3D打印建材检测的特殊性能测试方法研究进展

3D打印建材通过数字化层叠工艺实现复杂造型，突破传统建材的成型限制，但也因“逐层堆积”的工艺特性，带来挤出性、层间粘结、尺寸稳定性等特殊性能需求。传统建材检测方法难以完全适配，因此针对其工艺关联性能的特殊测试方法成为研究重点。本文梳理近年3D打印建材特殊性能测试的关键方向与技术进展，聚焦工艺适配性、结构完整性及服役可靠性相关的测试方法创新。

挤出性与可建造性的测试方法

挤出性是3D打印建材的核心工艺性能，指材料从喷嘴连续流出并保持均匀线条的能力，直接决定打印精度与效率。传统旋转流变仪仅能测试静态粘度，无法模拟喷嘴内的动态剪切环境，因此毛细管流变仪成为主流测试设备——通过模拟喷嘴的圆形通道，测试不同剪切速率下的粘度变化及出口膨胀率（die swell）。例如，当剪切速率从10/s增加到100/s时，水泥基打印材料的粘度从10³Pa·s降至10²Pa·s，出口膨胀率从20%降至10%，这类数据直接指导喷嘴直径与打印速度的匹配。

可建造性则关注挤出材料层的自立能力，即能否支撑后续层堆积而不坍塌。现有测试方法分为两类：一类是“堆积高度测试”，通过连续打印单柱体，记录最大无坍塌高度——例如，石膏基材料的最大堆积高度可达15层，而水泥基材料仅能达到8层，差异源于水化速率的不同；另一类是流变仪动态监测，通过跟踪储能模量（G'）与损耗模量（G''）的交叉点（即凝胶点），判断材料从液态转固态的时间窗口。研究表明，当G'超过10⁴Pa时，材料可承受下一层的荷载，这种方法将可建造性从“经验判断”转为“量化指标”。

层间粘结强度的精准测试技术

层间粘结是3D打印建材的结构薄弱环节，其强度直接影响构件的整体性。传统拉伸或剪切测试因试样制备方式（如浇筑成型）无法模拟层间界面，因此需定制打印试样。例如，“层间剪切强度（ILSS）测试”采用短梁剪切试样，将打印层方向与剪切力方向平行，测得分层剪切时的强度；“层间抗拉强度测试”则将打印层垂直于拉伸方向，直接量化界面的抗拉能力。研究显示，打印砂浆的层间剪切强度比本体低30%~50%，层间抗拉强度低40%~60%，差异源于层间未充分水化的界面孔隙。

为进一步揭示层间破坏机制，数字图像相关（DIC）技术被引入测试。通过在试样表面喷涂散斑，用高速相机捕捉变形过程，DIC能实时跟踪位移场变化，精准定位裂纹起始位置——例如，某研究发现层间裂纹先从喷嘴打印的“搭接缝”处产生，再向基体扩展，这一发现指导了打印路径的优化（如调整线条重叠率从20%增至30%，层间强度提升15%）。此外，纳米压痕技术可测试层间界面的微观硬度，发现界面处的水泥水化产物（如C-S-H凝胶）密度比基体低20%，解释了层间强度低的微观原因。

尺寸稳定性的多尺度监测方法

3D打印建材的尺寸稳定性源于层间收缩不均匀——底层先固化，约束上层收缩，易产生翘曲或开裂。传统收缩率测试（如测长度变化）仅能反映整体变形，无法区分层间差异，因此需多尺度测试技术。激光位移传感器是常用的实时监测工具，通过在打印过程中跟踪每层的尺寸变化，记录不同层的收缩速率——例如，打印混凝土底层的收缩速率为0.05%/h，而上层为0.03%/h，差异源于底层与平台的热交换更快。

微应变测试则采用埋入式光纤光栅（FBG）传感器，在打印时将FBG埋入不同层，通过波长变化监测应变发展。某研究用FBG测打印梁的层间应变，发现底层应变达50微应变，而上层仅20微应变，这种差异导致梁底部产生微裂纹。此外，三维激光扫描技术可在打印完成后定期扫描试样，生成三维点云对比变形——例如，打印拱结构的拱顶变形量是拱脚的2倍，因拱顶无侧向约束，层间收缩更自由。这类多尺度数据为打印构件的变形预测提供了依据。

早期力学性能的快速评估方法

早期力学性能（如1h、3h、6h强度）是3D打印的工艺关键，决定打印效率（如层间等待时间）。传统抗压强度测试需养护至28天，无法满足早期需求，因此快速测试方法应运而生。动态力学分析（DMA）通过频率扫描监测材料刚度变化，例如，水泥基材料在打印后1h内，储能模量从10²Pa升至10⁵Pa，对应抗压强度从0.1MPa升至1MPa，这种方法快速且非破坏性。

微型抗压测试是另一类常用方法，采用小尺寸试样（如10mm×10mm×10mm）测试早期强度——例如，掺加硅灰的打印砂浆1h强度达0.8MPa，而未掺加的仅0.3MPa，差异源于硅灰的填充效应加速了水化。此外，超声波脉冲速度（UPV）测试通过声速反映早期强度：UPV从打印后1h的1500m/s升至3h的2500m/s，对应抗压强度从0.5MPa升至2MPa，这种方法无需破坏试样，适合现场监测。

孔隙结构与耐久性的耦合测试

3D打印建材的孔隙结构具有“双重性”：既有基体中的毛细孔，也有层间的界面孔隙，两者共同影响耐久性（如抗渗、抗冻）。传统压汞测孔法（MIP）仅能测整体孔隙率，无法区分界面孔隙，因此显微CT（μCT）成为关键工具。通过μCT三维重建，可清晰看到层间界面孔隙的分布——例如，打印混凝土的层间孔隙率为8%，而基体仅为3%，这些孔隙是抗渗性下降的主因。

耐久性测试需关联孔隙结构与服役性能。抗渗性测试方面，“层间渗透测试”将试样切成层，在界面施加水压，测渗透系数——打印砂浆的层间渗透系数为1×10⁻⁶cm/s，是基体的5倍；抗冻性测试用声发射（AE）技术监测冻融过程，发现层间的AE信号数量比基体多40%，说明层间是冻融破坏的起点。研究还发现，调整打印参数（如层间等待时间从30s增至60s）可降低层间孔隙率至5%，渗透系数降至3×10⁻⁷cm/s，耐久性显著提升。