汲廣超， 肖建莊

（同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海200092）

建筑3D 打印是一種基于計(jì)算機(jī)數(shù)字模型的增材成型技術(shù)，主要通過(guò)逐層打印建筑材料的方式來(lái)快速成型，具有效率高、成本低、環(huán)保等建造優(yōu)勢(shì)［1-3］。水泥基材料由于其硬化快、來(lái)源廣等特點(diǎn)被認(rèn)為是最適合的建筑3D打印材料之一，目前已經(jīng)得到了廣泛的研究［4-6］。2004 年，Khoshnevis［7］首次提出將增材制造工藝應(yīng)用于建筑自動(dòng)化施工，并采用輪廓工藝打印水泥基材料形成建筑構(gòu)件。以往開展的3D打印細(xì)骨料混凝土材料的性能研究與配合比優(yōu)化主要是在實(shí)驗(yàn)室條件下完成的［8-11］。Le 等［12］采用砂漿材料連續(xù)打印61 層0.8 m 高的試件，實(shí)現(xiàn)了110 MPa 高性能細(xì)骨料混凝土的3D 打??；Malaeb 等［13］也成功打印出10 cm 高、抗壓強(qiáng)度接近42 MPa 的水泥砂漿試件；Panda 等［14］測(cè)試了3D 打印試件不同加載方向的抗壓和抗折強(qiáng)度，結(jié)果表明，3D 打印試件力學(xué)性能受打印方向的影響。目前已有砂漿3D 打印建筑項(xiàng)目落地，如同濟(jì)大學(xué)使用再生砂漿作為3D打印材料實(shí)現(xiàn)了一個(gè)尺寸為2.5 m×2.5 m×3.0 m的橢圓形建筑的整體打?。?5］；東南大學(xué)采用3D打印砂漿構(gòu)件在南京實(shí)現(xiàn)了裝配式建筑的施工［16］；河北工業(yè)大學(xué)通過(guò)3D 打印模板與澆筑工藝結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了模仿趙州橋3D打?。?7］。

Han 等［18］對(duì)砂漿3D 打印技術(shù)進(jìn)行了綜述與分析，發(fā)現(xiàn)3D打印砂漿中的水泥用量比傳統(tǒng)施工的水泥用量多25%以上，在碳排放和材料成本上都沒有明顯優(yōu)勢(shì)。雖然Ding 等［19］研究了再生砂替代天然砂作為3D打印骨料的方法，但是仍然沒有解決水泥用量高、塑性收縮嚴(yán)重等問(wèn)題。與砂漿3D打印材料相比，粗骨料混凝土具有低收縮、低成本、低水泥用量等優(yōu)點(diǎn)。Mechtcherine 等［20］在實(shí)驗(yàn)室條件下采用小型3D打印設(shè)備實(shí)現(xiàn)了最大粒徑8 mm的粗骨料混凝土的打印。Rahul 等［21］打印了最大粒徑10 mm 的輕質(zhì)粗骨料混凝土，并測(cè)試了材料0～420 min 的早期力學(xué)性能與可擠出性，其研究表明輕質(zhì)粗骨料體積率為30%時(shí)可以同時(shí)滿足3D打印混凝土的可擠出性和可建造性。劉化威等［22-23］研究了高粗骨料摻量3D 打印混凝土的孔隙缺陷特性對(duì)其力學(xué)性能的影響，并提出了“多重分區(qū)-界面模型”來(lái)揭示這一影響機(jī)理。此外，3D打印再生粗骨料混凝土的可打印性也正在被研究和優(yōu)化［24］。到目前為止，關(guān)于3D打印粗骨料混凝土技術(shù)的研究仍然很少，導(dǎo)致其研究進(jìn)展緩慢的原因主要有兩點(diǎn)：一是粗骨料混凝土在打印頭中擠出難度較大，傳統(tǒng)的螺桿泵容易堵塞，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的擠出；二是粗骨料混凝土需要較高的流動(dòng)性滿足可擠出性以及較高的早期強(qiáng)度滿足可建造性，目前的3D打印系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)打印頭中新拌粗骨料混凝土的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié)。雖然各類新型材料3D打印機(jī)的研發(fā)如火如荼，例如纖維混凝土打印機(jī)［25-26］、地聚物材料打印機(jī)［27］、偏高嶺土材料打印機(jī)［28］等，但是這些新型建筑3D打印材料與粗骨料混凝土相比，從可打印性、經(jīng)濟(jì)性到商業(yè)化量產(chǎn)都沒有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，對(duì)粗骨料混凝土3D打印系統(tǒng)及力學(xué)性能的研究迫在眉睫。

1 3D打印粗骨料混凝土系統(tǒng)

1.1 3D打印機(jī)及運(yùn)行流程

自主研發(fā)的粗骨料混凝土3D 打印機(jī)為立柱式機(jī)械結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)和應(yīng)用如圖1 所示。3D 打印機(jī)分為幾個(gè)部分：x軸軌道、y軸軌道、z軸立柱軌道、打印頭以及頂部環(huán)形拉結(jié)穩(wěn)固系統(tǒng)。其中x軸和y軸軌道可以控制打印頭水平方向的運(yùn)行，z軸軌道控制垂直方向的升降，從而滿足打印頭在x、y、z3個(gè)方向的運(yùn)行，打印頭可以在x-y-z軸的空間內(nèi)運(yùn)行到任意位置。此立柱式建筑3D 打印機(jī)x軸尺寸為15 m、y軸尺寸為9 m，z軸尺寸為9 m，打印頭在x、y軸方向最大打印速度為200 mm·s-1，z軸最大提升速度為20 mm·s-1，單層打印高度為40～60 mm，打印寬度為100 mm，可以現(xiàn)場(chǎng)整體打印13 m×8 m×8 m 的房屋。在3D打印粗骨料混凝土試件的制備中，單層打印高度為40 mm，x、y軸運(yùn)行速度為50 mm·s-1，z軸提升速度為20 mm·s-1。

該立柱式粗骨料混凝土3D 打印機(jī)通過(guò)伺服反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了粗骨料混凝土連續(xù)、穩(wěn)定的擠出以及打印軸精確的控制。如圖2 所示，該打印系統(tǒng)的運(yùn)行流程如下：① 建立建筑三維模型并通過(guò)切片軟件生成打印路徑（g 代碼）；② 將g 代碼輸入3D 打印伺服反饋總控制端，控制端分別向打印頭系統(tǒng)和x-y-z軸自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出檢測(cè)信號(hào)；③ 打印頭檢測(cè)粗骨料混凝土是否滿足打印條件并將信息反饋給總控制端，x-y-z軸自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)檢查電機(jī)狀態(tài)是否良好并將信息反饋給總控制端；④ 若混凝土可打印條件和x-y-z軸可運(yùn)行條件同時(shí)滿足，則總控制端發(fā)出打印信號(hào)，3D打印機(jī)開始打印。

圖2 3D打印粗骨料混凝土伺服反饋系統(tǒng)Fig. 2 3D printing servo feedback system for concrete with coarse aggregates

該伺服反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制，保證了混凝土3D打印的連續(xù)性，準(zhǔn)確性和安全性。

1.2 打印頭設(shè)計(jì)與構(gòu)造

粗骨料混凝土連續(xù)、均勻地?cái)D出是3D打印研究難點(diǎn)，因此打印頭的設(shè)計(jì)尤其重要。傳統(tǒng)的定子轉(zhuǎn)子螺桿動(dòng)力系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)5 mm 粒徑以上的粗骨料混凝土打印［29］。

本文設(shè)計(jì)的打印頭采用活塞式擠出動(dòng)力系統(tǒng)，打印噴嘴的尺寸為100 mm，可以擠出10 mm粒徑以下的粗骨料混凝土，動(dòng)力系統(tǒng)最大扭矩為50 N·m，進(jìn)料速度為0～1.5 L·min-1，其構(gòu)造如圖3所示。打印頭工作原理如下：粗骨料混凝土先從進(jìn)料口進(jìn)入混凝土料倉(cāng)，料倉(cāng)內(nèi)的扭矩測(cè)試電機(jī)測(cè)試范圍為0～100 N·m，電機(jī)前端連接70 mm 直徑，25 mm 螺距，120 mm 長(zhǎng)度的螺旋葉片，固定扭矩電機(jī)轉(zhuǎn)速為0.5 r·s-1，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)試螺旋葉片在粗骨料混凝土中的扭矩以及圖4 中扭矩與坍落度之間測(cè)試關(guān)系，可以得出粗骨料混凝土是否滿足該系統(tǒng)打印的優(yōu)選區(qū)間；如不滿足，外加劑注入系統(tǒng)加入適量外加劑直到粗骨料混凝土滿足可打印性，然后打開自動(dòng)閥門，通過(guò)活塞動(dòng)力系統(tǒng)擠出混凝土，同時(shí)采用自動(dòng)刮板系統(tǒng)進(jìn)行3D打印墻體的平整工作。

圖3 打印頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造Fig. 3 Structure details of print head

圖4 粗骨料混凝土扭矩與坍落度的關(guān)系Fig. 4 Relationship between torque and slump of coarse aggregate concrete

眾所周知，混凝土的儲(chǔ)存、運(yùn)輸和供料過(guò)程會(huì)改變其工作性能，給3D打印擠出過(guò)程帶來(lái)不確定的變化。因此，在打印頭內(nèi)對(duì)即將擠出的混凝土進(jìn)行測(cè)試和調(diào)節(jié)可以使料倉(cāng)內(nèi)的混凝土滿足可擠出性和可建造性。圖3中的扭矩電機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)攪拌葉片在混凝土中的扭矩，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，得出了混凝土扭矩與坍落度的關(guān)系，試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果如圖4所示。105～115 mm坍落度為粗骨料混凝土的可打印性優(yōu)選區(qū)間，通過(guò)流變儀測(cè)試其動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力區(qū)間為649～783 Pa。因此，通過(guò)扭矩電機(jī)反饋的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出混凝土對(duì)應(yīng)的坍落度，如不滿足可打印性，可以通過(guò)外加劑定量注入系統(tǒng)每次注入0.1～0.4 mL減水劑或速凝劑，從而調(diào)整混凝土的流變性能。之后循環(huán)檢測(cè)和調(diào)節(jié)過(guò)程，直到電機(jī)的扭矩在優(yōu)選區(qū)間范圍，最后開始擠出和打印粗骨料混凝土。

2 力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1 油墨配合比

3D打印領(lǐng)域中大多數(shù)材料為熱熔材料，遇冷直接凝固，不僅成型容易而且連續(xù)打印難度低，無(wú)需考慮下層強(qiáng)度。而建筑3D打印系統(tǒng)在打印過(guò)程中，如果使用粗骨料混凝土作為油墨材料，需要較強(qiáng)的早期強(qiáng)度來(lái)滿足其可建造性，同時(shí)需要較高的流動(dòng)性來(lái)滿足其可擠出性。因此，本研究使用了聚羧酸超塑化劑（SP）、纖維素醚（HPMC）、鋁酸鹽速凝劑（Ac）作為外加劑；OPC42.5 水泥（Cem）和粉煤灰（FA）作為膠凝材料；0～5 mm 粒徑的天然河沙，以及5～10 mm粒徑的天然礫石作為骨料。同時(shí)，配比中加入了適量的硅粉（SF）來(lái)提高混凝土的流動(dòng)性、可建造性以及力學(xué)性能。3D打印粗骨料混凝土油墨配合比如表1所示。

表1 3D打印混凝土配合比Tab. 1 Proportion of 3D printing concrete

2.2 力學(xué)性能測(cè)試方法

已有研究表明，層層堆疊的3D打印工藝會(huì)造成打印構(gòu)件力學(xué)性能的各向異性［30-32］。因此，在力學(xué)性能測(cè)試中需要定義加載方向，水平打印平面定義為x-y軸，垂直打印方向定義為z軸，x-y-z軸方向與圖1 中設(shè)備的x-y-z軸方向相同，具體測(cè)試方法如圖5及圖6 所示。本文測(cè)試了3D 打印粗骨料混凝土試件在不同加載方向下的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，在抗壓強(qiáng)度測(cè)試中，分別對(duì)垂直方向抗壓強(qiáng)度（Pv）和水平方向抗壓強(qiáng)度（Pp）進(jìn)行了加載測(cè)試。在抗折強(qiáng)度測(cè)試中，分別對(duì)x方向抗折強(qiáng)度（Fx）、y方向抗折強(qiáng)度（Fy）和z方向抗折強(qiáng)度（Fz）進(jìn)行了加載測(cè)試。

圖5 3D打印粗骨料混凝土不同加載方向抗壓與抗折測(cè)試（單位：mm）Fig. 5 Compressive and flexural tests of 3D printed coarse aggregate concrete in different loading directions（unit:mm）

圖6 抗壓及抗折強(qiáng)度測(cè)試Fig. 6 Tests of compressive and flexural strengths

單層打印高度為40 mm，打印試件的層數(shù)為11層（440 mm），長(zhǎng)度1 m，寬度100 mm，并在溫度為（20±2）℃，相對(duì)濕度為（95±5）%環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28 d?？箟涸嚰叽鐬?00 mm×100 mm×100 mm 的立方體，抗折試件為100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱體，均為在硬化后的打印試件上切割而成，如圖5所示?？箟汉涂拐蹚?qiáng)度測(cè)試均采用100 kN·min-1的加載速率。此外，在同一配比下對(duì)澆筑試件抗壓和抗折強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，每組分別取6 個(gè)試樣做測(cè)試并取平均值。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

為深入分析3D打印工藝對(duì)粗骨料混凝土力學(xué)性能的影響機(jī)理，使用NIKON XTH 225/320 LC型設(shè)備對(duì)試件進(jìn)行CT掃描，測(cè)量微觀孔隙結(jié)構(gòu)的孔隙尺寸以及空間分布，CT掃描設(shè)備及圖像如圖7所示。該CT掃描設(shè)備具有2 000×2 000像素的高分辨率探測(cè)器，可放置最大樣品質(zhì)量為100 kg，放射源最大管電壓為320 kV。CT掃描后，將每個(gè)樣品的原始投影數(shù)據(jù)集加載到基于反投影算法的CTPro軟件中，在進(jìn)一步分析之前生成許多灰度圖像，并通過(guò)手動(dòng)控制來(lái)調(diào)節(jié)光束硬化、噪音以及環(huán)形偽影。然后，圖像集被加載到VG Studio MAX 3.1軟件中進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析。μ-XCT測(cè)試的體素尺寸為30 μm。

圖7 CT掃描設(shè)備及圖像Fig. 7 CT scanning device and image

用于CT掃描的混凝土澆筑試件和3D打印試件為100 mm×100 mm×100 mm的立方體，掃描的3D打印試件與2.2節(jié)中的抗壓強(qiáng)度試件尺寸和獲取方式相同，本試驗(yàn)單層打印高度為40 mm，100 mm 高度可以包含2個(gè)打印層間。

本文通過(guò)3D微觀圖像計(jì)算總的孔隙率，孔隙按照體積大小不同被分為3 類：①小孔隙（10-4～0.1 mm3）；②中等孔隙（0.1～10 mm3）；③大孔隙（＞10 mm3）。其中，CT 掃描儀可識(shí)別的最小孔隙體積為10-4mm3。通過(guò)計(jì)算不同孔隙尺寸所占的比例，可以有效地對(duì)比模具澆筑與3D 打印粗骨料混凝土的孔隙分布。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 抗壓及抗折強(qiáng)度

澆筑試件和3D 打印混凝土試件的抗壓和抗折強(qiáng)度如圖8a 和8b 所示?？梢钥闯?，3D 打印粗骨料混凝土具有各向異性，雖然平行于打印方向的抗壓強(qiáng)度Pp和垂直于打印方向的抗壓強(qiáng)度Pv、y軸加載方向抗折強(qiáng)度Fy和z軸加載方向抗折強(qiáng)度Fz相差并不大，均在5%左右，但是x軸加載方向的抗折強(qiáng)度Fx比Fy和Fz分別降低了25%和21%。此外，澆筑混凝土的抗壓強(qiáng)度比3D 打印粗骨料混凝土抗壓強(qiáng)度高10%～15%，抗折強(qiáng)度比Fy和Fz高10%～15%，比Fx高30%～35%。當(dāng)混凝土擠出時(shí)，上層混凝土僅靠重力鋪在下層混凝土的上面，兩層混凝土之間沒有很緊密的連接，導(dǎo)致層與層之間黏結(jié)薄弱。因此，3D 打印混凝土上、下層間的薄弱區(qū)可能是造成其抗折及抗壓強(qiáng)度低的主要原因。

圖8 澆筑試件和3D打印試件的抗壓與抗折強(qiáng)度Fig. 8 Compressive and flexural strengths of both cast and 3D printed specimens

3.2 試件微觀結(jié)構(gòu)

從表2 可以看出，同一配合比的粗骨料混凝土澆筑試件總孔隙率比3D 打印試件的總孔隙率高0.15%，但是其孔的分布主要集中在10-4～10-1mm3的小孔和10-1～10 mm3的中孔。而大于10 mm3的大孔隙率比3D打印試件低了10.6%。

表2 澆筑試件和3D打印試件的孔隙率Tab.2 Porosity of cast cubes and 3D printed cubes

圖9 是澆筑試件和3D 打印試件的微觀結(jié)構(gòu)3D與2D圖。采用了圖像處理的方法對(duì)3D打印粗骨料混凝土孔隙分布進(jìn)行了定量的分析，對(duì)1 000×1 000像素的2D微觀結(jié)構(gòu)圖的每一個(gè)像素進(jìn)行灰度計(jì)算?；叶戎捣秶鷱? 到255，亮度最低為0，亮度最高為255，通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，砂漿的平均灰度值為165，粗骨料的平均灰度值為197，孔隙的平均灰度為82。為了不干擾平均灰度值的計(jì)算，將粗骨料的灰度值全部修訂為與砂漿灰度值一致的165。最后，計(jì)算每一行像素的平均灰度值，并與2D微觀結(jié)構(gòu)圖結(jié)合來(lái)分析其孔隙分布，如圖10 所示。可以看出，澆筑試件的孔隙結(jié)構(gòu)是隨機(jī)分布的，其平均灰度值為115～158，而3D 打印試件的微觀結(jié)構(gòu)則有兩條明顯超低灰度值區(qū)域，其最小灰度值分別為106 和103，說(shuō)明這個(gè)區(qū)域的孔隙相對(duì)集中，比其他區(qū)間的平均灰度值（139）分別低23%和26%。這種層間薄弱區(qū)會(huì)形成“連通孔”，導(dǎo)致3D打印試件的大孔隙率高于澆筑試件。同時(shí)，層間薄弱區(qū)也解釋了3.1 節(jié)中混凝土3D打印試件抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度比澆筑試件低，以及其力學(xué)性能存在各向異性的原因。

圖9 澆筑試件與3D打印試件的微觀結(jié)構(gòu)Fig. 9 Microstructure of both cast and 3D printed specimens

圖10 澆筑試件與3D打印試件灰度分布Fig. 10 Gray distribution of both cast and 3D printed specimens

3.3 討論

目前，建筑3D打印研究中仍以水泥砂漿為主要“油墨”，表3 列出了不同“油墨”3D 打印工藝中水泥與骨料的用量。從表3 中可以發(fā)現(xiàn)，每立方米打印材料中，采用的3D打印粗骨料混凝土的水泥用量比之前研究中3D 打印砂漿的水泥用量減少17.8%～49.6%，使用3D 打印粗骨料混凝土在防止墻體開裂、經(jīng)濟(jì)性和碳排放等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)［20，29］。然而，3D 打印粗骨料混凝土還具有一定局限性，比如最大粗骨料粒徑、層間薄弱區(qū)等。因此，建筑3D打印設(shè)備和材料都需要進(jìn)一步的優(yōu)化來(lái)滿足該技術(shù)的應(yīng)用和推廣。

表3 不同油墨3D打印工藝中水泥及骨料用量Tab. 3 Dosage of cement and aggregate in different 3D printing inks

4 結(jié)論

本文提出了一種可以打印10 mm以下粒徑粗骨料混凝土的3D打印系統(tǒng)，閉環(huán)控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)打印頭中螺旋葉片的扭矩，通過(guò)扭矩-坍落度的關(guān)系和外加劑定量注入系統(tǒng)，可以將新拌粗骨料混凝土調(diào)節(jié)到打印的優(yōu)選區(qū)間，同時(shí)滿足可擠出性和可建造性。伺服反饋機(jī)制實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)負(fù)荷、溫度等信息并儲(chǔ)存打印位置，提高了系統(tǒng)的安全性、準(zhǔn)確性以及容錯(cuò)性，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定的打印。通過(guò)對(duì)3D 打印粗骨料混凝土力學(xué)性能測(cè)試和微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)分析，得出以下主要結(jié)論：

（1）10 mm以下粒徑粗骨料混凝土3D打印試件的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)細(xì)微的各向異性特征，平行于打印方向的抗壓強(qiáng)度（Pp）比垂直于打印方向的抗壓強(qiáng)度（Pv）高4.8%。其抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)顯著的各向異性，平行于打印方向的抗折強(qiáng)度（Fx）比垂直于打印方向的抗折強(qiáng)度（Fy與Fz）分別低25%和21%。同一配比下，3D打印粗骨料混凝土試件的抗壓強(qiáng)度比模具澆筑試件抗壓強(qiáng)度低10%～15%，F(xiàn)y與Fz比澆筑試件抗折強(qiáng)度低10%～15%，F(xiàn)z比澆筑試件抗折強(qiáng)度低30%～35%。

（2）與澆筑試件相比，3D 打印粗骨料混凝土的總孔隙率相近，但是大孔隙（＞10 mm3）的比例高10.6%，同時(shí)粗骨料混凝土3D打印結(jié)構(gòu)有明顯的層間薄弱區(qū)，其灰度值比平均灰度值低25%左右，說(shuō)明在層間薄弱區(qū)的孔隙分布更加密集。

（3）3D打印粗骨料混凝土的水泥用量比之前研究中3D打印砂漿的水泥用量減少17.8%～49.6%。

作者貢獻(xiàn)聲明：

汲廣超：具體工作的開展和論文撰寫。

肖建莊：論文的選題、指導(dǎo)、修改。