888集团官网入口（1.同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海201804；2.同济大学
材料科学与工程学院，上海201804；3.上海市建筑科学研究院有限公司，上海
近年来，3D打印（又称“增材制造”）技术得到飞速发展，已被广泛用于生物工
景性［1-3］.目前水泥基材料3D打印的代表性工艺有挤出堆积式工艺（包括轮
和粉末黏结式工艺（D-shape工艺［6］）.其中，挤出堆积式工艺因具备与传
对于用作3D打印“油墨材料”的水泥基材料，其性能需求与一般水泥基材料存在
［8-10］.胶凝材料水化进程的调节较难实施，容易造成堵管等问题；而对流变
关系［9，11-12］.目前研究中常采用黏度调节剂［13］、矿物掺和料［14］、
水性、流变性的影响［16-18］，鲜有研究其对3D打印水泥基材料性能（如可
料的可挤出性［7，19-20］，采用不致较低层产生显著变形的可打印层数［7］
或最大打印高度［21］来评价材料的可堆积性.上述评估方法主观性高、普适性
水泥采用南京小野田水泥厂生产的P·Ⅱ52.5水泥（PC），其化学组成1）文中
末，含水量为2.1%，pH值为6.5（1%水溶液，25℃），黏度为95Pa·s（2%
水溶液，20℃），掺量（以水泥质量计）分别为0%、0.05%、0.10%、0.20%、
使用型号为JJ-5的砂浆搅拌机，首先将HPMC、水泥和砂搅拌均匀，然后加水
搅拌3min（低速搅拌2min，高速搅拌1min），搅拌完成之后立即开展性能
泵送要求.参照GB/T2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》，采用跳桌试验
或发生明显变形［23］.可采用自重下的形状保留率、贯入阻力来综合表征3D
印材料的可堆叠性.形状保留率越高，砂浆在自重下的变形越小，越利于打印.参
照文献［24］，将砂浆装入直径和高度均为100mm的圆柱模具中，插捣并振
的百分比即为形状保留率.采用上述方法分别对静置0、20、40、60min后的砂
可堆叠性能［25］.参考JGJ70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》测试砂
浆的流动行为［26-27］.表观黏度反映了浆体中颗粒之间的内部摩擦，可以评
价浆体抵抗变形流动的能力，从而反映HPMC对3D打印砂浆可挤出性的影响.
使用BrookfieldDVNEXT型黏度计搭配适配器测试其流变性能，试验环境温度
为（20±2）℃.净浆先在60.0 s-1 下预剪切10 s，使浆体分布均匀，再暂停10
采用式（1）所示Bingham 模型对剪切应力-剪切速率曲线稳定阶段（剪切速率
式中：τ 为剪切应力；τ0 为屈服应力；μ 为塑性黏度；γ 为剪切速率.
服应力τ0 则指浆体流动所需的最小应力，材料只有受到高于τ0 的剪切应力时
参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》，根据表2 配合比制备不
劈裂法进行测试.将3D 打印砂浆试件标准养护28 d，然后切割为3 部分，分别
以A、B、C 表示，如图2（a）所示.采用CMT-4204 型万能试验机（量程20 k
N，精度1 级，加载速率为0.08 mm/min），对3 部分的层间结合处加载至劈
0.30%的试验组经不同时间静置后，分别进行流动度测试，结果见图3.由图3
可以看出：HPMC 的掺入会明显降低砂浆的流动度；当HPMC 的掺量由0%逐
mm.HPMC 属于高分子聚合物，分子间可相互缠结形成网状结构，通过包裹
Ca（OH）2 等组分增加水泥浆体的内聚力［28-29］，宏观上表现为砂浆黏聚
性的提升.随着静置时间的延长，砂浆水化程度增加，流动度出现经时损失.图3
中，未掺HPMC 的空白组M-H 0 流动度下降得较快，经60 min 静置后其流动
0.30%HPMC 的试验组随着时间的延长流动度下降的幅度减小，60 min 静置后
砂浆流动度分别为180、177、164、155 mm，分别为初始流动度的87.3%、
92.7%、98.2%、96.8%.HPMC 的掺入可显著提升砂浆流动性的保持能力，这
一方面是由于HPMC 与水分子的结合作用［18］；另一方面HPMC 可形成类
具有一定的保水性能.值得注意的是，当HPMC 掺量为0.20%时，砂浆流动性
掺入不同掺量HPMC 的3D 打印砂浆流动度为160～206 mm.由于打印机参数
不同，不同研究者得到的流动度推荐范围不同，如150～190 mm［25］、
度大都在推荐范围内，尤其是HPMC 掺量为0.20%时砂浆60 min 内流动度均
适宜掺量HPMC 的砂浆虽然流动性有所下降从而导致可挤出性降低，但是仍具
与浆体和集料间的内部黏聚力相关.图4 给出了不同HPMC 掺量下3D 打印砂浆
形状保留率随静置时间的变化.由图4 可见，掺入HPMC 后，砂浆形状保留率
得到提高，尤其在初始以及静置20 min 时提升效果明显.这说明掺入适量的
HPMC 有助于提高胶凝材料在一定时间内（≤20 min）的形状稳定性，从而改
善可堆叠性能.但随着静置时间的延长，HPMC 对砂浆形状保留率的提升作用逐
渐减弱，这主要是由于水泥水化程度提高，砂浆形状保留率明显增加.经60 min
图4 不同HPMC 掺量下3D 打印砂浆形状保留率随静置时间的变化Fig.4
不同 HPMC 掺量下 3D 打印砂浆的贯入阻力测试结果如图 5 所示.由图 5 可见：
浆体逐渐演变为刚性固体；在前80 min 内，HPMC 的掺入增加了贯入阻力，
且随着HPMC 掺量的增加贯入阻力增幅变大.贯入阻力越大，材料对施加载荷
所致变形的抵抗能力越大［25］，这表明HPMC 可以提升3D 打印砂浆早期的
可堆叠性能.由于HPMC 聚合链上的羟基和醚键易通过氢键与水结合，导致自
由水逐渐减少，颗粒之间的连接作用增强，摩擦力增大［13，31］，因此早期
贯入阻力变大.静置80 min 后，由于水泥的水化作用，未掺HPMC 的空白组贯
入阻力迅速增长，而掺有HPMC 的试验组贯入阻力增长速率没有明显变化，直
到静置160 min 左右才较快增长.据Chen 等［13］的研究，这主要是因为
HPMC 在水泥颗粒周围形成保护膜，延长了凝结时间；Pourchez 等［17］则
（OH）2 的生成来延缓水泥水化.值得注意的是，为防止贯入阻力发展受到试件
表面水分蒸发的影响［32］，本试验均在相同的温湿度条件下进行.综合来看，
HPMC 可有效提高3D 打印砂浆初始阶段的可堆叠性，并延缓凝结，延长了3D
见：未掺HPMC 的空白组打印实体变形严重，在打印第7 层时倒塌且存在泌水
问题，见图6（a）；而结合上述性能分析选取的M-H 0.20 组砂浆可堆叠性较
好，见图6（b），其打印13 层后的顶边宽度为16.58 mm，底边宽度为19.65
mm，顶底比（顶边宽度与底边宽度的比值）为0.84，尺寸偏差较小.因此，经
打印验证，掺入HPMC 可显著改善砂浆的可打印性能.砂浆流动度在160～170
图7 给出了不同HPMC 掺量下净浆的表观黏度.由图7 可见：随着剪切速率的
增大，净浆的表观黏度呈减小趋势，且这种剪切变稀的现象在高HPMC 掺量下
更为明显.HPMC 分子链无序，在低剪切速率下表现出较高的黏度；但在高剪切
速率下，HPMC 分子沿剪切方向有序平行运动，使分子更容易滑动，因此表观
黏度较低［13］.在剪切速率大于5.0 s-1 后空白组P-H 0 表观黏度基本稳定在
5 Pa·s 以内；而掺入HPMC 后浆体表观黏度整体增大，且与HPMC 掺量正相
关.HPMC 的掺入增加了水泥颗粒之间的内摩擦力，使净浆表观黏度增加，宏观
记录流变测试中净浆剪切应力与剪切速率的关系，并采用Bingham 模型进行拟
合，结果见图8 和表3.当HPMC 掺量为0.30%时，测试过程中剪切速率大于
32.5 s-1 时浆体黏度超过仪器量程，未能采集到相应的数据点.一般采用稳定阶
段（10.0～50.0 s-1）上升与下降曲线围成的面积来表征浆体的触变性［21，
33］.触变性指浆体在外力剪切作用下具有较大流动性，而在剪切作用取消后，
又可恢复到原来状态的性能.适宜的触变性对砂浆的可打印性能至关重要.由图8
后，净浆触变面积大幅增加，为1 800.38 Pa/s；随着HPMC 掺量的增大，净
浆触变面积有所降低，但仍高于空白组10 倍.从触变性的角度来看，HPMC 的
较高的屈服应力.由表3 可见：掺入HPMC 后净浆屈服应力τ0 显著提升，并与
力分别增至空白组的8.6、23.7、31.8 倍；塑性黏度μ 亦随HPMC 掺量增加而
增大.3D 打印要求砂浆的塑性黏度不能过小，否则挤出后变形较大；同时也应
HPMC 的掺入对3D 打印砂浆可堆叠性的改善有积极作用.掺入HPMC 后，净
图9 给出了3D 打印砂浆28 d 抗压强度和抗折强度.由图9 可见：随着HPMC
掺量的增加，3D 打印砂浆28 d 抗压、抗折强度均降低；当HPMC 掺量达到
具有一定引气作用［34］，其掺量过高将导致砂浆内部孔隙率显著增加；另外，
HPMC 提高了新拌砂浆的黏聚性，使砂浆内部气泡扩散阻力增大、难以全部排
出.因此，孔隙率的增加可能是HPMC 引起3D 打印砂浆强度降低的原因.
3D 打印特有的层叠式成型工艺导致相邻层间存在结构及力学性能上的薄弱区，
层间结合强度对打印构件的整体强度有极大影响.对掺有0.20%HPMC 的3D 打
印砂浆试件M-H 0.20 进行切割，采用层间劈裂法测试其层间结合强度，结果
见图 10.由图 10 可见，3 部分的层间结合强度均高于 1.3 MPa；且层数较低时，
0.20%HPMC 后M-H 0.20 试件表面孔隙明显增多，且孔径比空白组要大.这一
方面是由于HPMC 具有引气作用［34］，引入了均匀细小孔；另一方面可能是
HPMC 后，孔隙率增加可能是砂浆力学性能降低的主要原因.综上所述，为保证
（1）羟丙基甲基纤维素HPMC 提高了砂浆的可打印性能.随着HPMC 掺量的
间延长.经打印验证，加入HPMC 后砂浆底层变形减小，HPMC 掺量为0.20%
（2）HPMC 改善了3D 打印砂浆的流变性能.随着HPMC 掺量的增加，浆体的
改善.从流变学的角度，加入HPMC 亦可提高砂浆的可打印性.掺入HPMC 后，
（3）掺入HPMC 后，材料微观形貌孔隙增多，建议HPMC 掺量不超过0.20%，
否则对砂浆力学性能有较大影响.3D 打印砂浆实体不同层间结合强度略有差异，
