混凝土3D打印技術的研究與應用進展

肖博豐 李古

（廣東工業(yè)大學 土木與交通工程學院，廣東 廣州 510006）

0 前言

3D打印技術（3D printing technology）是一種快速成型技術，又稱為增材制造，是一種以數字模型文件為基礎，運用各種可印制（或可打?。┑恼澈喜牧?，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。

隨著3D打印技術的研發(fā)，越來越多的人意識到3D打印技術的可拓展性，該技術也被越來越多地應用在更多更廣的領域。從開始的塑料材料3D打印技術，到之后與醫(yī)學、航天、制造業(yè)等的合作與融合，都印證了3D打印技術具有高度的包容性和產業(yè)技術革新性。

建筑行業(yè)也不例外，可以通過3D打印技術生產出更精確，甚至近乎完美的組件[1]。此外，采用3D打印技術有著無需搭建混凝土澆筑模板即可打印建筑構件或建筑，打印系統(tǒng)的智能化和操作流程的簡單化，打印施工只需配置少量人員即可完成部品或建筑等諸多優(yōu)點[2]。目前，關于建筑建材的3D打印技術還處于初始階段，需要更多的試驗研究去發(fā)展和完善現有的3D打印技術，使其成為成熟且具有工程意義的高水平技術。

本文主要對3D打印材料與工藝及3D打印混凝土的試驗方法與相關應用進行綜述，并對混凝土3D打印技術存在的問題及未來的方向提出看法。

1 混凝土3D打印材料與工藝研究

3D打印材料的通用性來自系統(tǒng)的多樣性，但對于每個具體的應用，可用材料仍然是有限的，仍有待進一步探索[3]。如今，國內外有不少關于混凝土3D打印材料的研究，關注點主要在水泥基材料本身及外加劑或纖維增強上，從而改善混凝土3D打印過程中的構件性能或打印能力。

1.1 混凝土3D打印材料研究

目前，3D打印混凝土膠凝材料主要以無機材料為主，如硅酸鹽水泥、干混砂漿、粘土類、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[4]。

石叢黎等[5]通過對3D打印混凝土技術的試驗和初步探索，發(fā)現采用普通水泥和快硬性水泥的復配，能夠解決普通水泥凝結時間長而導致的構件打印強度支撐問題，因為快硬水泥能在短時間內提供支撐結構其他未凝結硬化部分的強度，同時，采用輕質集料減輕混凝土材料自身的重量也可以增加打印的高度。邱鵬鵬[6]在開展硫鋁酸鹽水泥作為3D打印材料研究時發(fā)現，硫鋁酸鹽水泥具有凝結硬化快、早期強度高、后期強度仍穩(wěn)定、收縮率低、低溫性能好、耐腐蝕性能強等優(yōu)點，是理想的作為3D打印的膠凝材料，而且，硫鋁酸鈣鹽水泥的加入，能夠通過提高水泥漿的屈服應力使得打印后的各層砂漿具有更好的可建造性[7]。

3D打印混凝土的性能不僅與水泥有關，材料中的砂率也會有影響。當砂率小于0.235時，隨著水泥摻量的增加，混凝土的靜屈服應力也會隨之增加，但對高砂量（大于0.24）而言則相反[8]。

此外，外加劑或纖維增強也能改變3D打印混凝土的打印性及性能。石叢黎等[5]和Rubio等[9]在其材料中加入聚丙烯纖維、增稠劑及自制的柔性調節(jié)劑，發(fā)現纖維和外加劑能提高材料的觸變性、柔順連續(xù)性。而引氣劑的使用，不但能夠降低混凝土的彈模，提高混凝土的抗?jié)B性能、抗凍性能，更重要的是引氣劑引入微小、均勻獨立氣泡，起到了滾珠效應，使骨料顆粒間摩擦力減小，增加了水泥漿體的體積，降低混凝土的塑性粘度[6]。

雷斌等[4]進行了3D打印混凝土材料的制備方法研究，在混凝土中加入活性礦粉，發(fā)現粉煤灰、硅粉、礦粉、陶瓷拋光磚粉等礦物摻合料的活性成分能大幅提高打印構件的強度及結構的致密度，從而提高材料的耐久性能和結構的使用壽命。Tohamy等[10]通過在混凝土材料中加入聚丙烯纖維進行3D打印研究發(fā)現，聚丙烯纖維可防止打印混凝土樣品剝落，在一定程度上優(yōu)化混凝土在打印機輸出端口的擠出過程，并得到均勻、連續(xù)的打印試體結構，同時，聚丙烯纖維可在一定程度上抑制混凝土構件裂縫開裂，但是聚丙烯纖維摻量過多會降低混凝土的抗?jié)B性能。Kazemian等[11]發(fā)現相對于聚丙烯纖維，硅灰和納米粘土的混合效應對于3D打印混凝土的影響更明顯，且提高了混凝土打印后的形狀穩(wěn)定性，但是，單就硅灰和納米粘土的比較而言，硅灰的水化反應強于納米粘土，而納米粘土在靜止狀態(tài)下的結構重建變化率較好[12]。

Rubio等[9]研究不同的配比對3D打印砂漿流變特性和新鮮性能的影響，結果發(fā)現，添加24%的粉煤灰和8%的硅灰能夠顯著增加砂漿的強度、粘結性能、結構均勻性和穩(wěn)定性，同時還降低了砂漿的流動性、泌水和層間隔離度，提高了砂漿的擠出性能。Ma等[13]采用銅尾砂與天然砂的質量替代比的六種混合方法研究3D打印混凝土的最佳配比，結果表明，由于銅尾礦顆粒較細，以坍落度、擴展度和V型漏斗時間為特征的新漿料流動性隨尾礦置換比的增大而增大，但混凝土的可打印性隨之降低。

Panda等[14]指出，短切玻璃纖維的加入能夠對3D打印混凝土的力學性能有顯著提高，尤其是當短切玻璃纖維摻量為1%時，在不同方向的抗彎、抗壓試驗中均對抗彎強度和抗壓強度有所增強。Hambach等[15]對纖維進行熱處理，提高纖維的分散性和親水性及纖維與膠凝基質的粘結性，隨后進行混凝土3D打印試驗研究，結果表明，處理后的纖維可增強復合材料的抗彎強度，特別是摻入1%的碳纖維能夠使構件具有最高30MPa的抗彎強度。

Tay等[16]通過分析礦渣粉因素和混凝土自身數據發(fā)現，水膠比和砂膠比對混凝土坍落度和擴展度的影響要大得多，進而提出坍落度在4～8mm、擴展度在150～190mm的混合物具有光滑的表面和很高的可建造性。Panda等[17]對硅灰和?；郀t礦渣（ground granulated blast-furnace slag,GGBS）的研究表明，GGBS對于水泥砂漿的新拌能力改善作用有限，但對其早期抗壓強度影響顯著，GGBS的加入可能促進了均質微觀結構的發(fā)展，并產生了更強的三維網絡，而硅灰的加入對控制混合物在生料階段的屈服應力和粘度有一定的作用。

Liu等[8]研究了砂、水泥、粉煤灰三元體系對材料靜態(tài)屈服應力和動態(tài)屈服應力的影響，結果發(fā)現，當砂率體積分數小于0.235時，材料的靜態(tài)屈服應力隨粉煤灰摻量的減少而增大，此外，動態(tài)屈服應力隨粉煤灰摻量的增加而減小，當砂率體積分數達到0.28左右時，則隨水泥摻量的增加而增大。Rahul等[18]發(fā)現在3D打印混凝土中加入納米粘土可提高混合物的強度，屈服應力也隨納米粘土含量的增加而增加，此外，粘度改性劑（viscosity modified agent,VMA）和硅灰的加入也會使混凝土的強度變高，穩(wěn)定性更好，同時還發(fā)現，屈服應力隨著VMA和硅灰的加入而增加。

Mazhoud等[19]探討制造水下3D打印材料的可能性，通過在砂漿中加入水下不分散劑（anti-washout admixture）來研究其性能，結果表明，隨著W/C和水下不分散劑含量的增加，結構累積速率逐漸減小，此外，水下不分散劑的加入降低了砂漿的滲透性。

不管是水泥種類的優(yōu)選，還是輔助膠凝材料/外加劑的選用，或是纖維的摻入，都會顯著影響3D打印混凝土的性能，帶來一定的正面效果。但實際應用中也發(fā)現，過量摻入纖維會帶來消極的影響。而較多研究表明，硅灰的摻加能夠使混凝土的流變性能和可打印性達標，因此，硅灰或是提升3D打印混凝土性能的較好材料。

1.2 混凝土3D打印工藝研究

除了材料本身，混凝土3D打印質量的好壞也和機器、材料配比、流變性能等有密切關系。

藺喜強等[2]通過對快硬早強混凝土的3D打印研究發(fā)現，打印混凝土的工作性能和凝結時間控制是材料可打印施工的關鍵指標，需根據3D打印工藝流程和打印速度調節(jié)至適合于打印，結果表明，初凝時間20～60min，砂漿流動度170～190mm，強度等級C40～C50，可滿足一般的建筑部品或構件的打印需求。Ma等[13]通過用銅尾砂與天然砂的質量替換，確定了以水膠比為0.26，砂尾比為3:2，由70%的水泥、20%的粉煤灰、10%的硅灰和1.2kg/m3的短切聚丙烯纖維組成的配比能夠得到最佳的和易性。

Khalil等[7]研究出了利用普通硅酸鹽水泥與硫鋁酸鈣鹽水泥復摻的方法，最終配制出由93%的普通硅酸鹽水泥和7%的硫鋁酸鈣鹽水泥復配，水灰比為0.35，砂灰比為2，減水劑為0.26%的砂漿配比，其打印層數可以疊加到超過25層。

張大旺等[20]通過對3D打印混凝土材料及技術的研究發(fā)現，機器噴嘴的大小決定了混凝土拌合物配制中的顆粒大小，且必須找到最合適的骨料粒徑大小，粒徑過大，會堵塞噴嘴，而粒徑過小，包裹骨料所需漿體的比表面積大，漿體多，水化速率快，單位時間水化熱高，會導致混凝土各項性能惡化；同時，3D打印試樣的力學性能也受到噴嘴形狀、打印對象的復雜程度等打印參數的影響[21]。

Vaitkevi?ius等[22]將超聲波活化技術和3D打印技術結合，研究超聲波技術對3D打印混凝土的影響，從結果可知，超聲波活化使3D打印技術過程更容易控制，技術不再依賴環(huán)境條件（溫度和風），可以得到更好的強度和更耐用的打印混凝土，在誘導前的水化過程中，用超聲波彌散儀激活粘合劑，可以產生更多的鈣礬石晶體，隨著鈣礬石晶體數量的增加，凝固時間大大縮短，可顯著提高打印速度；同時，在進一步的水化階段，對比沒有超聲波活化的組別，超聲波活化使打印混凝土的力學性能提高了約10%。Nerella等[23]研究出一種新的現場3D混凝土打印方法，試驗證明了可打印混凝土在新拌和硬化狀態(tài)下的重要性能，并提供了研究可打印混凝土的可泵性、可擠壓性和可建造性的試驗方法。

Weng等[24]研制了一種新型的三維可打印纖維增強膠凝復合材料(3D printable fiber reinforced cementitious composite,3DPFRCC)，并進行了大規(guī)模打印試驗，在150分鐘內成功打印出78×60×90cm3的結構，表明該新型3DPFRCC具有良好的可建造性和可泵送性，同時證明了所研制的材料具有良好的流變性能和力學性能，適用于大規(guī)模打印。Jeong等[25]研究出一種新的算法，快速得出所需的流變特性，以防止在打印過程中混凝土的坍塌，在該模型中，新澆混凝土為Herschel-Bulkley流體，假定在層狀混凝土最大剪應力超過屈服應力之前不發(fā)生變形，試驗表明，通過計算流體動力學的分析結果，該模型能夠非常準確地預測坍塌的發(fā)生及位置。

材料和打印機也都扮演著重要的角色。Gosselin等[26]依據現有混凝土工程的局限性提出了新的工藝，研制了一種六軸機械臂，實現了幾何復雜性和打印的全面系統(tǒng)控制。Zuo等[27]通過對3D打印技術的研究，提出了一種基于尺度3D打印的三維設計模型合理性評估和全尺寸3D打印參數優(yōu)化方法，并研制了一種用于全尺寸結構打印的五軸打印設備和大型龍門式高剛性3D打印機，在節(jié)約打印時間和材料的同時，3D打印橋梁模型與實物的最大偏差控制在0.9mm以內，平均偏差在0.1mm以內。

Marchment等[28]通過研究提出一種新的重疊網格鋼筋方法來模擬連續(xù)網格，并對機器噴嘴進行新的設計，試驗和計算結果表明，試樣的破壞不是由于網格與打印材料之間的粘結破壞，而是由于鋼的屈服和斷裂破壞，這表明疊合網格作為一種功能連續(xù)加固是有效的，且噴嘴的設計也是有效的。

此外，也有研究者從鋼混結構中的鋼筋入手研究。Mechtcherine等[29]通過對鋼筋混凝土結構的研究，發(fā)現迫切需要將3D打印結構原件的加固技術向前推進，提出了氣-金屬電弧焊3D打印鋼筋的新工藝，并進行新型鋼筋的力學性能研究，結果表明，與傳統(tǒng)鋼筋相比，3D打印鋼筋的屈服應力和抗拉強度降低了約20%，但是表現出明顯的屈服能力和更高的應變能力，同時，打印鋼筋與可打印細?；炷恋慕Y合性能良好，可與普通鋼筋的結合性能相媲美；所開發(fā)的基于氣電弧焊的3D打印工藝使鋼筋生產具有足夠的幾何精度和幾何自由度，生產速度合理。

混凝土3D打印技術現在仍然處于初探或起步階段，3D打印機器是一個亟需解決的問題，材料的配比也是如此。現有研究成果表明，多軸器械能夠更好處理復雜的3D打印圖形，但復雜的3D打印圖形對混凝土在快硬或可操作性上有更高的要求。而對于材料配合比來說，目前的配合比研究都是基于使用某種外加劑的前提下所提出的經驗性配合比，仍然缺乏通用性的配合比方法及相關理論研究。因此，不管是機器，或是材料配比，都需要系統(tǒng)、深入的研究，缺一不可，否則會出現在實際工程應用中各部分無法匹配兼容的問題。

2 3D打印混凝土性能試驗方法研究

對于3D打印混凝土而言，混凝土本身的性能是一個重要的考量因素，需要采用合適可行的方法對混凝土的各項性能進行研究。

雷斌等[30]對3D打印混凝土的可塑造性能進行了研究，結果表明，3D打印混凝土材料的物理狀態(tài)可大體分為三類：可塑狀態(tài)、半固態(tài)和固態(tài)，同時，試體部分及整體的破壞形式主要有剝落破壞、擠出破壞、滑移破壞和傾覆破壞；此外，打印材料的可打印性能差會導致混凝土纖維孔隙增大，因此，即使抗壓強度仍然很高時，彎曲強度也會明顯降低[31]。

Mazhoud等[19]通過摻加水下不分散劑來研究水下3D打印材料的可能性，結果表明，對于水下3D打印材料，抗壓強度隨著打印速度的增加而降低，而在臨界打印速度以下，3D打印砂漿的彈性模量隨著打印速度的增加而減小。Ju等[32]利用CT掃描、frozen-stress技術和光彈性試驗研究3D打印試件及其力學性能，結果表明，試件在斷裂帶附近的高應力分布區(qū)域和應力梯度方面，試驗數據與模擬數值具有較好的一致性，光彈性方法可用來可視化不規(guī)則形狀和夾雜物的隨機空間分布對非均質結構和固體的強度、變形和應力集中的影響，為驗證相應的數值解提供了良好的驗證方法。

Wolfs等[33]進行了3D打印混凝土的層間粘結試驗和打印試驗，結果表明，對于多材料打印或在打印時用二次材料填充打印結構，應力可能并不只發(fā)生在垂直方向，在這些情況下，臨界層不再是載荷最高的層，即初始層，基于分析強度的準則也不再成立，即對于3D打印混凝土來說，破壞層或可能存在的破壞層并不一定在初始層，而是在各向力偏值最大的間層中。Tay等[34]對3D打印的分層制造進行了研究，結果發(fā)現，初始層的流變性能影響與后續(xù)層的結合，兩層之間界面的附著力是決定結構抗拉強度的關鍵，后一層的模量不受時隙的影響，而初始層的模量隨時隙的增大而增大；初始層的高模量阻礙了界面的良好接觸和混合，隨著時間間隔的增大，界面的空隙越來越大，對層間強度的影響呈對數衰減，同時，為了支撐后續(xù)各層，保持結構穩(wěn)定，需要初始層的高模量。Rahul等[35]的試驗證明，3D打印混凝土只有當材料屈服應力在一定范圍內時才有可能分層建造，低屈服應力值會導致層的倒塌，阻止分層的可建性，但如果屈服應力太高，材料會太硬而不能擠出，新拌混合物的屈服應力建議在1.5～2.5kPa之間。

Sanjayan等[36]通過延長層間打印時間（分別為10min、20min和30min）來探究層間強度的影響因素，結果表明，影響層間強度的主要因素之一是層間表面的水分水平，如果表面是干燥的，則沒有可加工性來形成粘結，而隨著層間延遲時間的增加，抗壓強度和抗彎強度先增大后減小，對于相同批次的材料，較大的層間時間間隔會降低材料的強度，而打印速度和噴嘴距較小時效果更好，所有這些參數是互補的，必須限制在一個最佳范圍[37]。

Le等[38]和Wolfs等[39]研究3D打印混凝土的層間粘結強度發(fā)現，打印效果不佳會導致混凝土制品的密度較低，隨著層間打印間隙的增大，拉伸結合強度會降低，當間隙保持在15min時，鍵合大于材料的拉伸能力，而30min或以上的間隙會導致界面粘結失效，進而建立了特征粘結強度與時間的關系，同時指出界面缺水會隨時間顯著降低。Ma等[40]提出了一種擠壓式3D打印系統(tǒng)，并研究其應力力學性能，結果表明，層間疊加導致了3D打印自由形態(tài)模型的層合結構，由于相鄰細絲間的經度缺陷，模型整體力學性能呈現明顯的各向異性，彎曲和剪切試驗均表明，不同加載方向下，打印試樣的抗壓強度變化較大，垂直于細絲間弱界面的拉伸應力比平行于細絲間弱界面的拉伸應力更容易產生裂紋，定向纖維在擠出過程中從噴嘴的窄口處對長絲產生一定的力學增強；同時還發(fā)現，電磁干擾監(jiān)測被證明是一種有效的損傷檢測和定量方法，結構損傷引起的結構機械阻抗的變化導致了PZT信號的變化。

Zareiyan等[41]利用齒狀聯鎖結構進行了3D打印混凝土的層間粘接試驗，結果表明，無論采用何種測試方法，齒狀聯鎖層（0.25英寸和0.5英寸）都會增加各層之間的結合，沿層間界面受壓時，0.5英寸的互鎖試件的粘結強度從16%提高到19%，平均提高約17%（層間粘結）；此外，劈裂試驗的粘結強度增加了26%，這可能是因為層間接觸面的增加。

Feng和Xia等[42-43]研究了3D打印技術的噴印方向對混凝土構件的影響，結果表明，所有3D打印立方體在X、Y、Z三個方向加載時，其破壞模式相似，均為沙漏形開裂，但在X方向（即打印頭移動方向）加載時，其抗壓強度和彈性模量最高，且噴印方向對結構的承載能力有顯著影響。Wolfs等[44]對試件的尺寸效應和密實度因素進行了研究，通過定制的三軸壓縮試驗裝置，與平行進行的單軸壓縮試驗和超聲波透射試驗進行了比較，結果表明，試樣的尺寸、密實程度或打印材料中存在的小裂縫和空隙，在較后的混凝土齡期影響顯著，在齡期為60min或90min時，壓實構件的強度比未壓實構件高很多。

從上述研究可以看出，研究人員已提出了一些可行的3D打印混凝土性能測試方法，包括新拌性能試驗和力學性能試驗等。但是，還沒有形成較為系統(tǒng)的試驗標準和規(guī)范，特別是可在現場試驗的簡易方法仍沒有很好地建立與完善。

3 3D打印混凝土的應用

混凝土3D打印技術的特點是利用CAD等建模軟件，在自然關節(jié)掃描結果上進行重建，打印虛擬三維關節(jié)模型，并能直接將數字關節(jié)模型轉換為物理模型[45]。

Sakin等[46]對BIM技術和3D打印技術的適用性進行了研究，發(fā)現BIM可以提高設計的細節(jié)和精度，設計的建筑和行動計劃會更加具體，通過BIM能同步且更系統(tǒng)地對建筑物進行精準建造。3D打印技術在建筑上有諸多優(yōu)勢，不僅能降低成本，環(huán)保利用原材料，改進施工流程，還能減少現場高危作業(yè)，減少建造時間。

Xu等[47]將混凝土3D打印技術與歷史建筑進行融合，利用混凝土3D打印技術和掃描技術對歷史建筑的混凝土構件破壞部位進行修復，效果良好，證明3D掃描技術和3D打印技術的結合可以解決歷史建筑修復中普遍存在的問題。最新的3D建模和打印經驗表明，需要引入新的專業(yè)技術來支持考古學家、建筑師、工程師和修復者，需要使用與儀器測量相關的數字技術，以實現3D建模和實體打印[48]。

對于3D打印，硬件與軟件的發(fā)展都不可或缺。對于軟件，一個重要的問題是確保在建筑設計、結構分析和打印過程中使用的應用程序的互操作性[49]。Marczyk等[50]指出，3D打印技術的成功不僅取決于改善設計和生產過程之間的關系，還取決于工程師設計建筑構件的技能。混凝土或地聚合物的打印性能取決于機械性能和和易性，可以通過選擇材料和打印參數進行優(yōu)化。

如今，混凝土3D打印技術在很多國家都已經有建筑實例。在國外，美國海軍陸戰(zhàn)隊司令部增材制造團隊使用了世界上最大的混凝土3D打印機建造軍營[51]；世界上最大3D打印建筑已在迪拜竣工[52]；墨西哥開建的“3D打印社區(qū)”預計會完工50棟住宅[53]。在國內，河北工業(yè)大學打印完成了世界最長跨度裝配式混凝土3D打印趙州橋[54]；上海市有10幢3D打印建筑將落成[55]；在新冠疫情期間使用了3D打印隔離病房[56]。這些都印證了3D打印技術在土木工程領域的應用與融合。對于土木工程領域現有的BIM技術及其他建模技術，3D打印與它們融合及共同發(fā)展的前景廣闊。而混凝土3D打印技術的跨界運用，也是可以思考和探索的內容，不管是航天或是海洋工程等。

4 問題和展望

研究中存在的問題主要有：

1）雖然在改善3D打印混凝土材料上有較大突破，但仍然缺乏系統(tǒng)研究；

2）對混凝土3D打印機器的研究仍有不足，距離大規(guī)模工業(yè)化生產仍有距離；

3）對3D打印混凝土的材料配比及試驗方法雖有探索，但沒有形成統(tǒng)一的衡量標準和規(guī)范。

未來的研究方向主要是：

1）混凝土3D打印技術是一項新興技術，將給土木工程領域帶來巨大變革。目前的關鍵是對3D打印混凝土的性能、試驗與評價標準進行更系統(tǒng)的研究，力求有一套比較完善的3D打印混凝土規(guī)范，以引導混凝土3D打印技術的后續(xù)發(fā)展。

2）對于3D打印混凝土的材料、配比及機器本身的問題，需要更加深入的研究，從各項性能提升入手，系統(tǒng)探究3D打印混凝土的局限性和可發(fā)展性。

3）加快混凝土3D打印技術的應用探索及研究，從工程角度解決實際生產中的技術瓶頸。