的可堆積性評估試驗Fig.8 Buildability Evaluation Tests with Different Line Speeds

圖9 部分堆疊的打印試件Fig.9 Partially Stacked Printed Specimens

試驗結果表明線速度在4～6 mm·s-1打印試件可堆積性較好，為確定打印最佳線速度，以0.5 mm·s-1的線速度間隔在4～6 mm·s-1之間進行了進一步的變形測量試驗，在打印完成60 s和5，10，30，60 min及3，6，12，24，36，48 h后測量了試件尺寸，用打印完成48 h后尺寸計算相對偏差，試驗結果如圖10所示。

圖10 相對偏差與線速度關系曲線Fig.10 Relation Curves Between Relative Deviation and Line Speed

在試驗過程中發(fā)現，不同線速度下試件變形隨時間的變化趨勢相似。在4～6 mm·s-1線速度下，打印試件的極限高度分別為28.33，28.45，28.49，28.57，27.96 mm，相對偏差在4.58%～5.36%之間；當線速度從4 mm·s-1增加到5.5 mm·s-1時，相對偏差略有下降；當線速度從5.5 mm·s-1增加到6 mm·s-1時，試件的相對偏差顯著提高。因此以4～5.5 mm·s-1的線速度打印可以滿足可堆積性的要求，且確保打印試件能表現出較好的機械整體性和抗變形能力。

4.2.2 打印層高對可堆積性的影響

通過控制水平線速度，改變打印層高來研究1～2.6 mm范圍內層高對可堆積性的影響，每次增大0.4 mm的層高并進行5次平行試驗。在所有試驗中，黏土漿體含水率為34%，線速度為5 mm·s-1。試驗通過對漿體擠出速度進行調整以確保黏土條的厚度盡可能接近層高。圖11統(tǒng)計了不同層高擠出的成功和不成功打印試件數量，當層高小于2.2 mm時，試件表現出良好的可堆積性；當層高大于2.2 mm時，黏土條較難精確地堆疊在一起，且由于受噴嘴尺寸的限制，試件會發(fā)生嚴重變形。

圖11 不同打印層高下的可堆積性評估試驗Fig.11 Buildability Evaluation Tests with Different Printing Layer Heights

試驗結果表明層高在1.0～1.8 mm打印試件可堆積性較好。為確定打印最佳層高，在該高度范圍內以0.1 mm間隔進行了進一步的變形測量試驗，測量試件尺寸并計算其相對偏差，結果如圖12所示。

圖12 相對偏差與打印層高關系曲線Fig.12 Relation Curve Between Relative Deviation and Printing Layer Height

在試驗過程中發(fā)現，不同層高下試件變形隨時間的變化趨勢相似，層高為1.0 mm時出現最大變形，試件極限高度為26.75 mm，相對偏差為10.84%。相對偏差在層高為1～1.2 mm下較大，這是因為本試驗使用直徑1.4 mm的圓形噴嘴，當層高小于噴嘴直徑時，漿體會受到噴嘴擠壓而嚴重變形，導致試件尺寸出現相對較大的偏差，因此層高設置不應小于噴嘴直徑。

當層高為1.4～1.8 mm時，試件沒有嚴重變形，相對偏差在5%左右，可堆積性良好。試驗結果表明，當層高設置在噴嘴直徑100%～130%范圍內才可確保打印的成功率。

4.3 確定打印參數

黏土漿體的機械性能取決于材料特性，包括顆粒級配、化學成分、塑性指數和含水率。機械性能影響漿體的可擠出性和獲得良好機械強度所需時間，這2個特性共同決定了打印的最佳線速度。進行3D打印前，首先要根據打印原材料特性確定材料含水率，以保證漿體具有優(yōu)良的流動性和可擠出性；同時為保證打印的成功率，層高設置應大于噴嘴直徑且小于噴嘴直徑的1.3倍；最后根據質量守恒定律，擠出速率、線速度、層高和噴嘴直徑的關系應滿足

(5)

式中：D為黏土條直徑，由打印噴頭距打印表面高度所決定；Vp為線速度。

可以根據其他3個參數按公式(2)確定擠出速率Ve。計算Ve后，根據圖3所示的指數關系來估算擠出壓力。

5 結 語

(1)黏土粉末中含有細小顆粒，極易吸水形成水膜。水分是影響新鮮黏土漿體流動性的關鍵因素，黏土漿體最適合3D打印的含水率為34%～35%(較液限大3%～4%)，該含水率下漿體具有較高的屈服應力和適宜的黏度，通過噴嘴狹窄開口時可以較好地擠出，不會出現明顯的物料偏析和堵塞。

(2)最佳打印線速度為4～5.5 mm·s-1，該線速度保證試件具有良好的可堆積性。線速度較低時，黏土條會局部堆疊，線速度較高時，擠出黏土條的承載力和屈服應力不足以支撐后續(xù)層重量。

(3)最佳層高為1.4～1.8 mm，約為圓形噴嘴直徑的1倍～1.3倍。當層高超過噴嘴直徑的1.3倍時，黏土條難以精準堆疊，試樣將會嚴重變形。當層高小于噴嘴直徑時，漿體擠出時會受噴嘴擠壓而變形。

(4)打印參數的確定既要考慮打印材料的特性，又要考慮打印系統(tǒng)的特點，還應滿足質量守恒定律確定的不同參數之間的內在聯系。打印機噴嘴尺寸確定后，應先確定含水率，隨之確定線速度、層高、擠出速率和擠出壓力等參數。