綜述：混凝土3D打印技術(shù)的研究與發(fā)展

導(dǎo)讀：近年來,混凝土3D打印技術(shù)在土木建筑等領(lǐng)域取得了快速的發(fā)展和應(yīng)用。混凝土作為當(dāng)代建筑用量最大、范圍最廣、最經(jīng)濟(jì)的建筑材料，雖然只有不到 200 年的歷史，卻已成為當(dāng)今世界使用量巨大的建筑工程材料，為人類社會的發(fā)展與前進(jìn)做出了不可取代的貢獻(xiàn)。然而隨著工程建設(shè)的不斷加快，混凝土在生產(chǎn)應(yīng)用方面的高能耗、高污染的弊端也逐漸顯露出來，嚴(yán)重阻礙了其發(fā)展。為適應(yīng)綠色制造發(fā)展需求，混凝土需要不斷地注入新鮮的血液。3D 打印（3D-printing）作為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志，廣泛應(yīng)用于各個研究領(lǐng)域，對傳統(tǒng)社會生產(chǎn)產(chǎn)生巨大沖擊，成為改變未來的創(chuàng)造性技術(shù)。以 3D 打印為基礎(chǔ)的 3D 打印混凝土技術(shù)作為一種新型技術(shù)，必將成為混凝土發(fā)展史上的重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

3D 建筑打印技術(shù)是“快速成型技術(shù)”（rapidprototy-ping，簡稱 RP）的一種，是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，以膠凝材料、摻合料、添加劑、特種纖維、骨料為主制成的特殊“油墨”，運(yùn)用計算機(jī)制圖將建筑模型轉(zhuǎn)化為三維設(shè)計圖后，通過分層加工、疊加成型的方式逐層增加材料來將建筑物打印建造出來的技術(shù)。20 世紀(jì) 90 年代，美國學(xué)者Pegna最早將水泥基材料用于 3D 打印，通過砂漿逐層累積并利用蒸養(yǎng)快速固化的方式，打印出混凝土（砂漿）結(jié)構(gòu)。經(jīng)過近 30 年的發(fā)展，混凝土 3D 打印技術(shù)已能夠完成混凝土制品和結(jié)構(gòu)的打印，并打印低層房屋。

3D 打印混凝土基材材料的選取

1)      膠凝材料

目前，3D 打印混凝土膠凝材料主要是以無機(jī)材料為主，如硅酸鹽水泥、干混砂漿、黏土類、專用石膏材料等，也有以環(huán)氧樹脂為主要代表的有機(jī)材料。

由于 3D 打印建筑物中缺少鋼筋骨架的支撐，結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要達(dá)到較高的強(qiáng)度來承受外部荷載，Le等人選用硅酸鹽水泥作為混凝土的膠凝材料，試驗研究表明其層間抵抗彎矩、剪力的能力不足。單選用了普通硅酸鹽水泥作為 3D 打印混凝土膠凝材料，不能達(dá)到 3D 打印混凝土所需要的各項性能。而孫建智等人實(shí)驗室數(shù)據(jù)表明，可以通過摻加聚合物等乳液對硅酸鹽水泥的性能進(jìn)行改性，減少收縮，提高黏結(jié)性。

2)      骨料

骨料，是混凝土中占比最大的材料，3D 打印混凝土對骨料的要求比傳統(tǒng)混凝土更高。強(qiáng)度高、密度小、顆粒形貌接近球型的骨料是最適合 3D 打印混凝土使用的，同時 3D 打印混凝土建筑是由一層一層的混凝土堆疊而成，每一層混凝土都比較薄，加上 3D 打印混凝土是通過噴嘴噴出成型，如骨料的粒徑過大，噴嘴可能會被堵塞。但粒徑過小，則包裹骨料表面所需的漿體量大，加之水化速率快，單位時間內(nèi)釋放的水化熱也高，將會導(dǎo)致混凝土各項性能的惡化。

因此，根據(jù)噴嘴的大小選取合適的骨料粒徑至關(guān)重要。同時，骨料的細(xì)度、顆粒級配、含泥量等指標(biāo)也需嚴(yán)格把控。這些都是由 3D 打印混凝土的特殊性所決定。

3)      礦物摻合料

礦物摻合料有粉煤灰、硅粉、礦粉、陶瓷拋光磚粉等，其活性成分可大幅提高打印構(gòu)件的強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)的致密度，提高材料的耐久性能及結(jié)構(gòu)的使用壽命。對于 3D 打印混凝土的可建造性，早期強(qiáng)度的快速增長尤為重要，Tregger 等人的研究證實(shí)，在3D 打印混凝土中摻入納米黏土，有利于提高混凝土的濕壓強(qiáng)度（green strength，或者稱“塑性強(qiáng)度”）。

4)      纖維材料

纖維材料可以明顯提高打印混凝土的抗裂強(qiáng)度和最大載荷的彈性模量，也可以明顯改善打印混凝土韌性和延性，還可以賦予 3D 打印混凝土更好的粘結(jié)性，增強(qiáng)打印層間的粘結(jié)強(qiáng)度，防止應(yīng)力集中處裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。Biranchi等人在研究中就通過摻加 0.25%纖維的方法調(diào)整了 3D 打印地聚合物砂漿的配合比，獲得了較好的可建造性。

5)      外加劑

3D 打印混凝土建造技術(shù)的關(guān)鍵性問題是實(shí)現(xiàn)材料的凝結(jié)時間和強(qiáng)度的控制，如何才能解決這兩個指標(biāo)的精確控制，是保證 3D 打印混凝土施工連續(xù)性和安全性的保障。

混凝土常用的材料有減水劑、促凝劑、緩凝劑、早強(qiáng)劑、引氣劑、增稠劑、保塑劑等化學(xué)外加劑，它們對混凝土的各項工作性能起到了明顯的調(diào)節(jié)及改善作用。適當(dāng)?shù)貙⑼饧觿┻\(yùn)用到 3D 打印混凝土中，會取得量小而功大的作用。對于特定的施工環(huán)境，還應(yīng)按需選用外加劑，如在水下施工中可以采用水下抗分散劑（anti washing-out admixture）來提高混凝土在水中的性能穩(wěn)定性。

3D 打印混凝土的性能評價指標(biāo)

1)      可擠出性與流動性

合適的流動性是 3D 混凝土所需滿足的最重要條件之一。由于 3D 打印混凝土要通過輸送管道，經(jīng)打印頭擠出才能打印成型，若其流動度過大，則打印過程中打印材料無法堆積，打印無法繼續(xù)。若流動度過小，則容易造成輸送管道或者打印頭堵塞，并且給打印設(shè)備的清洗造成困難。一般而言，傳統(tǒng)混凝土施工中主要通過控制含水量來控制材料的流動性，但在 3D 打印過程中，較高的含水量會導(dǎo)致多種問題，如較大的孔隙含量、力學(xué)強(qiáng)度的下降、較高的變形率等。所以，為了更好的流動性而提高含水量的做法并不完全適用于 3D 打印混凝土的施工。

事實(shí)上，在大多數(shù)情況下，選用高效減水劑是保證力學(xué)強(qiáng)度的前提下提高流動性的重要方法。但是過高的流動性造成了建造性能的降低，Malaeb 等人通過研究提出聚羧酸鹽減水劑的摻量不宜超過 1.1mL/365g（125g 水泥、80g 砂、160g細(xì)集料），流動速率控制在 1.1～1.2cm/s。

影響砂漿的可擠出性的因素：

l  砂的比例

l  纖維的添加量

因此，在 3D 打印建筑過程中，要注意打印材料的使用，以防止打印過程中的堵塞現(xiàn)象。而對于水泥基漿體良好的流動性能，可通過調(diào)節(jié)顆粒級配也能有效地改善材料的流動性和流變性，這主要是因為通過調(diào)整粉末的含量、粗骨料的含量等方法能使骨料的粒度分布更廣，達(dá)到更高的填充密度性，從而產(chǎn)生更好的流動性。

2)      可建造性

可建造性是評估混凝土材料可打印性能的另一個關(guān)鍵參數(shù)，即材料在自重和上層壓力作用下保持其擠出形狀的能力以及沉積的新鮮材料在負(fù)載下抗變形能力。在 3D 打印混凝土過程中，由于該技術(shù)省去了模板，很容易出現(xiàn)打印層的層間缺陷或沉降。可建造性是衡量結(jié)構(gòu)早期剛度的指標(biāo)，良好的可建造性是3D 打印混凝土的基本要求。

除了提高骨料用量之外，礦物摻合料和外加劑的摻入也會對建造性做出積極的貢獻(xiàn)。目前的多數(shù)研究中表明，可以通過調(diào)控流變性能，以此獲得水泥基材料 3D 打印建造性。

3)      層間粘結(jié)強(qiáng)度

3D 打印混凝土施工過程中漿料是一層層堆積成整體的，漿料的力學(xué)性能不僅要支撐自己本身的重量，還要足以承受隨后在其上層堆積的漿料重量。因此，考慮其施工工藝特點(diǎn)的前提下，3D 打印混凝土除了與常規(guī)混凝土一樣對抗壓強(qiáng)度有著較高要求以外，層間黏結(jié)強(qiáng)度是維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的必要條件，這也是 3D 打印混凝土性能較為特殊的方面之一。

然而，混凝土打印層之間的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力傳遞機(jī)制是比較復(fù)雜的，它們涉及不同相互作用力的組合，打印層可能在長絲之間以及層與層之間產(chǎn)生薄弱部位或冷縫，并可能在壓、拉、彎等應(yīng)力作用下沿這些縫進(jìn)行力的傳遞，從而削弱構(gòu)件的承載能力。對于 3D 混凝土材料而言，需在保證層間黏結(jié)牢固與自身強(qiáng)度發(fā)展速度能支撐自重之間找到平衡。

影響?zhàn)そY(jié)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素：

l  層間打印間隔時間；

l  層間表面的含水率；

4)      凝結(jié)時間

打印材料一方面需要較長的凝結(jié)時間以獲得良好的流動性和擠出性，同時，還需要較短的凝結(jié)時間以獲得足夠的早期強(qiáng)度。因此，凝結(jié)時間也是3D 打印材料性能指標(biāo)研究中的重要參數(shù)之一。

5)      力學(xué)性能

3D 打印混凝土作為建筑材料，其力學(xué)性能是實(shí)現(xiàn)實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)的重要保障。與澆注成型的混凝土材料不同，擠出式成型決定了 3D 打印混凝土特殊的力學(xué)性能各向異性。針對 3D 打印混凝土力學(xué)性能試驗方法的研究尚在進(jìn)行中，仍沒有標(biāo)準(zhǔn)確立。不過，打印混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的方向依賴性被認(rèn)為是逐層 3D 打印流程的固有特征。

3D 打印混凝土深受打印形狀、尺寸、路徑等參數(shù)影響，呈現(xiàn)空間各向異性，其力學(xué)性能演變規(guī)律異于普通混凝土。

6)      耐久性

在 3D 打印建筑中，建筑結(jié)構(gòu)的耐久性也需要得到保證。普通的硅酸鹽水泥打印材料強(qiáng)度較低，抗?jié)B、保溫性能較差，需要摻合外加劑的混凝土或利用質(zhì)量較好的水泥襯底來提高其性能，以滿足打印材料的耐久性要求。但這會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的安全性會大大降低，打印出來的建筑結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)斷裂、滲漏的問題，因此，有必要研制出具有良好防滲防凍性能的材料，以保證結(jié)構(gòu)的耐久性。

根據(jù)Suvash等人的研究報告，采用水膠比在 0.23-0.41范圍內(nèi)，膠砂比在 0.63-0.73 范圍內(nèi)，打印材料一旦硬化，就能產(chǎn)生最好的打印效果和適用性。3D 打印混凝土的各向異性特性對當(dāng)前的結(jié)構(gòu)和耐久性設(shè)計方法以及當(dāng)前的性能測試實(shí)踐提出了挑戰(zhàn)。現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)和耐久性設(shè)計規(guī)范認(rèn)為混凝土是一種均質(zhì)材料。對于 3D 打印的混凝土元素，這不再是這樣的情況，由于分層的概念使其更具有多孔性、較弱的界面和各向異性行為。

混凝土 3D 打印技術(shù)的優(yōu)勢和不足

1)    優(yōu)勢

l  經(jīng)濟(jì)環(huán)保，無污染。3D 打印建筑材料可以對建筑垃圾、工業(yè)垃圾、尾礦等進(jìn)行循環(huán)利用，在建筑過程中也幾乎不會產(chǎn)生新的廢料，筑造過程降低建筑粉塵污染，減少霧霾與噪音，實(shí)現(xiàn)建筑工地?zé)o害化生產(chǎn)。

l  工期短，效率高使用 3D 打印技術(shù)不需要傳統(tǒng)施工隊伍與材料，現(xiàn)在已完成的 3D 打印建筑成品中，一棟二層別墅建造速度提高幾十倍，極大地提高了生產(chǎn)效率。

l  墻體自重輕。3D 打印建筑所打印出來的墻體是空心的，為保證其結(jié)構(gòu)支撐性能在中間添加“Z”形支撐。中間可添加泡沫材料以達(dá)到保溫隔熱、降噪吸聲的目的。相比鋼筋混凝土實(shí)心墻體，3D 打印建筑的墻體要輕許多[54]。這些優(yōu)點(diǎn)在如今提倡節(jié)能減排，綠色低碳的可持續(xù)發(fā)展的社會環(huán)境中是值得提倡和發(fā)展的。

2)    不足

隨著 3D 打印技術(shù)的成熟和深入研究，3D打印技術(shù)很可能在未來近幾十年甚至幾年內(nèi)從本質(zhì)上顛覆傳統(tǒng)建造技術(shù)，將建筑行業(yè)帶入智能化，精細(xì)化，高速化時代，但是目前 3D 打印建筑技術(shù)目前依舊不夠成熟，在多個方面都存在著問題，他們共同制約了該項技術(shù)在建筑領(lǐng)域運(yùn)用與發(fā)展。

l  在打印材料方面，目前為止，各國所發(fā)展的3D 打印的核心材料各不相同，各有利弊，尋找具備抗壓與抗拉性能的高強(qiáng)度材料是 3D 打印技術(shù)在建筑工程發(fā)展的關(guān)鍵�，F(xiàn)有打印材料的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、安全性、實(shí)用性等性能指標(biāo)不夠理想。與傳統(tǒng)的建造方式相比，3D 打印建造對建筑材料的要求更高，普通建筑材料已經(jīng)不能滿足建造要求，甚至還需要運(yùn)用新的破碎工藝來提高所用骨料的精度和質(zhì)量。除此之外，對于建筑材料之間的黏合劑的性能要求也需要有所提高[55]。

l  在打印設(shè)備方面，為了實(shí)現(xiàn)大體量建筑的設(shè)計和生產(chǎn)，必須要研發(fā)出專用的 3D 打印機(jī)。目前，國內(nèi)外對于這種打印機(jī)的設(shè)計、制造及其工藝的發(fā)展都不成熟。打印機(jī)越大越難制造，其打印精度和打印速度也會越差，而且不適于高層的建筑。

l  在打印建筑限制方面，3D 打印施工技術(shù)的力學(xué)性能還處于研發(fā)試用的階段，雖然目前可以應(yīng)用于低層大面積建筑的施工，但對于常見的高層建筑來說，一次性 3D 打印是無法做到的，只能像裝配式建筑那樣，先打印預(yù)制件再拼裝，這樣就喪失了快速成型的優(yōu)勢。

l  在行業(yè)法規(guī)方面，作為一種新型技術(shù)，3D打印混凝土特殊的配合比設(shè)計和多樣的施工工藝，導(dǎo)致了其標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程存在較大的困難。用3D 打印技術(shù)所生產(chǎn)的建筑，其防火性能、隔音性能、環(huán)保性能等目前還沒有相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

l  其他方面，各向異性行為以及耐久問題等也是 3D 打印目前面臨的主要挑戰(zhàn)。

綜上，嚴(yán)格的材料要求，打印設(shè)備的不成熟，工藝技術(shù)的難題，缺少相應(yīng)行業(yè)規(guī)范和法規(guī)以及其他方面，這些都是混凝土 3D 打印技術(shù)現(xiàn)階段面臨的不可避免的問題。

應(yīng)用與展望

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，3D 打印也已逐步應(yīng)用于制造業(yè)的各個領(lǐng)域，包括日常生活用品、汽車行業(yè)、生物醫(yī)療、航空航天、模具制造等領(lǐng)域。它可以在野外建造軍事碉堡，可以在低收入國家建造經(jīng)濟(jì)適用房，可以在月球或火星就地取材建造，也可以在模板難以制造、修復(fù)或修復(fù)時打印復(fù)雜的建筑。

此外，結(jié)合納米技術(shù)和先進(jìn)的材料合成技術(shù)，3D 打印混凝土技術(shù)更適合制作（超）高性能和智能/多功能混凝土，如活性粉末混凝土、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、聚合物改性混凝土、納米工程膠凝復(fù)合材料、自敏感混凝土和自愈合混凝土。

混凝土 3D 打印技術(shù)不僅可以應(yīng)用于常規(guī)情況下，也可以在突發(fā)情況下。本文特別指出在當(dāng)今世界面臨的新冠肺炎疫情下，混凝土 3D 打印技術(shù)的應(yīng)用。在疫情防控期間，防疫測控方艙是外來人員進(jìn)入工作區(qū)域的一道關(guān)卡，房屋設(shè)施的建造效率是應(yīng)對此類緊急公共事件時的重要指標(biāo)。建筑 3D 打印技術(shù)由于免去了建造過程中的模板工程，其建造效率較傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)具有先天優(yōu)勢。在應(yīng)對此次新冠肺炎疫情、甚至其他緊急公共衛(wèi)生事件的過程中，3D 打印技術(shù)一是通過簡化建造工序、提高建造效率，為更快建成可以使用的方艙醫(yī)院提供技術(shù)支持；二是降低勞動人員密度，從而降低了施工人員被感染的風(fēng)險。

新型冠狀病毒的到來不僅讓我們意識到微觀病毒的可怕和生命的可貴，還認(rèn)識到預(yù)制裝配在建筑領(lǐng)域的實(shí)操性。在短短 15 天之內(nèi)建成了火神山和雷神山兩家醫(yī)院，共計建筑面積達(dá) 109 000 ㎡，床位 2500 張，建造速度震驚中外。突發(fā)疫情發(fā)生時，3D 打印技術(shù)能夠?qū)︶t(yī)院等建筑進(jìn)行合理設(shè)計，精準(zhǔn)建模，模擬場地與建筑關(guān)系，及時調(diào)整設(shè)計不足，通過分制建筑構(gòu)件提高制造速度，減少設(shè)計，結(jié)構(gòu)，電氣，暖氣和給排水等之間的矛盾和錯誤。

隨著建筑業(yè)的智能化、自動化、高度集成化，和材料、信息、控制技術(shù)的不斷優(yōu)化及資源大利用化，混凝土 3D 打印技術(shù)將推動建筑工業(yè)化的實(shí)現(xiàn)，未來發(fā)展平臺將更加廣闊。為了改善環(huán)境，使世界萬物生存和諧，走可持續(xù)發(fā)展道路，3D 打印技術(shù)務(wù)必要引起重視。

3D打印混凝土材料是促進(jìn) 3D 打印施工技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，同時也是制約該技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。根據(jù)國內(nèi)外的研究進(jìn)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，3D 打印混凝土材料將朝著綠色、輕質(zhì)、高強(qiáng)等方向發(fā)展。在未來的研究和發(fā)展中，可加強(qiáng) 3D 打印設(shè)備的性能要求，提高 3D 打印的精準(zhǔn)度。改善 3D 打印設(shè)備的尺寸局限性，適用于更高更大尺寸建筑物的建造。致力推進(jìn)打印材料精細(xì)化性能標(biāo)準(zhǔn)。加大人才培養(yǎng)力度和基金投入。

此外，前文提到建筑3D打印領(lǐng)域目前尚缺乏專門的3D 打印混凝土的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。但參照現(xiàn)行混凝土規(guī)范作為技術(shù)指導(dǎo)，對與 3D 打印混凝土而言顯然是不夠的，必須提出有針對性測試方法和性能指標(biāo)。

BIM 技術(shù)（buildinginformation modeling）被稱為建筑行業(yè)的發(fā)展新方向，是以軟件技術(shù)模擬建筑真實(shí)屬性，將建筑物信息化存儲、傳遞的新概念。通過 BIM 技術(shù)，可以查詢到建筑物全生命周期內(nèi)的各個信息，如材料性能、幾何形狀、工程進(jìn)度等。3D 打印的建模部分需要 BIM 核心建模軟件的支持，BIM 建模軟件又能通過 3D 打印技術(shù)分毫不差地 完 成數(shù)字化到實(shí)體化這一過程。所以尋找BIM-3D 技術(shù)在建筑行業(yè)的契合點(diǎn)，發(fā)揮雙方的優(yōu)勢，也是一個重要的研究方向。

參考閱讀：徐寅,李古,朱江. 混凝土3D打印技術(shù)的研究與發(fā)展[A]. 天津大學(xué)、天津市鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會.第二十一屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會論文集[C].天津大學(xué)、天津市鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會:全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會學(xué)術(shù)委員會,2021:7.