水泥基材料3D打印技術(shù)研究進(jìn)展

王海龍 陳杰 高超 高君峰 孫曉燕

（浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058）

0 前言

信息化和數(shù)字化是當(dāng)今各行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。3D打印技術(shù)可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)平臺(tái)，與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能材料等眾多先進(jìn)技術(shù)緊密融合，實(shí)現(xiàn)智能化制造，改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)方式和生活方式。1986年Charles Hull發(fā)明了世界上第一臺(tái)3D打[1]，利用建模軟件或?qū)嶓w掃描方式得到的數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用金屬粉末或非金屬材料，通過(guò)逐層打印方式來(lái)構(gòu)造物體的空間形態(tài)。由于3D打印技術(shù)在制造工藝方面的創(chuàng)新，其被認(rèn)為是“第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”[2]。

在新一輪工業(yè)革命浪潮下，3D打印作為先進(jìn)制造技術(shù)的代表正在嶄露頭角。與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[3]。經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展和推廣，3D打印技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)設(shè)計(jì)、生物醫(yī)療、食品、藝術(shù)設(shè)計(jì)、建筑模型和教育等諸多領(lǐng)域。美國(guó)于2012年成立了“國(guó)家增材制造中心”，掀起了全球3D打印的熱潮[1,4]。

近年來(lái)，基于房屋、橋梁等建筑物智能建造的發(fā)展需求，水泥基材料3D打印技術(shù)也取得了一些突破，一定程度上可以有效解決建筑傳統(tǒng)施工中存在的手工作業(yè)多、模板用量大、造型復(fù)雜難以實(shí)現(xiàn)等問題。也因?yàn)槿绱?，新型的、智能化的建?D打印技術(shù)在行業(yè)內(nèi)的關(guān)注度得到了不斷提高。

1 3D打印工藝

建筑3D打印技術(shù)作為新型數(shù)字建造技術(shù)，與傳統(tǒng)建筑技術(shù)相比，具有建造速度快、無(wú)模機(jī)械化施工、節(jié)省人力和建造成本[5]、可完成空間任意造型結(jié)構(gòu)[6-7]等優(yōu)勢(shì)。目前，應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的3D打印工藝主要有以下三種：D型工藝（D-Shape）、輪廓工藝（Contour Crafting）和混凝土打印（Concrete Printing）。

粘結(jié)沉降成型工藝“D-Shape”是由意大利工程師Enrico Dini發(fā)明的一種3D打印工藝[8]。打印機(jī)底部有數(shù)百個(gè)噴嘴，如圖1所示，這些噴嘴可以同時(shí)噴射出鎂質(zhì)粘合物，在粘合物上噴撒砂子可以逐漸鑄成實(shí)質(zhì)固體，通過(guò)一層層粘合物和砂子的結(jié)合，最終形成石質(zhì)建筑物。D-Shape打印機(jī)能夠很容易地打印其他建造方式難以實(shí)現(xiàn)的高成本曲線建筑。目前，基于這種打印工藝已經(jīng)成功建造了一些建筑結(jié)構(gòu)，比如荷蘭的Janjaap Ruijseenars等[9-10]模擬莫比烏斯環(huán)，利用D-shape技術(shù)建造了景觀別墅landscape house（見圖2）。

圖1 D-shape工藝的打印機(jī)[11]Fig.1 Machine for D-shape printing[11]

圖2 打印建筑landscape house設(shè)計(jì)[10]Fig.2 Design of printing building of landscape house[10]

輪廓工藝（CC）是由美國(guó)南加州大學(xué)的Behorhk Khoshnevis開發(fā)的一種分層制造技術(shù)[12]。該工藝可以使用水泥、混凝土為原料，依據(jù)設(shè)計(jì)圖，利用3D打印機(jī)的噴嘴噴出高性能材料，逐層打印出墻壁、隔間和裝飾等，再用機(jī)械手臂完成整座房子的基本構(gòu)架，如圖3（a）所示。輪廓工藝的特點(diǎn)在于不需要使用模板，打印出來(lái)的建筑物輪廓將成為建筑物的一部分，大大提升了建造的效率。除了打印房屋外，輪廓工藝的另一個(gè)潛在用途是探索地外環(huán)境，如美國(guó)航天局正在研究在外星球上建造太空基地的可能性[13]，希望為人類進(jìn)行行星探索提供一個(gè)外星棲息地，如圖3（b）所示。

圖3 輪廓工藝的應(yīng)用Fig.3 Application of contour crafting printing method

混凝土打印由英國(guó)拉夫堡大學(xué)建筑工程學(xué)院提出，該技術(shù)與輪廓工藝相似，也是基于混凝土噴擠堆積成型的工藝[14]。混凝土打?。C(jī)械裝置如圖4所示）通過(guò)空間鋼筋網(wǎng)保證了打印構(gòu)件的整體性能，工藝簡(jiǎn)單，打印效率較高[15]；但其打印的構(gòu)件表面粗糙，尺寸受設(shè)備限制[16]（如圖5）。

圖4 混凝土打印機(jī)械裝置[15]Fig.4 Printing system for concrete[15]

圖5 混凝土打印制作的構(gòu)件[16]Fig.5 Printed elements using printable concrete[16]

2 3D打印水泥基材料研究現(xiàn)狀

與傳統(tǒng)的建筑材料相比，建筑3D打印材料要求具有良好的可塑性、工作性、觸變性以及早期力學(xué)性能。目前，國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者就3D打印建筑材料進(jìn)行了研發(fā)[17-19]，其中工作性能、力學(xué)性能和耐久性能是建筑3D打印材料的研究熱點(diǎn)。

2.1 工作性能

3D打印水泥基材料的工作性能指標(biāo)包括流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間、早期強(qiáng)度、可建造性等方面。打印材料的流動(dòng)性能需要控制在合適的范圍內(nèi)，才能滿足3D打印泵送輸出和穩(wěn)定打印的要求。流動(dòng)性可通過(guò)水膠比、合理的級(jí)配以及加入適當(dāng)?shù)耐饧觿﹣?lái)控制。減水劑是最常見的外加劑，隨著減水劑的增加，流動(dòng)性能隨之提高，但是過(guò)高的流動(dòng)性會(huì)造成建造性能的降低，Malaeb等[20]通過(guò)研究提出每365g基體材料（水泥、砂、細(xì)集料）中聚羧酸鹽減水劑的摻量不宜超過(guò)1.1mL。

3D打印材料應(yīng)具有初凝時(shí)間可調(diào)以及初、終凝時(shí)間間隔短的特點(diǎn)。初凝時(shí)間可調(diào)指根據(jù)打印長(zhǎng)度和高度以及打印速度的快慢來(lái)調(diào)整材料的初凝時(shí)間；初、終凝時(shí)間間隔短是為了保證打印材料有足夠的強(qiáng)度發(fā)展速率，保證材料具有在不同高度自重作用下不產(chǎn)生大的變形。Le等[7]研制了一種聚丙烯微纖維增強(qiáng)細(xì)骨料混凝土，其流動(dòng)性能可維持100min，具備足夠的工作時(shí)間（流動(dòng)性可以維持的時(shí)間），且該混凝土在打印62層之后，底層并沒有出現(xiàn)明顯的變形，具有良好的可建造性。

建筑3D打印材料還應(yīng)具有足夠的早期強(qiáng)度，特別是1～2h內(nèi)的早期強(qiáng)度應(yīng)發(fā)展較快，以保證結(jié)構(gòu)在連續(xù)打印過(guò)程中不變形。表1給出了一些代表性研究中3D打印水泥基材料工作性能的研究成果。

表1 3D打印水泥基材料工作性能Tab.1 Workability of 3D printing cementitious materials

2.2 力學(xué)性能

要建造性能良好的混凝土結(jié)構(gòu)，打印材料應(yīng)具有較高的強(qiáng)度、良好的抗裂能力和韌性。利用纖維進(jìn)行增強(qiáng)能夠顯著提高水泥基材料的抗裂性能，也可以明顯改善打印材料的韌性和延性，還能推遲混凝土制品的表面劣化，提高其耐久性[28]。表2列舉了國(guó)內(nèi)外一些可用于3D打印的纖維增強(qiáng)水泥基材料的力學(xué)性能。Le等[7]以普通硅酸鹽水泥、粉煤灰和硅灰為膠凝材料，加入砂和聚丙烯微纖維(纖維摻量1.2kg/m3)制得一種高性能纖維增強(qiáng)細(xì)骨料混凝土。Hambach M等[29]研究了短纖維增強(qiáng)3D打印用水泥基材料的力學(xué)性能，分別對(duì)摻加1%碳纖維、1%玄武巖纖維和1%玻璃纖維的水泥基材料的力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。馬國(guó)偉等[21]利用尾銅礦研制的3D打印水泥基材料（聚丙烯纖維摻量1.2kg/m3）具有良好的工作性能和力學(xué)性能。汪群等[26-27]利用聚乙烯醇纖維（摻量為混凝土體積的1.2%）研制了3D打印水泥基復(fù)合材料，并探討聚乙烯醇纖維的摻量對(duì)混凝土粘結(jié)性能、力學(xué)性能和耐久性能的影響。

表2 3D打印水泥基材料力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of 3D printing cementitious materials

2.3 耐久性能

除了安全性要求，3D打印建筑還需要滿足建筑結(jié)構(gòu)的耐久性要求。打印建筑需盡可能使用抗?jié)B性能良好、強(qiáng)度高的打印材料。普通硅酸鹽水泥基材料抗?jié)B保溫性能差，需在其中添加外加劑，或者使用其他性能良好的水泥基材，才能提高打印材料的性能以滿足打印結(jié)構(gòu)的耐久性要求。東南大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[30]對(duì)其研發(fā)的3D打印混凝土材料進(jìn)行了耐久性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，同普通混凝土一樣，通過(guò)使用對(duì)應(yīng)的外加劑、更換合適的膠凝材料或調(diào)整混凝土配合比（如水膠比、砂膠比、纖維摻量等），可以有效提高該材料的耐久性能，滿足工程要求。浙江大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[26]對(duì)其研發(fā)的3D打印水泥基復(fù)合材料進(jìn)行碳化試驗(yàn)和氯離子滲透試驗(yàn)，結(jié)果表明，3D打印水泥基復(fù)合材料的分層打印未對(duì)碳化分布造成明顯的影響，但碳化速率和抗?jié)B系數(shù)與層界分布顯著相關(guān)，與層間界面相比，條間界面抗碳化和抗?jié)B性能更低，3D打印堆積成型雖減少了結(jié)構(gòu)內(nèi)部大孔，但使界面缺陷呈現(xiàn)出各向異性。

3 3D打印水泥基材料的配筋增強(qiáng)研究進(jìn)展

目前，3D打印水泥基材料還存在諸多問題，通過(guò)纖維增強(qiáng)可有效提高材料的抗拉強(qiáng)度和延性，但纖維較短，連續(xù)性較差，且纖維增強(qiáng)材料只能在打印層沉積方向上增強(qiáng)，而不能跨越層間增強(qiáng)混凝土[31-33]。要打印建造建筑結(jié)構(gòu)，單純依靠材料中的纖維尚不能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性要求，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行配筋是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的方法，但是如何在打印過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件的配筋是一個(gè)需要考慮機(jī)械、材料、工藝等多方面因素的綜合性問題，需多學(xué)科配合才能解決。

按照配筋方式，目前3D打印水泥基材料的增強(qiáng)方式可概括為內(nèi)置預(yù)制鋼筋網(wǎng)和打印鋼筋網(wǎng)。內(nèi)置預(yù)制鋼筋網(wǎng)的方法又可以分為：1）在打印模板中內(nèi)置鋼筋并澆筑混凝土形成一個(gè)整體；2）打印過(guò)程中在打印層間置入預(yù)制增強(qiáng)筋材或網(wǎng)片；3）通過(guò)特制噴嘴在鋼筋網(wǎng)兩側(cè)打印水泥基材料。由于3D打印可以建造復(fù)雜的構(gòu)件輪廓，因此可將其作為永久模板使用，結(jié)構(gòu)建造時(shí)只需在模板內(nèi)放置預(yù)制的鋼筋籠，再澆筑形成鋼筋混凝土構(gòu)件，即可滿足結(jié)構(gòu)的安全性和承載力要求。浙江大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[34]采用3D打印水泥基復(fù)合材料打印制作了永久梁模板和永久柱模板，并對(duì)其配筋后再澆筑混凝土形成疊合梁和柱，通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)得出：永久模板能與后澆混凝土協(xié)調(diào)工作；得益于高強(qiáng)度的打印模板，疊合方柱軸心抗壓強(qiáng)度比整體現(xiàn)澆方柱提高23.4%，疊合圓柱軸心抗壓強(qiáng)度比整體現(xiàn)澆圓柱提高36%。拉夫堡大學(xué)Le T T[7,16]基于自主研發(fā)的3D打印混凝土材料，通過(guò)在打印構(gòu)件上預(yù)留孔道放置預(yù)應(yīng)力筋來(lái)增強(qiáng)構(gòu)件的承載能力，增強(qiáng)方式如圖6所示。在水泥基材料打印過(guò)程中置入預(yù)制鋼筋網(wǎng)也被證明是一種有效的增強(qiáng)方式。浙江大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[26]通過(guò)在打印過(guò)程中鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)拱構(gòu)件的配筋增強(qiáng)，如圖7所示，通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)得出：加入鋼絲網(wǎng)對(duì)拱的承載能力的影響與其具體形態(tài)有關(guān)，在配筋率相似的情況下，密鋼絲網(wǎng)的加勁效果優(yōu)于疏鋼絲網(wǎng)；采用密鋼絲網(wǎng)的3D打印拱與疏鋼絲網(wǎng)相比，極限荷載提高15.2%。北京華商騰達(dá)還發(fā)明了一種在配筋網(wǎng)兩側(cè)打印混凝土的技術(shù)，具體實(shí)施方法是先布置豎向鋼筋網(wǎng)，然后使用叉形噴嘴，在鋼筋網(wǎng)的兩側(cè)同時(shí)打印，如圖8所示[35]，通過(guò)這種方法，該公司在45天內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)打印完成了400m2兩層別墅。而澳大利亞斯威本科技大學(xué)發(fā)明了一種新型的3D打印噴嘴，可在噴嘴中間插入鋼筋網(wǎng)片，以此形成配筋增強(qiáng)構(gòu)件，如圖9所示。Marchment通過(guò)三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)（跨徑1.4m）得出，與無(wú)筋梁相比，以這種方式打印的試驗(yàn)梁抗彎承載力提高170%～290%，且鋼筋網(wǎng)片與打印的混凝土具有良好的粘結(jié)性能[35]。

圖6 預(yù)應(yīng)力筋增強(qiáng)打印構(gòu)件[16]Fig.6 Printed element reinforced with prestress cable[16]

圖7 鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)3D打印混凝土拱Fig.7 3D printed arch reinforced with steel wires

圖8 鋼筋網(wǎng)兩側(cè)打印混凝土[35]Fig.8 Concrete printed from both sides of steel grid[35]

圖9 打印噴頭中鋼筋網(wǎng)片插入[35]Fig.9 Steel grid embedded in the middle of print head[35]

在混凝土打印過(guò)程中同時(shí)打印鋼筋網(wǎng)的增強(qiáng)方式，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了一些嘗試。德國(guó)德累斯頓工業(yè)大學(xué)Mechtcherine等[36]使用氣體-金屬電弧焊對(duì)鋼筋進(jìn)行3D打印，并通過(guò)粘結(jié)試驗(yàn)得到3D打印鋼筋與混凝土的粘結(jié)力可相當(dāng)于普通鋼筋與混凝土的粘結(jié)力。但是，打印鋼筋的溫度很高，如不能快速冷卻，很難與打印混凝土同時(shí)操作并形成性能良好的一體化構(gòu)件，因此此種方法要實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。河北工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[37]采用在3D打印噴嘴上添加線軸，在打印混凝土的同時(shí)，通過(guò)線軸在混凝土上布設(shè)鋼絲來(lái)實(shí)現(xiàn)配筋增強(qiáng)構(gòu)件，如圖10所示，通過(guò)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)得出，這種配筋方式能大大提高打印構(gòu)件的抗彎強(qiáng)度。基于打印混凝土的同時(shí)進(jìn)行連續(xù)布筋增強(qiáng)的思想，浙江大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[38]研究了布設(shè)筋材與3D打印水泥基復(fù)合材料的粘結(jié)性能，通過(guò)拉拔試驗(yàn)得出，由于3D打印試件存在層間和條間缺陷，筋材與復(fù)合材料間的粘結(jié)強(qiáng)度均小于模板澆筑試件，且打印方向?qū)φ辰Y(jié)強(qiáng)度有一定的影響，在3D打印試件中，平行打印試件的粘結(jié)強(qiáng)度最大，垂直打印試件的粘結(jié)強(qiáng)度最小；并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了連續(xù)布筋混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)和受力性能系統(tǒng)研究。

圖10 打印噴頭上布設(shè)鋼絲線軸[37]Fig.10 Wire spool Arranged on the print head[37]

4 問題與展望

盡管3D打印技術(shù)存在諸多優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者也開展了一定的研究工作，但是3D打印技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于起步階段，還面臨許多難題和不足，主要集中在打印材料、配筋方法、打印工藝和機(jī)器設(shè)備等方面，未來(lái)的建筑3D打印技術(shù)的研究重點(diǎn)仍集中于此。

1）打印材料具有明顯的脆性。目前用于3D打印建筑的材料以水泥基材料為主，雖然現(xiàn)階段對(duì)于3D打印水泥基材料的研究和應(yīng)用取得了較好的成果，但3D打印材料的性能要求比較嚴(yán)格，不是所有的水泥基材料都適于建筑結(jié)構(gòu)的打印建造，一些高強(qiáng)度水泥基材料的低適用性也不利于其在建筑行業(yè)的推廣應(yīng)用。水泥基打印材料具有明顯的脆性，盡管一些材料在制作時(shí)加入增強(qiáng)纖維，但是纖維連續(xù)性不強(qiáng)，增強(qiáng)效率有限，如直接采用這些材料打印成水平分布的承重構(gòu)件，則承載能力較低，且會(huì)發(fā)生脆性破壞。因此，尚需從結(jié)構(gòu)應(yīng)用的角度對(duì)水泥基打印材料進(jìn)行優(yōu)化研究。

2）打印工藝不完善，且缺乏評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。目前的3D打印技術(shù)施工工藝尚存在以下問題：首先，建筑結(jié)構(gòu)表面平整度不足。3D打印結(jié)構(gòu)的表面比較粗糙，一定程度上影響建筑結(jié)構(gòu)的美觀和性能，如對(duì)大型打印構(gòu)件采用找平的方式提高表面平整度，會(huì)耗費(fèi)大量的人力和物力。其次，打印精度不高。打印的建筑結(jié)構(gòu)往往與設(shè)計(jì)尺寸存在偏差，給裝配式施工的打印構(gòu)件帶來(lái)裝配困難；無(wú)法做到靈活精準(zhǔn)預(yù)留管道等工藝，需要后期進(jìn)行鉆孔等處理，可能對(duì)打印結(jié)構(gòu)造成潛在的損傷風(fēng)險(xiǎn)。最后，打印層間和條間的粘結(jié)截面為薄弱環(huán)節(jié)。打印時(shí)不同層條的接觸界面存在較多的孔隙，承載時(shí)容易從這些薄弱處發(fā)生破壞。2019年7月26日協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《3D打印混凝土材料性能試驗(yàn)方法》《3D打印混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法》編制組成立暨第一次工作會(huì)議于在西安召開，該兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的制定與發(fā)布將推動(dòng)科學(xué)合理地檢測(cè)和評(píng)估3D打印混凝土新拌及硬化后的性能，對(duì)于促進(jìn)3D打印技術(shù)建造混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有重要意義。

3）3D打印結(jié)構(gòu)的配筋增強(qiáng)方式亟待深化研究。要想提高3D打印構(gòu)件的承載能力，采用一定的配筋方式對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固增強(qiáng)是必須的。現(xiàn)有的綁扎鋼筋籠工藝與3D打印技術(shù)無(wú)法兼容，而采用體外配筋或在3D打印永久模板中進(jìn)行配筋已得到有效嘗試，但在打印過(guò)程中進(jìn)行體內(nèi)打印配筋需要特殊的打印設(shè)備；同時(shí)，對(duì)于采用的配筋材料也需要合理選擇，以適應(yīng)3D打印工藝，彌補(bǔ)3D打印缺陷。

4）打印設(shè)備適應(yīng)性弱。目前已有多家機(jī)構(gòu)進(jìn)行3D打印設(shè)備的生產(chǎn)和研發(fā)，但3D打印設(shè)備尺寸大多不大，適于打印小尺寸的建筑構(gòu)件，對(duì)于大型建筑物還很難一次打印成型，且打印時(shí)難以同時(shí)滿足抹面、預(yù)留孔道、布置鋼筋等要求，為了適應(yīng)建筑市場(chǎng)的發(fā)展需求，尚需開發(fā)大尺寸、全尺寸、功能完善的打印設(shè)備，同時(shí)提高打印機(jī)的打印精度。此外，尚需根據(jù)打印設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究。