綜述：混凝土3D打印技術的研究與發(fā)展

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

3D 建筑打印技術是“快速成型技術”（rapidprototy-ping，簡稱 RP）的一種，是以數字模型為基礎，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”，運用計算機制圖將建筑模型轉化為三維設計圖后，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。20 世紀 90 年代，美國學者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）結構。經過近 30 年的發(fā)展，混凝土 3D 打印技術已能夠完成混凝土制品和結構的打印，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材料。

由于 3D 打印建筑物中缺少鋼筋骨架的支撐，結構構件需要達到較高的強度來承受外部荷載，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，不能達到 3D 打印混凝土所需要的各項性能。而孫建智等人實驗室數據表明，可以通過摻加聚合物等乳液對硅酸鹽水泥的性能進行改性，減少收縮，提高黏結性。

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，單位時間內釋放的水化熱也高，將會導致混凝土各項性能的惡化。

因此，根據噴嘴的大小選取合適的骨料粒徑至關重要。同時，骨料的細度、顆粒級配、含泥量等指標也需嚴格把控。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件的強度及結構的致密度，提高材料的耐久性能及結構的使用壽命。對于 3D 打印混凝土的可建造性，早期強度的快速增長尤為重要，Tregger 等人的研究證實，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度（green strength，或者稱“塑性強度”）。

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性，增強打印層間的粘結強度，防止應力集中處裂紋的產生和擴展。Biranchi等人在研究中就通過摻加 0.25%纖維的方法調整了 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的關鍵性問題是實現材料的凝結時間和強度的控制，如何才能解決這兩個指標的精確控制，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、早強劑、引氣劑、增稠劑、保塑劑等化學外加劑，它們對混凝土的各項工作性能起到了明顯的調節(jié)及改善作用。適當地將外加劑運用到 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

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，較高的含水量會導致多種問題，如較大的孔隙含量、力學強度的下降、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。

事實上，在大多數情況下，選用高效減水劑是保證力學強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象。而對于水泥基漿體良好的流動性能，可通過調節(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，達到更高的填充密度性，從而產生更好的流動性。

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鍵參數，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載下抗變形能力。在 3D 打印混凝土過程中，由于該技術省去了模板，很容易出現打印層的層間缺陷或沉降。可建造性是衡量結構早期剛度的指標，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。目前的多數研究中表明，可以通過調控流變性能，以此獲得水泥基材料 3D 打印建造性。

3)      層間粘結強度

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度有著較高要求以外，層間黏結強度是維持結構穩(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力和拉應力傳遞機制是比較復雜的，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生薄弱部位或冷縫，并可能在壓、拉、彎等應力作用下沿這些縫進行力的傳遞，從而削弱構件的承載能力。對于 3D 混凝土材料而言，需在保證層間黏結牢固與自身強度發(fā)展速度能支撐自重之間找到平衡。

影響?zhàn)そY強度的關鍵因素：

l  層間打印間隔時間；

l  層間表面的含水率；

4)      凝結時間

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

5)      力學性能

3D 打印混凝土作為建筑材料，其力學性能是實現實際建筑結構的重要保障。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性能各向異性。針對 3D 打印混凝土力學性能試驗方法的研究尚在進行中，仍沒有標準確立。不過，打印混凝土的抗壓強度和抗彎強度的方向依賴性被認為是逐層 3D 打印流程的固有特征。

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

6)      耐久性

在 3D 打印建筑中，建筑結構的耐久性也需要得到保證。普通的硅酸鹽水泥打印材料強度較低，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。但這會導致混凝土結構的安全性會大大降低，打印出來的建筑結構容易出現斷裂、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，以保證結構的耐久性。

根據Suvash等人的研究報告，采用水膠比在 0.23-0.41范圍內，膠砂比在 0.63-0.73 范圍內，打印材料一旦硬化，就能產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前的結構和耐久性設計方法以及當前的性能測試實踐提出了挑戰(zhàn)�，F行的結構和耐久性設計規(guī)范認為混凝土是一種均質材料。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 打印技術的優(yōu)勢和不足

1)    優(yōu)勢

l  經濟環(huán)保，無污染。3D 打印建筑材料可以對建筑垃圾、工業(yè)垃圾、尾礦等進行循環(huán)利用，在建筑過程中也幾乎不會產生新的廢料，筑造過程降低建筑粉塵污染，減少霧霾與噪音，實現建筑工地無害化生產。

l  工期短，效率高使用 3D 打印技術不需要傳統(tǒng)施工隊伍與材料，現在已完成的 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，為保證其結構支撐性能在中間添加“Z”形支撐。中間可添加泡沫材料以達到保溫隔熱、降噪吸聲的目的。相比鋼筋混凝土實心墻體，3D 打印建筑的墻體要輕許多[54]。這些優(yōu)點在如今提倡節(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 打印技術的成熟和深入研究，3D打印技術很可能在未來近幾十年甚至幾年內從本質上顛覆傳統(tǒng)建造技術，將建筑行業(yè)帶入智能化，精細化，高速化時代，但是目前 3D 打印建筑技術目前依舊不夠成熟，在多個方面都存在著問題，他們共同制約了該項技術在建筑領域運用與發(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度材料是 3D 打印技術在建筑工程發(fā)展的關鍵�，F有打印材料的強度、穩(wěn)定性、安全性、實用性等性能指標不夠理想。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，普通建筑材料已經不能滿足建造要求，甚至還需要運用新的破碎工藝來提高所用骨料的精度和質量。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  在打印設備方面，為了實現大體量建筑的設計和生產，必須要研發(fā)出專用的 3D 打印機。目前，國內外對于這種打印機的設計、制造及其工藝的發(fā)展都不成熟。打印機越大越難制造，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 打印施工技術的力學性能還處于研發(fā)試用的階段，雖然目前可以應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，3D打印混凝土特殊的配合比設計和多樣的施工工藝，導致了其標準與規(guī)程存在較大的困難。用3D 打印技術所生產的建筑，其防火性能、隔音性能、環(huán)保性能等目前還沒有相應的行業(yè)標準。

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，嚴格的材料要求，打印設備的不成熟，工藝技術的難題，缺少相應行業(yè)規(guī)范和法規(guī)以及其他方面，這些都是混凝土 3D 打印技術現階段面臨的不可避免的問題。

應用與展望

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

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

混凝土 3D 打印技術不僅可以應用于常規(guī)情況下，也可以在突發(fā)情況下。本文特別指出在當今世界面臨的新冠肺炎疫情下，混凝土 3D 打印技術的應用。在疫情防控期間，防疫測控方艙是外來人員進入工作區(qū)域的一道關卡，房屋設施的建造效率是應對此類緊急公共事件時的重要指標。建筑 3D 打印技術由于免去了建造過程中的模板工程，其建造效率較傳統(tǒng)混凝土結構具有先天優(yōu)勢。在應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，還認識到預制裝配在建筑領域的實操性。在短短 15 天之內建成了火神山和雷神山兩家醫(yī)院，共計建筑面積達 109 000 ㎡，床位 2500 張，建造速度震驚中外。突發(fā)疫情發(fā)生時，3D 打印技術能夠對醫(yī)院等建筑進行合理設計，精準建模，模擬場地與建筑關系，及時調整設計不足，通過分制建筑構件提高制造速度，減少設計，結構，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、控制技術的不斷優(yōu)化及資源大利用化，混凝土 3D 打印技術將推動建筑工業(yè)化的實現，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 打印技術務必要引起重視。

3D打印混凝土材料是促進 3D 打印施工技術發(fā)展的重要基礎，同時也是制約該技術發(fā)展的關鍵瓶頸。根據國內外的研究進展和應用現狀，3D 打印混凝土材料將朝著綠色、輕質、高強等方向發(fā)展。在未來的研究和發(fā)展中，可加強 3D 打印設備的性能要求，提高 3D 打印的精準度。改善 3D 打印設備的尺寸局限性，適用于更高更大尺寸建筑物的建造。致力推進打印材料精細化性能標準。加大人才培養(yǎng)力度和基金投入。

此外，前文提到建筑3D打印領域目前尚缺乏專門的3D 打印混凝土的相關標準。但參照現行混凝土規(guī)范作為技術指導，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。

BIM 技術（buildinginformation modeling）被稱為建筑行業(yè)的發(fā)展新方向，是以軟件技術模擬建筑真實屬性，將建筑物信息化存儲、傳遞的新概念。通過 BIM 技術，可以查詢到建筑物全生命周期內的各個信息，如材料性能、幾何形狀、工程進度等。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 打印技術分毫不差地 完 成數字化到實體化這一過程。所以尋找BIM-3D 技術在建筑行業(yè)的契合點，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打印技術的研究與發(fā)展[A]. 天津大學、天津市鋼結構協會.第二十一屆全國現代結構工程學術研討會論文集[C].天津大學、天津市鋼結構協會:全國現代結構工程學術研討會學術委員會,2021:7.