摘 要：应用型极坐标系3D打印机打印了多组混凝土立方体试件和长方体试件，研究了层间涂抹不同界面剂情况下对3D打印混凝土试件抗压强度与抗折强度的影响。试验结果表明，层间黏结强度的大小对3D打印混凝土试块的抗压强度影响较大，对抗折强度影响较小。水泥膨浆对3D打印混凝土具有良好的补偿收缩性，改性丙烯酸乳浆次之，水泥净浆和粉煤灰水泥净浆对打印试件的整体抗压强度提升效果一般。改性丙烯酸乳浆对打印试件整体的抗折强度提升最好，水泥膨浆次之，水泥净浆和粉煤灰水泥净浆对抗折强度几乎无任何影响。

关键词：3D打印；层间黏结；界面剂；力学性能

0 前言

近年来，混凝土3D打印技术因其自成形的无模板工艺，具有施工效率高、综合经济效益好、工业化、智能化程度高等显著优点，已逐步在工程实践中得到应用。

混凝土构件的3D打印工艺主要是分层叠加法，即采用逐条挤出混凝土自下而上分层叠加，其整体性受层内条带间及上下层间的黏结强度影响较大，对比传统的支模浇筑工艺，其强度有明显的折减。为改善分层叠加打印成型的混凝土整体性，作者及其科研团队通过改变层内打印条带间的搭接宽度，对3D打印混凝土的成型工艺与力学性能进行了优化，在平衡混凝土构件的打印精度和力学性能的基础上，确定了最优搭接宽度。分层叠加打印混凝土的上下层间受打印设备与打印工艺的限制，其黏结强度的提高相对于层内而言难度加大。本文在分析3D打印混凝土层间黏结理论和已有层间增强方法的基础上，提出应用界面剂来提高层间黏结强度的方法，并结合试验进行研究。

1 3D打印混凝土层间黏结强度研究现状

B等研究了互锁构造对3D打印混凝土层间黏结强度的影响。互锁构造是一种结构设计原则，不使用任何黏结剂和连接装置，通过几何约束粘结在一起。试验中一共加载了96个试件，试件宽度恒定，互锁深度不同（基本情况、0.635 cm、1.27 cm、1.905 cm），结果表明，互锁结构能够有效提高3D打印混凝土层间黏结强度。采用3D打印技术制作混凝土小型试件时，无法体现层间间隔时间对其黏结性能的影响，但在制作大型建筑物时，必然会因为打印路径的选择在层间形成相应施工冷缝，此时层间间隔时间的控制显得尤为重要。PANDA B等使用了地聚合物砂浆作为打印材料，研究了间隔时间对打印试件的影响。结果表明，打印试件的力学性能随着间隔时间的延长而降低。 J G等研究了含水率对3D打印混凝土层间黏结强度的影响。混凝土浆体从料筒挤出后表面会出现明显的水分，这是喷头横向约束带来的结果。试验结果显示，表面含水率是影响打印混凝土层间黏结强度的主要因素之一，受打印工艺、混合物的蒸发速率和挤出速率等因素影响。

在混凝土结构进行施工或加固过程中，新旧混凝土结合面黏结问题始终存在，与3D打印混凝土层间黏结问题有相似之处。工程上，目前主要采用凿毛、植筋、涂抹界面剂三种方式，凿毛和植筋在3D打印过程中应用困难，上述的互锁构造由于打印设备与工艺的限制，实际实施难度较大，但界面剂可以在打印喷头处通过特殊装置涂抹在条带表面，便于操作。笔者团队通过在层间涂抹界面剂的方式，探寻这一工艺对3D打印混凝土力学性能的影响。

2 试验设计及构件制作

试验使用型极坐标系3D打印机，数控系统使用运动控制型，定位精度1 mm。选择4种常规界面剂作为试验变量，打印尺寸为200 mm×200 mm×200 mm的立方体构件和尺寸为140 mm×140 mm×400 mm的长方体构件，自然养护28 d，切割取芯，进行立方体抗压试验和长方体抗折试验。

2.1 3D打印混凝土材料及界面剂配合比

打印材料配制过程中使用了P·O 42.5型水泥、R.SAC42.5型快硬硫铝酸盐水泥、细度模数为1.1 的特细砂（适用小口径挤出打印喷头）、徐州某品牌高效减水剂、台州某化工生产的羟丙基甲基纤维素和PVA纤维，配合比设计参照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》。

界面剂选择了目前工程上常用的水泥净浆、粉煤灰水泥净浆（以下简称煤灰净浆）、水泥膨浆和改性丙烯酸水泥乳浆（以下简称丙烯酸乳浆）。四种界面剂的具体配合比见表1。

2.2 试件制作

打印试件的程序编写使用软件，输入构件尺寸后，该软件自动进行切片分层，输出3D打印机可识别的G代码，进行自动打印。因喷嘴未经特殊处理，界面剂的涂抹使用毛刷手动进行。打印立方体试件20个，长方体试件20个，打印试件模型及制作过程见图1。

试件打印完成后，其尺寸精度和内部结构受外界扰动较大不宜搬运，故试件养护采用同等条件下的自然养护，记录自然养护每日最高温度和最低温度。为降低3D打印混凝土试件常出现的干裂问题，养护第一周每天在试件表面浇水，提高湿度，降低干缩率。自然养护28 d后使用1200型钢筋混凝土墙锯进行切割取芯，以剔除打印精度和试件表面不平整带来的影响，切割后抗压试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，抗折试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。

3 试验及机理分析

3.１ 试验过程

试验所用加载仪器为东南大学土木工程学院实验室的YE-液压式压力试验机。加载速率根据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》确定。抗压强度试验加载速率为0.3 MPa/s，抗折强度试验加载速率为0.03 MPa/s。具体加载方式如图2所示。

3.2 抗压试验破坏状态及试验数据

图3为抗压试验试件破坏状态。在抗压试验中，未使用界面剂组在立方体边缘处产生数条呈锥形分布的斜裂缝并伴有多条位于试件中部的水平裂缝，部分试件甚至沿着水平裂缝有平整的大规模脱落现象，水平脱落处平整且位于层间黏结处，如图3（a）所示；使用水泥净浆作为界面剂破坏时，出现明显的竖向贯穿裂缝，变形方面主要沿着竖向裂缝轻微膨起或脱落，水平向裂缝明显甚至贯穿试件，但未出现沿水平向的整体脱落，其破坏特征与未使用界面剂组相似，故破坏状态图参照图3（a）；使用粉煤灰净浆作为界面剂破坏时产生多条竖向裂缝，竖向裂缝并未贯穿试件，发展到产生水平裂缝即停止延伸，此时，试件表面沿着水平方向有明显变形，水平裂缝未贯穿试件，如图3（b）所示；使用水泥膨浆作为界面剂破坏时，在侧面形成了多条明显的竖向斜裂缝，部分试件在底部形成了水平裂缝，沿水平向有脱落现象，试件中部无水平裂缝产生，如图3（c）所示；使用改性丙烯酸乳浆作为界面剂破坏时在棱柱边缘产生较多的竖向裂缝，部分试件出现贯穿裂缝并伴有脱落，在外表面中部产生横向裂缝，但不明显，无沿水平裂缝脱落现象，如图3（d）所示。

以无界面剂打印组（JMY-0）为参照，试验数据结果表明，使用界面剂会使打印构件的抗压强度有一定程度的提升，水泥净浆（JMY-1）和粉煤灰净浆（JMY-2）对其影响较小，分别使抗压强度提高了5.93%和10.12%，当使用水泥膨浆（JMY-3）与改性丙烯酸乳浆（JMY-4）涂抹在层间交界处时，3D打印混凝土试件抗压强度受其影响相对较大，分别提高了22.55%和16.46%。各界面剂组与标准打印的无界面组抗压强度对比如图4所示，具体数据见表2。

3.3 抗折试验破坏状态及数据

进行抗折强度试验时，采用三点加载方式，加载面为打印状态下的顶面和底面，此种加载方式为3D打印混凝土结构受弯破坏的常见受力方式，如图5所示。

试件加载时主要呈脆性破坏，裂缝位置主要集中于试件中部，与界面剂涂抹无直接关系。破坏时首先在试件下部受拉区产生裂缝，随着荷载增大，底部受拉区裂缝发展，裂缝宽度逐渐增大并向上发展直至破坏，所有试件的裂缝均为竖直裂缝，裂缝发展没有水平方向的发展趋势，此现象表明，层间的水平预裂缝在进行抗折试验时并未连接成片。裂缝处有一定量的纤维清晰可见，说明裂缝产生前，底部受拉区的PVA纤维承担了一部分拉应力；裂缝产生后，断裂面处的纤维起到连接两侧混凝土的作用，直至裂缝发展至一定宽度后失去此作用。

试验结果表明，界面剂的使用对3D打印混凝土抗折强度影响甚微。使用水泥净浆（JMZ-1）和粉煤灰净浆（JMZ-2）作为界面剂时，试件抗折强度提高不足1%，使用膨胀剂（JMZ-3）和改性丙烯酸乳浆（JMZ-4）作为界面剂时，试件抗折强度有一定提升但与抗压强度相比并不显著，分别为2.04%和3.72%。各界面剂组与标准打印的无界面剂组（JMZ-0）抗折强度试验结果见表3和图6。

3.4 黏结机理与试验结果分析

由于缺乏振捣，3D打印混凝土的密实度只能依赖材料的自密实性实现混凝土提高强度，但是当前打印材料的自密实性尚无法达到与使用振捣工艺相同的效果，打印条带表面及内部必然存在大量的毛细孔和气泡，左右条带（层内）和上下条带（层间）接触处也会因流动性较差产生较多孔隙，如图7所示。因此，相较于现浇结构，3D打印混凝土结构中微裂缝的产生、扩展、贯通更容易发生，影响试件的力学性能。

3.4.1 抗压强度、黏结机理与试验结果分析

（1）水泥净浆黏结机理分析

在层间涂抹水泥净浆可以使得打印试件的抗压强度提升5.93%。先膨胀后收缩是水泥基材料的主要变形特征，清华大学张军等对水泥净浆、砂浆、混凝土的变形研究中发现，水泥净浆膨胀时间约是混凝土膨胀时间的一倍，超长的膨胀时间可以使得浆体能够充分填补条带接触处的孔隙，部分填补条带表面因缺乏振捣产生的毛细孔和气泡。同时，水泥净浆内部湿度的下降速度也远低于3D打印混凝土材料的下降速度，使得打印材料表面的水化反应更加充分。另一方面，水泥基材料的收缩变形有助于提高同等条件试块的抗压强度，这在杜向琴等的试验中得到了验证。水泥基材料的收缩变形与其自身的水泥净浆含量有直接关系，砂石等较难产生形变的粗骨料会抑制水泥净浆的收缩，收缩变形越大，试件固相的密实度越高。

在以上几种性能的共同作用下，水泥净浆作为界面剂时，起到了抑制3D打印混凝土试件内部微裂缝产生的效果，但这种抑制作用是有限的。首先混凝土提高强度，水泥净浆的强度低于试件打印材料强度，其次，仅依靠水泥净浆自身性质对3D打印混凝土试件上下层表面的影响深度有限，所以水泥净浆对打印界面

黏结性及打印试件整体力学性能的提升效果有限。

（2）粉煤灰净浆黏结机理分析

使用粉煤灰净浆作为打印试件层间界面剂时，混凝土抗压强度的提升率为10.12%。3D打印混凝土材料对其可建造性要求严格，即需要足够大的早期强度支撑在无侧向约束的情况下上部持续施加的荷载。而含有粉煤灰的水泥早期强度较低，所以，在3D打印混凝土材料中需严格控制粉煤灰含量。使用粉煤灰净浆作为界面剂就是为了充分发挥其性能，提高混凝土密实性，减少泌水和离析且不影响打印材料对可建造性的要求。在界面处使用粉煤灰可以起到抑制上下层表面混凝土的泌水作用，使得其内部湿度下降速度减慢，减少因水蒸发而在孔隙内部产生的拉应力，这种水蒸发溢出带来的拉应力会增加毛细孔和气泡体积，使得3D打印混凝土内部的预裂缝更加容易发展，泌水还会使水泥浆体和砂石之间形成聚集的水团，水汽蒸发后便形成了微裂缝。涂抹界面剂时，粉煤灰净浆和3D打印混凝土材料均在初凝时间内发生一些物理化学作用。粉煤灰中的球状玻璃体还会在与其接触的打印材料中起到滚轴作用，减少打印材料流动的摩擦力，促进物质交换；粉煤灰玻璃体中含有大量的二氧化硅和氧化铝，他们会与水泥中的氢氧化钠反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，两种产物部分集中在粉煤灰玻璃体表面，部分填充到水泥基材料和砂之间的孔隙中，使得打印材料更加密实；粉煤灰还是高温煅烧后的产物，具有较高的硬度，共同承受外力起到“内核”作用，即“微集料效应”。需要说明的是，粉煤灰净浆与打印材料未经搅拌，交互界面深度有限，水化硅酸钙也只能填补界面表层的空隙，对条带内部无影响，所以粉煤灰净浆对3D打印混凝土层间黏结性的影响也是有限的。

（3）水泥膨浆黏结机理分析

水泥膨浆在四种界面剂中对打印试件抗压强度提升最为显著，达到了22.55%。干缩作用明显是3D打印混凝土材料的重要特征之一，在配制打印材料的过程中选择使用PVA纤维来减少试件的塑性干缩开裂程度，对其干缩性进行有效抑制，而非使用膨胀剂作为添加剂，这是因为使用膨胀剂会降低混凝土试件的早期强度和流动度，这与打印材料对可建造性和可挤出性的要求矛盾。通过界面剂的方式来增加层间的黏结强度，这样可以充分利用膨胀剂对混凝土的补偿收缩作用，且不影响打印材料本身性质。水泥膨浆主要使用的是U型膨胀剂，主要成分包含了铝酸钙（CA）、二铝酸钙（CA2）和硫酸铝钙（C4A3S），水化反应后生成钙矾石（3CaO·Al2O3··32H2O），钙矾石是水泥膨浆主要的膨胀源，可以用其膨胀性补偿水泥基材的干缩，填补3D打印混凝土试件上下层交界处的气孔、气泡和毛细孔，改善界面过度区的微观结构和颗粒级配。水泥基材料中的钙矾石形态丰富，多以针棒状为主，以放射状、环状、块状和球状为辅，这些不同形态的钙矾石晶体簇间存在机械咬合作用。U型膨胀剂同样会降低3D打印混凝土材料的泌水性，减少试件内部因透水导致的孔隙贯通。需要说明的是，水泥膨浆的膨胀率与空气湿度有关，在试件打印完成的第一周，每天浇水养护，从侧面促进了钙矾石的生长，提高层间黏结效果。此外，钙矾石的生长深度要远大于水化硅酸钙和水化铝酸钙，在这种情况下，界面剂的影响深度不仅局限在打印层表面，而是深入层间内部，利用钙矾石形成网状结构，提高了上下层之间的密实度和机械咬合力，使得3D打印混凝土试件的力学性能得到改善，抗压强度提升率也是配制的四种界面剂中最高的。

（4）改性丙烯酸乳浆黏结机理分析

改性丙烯酸乳浆对试件抗压强度的影响仅次于水泥膨浆，提升率为16.46%。改性丙烯酸乳液通常是由以丙烯酸脂类为主、苯乙烯等乙烯基单体为辅聚而成，具有良好的黏结性和耐腐蚀性，是一种有机黏结剂。混凝土3D打印主要采用的是层叠打印工艺，这种工艺使得试件每层都与空气充分接触，而且在四个条带相交位置会形成较多孔隙，该部位充分发生碳化反应。碳化作用会增加3D打印混凝土收缩，在层间孔隙处产生拉应力且微裂缝得到发展。改性丙烯酸乳浆具有良好的耐碱性，能在3D打印混凝土层间形成致密的饱和层，抑制CO2的扩散，大大缓解了混凝土的碳化。改性丙烯酸乳浆中的聚合物也会在毛细孔、气泡和孔隙中生长，阻止这些微裂纹发展并可以使之变小，提高接触面密实度的同时还增大了界面处的机械咬合力。此外，改性丙烯酸聚合物借助布朗运动向水泥基材表面扩散，水泥水化反应后生成的产物距离足够接近时，产生分子间的相互作用力，提高界面过度区的整体性。在以上几种正向驱动的共同作用下，3D打印混凝土试件的力学性能得到提高。需要说明的是，脂类物质对混凝土的浸润深度只有1~2 mm。因此，丙烯酸乳浆对打印层间黏结性的改善较水泥膨浆也是有限的，但高于水泥净浆和粉煤灰净浆。

3.4.2 抗折强度、黏结机理与试验结果分析

抗折强度试验结果表明，3D打印混凝土试件在前文所述加载方向上的抗折强度与界面剂的使用关系甚微。同时，此加载方向上的抗折强度远大于同加载方向上抗压强度的十分之一，这与LE T T等的3D打印混凝土试件抗折试验结果相同。3D打印混凝土试件的抗折强度取决于底部受拉区混凝土的极限抗拉强度，抗拉强度越大，试件整体的抗折强度越高，与试件上部受压区内层间的黏结强度没有关系。3D打印混凝土试件的薄弱界面位于两层之间，抗折裂缝是竖向发展的，此时，薄弱部位界面的预裂缝长度相较于整体的竖向裂缝长度小，而且下部受拉区层间黏结强度在自身重力的作用下得到了一定程度改善，相邻两层之间更加密实。因此，沿着打印状态下的顶面和底面加载时，界面剂的使用对其抗折强度影响有限。在试件受弯破坏时PVA纤维的断裂和拔出现象明显，可以通过调整PVA纤维含量来改善3D打印混凝土试件的抗折强度。

4 结论和展望

（1）打印试件层间黏结强度的大小直接影响其整体抗压强度，试件受压破坏时，出现了多条平整的水平裂缝。但是，界面剂的使用对试件整体的抗折强度影响较小，进行抗折试验时，无水平裂缝产生，且竖向裂缝无水平向发展趋势。

（2）水泥膨浆对3D打印混凝土具有良好的补偿收缩性，使得打印试件整体抗压强度提高了22.55%，改性丙烯酸乳浆次之；水泥净浆和粉煤灰净浆对打印试件的整体抗压强度提升效果一般。

（3）四种界面剂对打印试件抗折强度的提升均是有限的。改性丙烯酸乳浆对打印试件整体的抗折强度提升效果相对较好，水泥膨浆次之；水泥净浆和粉煤灰净浆对抗折强度几乎无任何影响。

（4）在3D打印混凝土层间使用界面剂，可以有效的改善其层间的黏结强度，进而提高试件整体的力学性能。界面剂方面，后续研究可以尝试调整其配合比，使之与3D打印混凝土材料相适应，也可以尝试使用新的界面剂，以此提高打印试件层间黏结强度。打印方式方面，本试验界面剂是用毛刷手动涂抹在层间的，后续研究可以尝试改进当前3D打印机的料筒和喷头，实现界面剂的自动化喷涂。

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