研究内容
实验材料与配方
本研究使用了三种主要材料：
- 普通硅酸盐水泥（OPC，Tecnocem 32.5）
- 快凝水泥（QSC，Vicat水泥）
- 硅砂（粒径0.4-1.18mm）
研究人员设计了7种不同比例的干粉末混合物，具体配方如下：
| 混合物编号 | 砂:OPC:QSC 质量百分比 |
|---|---|
| Mix-I | 50:40:10 |
| Mix-II | 60:35:5 |
| Mix-III | 70:30:0 |
| Mix-IV | 70:25:5 |
| Mix-V | 70:20:10 |
| Mix-VI | 70:15:15 |
| Mix-VII | 75:25:0 |
实验设备与步骤
实验设备：
使用定制的3D打印机进行试样制备，该打印机配备：
- 加压式干粉料斗供料系统
- 液体粘结剂分配系统（采用Lee公司0.19mm内径喷嘴）
- 刮粉刀确保粉末均匀分布
- 精密压力阀控制粘结剂喷射量
实验步骤：
- 将各组分在混凝土搅拌机中混合30分钟，确保干粉末均匀
- 使用去离子水作为液体粘结剂
- 打印用于抗弯强度测试的160mm×40mm×40mm试样和用于抗压强度测试的40mm立方体试样
-
打印参数：
- hatch距离：2mm
- 打印头高度：10mm
- 层厚：1mm、1.5mm、2mm
- 进给速度：7.2-14.0m/min
- 打印件在粉末床中固化24小时，然后取出并去除表面多余粉末
- 在20-25°C、相对湿度50%的条件下继续固化至测试龄期
测试方法
-
流动性测试：
- 计算Hausner比（HR）= 振实密度/堆积密度
- 计算Carr指数（CI）= [(振实密度-堆积密度)/振实密度]×100
- 评价标准：HR<1.25表示流动性良好；CI<15%表示流动性优异
-
表观密度测试：
- 按照ASTM C 642标准进行
- 试样先在110°C烘箱中干燥24小时
- 然后在水中浸泡48小时并煮沸5小时
- 冷却3小时后测量各阶段质量
-
力学性能测试：
- 按照EN-196-1标准进行
- 三点弯曲试验：加载速率50N/s
- 抗压试验：加载速率2400N/s
-
微观结构分析：
- 使用扫描电子显微镜（SEM，JEOL JSM5500）
- 使用数字显微镜（Olympus DSX 1000）
- 分析固化7天的试样
实验结果
宏观形貌
不同配方的打印试样呈现出明显的颜色差异，反映了成分的变化。值得注意的是，Mix-VII试样出现了喷嘴堵塞问题，影响了最终几何形状的精度。
图2 不同配方试样的宏观图像
流动性测试结果
| 混合物 | Hausner比(HR) | Carr指数(CI) | 流动特性 |
|---|---|---|---|
| Mix-I | 1.35 | 26 | 粘结性/差 |
| Mix-II | 1.31 | 24 | 尚可 |
| Mix-III | 1.28 | 22 | 尚可 |
| Mix-IV | 1.28 | 22 | 尚可 |
| Mix-V | 1.21 | 18 | 一般 |
| Mix-VI | 1.17 | 15 | 良好 |
| Mix-VII | 1.23 | 19 | 一般 |
结果表明，随着OPC含量的降低，混合物的流动性逐渐提高。
密度测试结果
OPC含量对打印试样的密度有显著影响。随着OPC含量的增加，试样的表观密度也随之增加，这主要是由于OPC具有更高的比重。
图3 OPC含量对3D打印试样密度的影响
力学性能测试结果
在28天的固化期内，Mix-II（60%砂:35%OPC:5%QSC）表现出最佳的抗压和抗弯强度。研究人员将强度随水泥含量变化的关系分为三个区域：
- 活性区：水泥含量增加，强度显著提高
- 惰性区：强度增长逐渐放缓
- 劣化区：继续增加水泥含量反而导致强度下降
图4 打印试样的力学性能
图5 不同OPC含量下3D打印试样在活性区、惰性区和劣化区的行为（固化7天）
层厚对力学性能也有显著影响。研究发现，层厚与抗弯强度成反比关系，层厚越小，强度越高。
图6 层厚对3D打印试样抗弯强度的影响
微观结构分析
光学显微镜和SEM图像显示，随着层厚的增加，试样中的孔隙数量也随之增加。这是导致厚层试样强度降低的主要原因。
图7 (a)层厚=1mm的光学显微镜图像；(b)层厚=1.5mm的光学显微镜图像；(c)层厚=2mm的光学显微镜图像；(d)层厚=1mm的SEM图像；(e)层厚=1.5mm的SEM图像；(f)层厚=2mm的SEM图像
