《3D打印混凝土材料性能试验方法》编制说明

D打印混凝土拌合物打印性能试验方法标准编制说明工作简况任务来源根据中国建筑材料联合会《关于下达2019年第二批协会标准制定计划的通知》（中建材联标发[2019]51号）和中国混凝土与水泥制品协会《关于下达2019年中国混凝土与水泥制品协会标准制定计划（第一批）的通知》（中制协字[2019]9号）计划号2019-35-xbjh的要求，《3D打印混凝土材料性能试验方法》为协会标准制定项目。本文件由中国建筑材料联合会和中国混凝土与水泥制品协会共同负责管理，由中国混凝土与水泥制品协会3D打印分会牵头制定，由河北工业大学、东南大学负责起草并组织相关单位共同完成。混凝土3D打印技术是一种应用机电一体化技术自动建造设计结构模型的新型增材制造技术。该技术将3D打印技术与混凝土材料技术结合，其主要原理是将混凝土构件进行3D建模和分割产生3D信息，然后将配制好的混凝土拌合物通过挤出装置，按照设定好的程序，由打印头挤出进行打印得到混凝土构件。因相比传统模板浇筑的混凝土施工方法，混凝土3D打印大大降低了施工过程中的能耗与污染，提高了建造效率。因其无模化、自动化、快速化和灵活化的建造优势，在建筑、桥梁、基础设施等领域迅速兴起，得到了显著地发展和推广。发展以混凝土3D打印为核心的智能建造关键技术对建筑业的绿色化、工业化发展均具有重要意义。相对于传统的建造方法，3D打印主要有以下优势：1)定制个性化：未来客户可以在极大程度上根据自己的想法参与建筑设计。在3D打印过程中，通过添加功能性材料可以实现功能化构件的打印和制造。因此，3D打印技术有利于改善设计师的工作方式和方法。2)造型灵活化：在不增加施工作业难度的基础上实现灵活化造型的建造。3D打印可以实现对任何结构复杂构件的生产制造，可促进设计思路的自由化。3D打印技术还适合于新产品开发、快速单件及小批量零件的制造、复杂形状零件的制造、模具的设计与制造等。3)模型直观化：3D实时打印的建筑模型,其结构信息更加直观化、透明化。4)建造绿色化：打印用的水泥基材料可利用建筑垃圾、矿业固废等制备,建造过程也将大大减少噪声与环境污染，践行了建造绿色化、环保化的理念。3D打印技术建造过程不必去除大量材料，也不必通过复杂锻造工艺就可以得到最终产品，利于结构优化、材料节约和能源节省。满足3D打印工艺的水泥基复合材料的制备和性能优化是发展3D打印的重点与核心。打印材料除了要满足传统混凝土施工工艺对材料的工作性能要求外，还需满足混凝土3D打印工艺对材料挤出性、建造性、凝结时间和早期强度等3D可打印性能的要求。混凝土3D打印过程中易出现材料的堵塞、中断、变形、撕裂甚至坍塌现象，制约着打印成型。3D打印混凝土材料的性能直接决定着构件成型的质量。然而，针对3D打印混凝土拌合物打印性能试验方法的研究仍在进行中，在国内外尚未有行业相关3D打印混凝土拌合物可打印性能的测试和评定标准，为该技术的推广和实际工程应用带来了不便。但国内外学者针对3D打印混凝土材料各自援引不同的测试标准，进行了初步的拌合物性能测试，主要涉及流动性、流变性、挤出性、建造性、凝结时间、开放时间、湿坯强度等。但不同的研究团队所使用的方法和评价标准有很大的不同，未能统一。相同的材料，使用不同的方法评定出来的结果也不相同。为此，编制本试验方法，期望能够为规范和统一3D打印混凝土材料的制备和性能优化提升，进而推进3D打印技术的市场推广。主要工作过程2019年7月26日，《3D打印混凝土材料性能试验方法》标准编制成立暨第一次工作会议在陕西省西安市召开。中国混凝土与水泥制品协会、中国混凝土与水泥制品协会3D打印分会、河北工业大学、东南大学等35家单位的48位代表参加了会议。本次会议上，与会代表听取了标准编制技术背景及准备工作情况汇报，对国内外混凝土3D打印技术、工艺发展及应用和存在的问题进行了充分交流，明确了参编单位的分工及标准编制进度，并针对标准适用范围、主要章节架构、重点技术指标、必要的测试及验证项目等关键点提出了意见和建议。图1准编制组暨第一次工作会议第一次工作会后，各参编单位按照要求的试验项目和试验方法开展了相关试验，对标准条款内容进行验证。因2020年度疫情原因上半年工作多有延迟，至2020年7月完成标准初稿。2020年8月27日，2020年11月8日，河北工业大学召开了两次标准讨论线上视频会议，各参编单位汇报了相关试验研究结果，并汇总修改《3D打印混凝土材料性能试验方法》，形成征求意见稿。图2标准讨论线上视频会议主要参加单位和工作组成员及其所做的工作1.标准组成立暨第一次工作会议参加单位：中国混凝土与水泥制品协会、河北工业大学、东南大学、清华大学、同济大学、北京建筑大学、天津城建大学、昆山市建设工程质量检测中心、中国建筑材料科学研究总院有限公司、中国建材检验认证集团股份有限公司、贵州师范大学、北京航空航天大学、深圳万测试验设备有限公司、国家建筑工程质量监督检验中心、哈尔滨工业大学、江苏韧强建筑科技有限公司、山东农业大学、北京交通大学、河北达奥建材科技股份有限公司、中国建筑股份有限公司技术中心、北汇绿建集团有限公司、浙江大学、中南大学、建研华测(杭州)科技有限公司、中交第一公路勘察设计研究院有限公司、江苏南通六建建设集团有限公司、南京绿色增材制造研究院有限公司、尧柏特种水泥技术研究院有限公司、北京工业大学、南京理工大学、江苏建筑职业技术学院、河海大学、西安建筑科技大学、邢台路桥建设总公司、华创智造(天津)科技有限公司、同济检测技术有限公司、菏泽城建绿源环保科技有限公司。2.任务分工：中国混凝土与水泥制品协会主要负责标准立项、标准讨论会组织及筹备、标准相关文献搜集及分发、行业征求意见汇总。河北工业大学负责标准正文的编写及修改等。表1主要试验任务分工序号任务内容牵头负责单位参与单位1流动性试验河北工业大学东南大学、同济大学、中交一公院、尧柏特种水泥技术研发有限公司、中国建材总院、邢台路桥建设总公司等2挤出性试验河北工业大学同济大学、东南大学、大连大学、华创智造、中国建材总院、中建技术中心等3开放时间河北工业大学东南大学、同济大学、大连大学、中国建材总院、建研华测（杭州）有限公司等4建造性试验东南大学河北工业大学、同济大学、大连大学、尧柏特种水泥技术研发有限公司、南京绿色增材智造研究院有限公司等5湿坯强度和弹性模量试验东南大学同济大学、河北工业大学、中交一公院、南京绿色增材智造研究院有限公司等6凝结时间试验东南大学同济大学、河北工业大学、中交一公院、尧柏特种水泥技术研发有限公司、华创智造等标准编制的原则和主要内容标准制定的原则本标准按照《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》GB/T1.1—2020给出的规则进行起草。遵从以下规则：贯彻执行国家的政策、法规，与现行其他国家标准协调一致的原则；技术指标制定先进可行、规范合理的原则；标准制定突出产品特性，促进行业健康发展和产品推广的原则。前瞻性本测试方法通过对国内外混凝土3D打印技术和工艺发展及应用现状的广泛调研和深入分析，并考虑3D打印过程中易出现的问题和难点，针对性地制定3D打印混凝土材料性能试验方法，以确保3D打印过程的稳定，提升3D打印结构的质量。科学性本标准的编制，建立在大量的科学研究的基础上，通过充分研究各种可能的影响因素对测试结果的影响，提出最合理科学的方法。适用性通过对我国现有挤出型3D打印混凝土技术的归纳分析，针对性的提出了超早龄期3D打印混凝土材料的测试方法及评价标准，为该规程在行业顺利实施奠定了坚实的基础。经济性通过该本标准的制定，一方面可促进3D打印工程结构质量的大幅提升，另一方面可带动整个智能制造行业的发展。标准的主要内容范围与普通混凝土拌合物或者砂浆不同，逐行逐层的固有成型方式对3D打印混凝土拌合物的性能提出了更为严格的要求。本标准从3D打印混凝土的成型基本要求出发，规定了3D打印混凝土拌合物流动性、挤出性、开放时间、建造性、湿坯强度和弹性模量、凝结时间的试验方法。本标准适用于建设工程中3D打印混凝土拌合物的打印性能试验。规范性引用文件本标准在制定过程中主要引用和参考了以下标准：GB/T50080《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》，3D打印混凝土拌合物应具有足够的流动性，以保证混凝土拌合物可以在管道输送并从打印头顺利均匀的挤出，而不发生堵塞。同时，挤出的混凝土材料在逐层堆叠的过程中应具有足够的早期刚度来抵抗自重压力来维持打印体的稳定性。参考了该标准中对混凝土拌合物流动性的测试方法和凝结时间的测试方法。GB/T2419《水泥胶砂流动度测定方法》，对于成型精度要求较高的情况，多采用不含粗骨料的砂浆材料作为3D打印材料，同样的应具有足够的流动度以保证输送和挤出过程，参考了该标准中规定的流动度测定方法。JGJ/T70《建筑砂浆基本性能试验方法标准》，对于3D打印砂浆材料应具有适宜的凝结时间来保证3D打印材料具有足够的开放时间来完成打印，参考了该标准中规定的凝结时间测试方法。术语、定义和符号术语和定义混凝土3D打印3Dconcreteprinting本条文是指向于通过挤出成型方式的无模建造过程。3D打印混凝土3Dprintedconcrete为了满足3D打印混凝土的性能、尤其是可挤出性和可建造性，3D打印混凝土中往往会掺入各种改善其性能的组分，如矿物掺合料、纳米材料、聚合物和纤维等，本条文对混凝土原材料的规定可包含但不局限于上述材料。可打印性printability混凝土拌合物的可打印性能区别于工作性能，两者有交叉也有不同，主要用于评估所制备的混凝土拌合物能否顺利稳定的完成无模堆叠建造的性能。挤出性extrudability本条适用于以挤出成型为打印方式3D打印混凝土，对于其他成型方式，应对材料性能另行规定。建造性buildability本条适用于以挤出成型为打印方式3D打印混凝土，对于其他成型方式，应对材料性能另行规定。开放时间opentime3D打印混凝土拌合物的开放时间区别于初凝时间，测试方法也不相同，是指具有可打印性的时间。湿坯强度greenstrength本条适用于评估3D打印混凝土拌合物超早龄期承受压力的能力。3D打印混凝土拌合物弹性模量elasticmodulusof3Dprintingconcrete本条适用于评估3D打印混凝土拌合物超早龄期抵抗变形的能力。打印体3Dprintedstructure本条适用于通过挤出堆叠的方式成型的试样或结构，区别于与模具浇筑成型方式。打印条带filament本条适用于通过挤出成型方式成型的单条长条形3D打印混凝土。打印头printingnozzle本条适用于凭借压力或者螺杆旋转的方式挤出混凝土拌合物的机械装置。基本规定一般规定规定了试验的环境条件（相对湿度不宜小于50%，温度应保持在20℃±5℃）及试验仪器设备的要求，减少环境及设备因素引起的误差。与GB/T50080《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》的规定保持一致。3D打印混凝土的制备配制3D打印混凝土的原材料性能指标应符合国家现行相关标准的规定，搅拌、养护等工序参照现行相关标准的规定。试验报告规定了委托单位、试件制作单位、试验或检测单位应记录的内容，以确保试验信息记录的完整性。流动性试验流动性试验根据3D打印材料是否含有粗骨料，分为了混凝土拌合物的流动性测试方法和砂浆拌合物的流动性测试方法，具体测试仪器和流程等参照现行相关标准的规定。对3D打印混凝土拌合物流动性的测定按照标准正文5.1和5.2描述方法进行。挤出性试验考虑测试过程中所使用的打印头的内部构造、打印出料口的形状和尺寸等的差异性，定义了打印头内侧截面的等效直径，并限定了需要打印条带的长度和厚度，以更好的评估混凝土拌合物的挤出性能。对3D打印混凝土拌合物挤出性的测定按照标准正文6.3描述方法进行。开放时间试验开放时间是用于评估还能拌合物满足可打印性的时间，区别于初凝和终凝时间，可以精确的量化时间点，开放时间测定的精确程度取决于试验测试过程的时间间隔，本标准建议的时间间隔为5min~10min。对3D打印混凝土拌合物开放时间的测定按照标准正文7.3描述方法进行。建造性试验建造性试验用于测试3D打印混凝土拌合物的形状保持能力和无模堆叠建造后的稳定性。针对形状保持能力，本标准规定了使用内径和高度相同，均为80mm±0.5mm的圆柱状试样，通过对坍落度的测量来表征其形状保持能力。对3D打印混凝土拌合物形状保持能力的测定按照标准正文8.1描述方法进行。无模堆叠建造后的稳定性是3D打印快速建造的关键，考虑到所打印结构的几何形状对打印体稳定性的影响，本标准对3D打印体的长度、宽度以及形式进行了规定。对3D打印体稳定性的测定按照标准正文8.2描述方法进行。湿坯强度和弹性模量试验本标准测定了3D打印混凝土拌合物的湿坯强度和弹性模量的尺寸要求和测试方法。对3D打印混凝土凝湿坯强度和弹性模量的测定按照标准正文9.3描述方法进行。凝结时间测试凝结时间试验根据3D打印材料是否含有粗骨料，分为了混凝土拌合物的凝结时间测试方法和砂浆拌合物的凝结时间测试方法，具体测试仪器和流程等参照现行相关标准的规定。对3D打印混凝土凝结时间的测定按照标准正文10.1和10.2描述方法进行。主要试验验证情况分析与指标确定为保证标准检测方法的合理性，编制组进行了大量的验证试验。在试验方案的设立上，标准编制组本着实事求是、精益求精的精神，在试件尺寸、试件的制作和养护、试验方法等诸多方面加以论证、补充、细化、完善。试验条件打印机及参数图2试验用3D打印机打印机尺寸：1.5m×1.2m×0.5m打印行进速度：50mm/s；设定层高：8mm；喷头直径：12mm。原材料及试验配比普通硅酸盐水泥（P•O42.5）：尧柏P•O42.5硫铝酸盐水泥（SAC）：尧柏SAC42.5硅灰（SF）：细骨料（S）：河砂，Ⅱ区中砂，细度模数2.6～2.9减水剂（SM）：聚羧酸减水剂纤维（PP）：聚丙烯纤维，纤维长度12mm所用基准配合比见表2：表23D打印混凝土基准配合比P•O42.5SACSFSPPSMW750502001400310300开展3D打印拌合物流动性、挤出性、开放时间、建造性试验，试验结果表明上述测试可明显测定拌合物的打印性能。打印性能流动性图3流动性测试由试验结果可以看出，在本实验条件下，对于给定配合比的拌和物，跳桌试验和坍落度可有效界定拌合物的流动性。挤出性由试验结果可以看出，在本实验条件下，对于给定配合比的拌和物，挤出连续、均匀，挤出性能良好。a)使用10mm的圆形喷头的挤出性测试b)使用15mm的方形喷头的挤出性测试图4挤出性测试开放时间a)使用20mm的方形喷头的开放时间测试b)使用15mm的圆形喷头的开放时间测试图5开放时间测试由试验结果可以看出，在本实验条件下，对于给定配合比的拌和物，打印时间测试规律明显，基本呈现出随着时间的增加，打印条带由宽变窄，最后出现间断的规律。建造性图6薄壁结构的建造性测试a)打印层高h=6mmb)打印层高h=8mmc)打印层高h=10mm图7圆筒结构的建造性测试由试验结果可以看出，在本实验条件下，对于给定配合比的拌和物，建造高度与设计高度误差在规定范围之内，建造性良好。湿坯强度湿坯强度试验过程中，在加载端的上下量测铺设了保鲜薄膜，用于减缓或者消除加载头对试件的摩擦力。a)初始阶段b)压缩之后的状态图83D打印混凝土湿坯强度测试(a)(b)(c)(d)(e)(f)图93D打印混凝土龄期在(a)龄期30min；(b)龄期45min；(c)龄期60min；(d)龄期75min；(e)龄期90min；(f)龄期105min的压力-位移曲线从图9给出的实验结果，3D打印混凝土拌合物在龄期为60min内的由于水化硬化程度较低，测试所得的荷载位移曲线未出现明显的峰值。当龄期超过60min之后，可以准确的量化分析3D打印混凝土材料的湿坯强度以及弹性模量，证明本方法的有效性和可应用性。标准中涉及专利情况说明经检索，本标准所列技术内容没有涉及专利和知识产权的情况。产业化、推广应用论证的预期达到的经济效果等情况（1）经济和社会效益与传统混凝土技术相比，3D打印混凝土在经济、社会效益方面有一定优势，有助于其产业化推广。对于传统的现浇和预制工艺，模板在混凝土生产过程中至关重要，其设计、制作、安装和拆卸都是必不可少的，耗时、耗力且耗费钱财。3D打印建筑不需要模板支护，在设计过程中即免除了模板工程的设计工作，加快了设计流程；在生产过程中，不需要单独进行模板的制造，尤其是异型模板等，更不必考虑后续的模板安装、拆卸和周转问题，大大简化了生产工序。3D打印可实现“装配式”施工技术，加快施工进度，减低人工成本等。3D打印技术能大幅度提高了生产效率并且降低生产成本，3D打印技术“增材制造”的方式，节约了材料，减少了资金的投入。3D打印技术的社会效益则更加显著。随着城市建设的快速发展，人们对生活环境的品质和审美追求不断提升，同时随着数字技术的发展，参数化设计、非线性设计等体现时代精神的个性化设计也备受青睐。3D打印技术在很多领域都能实现产品的个性化定制，未来与人工智能结合后可以更加方便，智能地为设计师服务，为更多人提供舒适、自由和人性化的环境空间。其节能环保、质优高效、节省成本、施工安全、坚固耐用以及设计自由与快速呈现等方面的优势也会得到充分的体现，实现了节能减排的良好发展理念。（2）产业规模及推广应用情况混凝土是当代建筑用量最大、范围最广的建筑材料。现代混凝土技术经历100多年的发展，由素混凝土、钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土、高强混凝土、高性能混凝土、超高性能混凝土发展到如今的3D打印混凝土，正在由手工建造、自动化建造向智能化建造迈进。3D打印混凝土技术在土木建筑领域的研究开始于上世纪90年代，近几年，水泥基材料3D打印技术得到了迅速发展，在房屋建筑、景观饰品、道路桥梁等多个领域取得了成功应用，表现出巨大的发展潜力。2014年，通过3D打印建造的10幢建筑在上海张江高新青浦园区内竣工并展示；2016年，北京华商腾达科技有限公司完成全球首座现场整体3D打印的双层别墅；2016年，盈创建筑科技（上海）有限公司在苏州工业园区使用3D打印技术打造了一个中式庭院。近年来，河北工业大学指挥基础设施研究院在3D打印赵州桥、3D打印小商桥、高速服务区景观装饰、底泥资源化利用、特种3D打印材料制备等方面完成多个3D打印落地项目。国家出台多项政策鼓励3D打印技术的发展。2013年4月，3D打印技术入选国家高技术研究规划（863计划）。2017年3月，中国工程院开展了咨询研究项目“建筑3D打印研发现状与发展战略研究”。2015年5月，国务院正式印发《中国制造2025》，以3D打印为代表的新兴技术占据重要地位。2016年8月，住房城乡建设部印发的《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》中提出“积极开展建筑业3D打印设备及材料的研究，探索3D打印技术运用于建筑部品、构件生产，开展示范应用”。2016年12月，3D打印技术被列入国务院发布的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》。2017年12月，工信部、发改委等十二部门联合出台《增材制造（3D打印）产业发展行动计划（2017-2020年）》提出，保持增材制造产业高速发展，年均增速在30%以上，深化行业应用，完善增材制造产业链、初步实现全局布局等要求。目前，国内也有众多高校、科研院所、企业等开展3D打印混凝土的基础研究与应用开发，一系列成功的案例也表明3D建筑打印在工程的实际应用中存在着巨大的发展前景。（3）本标准指标的技术先进性以及本标准的发布对行业及社会发展的促进作用混凝土3D打印技术具有自动化程度高、造型灵活、免模具支撑、节省材料、节省工期等方面的优势，受到了越来越广泛的关注。但3D打印混凝土在材料性能与传统浇筑成型的混凝土存在明显不同，导致了GB/T50080《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》不能完全适用于3D打印混凝土拌和物打印性能的检测。本标准在参考现有测试方法的基础上，基于3D打印混凝土的特点，针对性地提出国内首部关于3D打印混凝土拌合物打印性能的测试标准。在大量验证试验的基础上，对3D打印混凝土拌合物打印性能给出了科学合理的方法。本标准的编制，充分考虑其适用的范围，尽可能兼顾砂浆及含粗骨料的混凝土的3D打印混凝土拌合物的打印性能的试验方法，并且考虑到与现有普通混凝土拌合物性能测试方法的衔接，以引领整个3D打印技术领域的规范发展。混凝土3D打印技术作为一种新型的智能制造技术，与传统建筑制造技术相比，其在节约资源、降耗环保等方面具有显著的优势，可推动传统建筑行业的转型升级。符合生态文明、安全发展的要求。3D打印技术的健康、稳定发展，可以有效助力建筑行业的升级。另外，随着我国城市的发展，人们对城市景观及建筑作品设计的要求也不断提高，建筑作品不仅要具有良好的实用性、公共性，还需要在审美上给予人民群众以愉悦、独特的视觉体验。3D打印建筑造型自由、功能灵活，作为一种新的制造方式，在城市景观提升方面蕴含着较大的潜力与发展空间。3D打印技术作为科技发展的产物，推动着社会各行各业的革新与进步。建筑3D打印技术突破了传统建造模式的限制，最大程度地将建造师的灵感和创意转化为真实的产品，为建筑行业注入了新鲜的血液。3D打印技术拥有着巨大的市场潜力和行业竞争力，成为引领未来建筑行业发展的重要方向。(4)本标准指标的技术先进性以及本标准的发布对行业及社会发展的促进作用，即与“宜业尚品造福人类”的相关性从生态角度来看，建筑行业对环境影响的占比很高。为克服传统建筑对环境带来的影响，3D打印作为一种新的智能制造方式，可降低产品生命周期内的能源使用、资源需求以及二氧化碳的排放等。目前，3D打印可以预制构件或现场打印的形式用于建筑行业等，这种方式施工简便、极少产生建筑垃圾、可以减少有害气体及粉尘的排放。3D打印混凝土技术还可以通过功能集成设计，节省材料、降低成本和环境影响。建筑3D打印技术推广和发展的关键在于与3D打印技术相协调兼容的混凝土材料。本标准的制定对促进满足3D打印技术要求的混凝土材料的制备和性能优化具有重要的意义，同时亦符合国家建筑工业化、数字化、智能化的发展战略，可助力解决建筑业