使用便携式设备对可打印混凝土进行快速渗透测试：测试的稳健性及校准方法

时间：2026年1月18日

来源：CEMENT AND CONCRETE RESEARCH

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本研究探讨便携式快速穿透测试作为评估3D打印混凝土屈服应力和结构化速率的有效方法，强调其操作简便、结果可靠，并通过对比口袋剪切板试验验证了该方法在实时流变学监控中的适用性。

CPDM实验室，古斯塔夫·埃菲尔大学，马恩-拉瓦莱，法国

摘要

混凝土3D打印需要针对这一新兴建筑技术量身定制的流变控制工具。传统的流变测量方法通常不适合工业环境中的常规监测。本研究探讨了使用便携式设备的快速穿透测试作为一种简单有效的手段，用于评估可打印混凝土的屈服应力和结构化速率。重点关注方法的稳健性，这是通过测量变异性而非绝对值来评估的。通过对基于粘土的参考浆体的测试，确定了能够最小化操作者影响和数据分散的探头几何形状。同时也研究了探头和样品尺寸的影响。通过对参考浆体的校准，建立了穿透力与屈服应力之间的几何特定转换因子。然后利用这些因子来监测打印混凝土中屈服应力的变化，并将结果与口袋叶片测试的结果进行比较。研究结果表明，快速穿透方法能够提供更稳健、更一致的测量结果，支持其在混凝土3D打印中的流变质量控制应用。

引言

近年来，混凝土行业在数字化方面取得了显著进展。其中，3D打印技术的发展是一项变革性创新，它使得无需模板即可生产混凝土构件。然而，这些进步也带来了一系列挑战。成功的3D混凝土打印需要对材料进行精细设计，特别是流变性能方面。混凝土混合物必须满足高度特定的流变要求，这些要求需根据打印过程的每个阶段进行精心调整[1]、[2]、[3]。因此，精确的流变控制至关重要——不仅对推动研究具有重要意义，也是工业应用中日常质量控制的关键组成部分。

尽管3D混凝土打印技术近年来发展迅速，但用于评估可打印材料流变性能的方法尚未完全适应这些材料的独特特性[4]、[5]。在流变参数中，屈服应力（及其随时间的变化）尤为重要，因为其范围可以从打印开始时的几百帕斯卡增加到后期打印阶段的几百千帕斯卡[5]。这种广泛的变异性给测试方法带来了重大挑战，因为传统的混凝土行业对这一屈服应力范围的关注有限，因此相关研究也较为不足。此外，可打印混凝土中的屈服应力变化速度远快于传统混合物，尤其是在使用加速器的系统中。这种快速变化带来了额外的限制，需要既快速又要求最小化样品准备的测试方法。

传统的混凝土屈服应力测量方法通常无法应对上述挑战。例如，大多数传统的旋转流变仪受到扭矩能力的限制，使其仅适用于打印过程的早期阶段[3]、[4]、[6]。此外，测试前的样品准备和处理过程耗时较长，实际上排除了它们在大多数基于加速器的打印系统中的应用。这些方法还需要技术娴熟的操作人员，进一步限制了它们在现场应用的适用性。

通常用于现场控制的简化测试（如坍落度测试）在大多数情况下也不适用，主要是因为它们无法准确测量高屈服应力[7]、[8]。另一种方法是传统上用于硬化材料的方法，如单轴压缩测试[9]、[10]、[11]，可以进行调整。然而，尽管这些方法能够提供可接受的结果，但它们缺乏工业规模混凝土3D打印实时流变控制所需的速度和简便性。相比之下，已经开发出了一些专门用于打印过程中在线监测的技术，其中slug测试尤为值得注意[12]。该方法通过测量“slug”——即在垂直挤出过程中形成的混凝土滴状物——来估算屈服应力。虽然slug测试提供了一种简单高效的屈服应力测量方法，但其应用范围仅限于挤出机或喷嘴级别，因此不适合追踪可打印混凝土的时变行为。

最近的一篇集体出版物[5]确定了几种在实验室或现场应用中具有潜力的测试方法，包括单轴压缩测试、慢速和快速穿透测试以及流变测量技术。然而，尽管这些方法在研究和实验室环境中具有价值，但其中一些方法可能无法满足打印现场或工业打印设施的实际需求。理想情况下，一种用于现场监测3D打印混凝土流变性的工业方法应满足以下标准：

a)能够测量广泛的屈服应力范围，
b)操作速度快且简单，
c)样品准备最少或无需准备，
d)适用于所有类型的3D打印系统的在线或在线监测，
e)经济实惠且易于获取，
f)具有稳健性和可靠性，
g)样品体积要求低，
h)能够追踪屈服应力随时间的变化。

目前，只有两种方法被认为能够满足这些严格的要求。第一种是口袋剪切叶片测试——一种紧凑的手持设备，传统上用于快速评估粘性土壤的抗剪强度。Demont等人[13]最近证明了这种方法可用于3D打印混凝土的在线屈服应力测量。第二种有前景的技术是便携式快速穿透测试设备，它在有效监测打印混凝土的流变性能方面也显示出巨大潜力。

所谓的“快速”穿透测试涉及将探头（通常是球形、圆柱形或圆锥形）插入材料并记录穿透力。“快速”一词指的是穿透过程仅持续几秒钟。该方法最初是在土壤力学领域开发的，用于评估粘性土壤，几十年来一直被应用于水泥基材料以确定凝固时间[14]、[15]、[16]，最近还用于评估喷射混凝土的早期力学性能[17]。与慢速穿透测试不同，快速穿透测试可以直接在现场进行，无需高度熟练的操作人员或复杂的设备来精确控制力或位移。因此，它们可以使用简单、稳健且便携的设备进行。尽管文献中有一些相关参考[5]、[18]、[19]，但快速穿透测试在混凝土3D打印中的应用仍然不够充分，也未针对工业用途进行优化。首先，这些测试测量的是穿透力，而穿透力在很大程度上取决于探头的几何形状。已经提出了几种分析方法将穿透力转换为屈服应力值[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。然而，这些方法往往缺乏一致性，无法为不同探头几何形状提供直接可靠的解决方案。这突显了需要校准协议的重要性，以便为工业应用提供最实用和有效的途径。最后，这些快速穿透方法的稳健性或重复性以及它们对某些测试参数（如探头和样品尺寸）的依赖性在可打印材料上尚未得到量化。

在上述背景下，本研究探讨了使用便携式设备进行快速穿透测试，以监测3D打印混凝土中屈服应力变化的适用性。因此，这里有意选择了一种手动便携设备，而不是实验室测试机。虽然基于机器的穿透设备提供了更高的精度和简化的数据分析，但它们消除了现实世界条件和手动操作带来的固有变异性，而这正是本研究希望捕捉和评估的。

本研究采用的方法逐步增加了测试材料的复杂性——从简单的屈服应力流体（粘土浆体），到触变屈服应力材料（水泥浆体），再到含有掺杂物的触变屈服应力材料（水泥基砂浆），最后到真正的3D可打印加速砂浆。同时，还改变了某些测试参数，如操作者、探针速度和样品几何形状。特别关注了上述参数对测量标准偏差的影响。然后使用已建立的Vane测试对各种探头几何形状进行校准，以确定每种探头几何形状下的屈服应力与穿透力之间的关系。最后，评估了该方法在实际3D打印混凝土中的适用性，并直接与口袋叶片测量结果进行了比较。实验结果及其分析表明，快速穿透方法的稳健性和/或重复性在很大程度上取决于所选探头的几何形状。在3D打印样品的背景下，与口袋叶片测试相比，快速穿透方法产生的结果对测试协议中的微小变化不太敏感。

材料

本研究中使用的参考模型材料是由Argiles du Bassin Méditerranéen（ABM，意大利）提供的蒙脱石粘土制备的。其粒径分布如图1所示，是在Mastersizer 3000（Malvern）激光衍射颗粒仪中水中测量的。粘土的粒径百分位数及其密度是在AccuPyc 111340氦气比容计（Micromeritics）上测量的，具体数据见表1。其Atterberg塑性限和液限对应于

探头几何形状和稳健性评估

已知穿透力与材料的屈服应力和探头的接触表面积有关[20]、[21]。因此，测得的力本质上取决于探头几何形状和穿透深度。在本节中，我们研究了探头几何形状对记录的穿透力及其相关变异性的影响。

力/屈服应力转换

在本节中，我们旨在建立通过探头几何形状将屈服应力与测得的穿透力联系起来的转换因子。由于可打印材料的复杂性，我们将分析限制在理想化的简单屈服应力流体上，在这种流体中，屈服行为仅由超过临界值的剪切应力决定，而不依赖于正应力与剪切应力的比率。因此，我们有意排除了表现出颗粒或摩擦行为的材料。

结果

通过将穿透方法与实际3D打印混凝土试样的口袋叶片测试结果进行比较，评估了该方法的适用性。两种方法在两个相同的样品上同时进行，具体方法如第2节所述。

使用三种探头获得的典型穿透力曲线如图14所示。这些曲线与第3.1节中记录的粘土曲线相似，但通常显示出更大的不规则性，在某些情况下会出现明显的峰值而不是伪平台。

结论

本研究重点研究了使用便携式设备进行快速穿透测试作为一种简单、快速且广泛适用的工具，用于监测3D打印混凝土中屈服应力随时间的变化。我们的结果表明，该方法在操作者和穿透速率方面表现出良好的重复性和稳健性，前提是选择了合适的探头和样品几何形状。在这方面，发现最佳几何形状是那些尺寸足够大的探头。

CRediT作者贡献声明

L. Caneda-Martínez：撰写——原始草案、方法论、研究、数据分析、概念化。 M. Hassan：研究。 L. Demont：撰写——审阅与编辑、方法论、研究。 E. Keita：研究。 P. Belin：研究。 V. de Bono：研究。 R. Mesnil：研究。 J.F. Caron：监督。 B. González-Fonteboa：监督、资金获取。 N. Roussel：撰写——原始草案、监督、项目管理、资金获取。