D打印混凝土拌合物打印性能試驗方法標準編制說明工作簡況任務來源根據中國建筑材料聯合會《關于下達2019年第二批協會標準制定計劃的通知》（中建材聯標發[2019]51號）和中國混凝土與水泥制品協會《關于下達2019年中國混凝土與水泥制品協會標準制定計劃（第一批）的通知》（中制協字[2019]9號）計劃號2019-35-xbjh的要求，《3D打印混凝土材料性能試驗方法》為協會標準制定項目。本文件由中國建筑材料聯合會和中國混凝土與水泥制品協會共同負責管理，由中國混凝土與水泥制品協會3D打印分會牽頭制定，由河北工業大學、東南大學負責起草并組織相關單位共同完成。混凝土3D打印技術是一種應用機電一體化技術自動建造設計結構模型的新型增材制造技術。該技術將3D打印技術與混凝土材料技術結合，其主要原理是將混凝土構件進行3D建模和分割產生3D信息，然后將配制好的混凝土拌合物通過擠出裝置，按照設定好的程序，由打印頭擠出進行打印得到混凝土構件。因相比傳統模板澆筑的混凝土施工方法，混凝土3D打印大大降低了施工過程中的能耗與污染，提高了建造效率。因其無模化、自動化、快速化和靈活化的建造優勢，在建筑、橋梁、基礎設施等領域迅速興起，得到了顯著地發展和推廣。發展以混凝土3D打印為核心的智能建造關鍵技術對建筑業的綠色化、工業化發展均具有重要意義。相對于傳統的建造方法，3D打印主要有以下優勢：1)定制個性化：未來客戶可以在極大程度上根據自己的想法參與建筑設計。在3D打印過程中，通過添加功能性材料可以實現功能化構件的打印和制造。因此，3D打印技術有利于改善設計師的工作方式和方法。2)造型靈活化：在不增加施工作業難度的基礎上實現靈活化造型的建造。3D打印可以實現對任何結構復雜構件的生產制造，可促進設計思路的自由化。3D打印技術還適合于新產品開發、快速單件及小批量零件的制造、復雜形狀零件的制造、模具的設計與制造等。3)模型直觀化：3D實時打印的建筑模型,其結構信息更加直觀化、透明化。4)建造綠色化：打印用的水泥基材料可利用建筑垃圾、礦業固廢等制備,建造過程也將大大減少噪聲與環境污染，踐行了建造綠色化、環保化的理念。3D打印技術建造過程不必去除大量材料，也不必通過復雜鍛造工藝就可以得到最終產品，利于結構優化、材料節約和能源節省。滿足3D打印工藝的水泥基復合材料的制備和性能優化是發展3D打印的重點與核心。打印材料除了要滿足傳統混凝土施工工藝對材料的工作性能要求外，還需滿足混凝土3D打印工藝對材料擠出性、建造性、凝結時間和早期強度等3D可打印性能的要求。混凝土3D打印過程中易出現材料的堵塞、中斷、變形、撕裂甚至坍塌現象，制約著打印成型。3D打印混凝土材料的性能直接決定著構件成型的質量。然而，針對3D打印混凝土拌合物打印性能試驗方法的研究仍在進行中，在國內外尚未有行業相關3D打印混凝土拌合物可打印性能的測試和評定標準，為該技術的推廣和實際工程應用帶來了不便。但國內外學者針對3D打印混凝土材料各自援引不同的測試標準，進行了初步的拌合物性能測試，主要涉及流動性、流變性、擠出性、建造性、凝結時間、開放時間、濕坯強度等。但不同的研究團隊所使用的方法和評價標準有很大的不同，未能統一。相同的材料，使用不同的方法評定出來的結果也不相同。為此，編制本試驗方法，期望能夠為規范和統一3D打印混凝土材料的制備和性能優化提升，進而推進3D打印技術的市場推廣。主要工作過程2019年7月26日，《3D打印混凝土材料性能試驗方法》標準編制成立暨第一次工作會議在陜西省西安市召開。中國混凝土與水泥制品協會、中國混凝土與水泥制品協會3D打印分會、河北工業大學、東南大學等35家單位的48位代表參加了會議。本次會議上，與會代表聽取了標準編制技術背景及準備工作情況匯報，對國內外混凝土3D打印技術、工藝發展及應用和存在的問題進行了充分交流，明確了參編單位的分工及標準編制進度，并針對標準適用范圍、主要章節架構、重點技術指標、必要的測試及驗證項目等關鍵點提出了意見和建議。圖1準編制組暨第一次工作會議第一次工作會后，各參編單位按照要求的試驗項目和試驗方法開展了相關試驗，對標準條款內容進行驗證。因2020年度疫情原因上半年工作多有延遲，至2020年7月完成標準初稿。2020年8月27日，2020年11月8日，河北工業大學召開了兩次標準討論線上視頻會議，各參編單位匯報了相關試驗研究結果，并匯總修改《3D打印混凝土材料性能試驗方法》，形成征求意見稿。圖2標準討論線上視頻會議主要參加單位和工作組成員及其所做的工作1.標準組成立暨第一次工作會議參加單位：中國混凝土與水泥制品協會、河北工業大學、東南大學、清華大學、同濟大學、北京建筑大學、天津城建大學、昆山市建設工程質量檢測中心、中國建筑材料科學研究總院有限公司、中國建材檢驗認證集團股份有限公司、貴州師范大學、北京航空航天大學、深圳萬測試驗設備有限公司、國家建筑工程質量監督檢驗中心、哈爾濱工業大學、江蘇韌強建筑科技有限公司、山東農業大學、北京交通大學、河北達奧建材科技股份有限公司、中國建筑股份有限公司技術中心、北匯綠建集團有限公司、浙江大學、中南大學、建研華測(杭州)科技有限公司、中交第一公路勘察設計研究院有限公司、江蘇南通六建建設集團有限公司、南京綠色增材制造研究院有限公司、堯柏特種水泥技術研究院有限公司、北京工業大學、南京理工大學、江蘇建筑職業技術學院、河海大學、西安建筑科技大學、邢臺路橋建設總公司、華創智造(天津)科技有限公司、同濟檢測技術有限公司、菏澤城建綠源環保科技有限公司。2.任務分工：中國混凝土與水泥制品協會主要負責標準立項、標準討論會組織及籌備、標準相關文獻搜集及分發、行業征求意見匯總。河北工業大學負責標準正文的編寫及修改等。表1主要試驗任務分工序號任務內容牽頭負責單位參與單位1流動性試驗河北工業大學東南大學、同濟大學、中交一公院、堯柏特種水泥技術研發有限公司、中國建材總院、邢臺路橋建設總公司等2擠出性試驗河北工業大學同濟大學、東南大學、大連大學、華創智造、中國建材總院、中建技術中心等3開放時間河北工業大學東南大學、同濟大學、大連大學、中國建材總院、建研華測（杭州）有限公司等4建造性試驗東南大學河北工業大學、同濟大學、大連大學、堯柏特種水泥技術研發有限公司、南京綠色增材智造研究院有限公司等5濕坯強度和彈性模量試驗東南大學同濟大學、河北工業大學、中交一公院、南京綠色增材智造研究院有限公司等6凝結時間試驗東南大學同濟大學、河北工業大學、中交一公院、堯柏特種水泥技術研發有限公司、華創智造等標準編制的原則和主要內容標準制定的原則本標準按照《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規則》GB/T1.1—2020給出的規則進行起草。遵從以下規則：貫徹執行國家的政策、法規，與現行其他國家標準協調一致的原則；技術指標制定先進可行、規范合理的原則；標準制定突出產品特性，促進行業健康發展和產品推廣的原則。前瞻性本測試方法通過對國內外混凝土3D打印技術和工藝發展及應用現狀的廣泛調研和深入分析，并考慮3D打印過程中易出現的問題和難點，針對性地制定3D打印混凝土材料性能試驗方法，以確保3D打印過程的穩定，提升3D打印結構的質量。科學性本標準的編制，建立在大量的科學研究的基礎上，通過充分研究各種可能的影響因素對測試結果的影響，提出最合理科學的方法。適用性通過對我國現有擠出型3D打印混凝土技術的歸納分析，針對性的提出了超早齡期3D打印混凝土材料的測試方法及評價標準，為該規程在行業順利實施奠定了堅實的基礎。經濟性通過該本標準的制定，一方面可促進3D打印工程結構質量的大幅提升，另一方面可帶動整個智能制造行業的發展。標準的主要內容范圍與普通混凝土拌合物或者砂漿不同，逐行逐層的固有成型方式對3D打印混凝土拌合物的性能提出了更為嚴格的要求。本標準從3D打印混凝土的成型基本要求出發，規定了3D打印混凝土拌合物流動性、擠出性、開放時間、建造性、濕坯強度和彈性模量、凝結時間的試驗方法。本標準適用于建設工程中3D打印混凝土拌合物的打印性能試驗。規范性引用文件本標準在制定過程中主要引用和參考了以下標準：GB/T50080《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》，3D打印混凝土拌合物應具有足夠的流動性，以保證混凝土拌合物可以在管道輸送并從打印頭順利均勻的擠出，而不發生堵塞。同時，擠出的混凝土材料在逐層堆疊的過程中應具有足夠的早期剛度來抵抗自重壓力來維持打印體的穩定性。參考了該標準中對混凝土拌合物流動性的測試方法和凝結時間的測試方法。GB/T2419《水泥膠砂流動度測定方法》，對于成型精度要求較高的情況，多采用不含粗骨料的砂漿材料作為3D打印材料，同樣的應具有足夠的流動度以保證輸送和擠出過程，參考了該標準中規定的流動度測定方法。JGJ/T70《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》，對于3D打印砂漿材料應具有適宜的凝結時間來保證3D打印材料具有足夠的開放時間來完成打印，參考了該標準中規定的凝結時間測試方法。術語、定義和符號術語和定義混凝土3D打印3Dconcreteprinting本條文是指向于通過擠出成型方式的無模建造過程。3D打印混凝土3Dprintedconcrete為了滿足3D打印混凝土的性能、尤其是可擠出性和可建造性，3D打印混凝土中往往會摻入各種改善其性能的組分，如礦物摻合料、納米材料、聚合物和纖維等，本條文對混凝土原材料的規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區別于工作性能，兩者有交叉也有不同，主要用于評估所制備的混凝土拌合物能否順利穩定的完成無模堆疊建造的性能。擠出性extrudability本條適用于以擠出成型為打印方式3D打印混凝土，對于其他成型方式，應對材料性能另行規定。建造性buildability本條適用于以擠出成型為打印方式3D打印混凝土，對于其他成型方式，應對材料性能另行規定。開放時間opentime3D打印混凝土拌合物的開放時間區別于初凝時間，測試方法也不相同，是指具有可打印性的時間。濕坯強度greenstrength本條適用于評估3D打印混凝土拌合物超早齡期承受壓力的能力。3D打印混凝土拌合物彈性模量elasticmodulusof3Dprintingconcrete本條適用于評估3D打印混凝土拌合物超早齡期抵抗變形的能力。打印體3Dprintedstructure本條適用于通過擠出堆疊的方式成型的試樣或結構，區別于與模具澆筑成型方式。打印條帶filament本條適用于通過擠出成型方式成型的單條長條形3D打印混凝土。打印頭printingnozzle本條適用于憑借壓力或者螺桿旋轉的方式擠出混凝土拌合物的機械裝置。基本規定一般規定規定了試驗的環境條件（相對濕度不宜小于50%，溫度應保持在20℃±5℃）及試驗儀器設備的要求，減少環境及設備因素引起的誤差。與GB/T50080《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》的規定保持一致。3D打印混凝土的制備配制3D打印混凝土的原材料性能指標應符合國家現行相關標準的規定，攪拌、養護等工序參照現行相關標準的規定。試驗報告規定了委托單位、試件制作單位、試驗或檢測單位應記錄的內容，以確保試驗信息記錄的完整性。流動性試驗流動性試驗根據3D打印材料是否含有粗骨料，分為了混凝土拌合物的流動性測試方法和砂漿拌合物的流動性測試方法，具體測試儀器和流程等參照現行相關標準的規定。對3D打印混凝土拌合物流動性的測定按照標準正文5.1和5.2描述方法進行。擠出性試驗考慮測試過程中所使用的打印頭的內部構造、打印出料口的形狀和尺寸等的差異性，定義了打印頭內側截面的等效直徑，并限定了需要打印條帶的長度和厚度，以更好的評估混凝土拌合物的擠出性能。對3D打印混凝土拌合物擠出性的測定按照標準正文6.3描述方法進行。開放時間試驗開放時間是用于評估還能拌合物滿足可打印性的時間，區別于初凝和終凝時間，可以精確的量化時間點，開放時間測定的精確程度取決于試驗測試過程的時間間隔，本標準建議的時間間隔為5min~10min。對3D打印混凝土拌合物開放時間的測定按照標準正文7.3描述方法進行。建造性試驗建造性試驗用于測試3D打印混凝土拌合物的形狀保持能力和無模堆疊建造后的穩定性。針對形狀保持能力，本標準規定了使用內徑和高度相同，均為80mm±0.5mm的圓柱狀試樣，通過對坍落度的測量來表征其形狀保持能力。對3D打印混凝土拌合物形狀保持能力的測定按照標準正文8.1描述方法進行。無模堆疊建造后的穩定性是3D打印快速建造的關鍵，考慮到所打印結構的幾何形狀對打印體穩定性的影響，本標準對3D打印體的長度、寬度以及形式進行了規定。對3D打印體穩定性的測定按照標準正文8.2描述方法進行。濕坯強度和彈性模量試驗本標準測定了3D打印混凝土拌合物的濕坯強度和彈性模量的尺寸要求和測試方法。對3D打印混凝土凝濕坯強度和彈性模量的測定按照標準正文9.3描述方法進行。凝結時間測試凝結時間試驗根據3D打印材料是否含有粗骨料，分為了混凝土拌合物的凝結時間測試方法和砂漿拌合物的凝結時間測試方法，具體測試儀器和流程等參照現行相關標準的規定。對3D打印混凝土凝結時間的測定按照標準正文10.1和10.2描述方法進行。主要試驗驗證情況分析與指標確定為保證標準檢測方法的合理性，編制組進行了大量的驗證試驗。在試驗方案的設立上，標準編制組本著實事求是、精益求精的精神，在試件尺寸、試件的制作和養護、試驗方法等諸多方面加以論證、補充、細化、完善。試驗條件打印機及參數圖2試驗用3D打印機打印機尺寸：1.5m×1.2m×0.5m打印行進速度：50mm/s；設定層高：8mm；噴頭直徑：12mm。原材料及試驗配比普通硅酸鹽水泥（P?O42.5）：堯柏P?O42.5硫鋁酸鹽水泥（SAC）：堯柏SAC42.5硅灰（SF）：細骨料（S）：河砂，Ⅱ區中砂，細度模數2.6～2.9減水劑（SM）：聚羧酸減水劑纖維（PP）：聚丙烯纖維，纖維長度12mm所用基準配合比見表2：表23D打印混凝土基準配合比P?O42.5SACSFSPPSMW750502001400310300開展3D打印拌合物流動性、擠出性、開放時間、建造性試驗，試驗結果表明上述測試可明顯測定拌合物的打印性能。打印性能流動性圖3流動性測試由試驗結果可以看出，在本實驗條件下，對于給定配合比的拌和物，跳桌試驗和坍落度可有效界定拌合物的流動性。擠出性由試驗結果可以看出，在本實驗條件下，對于給定配合比的拌和物，擠出連續、均勻，擠出性能良好。a)使用10mm的圓形噴頭的擠出性測試b)使用15mm的方形噴頭的擠出性測試圖4擠出性測試開放時間a)使用20mm的方形噴頭的開放時間測試b)使用15mm的圓形噴頭的開放時間測試圖5開放時間測試由試驗結果可以看出，在本實驗條件下，對于給定配合比的拌和物，打印時間測試規律明顯，基本呈現出隨著時間的增加，打印條帶由寬變窄，最后出現間斷的規律。建造性圖6薄壁結構的建造性測試a)打印層高h=6mmb)打印層高h=8mmc)打印層高h=10mm圖7圓筒結構的建造性測試由試驗結果可以看出，在本實驗條件下，對于給定配合比的拌和物，建造高度與設計高度誤差在規定范圍之內，建造性良好。濕坯強度濕坯強度試驗過程中，在加載端的上下量測鋪設了保鮮薄膜，用于減緩或者消除加載頭對試件的摩擦力。a)初始階段b)壓縮之后的狀態圖83D打印混凝土濕坯強度測試(a)(b)(c)(d)(e)(f)圖93D打印混凝土齡期在(a)齡期30min；(b)齡期45min；(c)齡期60min；(d)齡期75min；(e)齡期90min；(f)齡期105min的壓力-位移曲線從圖9給出的實驗結果，3D打印混凝土拌合物在齡期為60min內的由于水化硬化程度較低，測試所得的荷載位移曲線未出現明顯的峰值。當齡期超過60min之后，可以準確的量化分析3D打印混凝土材料的濕坯強度以及彈性模量，證明本方法的有效性和可應用性。標準中涉及專利情況說明經檢索，本標準所列技術內容沒有涉及專利和知識產權的情況。產業化、推廣應用論證的預期達到的經濟效果等情況（1）經濟和社會效益與傳統混凝土技術相比，3D打印混凝土在經濟、社會效益方面有一定優勢，有助于其產業化推廣。對于傳統的現澆和預制工藝，模板在混凝土生產過程中至關重要，其設計、制作、安裝和拆卸都是必不可少的，耗時、耗力且耗費錢財。3D打印建筑不需要模板支護，在設計過程中即免除了模板工程的設計工作，加快了設計流程；在生產過程中，不需要單獨進行模板的制造，尤其是異型模板等，更不必考慮后續的模板安裝、拆卸和周轉問題，大大簡化了生產工序。3D打印可實現“裝配式”施工技術，加快施工進度，減低人工成本等。3D打印技術能大幅度提高了生產效率并且降低生產成本，3D打印技術“增材制造”的方式，節約了材料，減少了資金的投入。3D打印技術的社會效益則更加顯著。隨著城市建設的快速發展，人們對生活環境的品質和審美追求不斷提升，同時隨著數字技術的發展，參數化設計、非線性設計等體現時代精神的個性化設計也備受青睞。3D打印技術在很多領域都能實現產品的個性化定制，未來與人工智能結合后可以更加方便，智能地為設計師服務，為更多人提供舒適、自由和人性化的環境空間。其節能環保、質優高效、節省成本、施工安全、堅固耐用以及設計自由與快速呈現等方面的優勢也會得到充分的體現，實現了節能減排的良好發展理念。（2）產業規模及推廣應用情況混凝土是當代建筑用量最大、范圍最廣的建筑材料。現代混凝土技術經歷100多年的發展，由素混凝土、鋼筋混凝土、預應力鋼筋混凝土、高強混凝土、高性能混凝土、超高性能混凝土發展到如今的3D打印混凝土，正在由手工建造、自動化建造向智能化建造邁進。3D打印混凝土技術在土木建筑領域的研究開始于上世紀90年代，近幾年，水泥基材料3D打印技術得到了迅速發展，在房屋建筑、景觀飾品、道路橋梁等多個領域取得了成功應用，表現出巨大的發展潛力。2014年，通過3D打印建造的10幢建筑在上海張江高新青浦園區內竣工并展示；2016年，北京華商騰達科技有限公司完成全球首座現場整體3D打印的雙層別墅；2016年，盈創建筑科技（上海）有限公司在蘇州工業園區使用3D打印技術打造了一個中式庭院。近年來，河北工業大學指揮基礎設施研究院在3D打印趙州橋、3D打印小商橋、高速服務區景觀裝飾、底泥資源化利用、特種3D打印材料制備等方面完成多個3D打印落地項目。國家出臺多項政策鼓勵3D打印技術的發展。2013年4月，3D打印技術入選國家高技術研究規劃（863計劃）。2017年3月，中國工程院開展了咨詢研究項目“建筑3D打印研發現狀與發展戰略研究”。2015年5月，國務院正式印發《中國制造2025》，以3D打印為代表的新興技術占據重要地位。2016年8月，住房城鄉建設部印發的《2016-2020年建筑業信息化發展綱要》中提出“積極開展建筑業3D打印設備及材料的研究，探索3D打印技術運用于建筑部品、構件生產，開展示范應用”。2016年12月，3D打印技術被列入國務院發布的《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》。2017年12月，工信部、發改委等十二部門聯合出臺《增材制造（3D打印）產業發展行動計劃（2017-2020年）》提出，保持增材制造產業高速發展，年均增速在30%以上，深化行業應用，完善增材制造產業鏈、初步實現全局布局等要求。目前，國內也有眾多高校、科研院所、企業等開展3D打印混凝土的基礎研究與應用開發，一系列成功的案例也表明3D建筑打印在工程的實際應用中存在著巨大的發展前景。（3）本標準指標的技術先進性以及本標準的發布對行業及社會發展的促進作用混凝土3D打印技術具有自動化程度高、造型靈活、免模具支撐、節省材料、節省工期等方面的優勢，受到了越來越廣泛的關注。但3D打印混凝土在材料性能與傳統澆筑成型的混凝土存在明顯不同，導致了GB/T50080《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》不能完全適用于3D打印混凝土拌和物打印性能的檢測。本標準在參考現有測試方法的基礎上，基于3D打印混凝土的特點，針對性地提出國內首部關于3D打印混凝土拌合物打印性能的測試標準。在大量驗證試驗的基礎上，對3D打印混凝土拌合物打印性能給出了科學合理的方法。本標準的編制，充分考慮其適用的范圍，盡可能兼顧砂漿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試驗方法，并且考慮到與現有普通混凝土拌合物性能測試方法的銜接，以引領整個3D打印技術領域的規范發展。混凝土3D打印技術作為一種新型的智能制造技術，與傳統建筑制造技術相比，其在節約資源、降耗環保等方面具有顯著的優勢，可推動傳統建筑行業的轉型升級。符合生態文明、安全發展的要求。3D打印技術的健康、穩定發展，可以有效助力建筑行業的升級。另外，隨著我國城市的發展，人們對城市景觀及建筑作品設計的要求也不斷提高，建筑作品不僅要具有良好的實用性、公共性，還需要在審美上給予人民群眾以愉悅、獨特的視覺體驗。3D打印建筑造型自由、功能靈活，作為一種新的制造方式，在城市景觀提升方面蘊含著較大的潛力與發展空間。3D打印技術作為科技發展的產物，推動著社會各行各業的革新與進步。建筑3D打印技術突破了傳統建造模式的限制，最大程度地將建造師的靈感和創意轉化為真實的產品，為建筑行業注入了新鮮的血液。3D打印技術擁有著巨大的市場潛力和行業競爭力，成為引領未來建筑行業發展的重要方向。(4)本標準指標的技術先進性以及本標準的發布對行業及社會發展的促進作用，即與“宜業尚品造福人類”的相關性從生態角度來看，建筑行業對環境影響的占比很高。為克服傳統建筑對環境帶來的影響，3D打印作為一種新的智能制造方式，可降低產品生命周期內的能源使用、資源需求以及二氧化碳的排放等。目前，3D打印可以預制構件或現場打印的形式用于建筑行業等，這種方式施工簡便、極少產生建筑垃圾、可以減少有害氣體及粉塵的排放。3D打印混凝土技術還可以通過功能集成設計，節省材料、降低成本和環境影響。建筑3D打印技術推廣和發展的關鍵在于與3D打印技術相協調兼容的混凝土材料。本標準的制定對促進滿足3D打印技術要求的混凝土材料的制備和性能優化具有重要的意義，同時亦符合國家建筑工業化、數字化、智能化的發展戰略，可助力解決建筑業