3D打印混凝土工作及力學性能研究進展*

史慶軒 萬勝木

(1.西部綠色建筑國家重點實驗室/西安建筑科技大學， 西安 710055； 2.西安建筑科技大學土木工程學院，西安 710055； 3.西安建筑科技大學結構工程與抗震教育部重點實驗室， 西安 710055)

0 引 言

由Khoshnevis等[1]開發(fā)的3D打印技術近年來逐漸應用于建筑業(yè)，以響應建筑工業(yè)化需求和綠色建筑發(fā)展理念。由此3D打印混凝土應運而生，其本質是一項基于擠壓的增材制造技術，即滿足工藝要求的可打印材料通過噴嘴擠出形成沉積層，層與層之間相互堆疊，在不依賴模板的前提下逐層形成建筑構件，甚至是工程實體。與傳統(tǒng)混凝土施工技術相比，可彌補因城市化和工業(yè)化進程加快所帶來的勞動力短缺、建筑垃圾多等問題，同時具有施工速度快、無需模板就可打印形狀復雜結構的優(yōu)勢[2]。

3D打印混凝土因此逐漸成為世界各地快速上升的研究熱點，并相繼出現了具有代表性的應用實例：1)2012年Lim等介紹了一長凳的3D打印過程[3]，證實了混凝土3D打印工藝制造復雜構件的可能性(圖1a)。2)Gosselin等在2016年制作了一尺寸約為1 360 mm×170 mm×1500 mm的墻體[4]，其同時兼顧隔熱和結構加固功能(圖1b)。3)中國華商騰達有限公司提出在實施打印操作前預先手動安裝鋼筋，然后用經特殊設計的叉形噴嘴在鋼筋兩側逐層擠出混凝土，以吞沒鋼筋并將其牢固包裹于墻內，并于2016年在45天內現場打印了一棟400 m2的兩層別墅[5](圖1c)。4)2018年Asprone等以不銹鋼螺紋桿制作了長3 m、寬0.2 m、高0.45 m的鋼筋混凝土梁[6](圖1d)。此外，文獻[5, 7-8]還揭示了更多與3D打印混凝土相關的應用項目，文獻[8-10]更是詳細介紹了在應用3D打印混凝土背景下所直接和間接帶來的經濟效益和環(huán)境潛力，在此不再贅述。

a—長凳[3]； b—多功能墻體[4]； c—兩層別墅[5]； d—鋼筋混凝土梁[6]。圖1 3D打印混凝土應用實例Fig.1 Application examples of 3D printed concrete

為進一步推廣3D打印混凝土的研究和應用，國內外學者不僅探究了混凝土在打印時的流動性、可擠出性和建造性能，并且對其硬化后的抗壓、抗折和層間黏結強度進行了研討，甚至還有學者探索在水下對水泥基砂漿進行3D打印的可能性[11]，以及嘗試在混凝土打印過程中嵌入鋼筋[12]。雖然近年來已有與該領域相關的研究綜述，但其中多集中于對3D打印混凝土原材料組分及配合比設計、打印工藝的闡述[13-14]，涉及對其工作性能和力學性能的具體評述還較少。因此本文基于國內外現有3D打印混凝土的研究成果，詳細論述了其在工作性能和力學性能方面的研究進展，重點強調了對應采取的研究方法和取得的研究結果，并概述了3D打印混凝土在性能研究和實際應用中的現存問題，同時針對打印結構普遍存在的抗拉強度低和延性不足問題總結和分析現有的解決方法，旨在為3D混凝土打印技術的推廣提供研究方向。

1 3D打印混凝土的工作性能

除傳統(tǒng)的水泥基材料外，地聚合物等新材料也用于制備3D打印混凝土[15]。但材料的多樣化并不會改變其在整個打印過程所包含的泵送、擠出和堆疊過程，如圖2所示。為此，滿足打印工藝要求的混凝土需相應具備良好的流動性(可泵性)、可擠出性和建造性能。

圖2 混凝土3D打印過程[4]Fig.2 Concrete 3D printing process[4]

1.1 流動性

為保證將已攪拌均勻的3D打印混凝土順利由管道輸送到噴嘴處，要求其流動性滿足泵送需求。同時流動性也直接影響著后續(xù)的擠出和堆疊過程。

目前對3D打印混凝土流動性所采取的測試方法與普通混凝土并無本質區(qū)別，即采用坍落度或跳桌試驗等直觀表征流動性大小，如圖3所示，坍落度值或擴展直徑越大，則流動性越大。Ma等以銅尾礦作為細骨料制備3D打印水泥基材料，其中分別以0%、10%、20%、30%、40%、50%的質量比取代天然砂，由試驗結果可知混合物坍落度在32～87 mm、擴展直徑在174～210 mm的范圍內才滿足打印所需的流動性要求，且隨著銅尾礦置換率的提高，流動性呈增大趨勢[16]。Baz等對高效減水劑含量分別為0.26%、0.36%、0.4%的3D打印混合物進行跳桌試驗，結果顯示其相應擴展直徑為145，160，180 mm，隨后對該混合物進行打印，結果表明3種配比下均可打印，但最多可打印層數分別為22、16、12，證明了打印材料的流動性與其可打印層數呈負相關關系[17]。趙穎等則以石灰石粉等量代替硅酸鹽水泥，測試了所制備的3D打印水泥基材料的跳桌流動度，結果表明石灰石粉摻量在0、5%、10%、15%、20%變化時，跳桌流動度在60～182 mm范圍內，且隨著石灰石粉摻量的增加呈先升后降趨勢[18]，但文中未給出適宜打印的流動度范圍。此外，朱艷梅等通過跳桌試驗研究了羥丙基甲基纖維素對3D打印砂漿流動性的影響，結果表明其流動性隨著羥丙基甲基纖維素摻量的增加而降低，且流動度在160～170 mm范圍內的砂漿具有良好的工作性能[19]；而趙仁文研究發(fā)現新拌混凝土的跳桌流動度在180～190 mm區(qū)間時有較好的工作性能[20]；肖博豐等建議在摻入耐堿玻璃纖維后，3D打印砂漿的跳桌流動度在180～220 mm范圍內為宜[21]。

a—坍落度試驗，mm； b—跳桌試驗。圖3 3D打印混凝土流動性測試[16]Fig.3 Flowability measurement of 3D printed concrete[16]

1.2 可擠出性

可擠出性指3D打印混凝土能夠被噴嘴連續(xù)擠出，并賦予沉積層幾何形狀的能力，其受骨料粒徑[22]、噴嘴的形狀和尺寸[23]、擠出條件[24]等因素影響。

對3D打印混凝土可擠出性優(yōu)劣的評估，Le等提出以是否能由直徑9 mm的圓形噴嘴連續(xù)擠出1～5根打印條，且不發(fā)生堵塞來評價所制備的高性能3D打印混凝土的可擠出性，其中每根打印條寬9 mm、長300 mm[25]；Ma等采取類似方法，不同之處在于其使用邊長8 mm的方形噴嘴擠出8根250 mm長的打印條[16]。趙穎等則以3D水泥基材料在被半徑15 mm的圓形噴嘴擠出后，不出現撕裂裂紋或撕裂現象作為其滿足可擠出性的判別條件[18]。但文[26-27]中提出待3D打印建筑砂漿從噴嘴均勻連續(xù)擠出后，用秒表計時90 s，稱量該時間段內所擠出的打印砂漿的質量，用以表征其擠出性能。此外，肖博豐等建議在擠出一長500 mm的打印條后，測其10個等間隔位置的寬度，并計算其平均寬度和標準差，從而求得擠出性變異系數，該值越小，說明沉積層在打印后尺寸波動越小，可擠出性越好[21]。

除了通過試驗表征3D打印混凝土的流動性和可擠出性外，還有學者剖析了混凝土在輸送管道內因泵送而形成的“潤滑層”性質[28-29]，以及其在打印噴嘴處的擠出過程所包含的剪切作用機理[28,30]，目的在于明確混凝土在打印過程中的流變特性，具體指屈服應力、觸變性、塑性黏度等在內的流變參數對3D打印混凝土泵送和擠出的影響。其中屈服應力指混合物發(fā)生流動時所需的最小剪應力；觸變性指混合物剪切變稀的能力，即在受剪切作用前后，其流動性大小的變化程度；塑性黏度定義為混合物受到的剪應力與剪切速率線性相關下的斜率，Mechtcherine等指出泵送混凝土的難易程度主要取決于塑性黏度，二者呈負相關關系[28]。顯然流變參數的獲取有助于事前確定新拌混凝土的可打印性，此外Souza等指出相比于坍落度或跳桌流動度，流變參數或許能更準確地說明3D打印混凝土的工作性能，尤其是在其坍落度較低時[31]。

綜上可知，目前國內外學者對3D打印混凝土的跳桌流動度要求差異較大，但大體在藺喜強等推薦的170～190 mm范圍內[32]，材料組分及配比不同是其主要影響因素，同時流動性還受攪拌速度、泵送技術等工藝技術制約；且其可擠出性同樣受上述因素影響。因此，材料的選用和配合比設計以及施工工藝應作為混凝土3D打印技術標準與規(guī)程制定中的首要內容。此外，3D打印混凝土的流變參數對其流動性和可擠出性的影響仍待進一步研究。

1.3 建造性能

建造性能指3D打印混凝土在自重和后續(xù)打印層重力作用下抵抗變形，保證打印對象結構完整性的能力，其不僅是3D打印混凝土工作性能中最為關鍵的指標，也是混凝土3D打印技術能否實現的前提。

對3D打印混凝土建造性能優(yōu)劣的評估，可直接由打印試件維持原狀的能力表征。為此，王里等打印了一30層的條狀試件，其每層長400 mm，寬60 mm，高10 mm，觀察其成型后是否垮塌來評估3D打印玄武巖纖維增強陶砂混凝土的建造性能[33]。Ma等通過長250 mm、寬30 mm、高8 mm的打印層相互堆積20層，并靜置10 min觀察是否坍塌來評價混合物的建造性能[16]。Hiroki等建造了一個由7層打印層組成的1 000 mm長、30 mm寬、120 mm高的直墻，其若能維持自身幾何形狀且不變形，則認為其建造性能良好[34]；文獻[1，25]中也采用了類似的方法。Papachristoforou等將良好的建造性能定義為：混凝土在打印5層后不發(fā)生倒塌，且打印后第一層與第二層的高度之比接近1[35]；該法首先由Malaeb等在2015年提出[36]。文獻[26-27]中則以豎向構件的有效打印高度表征3D打印建筑砂漿的建造性能，具體判定方法可參照文獻[37]。Joh等研究發(fā)現，在一長1 500 mm、寬300 mm空心墻體的打印過程中，僅將其層間間隔時間由36 s延長至45 s，可打印層數由原來的19層增加至49層，表明延長層間間隔時間，可明顯改善3D打印混凝土的建造性能[38]。李維紅等在打印長200 mm、寬40 mm、高7 mm的10層沉積層后，計算其豎向高度變化率ωi和底層厚度變化率φi，分別見式(1)和式(2)，可見ωi和φi值越小，打印材料的建造性能越優(yōu)[39]。

(1a)

(1b)

式中：Ht、ht分別為打印試件豎向高度和底層厚度的理論值；H、h則為對應的實測值。

此外，趙仁文[20]和馬國偉等[40]依照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》，分別對3D打印混凝土進行坍落度試驗和貫入阻力試驗，坍落度越小或者貫入阻力值越大，則建造性能越優(yōu)。劉致遠[41]按照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法》對3D打印水泥基材料進行稠度試驗，圓錐體沉入打印材料的深度越大，則其稠度越大，建造性能越差。Zhang等則根據圓柱體狀混合物在重力作用下的剩余高度評價其建造性能[42]；類似地，朱艷梅等以制備的3D打印砂漿在自重下的形狀保留率表征其建造性能[19]。

除了由試驗結果說明3D打印混凝土的建造性能外，研究人員還嘗試從理論出發(fā)預測建造性能。Wolfs等基于Mohr-Coulomb失效準則和混凝土在打印失效前的線性應力-應變關系，對混凝土在沉積后0～90 min內實際的打印行為進行數值模擬，與試驗結果相比，其雖可正確預測相應的破壞模式，但對可打印層數高估了27.5%[43]。Jayathilakage等由修正的Mohr-Coulomb屈服準則建立了式(2)所示的強度破壞模型，用于預測打印構件在發(fā)生塑性屈服時的失效高度，其考慮了打印層堆疊時底層因承受自重應力而產生的摩擦特性，但當打印層的高寬比較小時可能不再適用[44]；史慶軒等同樣以打印構件在發(fā)生塑性屈服時的失效層數來量化3D打印混凝土的建造性能，為此根據其在整個打印過程中的流變特性和Mohr-Coulomb失效準則，并結合Tresca破壞理論建立了式(3)所示的分析模型[45]。Suiker等則提出了一可同時兼顧直立墻體構件彈性屈曲和塑性屈服兩種破壞模式下的參數化3D打印模型，該模型的計算結果表明：其與相應試驗結果保持較好的一致性，可用于3D打印過程中工藝條件的優(yōu)化，且進一步可作為在特定工藝條件下對打印墻體構件進行有限元模擬的驗證工具[46-47]。

(2)

式中：Hf為打印構件發(fā)生塑性屈服時的失效高度；c為材料的黏聚力；φ為材料的內摩擦角；ρ為材料密度；g為重力加速度常數。

(3)

式中：τy0為材料的初始屈服應力；h為打印層厚度；l為每層打印路徑長度；v為打印速度；κ為強度修正系數；Athix為材料的結構化速率；λτ、λA為引入的分項系數。

綜上可知，雖然目前評估3D打印混凝土建造性能的方法較多，但以試驗手段為主，對建造性能還沒有統(tǒng)一的衡量標準，同時涉及對建造性能理論研究的廣度和深度還不夠。因此，在尋求建造性能標準化衡量方法的同時，對其提出適用面更廣、準確度更高的預測模型將是未來的研究方向。

2 3D打印混凝土的力學性能

與傳統(tǒng)混凝土不同，3D打印混凝土因在垂直方向上層層堆積，且無外力振搗作用，導致打印體具有明顯異于傳統(tǒng)混凝土在強度方面的各向異性特征及層間黏結弱面，該獨特的分層成型工藝意味著現有標準與規(guī)程對其不再適用。為此，國內外學者對3D打印混凝土抗壓強度、抗折(抗彎)強度及層間黏結強度進行了研究。

2.1 抗壓及抗折強度

在3D打印混凝土抗壓和抗折強度試驗中，為消除打印邊界影響，得到表面光滑的測試試塊，大多采用圖4所示從打印的矩形模型中切取的方式。但目前對試塊尺寸、加載速率、養(yǎng)護方式及齡期選擇等方面并無統(tǒng)一規(guī)定，現將主要試塊尺寸及加載速率的選取整理于表1。

圖4 抗壓及抗折試塊切取示意[48] mmFig.4 The cutting diagram of test block for compression and flexural tests[48]

表1 抗壓及抗折強度試驗中試塊尺寸及加載速率選取Table 1 Selection of test block size and loading rate for compressive and flexural strength tests

由表1可知，目前3D打印混凝土抗壓強度試驗多采用邊長100 mm的立方體試塊，抗折強度試驗多采用40 mm×40 mm×160 mm或100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試塊，加載速率的選取無明顯規(guī)律。而在試塊的養(yǎng)護方式和齡期選擇方面，Panda等將打印模型置于室內28 d后切割、加載[49]；王里等[33]和馬國偉等[40]則待打印模型室溫養(yǎng)護24 h后，置于溫度為20±2 ℃、相對濕度為95%的環(huán)境中養(yǎng)護28 d再切割、加載；Wolfs等在薄膜覆蓋打印模型24 h后切割，并待其水浴養(yǎng)護7 d后加載[50]；Paul等將打印模型置于溫度為21±2 ℃、相對濕度60±5%的環(huán)境中分別養(yǎng)護7，14，28 d后切割、加載[51]。

對3D打印混凝土抗壓及抗折強度的研究，主要涉及兩方面內容：一是不同的材料組成和配比對其的影響[33,49,54];二是不同的工藝參數對其的影響[20,40,50,53]。

在材料方面，王里等將制備的玄武巖纖維增強陶砂混凝土進行不同方向上的壓縮試驗和三點彎曲試驗[33]，以水平打印層為XY平面，結果表明：X方向(噴嘴移動方向)抗壓強度和Y方向抗折強度最大；且強度隨著纖維摻量的增大而增大，但其各向異性特征也越明顯。Le等針對所制備的高性能3D打印纖維增強混凝土進行了一系列力學性能試驗[54]，結果表明：澆筑試塊強度較高(抗壓強度為107 MPa，抗折強度為11 MPa)；而打印試塊的抗壓強度和抗折強度分別在75～102 MPa、6～17 MPa范圍內。

而在工藝參數方面，趙仁文[20]對單向和正交打印工藝下的打印試塊和澆筑試塊進行抗壓試驗和四點抗折試驗[20]，結果表明：與澆筑試塊相比，打印試塊的早期強度略微折減，但后期強度有所增加，與Le等的研究結論[54]不一致；且力學強度在不同打印工藝下并沒有表現出明顯的差異性和各向異性。馬國偉等研究了不同打印路徑對3D打印陶砂輕質混凝土力學性能的影響[40]，結果表明：“回”字形打印路徑下的抗壓和抗折強度最高，分別為32.65，3.37 MPa。Wolfs等由三點彎曲試驗研究了層間打印間隔時間、噴嘴高度對3D打印混凝土抗折強度的影響[50]，結果表明層間間隔時間與抗折強度呈負相關，噴嘴高度對抗折強度卻無明顯影響；此外抗折強度表現出各向異性，但若層間間隔時間足夠短，各向異性效應很?。徊煌赑anda等的研究[49]發(fā)現：3D打印混凝土抗折強度各向異性高達50%。Sanjayan等由抗壓試驗和三點彎曲試驗研究了層間間隔時間對強度的影響[53]，結果表明抗壓強度和抗折強度均隨著層間間隔時間的延長而先上升后下降，但前者變化趨勢更明顯；且抗壓強度的各向異性效應比抗折強度更明顯，不同于趙仁文[20]和Wolfs等[50]的研究結論。更多3D打印混凝土抗壓強度、抗折強度試驗結果可見文獻[55]。

除上述在室溫環(huán)境下制備試塊并進行試驗外，Alchaar等研究了3D打印纖維增強混凝土在高溫下(40～45 ℃中制備試塊并放置7 d)的力學性能[56]，三點抗折試驗的試塊由每層長160～200 mm、高20 mm、寬40 mm的兩層打印層直接堆疊得到，抗壓試塊同文獻[50]中的，結果顯示：高溫下其抗折強度(7.5 MPa)分別比常溫下的打印試塊和澆筑試塊高21%和18%；但高溫下抗壓強度(20.65 MPa)比常溫下的打印試塊和澆筑試塊分別低16%和56%。

此外，Ma等以邊長50 mm的立方體，展示了現澆和不同受力方向下3D打印玄武巖纖維增強水泥基材料的受壓破壞形態(tài)[57]，如圖5所示：Y、Z方向下的打印試塊破壞形態(tài)與現澆試塊類似，均呈錐形破壞，但X方向下的打印試塊受壓后仍有較好的完整性，表面僅出現豎向裂縫，原因可能在于擠出后的纖維平行于X方向，從而形成均勻密實的打印試塊。

a—澆筑試塊； b—X向； c—Y向； d—Z向。圖5 立方體試塊受壓破壞形態(tài)[57]Fig.5 Failure forms of test cube under compression[57]

a—澆筑試塊； b—X向； c—Y向； d—Z向。圖6 圓柱體試塊單軸受壓破壞形態(tài)[58]Fig.6 Failure forms of test cylinder under uniaxial compression[58]

朱彬榮等則以直徑100 mm、高200 mm的圓柱體，對比研究了3D打印和現澆兩種成型方式下聚乙烯高延性水泥基復合材料的單軸受壓行為[58]，破壞形態(tài)見圖6：現澆試塊與Z方向下的打印試塊均呈典型的剪切破壞，而X方向下的打印試塊表現為多條豎向裂縫的脆性破壞，Y方向下的打印試塊表現為兩條相交斜裂縫的楔形破壞。在單軸抗壓強度方面，Z、Y、X受力方向下的打印試塊強度分別為同條件下澆筑試塊強度(41.7 MPa)的67.6%、63.2%、59.1%；且固定纖維摻量，改變6 mm與12 mm長的纖維混摻比例并不會明顯改變其單軸抗壓強度。

2.2 層間黏結強度

同抗壓及抗折強度試驗，3D打印混凝土層間黏結強度試驗中，對試塊尺寸、加載速率、養(yǎng)護方式及齡期的選擇也不統(tǒng)一，且選取的測試方法也不一致，具體匯總于表2。

表2 層間黏結強度試驗中測試方法、試塊尺寸、加載速率等選取Table 2 Selection of test method, test block size, loading rate, etc. in the interlayer bond strength tests

為直接測定層間黏結強度，可采取層堆疊方向的直接拉伸試驗。Panda等為此從雙層打印模型中切取長方體試塊，以0.05 mm/s的速率進行拉伸試驗，以研究層間打印間隔時間、噴嘴行進速度及高度對層間黏結強度的影響[59]，結果表明：層間間隔時間越久，強度越低，噴嘴行進速度及高度越小，則強度越高。Tay等則切取邊長30 mm的立方體試塊，以0.035±0.015 MPa/s的速率進行拉伸試驗[60]，結果顯示層間抗拉強度隨間隔時間的增加呈明顯的對數下降趨勢；Le等開展了類似的研究，不同之處在于其切取的試塊為直徑58 mm、高120 mm的柱體，但結論一致[54]。Sanjayan等對切取的50 mm×

25 mm×30 mm的長方體試塊以1 mm/min的速率進行單軸拉伸試驗[53]，結果表明：層間抗拉強度隨間隔時間的延長呈先降低后升高趨勢，與上述研究結果相悖，見圖7a，原因在于層間抗拉強度與其界面的表面含水量存在一定的正相關性。

a—層間間隔時間以min計； b—層間間隔時間以h計。圖7 層間間隔時間對3D打印混凝土層間黏結強度的影響Fig.7 Effects of time gap on interlayer bond strength of 3D printed concrete

考慮到直接拉伸試驗不僅存在脫黏風險，且加載過程中可能出現拉應力分布不均，所以有研究者通過層間劈裂抗拉試驗或抗剪試驗間接測定層間黏結強度。Wolfs等為研究層間打印間隔時間、噴嘴高度及沉積層表面脫水情況等工藝參數對3D打印混凝層間劈裂抗拉強度的影響，切取了40 mm的立方體試塊，并以125.7 N/s的速率進行層間劈裂抗拉試驗[50]，結果表明：對間隔時間內易失水的試件，強度降低得更為明顯；且噴嘴高度與層間黏結強度無明顯關系，不同于與Panda等的研究結論[59]。Rahul等以0.1 mm/min的速率對直徑25 mm、高40 mm的柱體進行黏結抗剪試驗，與同條件現澆試塊相比，水平層和垂直層界面處的黏結抗剪強度均降低了25%左右[52]。李俊霖設計了3個圖8所示的的試件對配制的3D打印混凝土進行雙剪試驗[61]，結果表明：其層間界面呈受剪脆性破壞，相應的抗剪強度在1.27 MPa左右。

圖8 3D打印混凝土雙剪試件示意[61] mmFig.8 The schematic diagram of 3D printed concrete double shear specimen[61]

此外，劉致遠等采取圖9所示的十字交叉法研究了層間間隔時間對3D打印水泥凈漿層間拉伸強度和層間剪切強度的影響[62]。結果如圖7b所示：在水泥凈漿終凝前，因凈漿的持續(xù)水化影響層間結合致使層間界面越發(fā)明顯，導致層間黏結強度隨間隔時間的延長而明顯降低。但終凝后，下層凈漿提供的黏結力基本不變，致使層間拉伸強度的下降并不明顯；至于層間剪切強度在凈漿終凝后卻隨著間隔時間的延長而升高的原因尚不明確。

分析上述3D打印混凝土力學性能的研究現狀可知，目前在試驗過程中，對試塊尺寸、加載速率、養(yǎng)護方式和齡期的選擇，以及確定層間黏結強度的方法等方面，并不統(tǒng)一，這可能也正是有學者在同一問題上得到的研究結論并不一致的原因。因此，為推動3D打印混凝土穩(wěn)步向前發(fā)展，有必要制定適用于其硬化后力學性能試驗的標準與規(guī)程。

a—試塊； b—層間拉伸強度試驗； c—層間抗剪強度試驗。圖9 十字交叉法測試層間黏結強度示意[62]Fig.9 The schematic diagram of cross-bonded method for testing interlayer bond strength[62]

3 3D打印混凝土現存問題

目前3D打印混凝土在性能研究方面存在的主要問題包括：1)缺乏標準，具體體現在不僅缺乏對流動性、可擠出性和建造性能統(tǒng)一的衡量標準，而且缺乏統(tǒng)一的力學性能試驗的標準與規(guī)程。2)混凝土在3D打印過程中的流變特性對其工作性能的影響的研究深度還不夠，尤其是其中的建造性能。3)對3D打印混凝土力學性能的研究還不完善，現階段的研究還未能像普通混凝土般建立抗拉強度與立方體抗壓強度間的關系，且鮮有涉及對其軸心抗壓強度的研究。

此外，盡管世界各地相繼出現3D打印混凝土的示范項目，但其走向實際應用仍然存在許多亟待解決的問題。首先由3D混凝土打印技術建造結構構件甚至是工程實體，必須考慮的問題就是成型精度及表面質量的控制。其次3D打印混凝土因無模板使其易受周圍環(huán)境影響、水灰比低和含粉量高等原因，打印結構更容易產生收縮裂縫[63-64]，Moelich等研究表明早期混凝土收縮引起的層間滑移有可能進一步降低其層間黏結性能和耐久性[64]，同時目前涉及3D打印混凝土耐久性的研究很少，因此對打印結構的耐久性也有待考量。最后3D打印混凝土因缺乏足夠的的抗拉強度和延性以滿足結構安全性要求阻礙了其廣泛推向實際應用的步伐。為此，研究者分別嘗試了優(yōu)化打印工藝參數[59]、提高層間界面粗糙度[65]、層間涂抹界面增強材料[66-67]等手段以提高層間抗拉強度，但結果表明：即使噴嘴行進速度從110 mm/s調至70 mm/s，其層間直接拉伸強度僅提高了10.5%[59]；在層間配備卡接互鎖結構，其層間劈拉強度也僅提高了26%[65]；在層間涂抹碳硫聚合物，其層間抗彎強度提高了100%[67]，但該聚合物的制備條件苛刻、過程繁瑣，很難大范圍用于現場施工。此外，還可以在打印材料中加入纖維，然而所添加的纖維一般相對較短，難以保證受力的連續(xù)性，從而不能實現結構內部應力的適當傳遞和重分布；而且因纖維從噴嘴擠出時存在取向性，難以穿過豎向的層間界面，如圖10所示，所以其只在噴嘴行進方向上提供抗拉強度，而在更關鍵的跨層間部位不起作用[62,68]。由此可見，上述諸多提高層間抗拉強度的方法所發(fā)揮的作用均很有限，很難適用于大型建筑結構中。

圖10 纖維在擠出時定向排列示意[68]Fig.10 The schematic diagram of directional arrangement of fibers during extrusion[68]

因此，研究人員嘗試在3D打印混凝土中嵌入水平和豎向鋼筋，甚至開發(fā)出不同的加筋技術。Bos等采用定制的自動加筋裝置，可直接在打印過程將金屬電纜置于沉積層上，但因在四點受彎加載中失效模式多為電纜滑移，同時受彎承載力提高有限，導致試驗結果并不理想[69]。Marchment等對打印噴嘴進行特殊設計，保證了在混凝土擠出時同步嵌入由直徑為0.5 mm的鍍鋅鐵絲構成的孔徑約為6 mm×6 mm的焊接方形網格[70]，試驗結果表明：該網格配筋法不僅實現了連續(xù)性配筋，而且受彎承載力提高了170%～290%。Lim等為提高3D打印聚合物的延展性，采用圖11所示的線材擠出機可實現在打印材料內部連續(xù)嵌入鋼絲繩，并與短聚乙烯醇(PVA)纖維形成混雜配筋系統(tǒng)[71]，四點彎曲試驗結果表明：該方法使彎曲性能提高了290%，且短PVA纖維的摻入可以有效抑制鋼絲繩的剪切滑移，原因在于纖維與受力產生的微裂紋發(fā)生交互作用。Assaad等開發(fā)了一種模塊化方法以制造打印鋼筋混凝土梁、柱構件，設計的打印路徑確保了所打印的立方體模塊在其四個角部留有孔洞，其次將縱筋插入孔內并灌漿，箍筋在打印過程中手動安裝，最后用高強環(huán)氧樹脂連接各模塊[72]，打印加筋梁的四點彎曲試驗結果表明：其抗彎承載力雖符合美國ACI 318-19的規(guī)定，但比現澆鋼筋混凝土梁降低了22%左右。

圖11 線材擠出機[71]Fig.11 The steel cable extruder[71]

綜上可知，上述加筋方案中一方面多數采用的“鋼筋”并非傳統(tǒng)意義上的常規(guī)鋼筋，大范圍應用于實際還存在困難；另一方面雖手動嵌入了常規(guī)鋼筋，但失去了3D混凝土打印技術本身所具備的自動化潛力。同時孫曉燕等指出，僅將纜、線等增強材料布置于層間，即缺陷區(qū)域，會使打印結構的受力性能略有不足[73]。因此，在3D打印混凝土中，尤其是在跨層間方向做到省時經濟、自動化地嵌入常規(guī)鋼筋是未來需攻克的難題，同時也是將3D混凝土打印技術推向實際應用的關鍵一步。

4 結論與展望

1)現階段關于3D打印混凝土工作性能的研究大多僅從試驗層面展開，雖然方法多樣，但缺乏統(tǒng)一的衡量標準，且涉及建造性能的理論研究較少。因此下一步在提出適用于表征3D打印混凝土工作性能有效通用方法的同時，應明確混凝土在打印過程中的流變特性與其工作性能間的聯系，以期建立適用面更廣、準確度更高的建造性能預測模型。

2)雖然目前國內外學者已對3D打印混凝土的力學性能展開了研究，明確了材料配比和工藝參數是影響抗壓、抗折和層間黏結強度的主要因素；但對試驗方法、試塊尺寸、加載速率、養(yǎng)護方式和齡期的選擇等方面，出入較大，導致對同一問題得出的研究結論也并不一致。因此有必要制定適用于3D打印混凝土力學性能的試驗標準以推動其規(guī)范化發(fā)展。

3)3D打印混凝土的實際應用潛力巨大，但目前還存在成型精度欠缺、易產生收縮裂縫、耐久性不明等問題，尤其是其缺乏滿足結構安全性需求的抗拉強度和延性，雖然為此嘗試了不同的改善方法，但有效性還欠缺。因此在混凝土3D打印過程中做到自動化嵌入常規(guī)鋼筋，特別是在跨層間方向，將是未來的研究重點。