[摘要] 對 3D 打印建筑材料層間粘結性能進行了測試，包括 3 個 3D 打印試件的粘結抗拉強度試驗和 3 個 3D 打印試件的粘結剪切強度試驗。著重分析了 3D 打印建筑材料層間粘結的破壞模式、破壞過程與破壞形態。分析結果表明，3D 打印建筑材料存在層間粘結薄弱層，破壞時均發生在粘結層部位，其軸心抗拉強度為0. 74N/mm2; 剪切強度測試時未發生剪切破壞，得到試件破壞時的彎曲抗拉強度平均值為 0. 88N/mm2.
[關鍵詞] 3D 打印建筑材料； 層間粘結性能； 抗拉強度； 彎曲強度； 剪切強度
Abstract: Interlayer bonding property of 3D print building material was tested,including 3 bonding tensile strength tests on3D print specimens and 3 bonding shear strength tests on 3D print specimens. The failure modes,processes and forms ofinterlayer bonding property of 3D print building materials were emphatically analyzed. Analysis results indicate that thereare interlayer bonding weak layers in the 3D print building materials,and specimen failure occurs in the bonding layer partwith average axial tensile strength of 0. 74N / mm2. The shear failure does not occur in shear strength test and averagebending tensile strength of 3D print building materials is 0. 88N / mm2when specimen is failed.
Keywords: 3D print building material; interlayer bonding property; tensile strength; bending strength; shear strength.
0 前言
3D 打印是一種快速成型技術或者說是一種增材制造技術，是通過材料連續逐層添加制造三維物體的變革性、數字化技術[1-2].3D 打印技術因此被稱之為推動“第三次工業革命”的重要力量，具有數字化、網絡化、個性化和定制化的特點[3].在建筑領域，利用 3D 打印技術將一種特殊的建筑材料通過打印機噴頭噴出，逐層打印，層層累加，最終形成立體的建筑形體。
3D 打印建筑材料的研發成為實現 3D 打印建筑的核心技術。目前，國內外已有部分學者就 3D打印建筑材料進行了嘗試性研發，如： 荷蘭的專家曾采用了樹脂及塑料類的材料進行研發[4]; 美國人采用了樹脂砂漿類、黏土類、混凝土類材料進行 3D 打印材性試驗[5]; 英國拉夫堡大學的 Le T T 等人[6-7]對打印所需混凝土材料性能進行研究。
國內盈創公司研發的 3D 打印建筑材料是利用建筑物廢棄材料，將其粉碎磨細，加水泥、纖維、有機粘合劑等，制成牙膏狀的“油墨”進行打印[1,8].針對 3D 打印方式對打印出的建筑材料進行粘結性能測試，分析 3D 打印建筑材料層間粘結抗拉強度、層間剪切強度或彎曲強度等，可為 3D 打印技術在建筑領域的應用提供依據。
1 試驗概況
1. 1 試件設計
3D 打印建筑材料粘結抗拉試驗設計了 3 個試件，編號分別為 L1 ~ L3,試件外圍尺寸均為 180 ×180 × 280,打印寬度為 30mm,打印厚度為 18mm.
試件由 3D 打印殼體（ 試驗對象） 、核心部分（ 傳力裝置） 兩部分構成，如圖 1 所示。
制作完成的試件主要由 3D 打印殼體、塑料隔板、上下兩部分核心混凝土及拉拔鋼筋組成（ 圖 2） .
其中，在塑料隔板上下表面涂抹潤滑油，可以防止上下兩部分核心混凝土與其粘結，保證 3D 打印殼體材料抗拉強度測試的準確性。
3D 打印建筑材料層間剪切粘結強度試驗同樣設計了 3 個試件，試件編號分別為 J1 ~ J3,試件外圍尺寸均為 200 × 200 × 270,打印寬度為 30mm,打印厚度為 18mm.3D 打印形成矩形殼體，并在 3D 打印形成的殼體內部澆筑混凝土，完成的試件及加載示意如圖 3 所示。圖中，①，②，③分別為按澆筑次序完成的核心部分混凝土，每層混凝土之間放置氣墊膜。氣墊膜可以防止混凝土之間的接觸粘結，保證剪切面處無混凝土。
1. 2 試驗方法
粘結抗拉試驗采用液壓材料性能試驗機進行拉力加載。加載速率為 0. 02MPa/s,直至試件破壞，記錄構件拉壞時的最大拉力，精確到 0. 01kN.加載過程中注意對中，使構件軸心受力。層間剪切粘結強度試驗采用20t 萬能試驗機加載，千斤頂將力施加在中間部分的上部，左右兩部分底部放在鋼板墊塊上。
加載時先試加荷載0. 5kN,以檢查儀器是否正常工作以及試件是否對中，檢查無誤后卸載，重新調平各儀器，進入正式試驗階段。正式加載采用荷載控制加載的方式，加載速度為0. 05kN/s,全程勻速加載。
1. 3 承載力估算
粘結抗拉強度測試時，記測得最大拉力為 F,試驗預期發生拉壞的部位應在兩層打印材料的接觸界面。核心部分因為塑料板的存在不承受拉力，外荷載通過核心部分與 3D 打印殼體的粘結傳到 3D 打印殼體上，根據圖1（ a） 試件截面尺寸，拉應力 σ 為：
層間剪切強度測試時，當千斤頂的荷載出現明顯下降、中間部分相對左右兩部分發生明顯位移時，可認為剪切面破壞，此時的千斤頂施加的荷載為 3D打印模板層間抗剪承載力 F.F/A 即為層間抗剪粘結強度，A 為 3D 打印模板層間接觸面積。
2 試驗結果分析
2. 1 試驗過程與破壞現象
3D 打印工藝的要求，形成的 3D 打印殼體是由3D 打印噴頭噴出的建筑材料層層疊加而成，因此，3D 打印材料層與層之間的粘結性能可能存在薄弱環節。在 3 個粘結抗拉強度測試中，破壞時均為打印層間受拉脫開，符合試驗預期，試驗破壞后的 3D打印試件如圖 4 所示。
3D 打印剪切粘結強度測試采用的試件均設有兩層氣墊膜，防止混凝土之間的接觸粘結，該氣墊膜位置為試驗預期剪切破壞位置。然而，通過本次加載試驗，試件破壞均發生在跨中附近，為彎曲破壞，并沒有出現在氣墊膜位置，即非預期的剪切破壞。
加載過程及試件破壞后情況如圖 5 所示
剪切粘結強度試驗時 3D 打印試件發生彎曲破壞，而非剪切破壞，綜其原因有以下幾點： 1） 3D 打印有停歇過程，停歇時 3D 打印材料快速凝結，繼續打印新層，層間粘結力減小，非停歇面層間粘結力較強； 2） 由于3D 打印工藝原因，剪切破壞截面為波浪形（ 圖 6（ a） ） ,非平面，層與層之間存在咬合力，提高了剪切強度； 3） 由于施工原因，內部混凝土的空心斷面為曲面（ 圖 6（ b） ） ,曲面位于剪切破壞處，內部存在咬合力，進一步提高了剪切強度； 4） 試件破壞后，將試件敲開，發現 3D 打印殼體除跨中停歇面處存在明顯的層痕跡，其他部分為一個整體，層間粘結力較強。故試件易從跨中可能存在的打印停歇面處開裂，發生彎曲破壞。
上述原因導致本次試驗破壞為彎曲破壞，非原來設計的剪切破壞，得到的是 3D 打印材料的層間彎曲抗拉強度試驗值。
[關鍵詞] 3D 打印建筑材料； 層間粘結性能； 抗拉強度； 彎曲強度； 剪切強度
Abstract: Interlayer bonding property of 3D print building material was tested,including 3 bonding tensile strength tests on3D print specimens and 3 bonding shear strength tests on 3D print specimens. The failure modes,processes and forms ofinterlayer bonding property of 3D print building materials were emphatically analyzed. Analysis results indicate that thereare interlayer bonding weak layers in the 3D print building materials,and specimen failure occurs in the bonding layer partwith average axial tensile strength of 0. 74N / mm2. The shear failure does not occur in shear strength test and averagebending tensile strength of 3D print building materials is 0. 88N / mm2when specimen is failed.
Keywords: 3D print building material; interlayer bonding property; tensile strength; bending strength; shear strength.
0 前言
3D 打印是一種快速成型技術或者說是一種增材制造技術，是通過材料連續逐層添加制造三維物體的變革性、數字化技術[1-2].3D 打印技術因此被稱之為推動“第三次工業革命”的重要力量，具有數字化、網絡化、個性化和定制化的特點[3].在建筑領域，利用 3D 打印技術將一種特殊的建筑材料通過打印機噴頭噴出，逐層打印，層層累加，最終形成立體的建筑形體。
3D 打印建筑材料的研發成為實現 3D 打印建筑的核心技術。目前，國內外已有部分學者就 3D打印建筑材料進行了嘗試性研發，如： 荷蘭的專家曾采用了樹脂及塑料類的材料進行研發[4]; 美國人采用了樹脂砂漿類、黏土類、混凝土類材料進行 3D 打印材性試驗[5]; 英國拉夫堡大學的 Le T T 等人[6-7]對打印所需混凝土材料性能進行研究。
國內盈創公司研發的 3D 打印建筑材料是利用建筑物廢棄材料，將其粉碎磨細，加水泥、纖維、有機粘合劑等，制成牙膏狀的“油墨”進行打印[1,8].針對 3D 打印方式對打印出的建筑材料進行粘結性能測試，分析 3D 打印建筑材料層間粘結抗拉強度、層間剪切強度或彎曲強度等，可為 3D 打印技術在建筑領域的應用提供依據。
1 試驗概況
1. 1 試件設計
3D 打印建筑材料粘結抗拉試驗設計了 3 個試件，編號分別為 L1 ~ L3,試件外圍尺寸均為 180 ×180 × 280,打印寬度為 30mm,打印厚度為 18mm.
試件由 3D 打印殼體（ 試驗對象） 、核心部分（ 傳力裝置） 兩部分構成，如圖 1 所示。
制作完成的試件主要由 3D 打印殼體、塑料隔板、上下兩部分核心混凝土及拉拔鋼筋組成（ 圖 2） .
其中，在塑料隔板上下表面涂抹潤滑油，可以防止上下兩部分核心混凝土與其粘結，保證 3D 打印殼體材料抗拉強度測試的準確性。
3D 打印建筑材料層間剪切粘結強度試驗同樣設計了 3 個試件，試件編號分別為 J1 ~ J3,試件外圍尺寸均為 200 × 200 × 270,打印寬度為 30mm,打印厚度為 18mm.3D 打印形成矩形殼體，并在 3D 打印形成的殼體內部澆筑混凝土，完成的試件及加載示意如圖 3 所示。圖中，①，②，③分別為按澆筑次序完成的核心部分混凝土，每層混凝土之間放置氣墊膜。氣墊膜可以防止混凝土之間的接觸粘結，保證剪切面處無混凝土。
1. 2 試驗方法
粘結抗拉試驗采用液壓材料性能試驗機進行拉力加載。加載速率為 0. 02MPa/s,直至試件破壞，記錄構件拉壞時的最大拉力，精確到 0. 01kN.加載過程中注意對中，使構件軸心受力。層間剪切粘結強度試驗采用20t 萬能試驗機加載，千斤頂將力施加在中間部分的上部，左右兩部分底部放在鋼板墊塊上。
加載時先試加荷載0. 5kN,以檢查儀器是否正常工作以及試件是否對中，檢查無誤后卸載，重新調平各儀器，進入正式試驗階段。正式加載采用荷載控制加載的方式，加載速度為0. 05kN/s,全程勻速加載。
1. 3 承載力估算
粘結抗拉強度測試時，記測得最大拉力為 F,試驗預期發生拉壞的部位應在兩層打印材料的接觸界面。核心部分因為塑料板的存在不承受拉力，外荷載通過核心部分與 3D 打印殼體的粘結傳到 3D 打印殼體上，根據圖1（ a） 試件截面尺寸，拉應力 σ 為：
層間剪切強度測試時，當千斤頂的荷載出現明顯下降、中間部分相對左右兩部分發生明顯位移時，可認為剪切面破壞，此時的千斤頂施加的荷載為 3D打印模板層間抗剪承載力 F.F/A 即為層間抗剪粘結強度，A 為 3D 打印模板層間接觸面積。
2 試驗結果分析
2. 1 試驗過程與破壞現象
3D 打印工藝的要求，形成的 3D 打印殼體是由3D 打印噴頭噴出的建筑材料層層疊加而成，因此，3D 打印材料層與層之間的粘結性能可能存在薄弱環節。在 3 個粘結抗拉強度測試中，破壞時均為打印層間受拉脫開，符合試驗預期，試驗破壞后的 3D打印試件如圖 4 所示。
3D 打印剪切粘結強度測試采用的試件均設有兩層氣墊膜，防止混凝土之間的接觸粘結，該氣墊膜位置為試驗預期剪切破壞位置。然而，通過本次加載試驗，試件破壞均發生在跨中附近，為彎曲破壞，并沒有出現在氣墊膜位置，即非預期的剪切破壞。
加載過程及試件破壞后情況如圖 5 所示
剪切粘結強度試驗時 3D 打印試件發生彎曲破壞，而非剪切破壞，綜其原因有以下幾點： 1） 3D 打印有停歇過程，停歇時 3D 打印材料快速凝結，繼續打印新層，層間粘結力減小，非停歇面層間粘結力較強； 2） 由于3D 打印工藝原因，剪切破壞截面為波浪形（ 圖 6（ a） ） ,非平面，層與層之間存在咬合力，提高了剪切強度； 3） 由于施工原因，內部混凝土的空心斷面為曲面（ 圖 6（ b） ） ,曲面位于剪切破壞處，內部存在咬合力，進一步提高了剪切強度； 4） 試件破壞后，將試件敲開，發現 3D 打印殼體除跨中停歇面處存在明顯的層痕跡，其他部分為一個整體，層間粘結力較強。故試件易從跨中可能存在的打印停歇面處開裂，發生彎曲破壞。
上述原因導致本次試驗破壞為彎曲破壞，非原來設計的剪切破壞，得到的是 3D 打印材料的層間彎曲抗拉強度試驗值。
