3D打印混凝土人工魚礁的生物附著效果

沈璐，張年華，田濤*，洪鶴軒

(1.大連海洋大學(xué) 遼寧省海洋牧場(chǎng)工程技術(shù)研究中心，遼寧 大連 116023；2.大連海洋大學(xué) 海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023； 3.設(shè)施漁業(yè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(大連海洋大學(xué))，遼寧 大連 116023)

近年來(lái)，中國(guó)日益重視現(xiàn)代化海洋牧場(chǎng)的建設(shè)，曾于2017、2018年兩次在中共中央文件中提出發(fā)展現(xiàn)代化海洋牧場(chǎng)的建設(shè)目標(biāo)，其中，人工魚礁的建造方式也應(yīng)向自動(dòng)化和智能化的方向邁進(jìn)[1-3]。建造人工魚礁的目的是為了增殖漁業(yè)資源和保護(hù)生物多樣性，有研究表明，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的人工魚礁有利于提高集魚效果和豐富魚類種群[4-6]。傳統(tǒng)的施工工藝受到模板及配筋的限制，較難建造出外形復(fù)雜的混凝土人工魚礁，而日益興起的水泥基3D打印技術(shù)則為解決這一問題提供了新的思路。水泥基3D打印技術(shù)作為土建領(lǐng)域的新型現(xiàn)代化建造方式，具有施工效率高、人工費(fèi)用低、無(wú)模板和經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，由于其建造方式造成的后期收縮性大、表面不平整等問題也限制了其應(yīng)用范圍，然而，這些技術(shù)劣勢(shì)在人工魚礁領(lǐng)域的體現(xiàn)并不明顯?，F(xiàn)有的研究表明，3D打印混凝土在強(qiáng)度、抗?jié)B和凍融等方面均能夠滿足生態(tài)型混凝土魚礁的基本力學(xué)性能及耐久性要求[7-12]。沈璐等[13]將3D打印混凝土在水工預(yù)制構(gòu)件建造領(lǐng)域進(jìn)行了探索，結(jié)果表明，該建造方式在經(jīng)濟(jì)性和施工效率方面具有明顯優(yōu)越性。也有學(xué)者研究認(rèn)為，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，3D打印建造方式的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)越明顯[14]。3D打印混凝土在人工魚礁建設(shè)中的應(yīng)用尚處于起步階段，目前，已有國(guó)外學(xué)者將打印出的礁體投放到相應(yīng)海域中進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)[15]。

生物附著性能是人工魚礁集魚機(jī)理之一，也是人工魚礁生態(tài)效果的重要評(píng)估指標(biāo)，魚礁上附著生物種類及數(shù)量直接影響著魚礁的集魚效果。公丕海[16]、王震等[17]研究了普通硅酸鹽水泥、添加貝殼粉的硅酸鹽水泥、鋼板和塑料板4種魚礁材料的生物附著效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加貝殼粉的硅酸鹽水泥掛板的附著生物種類和平均生物量均最高，分別為53種和4 717.50 g/m2，特別是平均生物量達(dá)到了普通硅酸鹽水泥掛板的1.8倍?；炷敛牧献鳛樽畛Ｒ姷男阅軆?yōu)越的人工魚礁材料之一，李真真等[18]研究了混凝土中不同水泥種類對(duì)生物附著性能的影響，結(jié)果表明，鋁酸鹽水泥及粉煤灰硅酸鹽水泥人工魚礁生物附著效果較復(fù)合硅酸鹽水泥有明顯優(yōu)勢(shì)。影響魚礁材料生物附著性能的因素較多，包括投放海域、時(shí)間、季節(jié)和水深等，這些都給魚礁材料生物附著性能的研究及評(píng)價(jià)增加了難度[19-20]。與普通混凝土相比，3D打印混凝土組分及水泥種類均不相同，逐層打印后的試件具有不同的表面紋路，這些都會(huì)對(duì)生物附著性能產(chǎn)生影響，而目前關(guān)于這方面的研究還鮮見報(bào)道。

本研究中，針對(duì)3D打印人工魚礁混凝土材料開展了生物附著性能的試驗(yàn)研究，采用不同口徑打印噴頭的3D打印人工魚礁混凝土試件及相同配合比的澆筑成型試件，分析其附著生物種類及附著生物量的差異，研究了3D打印混凝土材料的生物附著性能及表面粗糙程度，以期為水泥基材料3D打印技術(shù)在人工魚礁領(lǐng)域的應(yīng)用提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 材料

制備3D打印人工魚礁混凝土的原材料由膠凝材料、細(xì)骨料、水、礦物摻合料和外加劑組成。其中，膠凝材料包括由河北省唐山市天路水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥(P.O.42.5)和北京市新洪高建材科技有限公司生產(chǎn)的雙快水泥(R.SAC 42.5)；細(xì)骨料為河砂；礦物摻合料由河北省石家莊市靈壽縣強(qiáng)東礦產(chǎn)品加工生產(chǎn)的硅灰；試驗(yàn)用水為飲用自來(lái)水；外加劑為天津市宗久建材有限公司生產(chǎn)的減水劑、膨脹劑。

將原材料按表1所示配合比拌制均勻，使用華創(chuàng)智造HC1007臺(tái)式混凝土3D打印機(jī)進(jìn)行打印。

表1 3D打印混凝土配合比Tab.1 3D printing concrete mix ratio kg/m3

1.2 方法

1.2.1 試件制作 試件形狀為長(zhǎng)方體，尺寸為300 mm×300 mm×100 mm，試件成型方法分為3D打印直接成型和木質(zhì)模板澆筑成型兩種，其中，3D打印成型采用相同打印路徑，打印機(jī)噴頭口徑分別選擇20、10 mm兩種。綜上，根據(jù)成型方式和打印噴頭不同分為3種試件，分別命名為3D-20組、3D-10組和PC組，每組設(shè)置3個(gè)試件(表2)。生物附著試驗(yàn)需要將試件投放到相應(yīng)海域，為了防止試件被海流沖走，制作時(shí)需在試件頂面中部安裝預(yù)埋件，以便于固定。制作好的試件如圖1所示，由于噴頭口徑不同，3D-20組和3D-10組試件在側(cè)面形成粗糙程度不同的兩種效果，而PC組試件采用木模澆筑成型，噴頭口徑大小對(duì)試件表面粗糙度無(wú)影響。

表2 試件類型和編號(hào)Tab.2 Type and serial number of test block

圖1 3種表面不同粗糙度3D打印人工魚礁混凝土試件Fig.1 3D printed artificial reef concrete test blocks with three different surface roughness

1.2.2 試驗(yàn)海域和時(shí)間 于2020年9月1日，將3D打印人工魚礁混凝土試件投放于遼寧省大連市黑石礁海域潮間帶(38°51′N，121°32′E)。

1.2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與生物種類鑒別方法 將3組試件同時(shí)投入海域潮間帶試驗(yàn)點(diǎn)，使各組試件均處于同一環(huán)境條件下，放入海中2個(gè)月、3個(gè)月和5個(gè)月時(shí)取樣，取樣日期分別為2020年11月1日、2021年2月1日和2021年7月1日，第1、2次取樣后9個(gè)試件均放回原位。每一試件取兩組樣(表面一組，側(cè)面一組)，每次9個(gè)試件共取18組樣，3次取樣總計(jì)54組樣。因生物附著具有隨機(jī)性，故每次取樣將表面與側(cè)面的附著生物全部取下，將樣品保存在體積分?jǐn)?shù)70%的乙醇中，分別編號(hào)后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析鑒定。用吸水紙吸去生物表面海水，稱量其濕質(zhì)量，計(jì)算生物量。

采用 Nikon SMZ745T顯微鏡對(duì)附著生物種類進(jìn)行鑒定，并進(jìn)行計(jì)數(shù)和稱重(精度為0.001 g)。附著生物種類的鑒定依據(jù)主要參考《中國(guó)北部海洋無(wú)脊椎動(dòng)物》《黃渤海軟體動(dòng)物圖志》《黃渤海常見底棲動(dòng)物圖譜》中的方法。

1.2.4 生物量與優(yōu)勢(shì)度指數(shù)的計(jì)算 附著生物量(ρ，g/m2)計(jì)算公式為

ρ=m/S。

(1)

其中：m為附著生物濕質(zhì)量(g)；S為取樣面積(m2)。

優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Y)計(jì)算公式為

Y=(Ni/N)×fi。

(2)

其中：Ni為第i種出現(xiàn)的個(gè)體數(shù)；N為采集樣品中的所有種類總個(gè)體數(shù)；fi為第i種出現(xiàn)的頻率。優(yōu)勢(shì)種由優(yōu)勢(shì)度指數(shù)Y確定，Y>0.02時(shí)為優(yōu)勢(shì)種。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)，采用LSD法進(jìn)行組間多重比較，顯著性水平設(shè)為 0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 附著生物種類

在試件入海后60 d時(shí)進(jìn)行第1次取樣，肉眼可以觀察到3D-20、3D-10、PC組試件表面均有少量生物附著，側(cè)面附著生物較明顯。樣品中共有生物8種，均屬于軟體動(dòng)物門，其中，多板綱1種、腹足綱7種；試件表面附著生物種類為5種，側(cè)面附著種類為7種，試件側(cè)面附著種類比表面略多；優(yōu)勢(shì)種為短濱螺Littorinabrevicula、平厴螺Homalopomasp.(表3)。

距離第1次取樣90 d時(shí)進(jìn)行第2次取樣，3D-20、3D-10、PC組試件表面和側(cè)面生物附著均較為明顯，但附著種類較少。樣品中共有生物4種，3種屬于軟體動(dòng)物門，1種屬于節(jié)肢動(dòng)物門，其中腹足綱3種，軟甲綱1種(表3)。由于附著生物種類較少，試件表面和側(cè)邊在附著生物種類方面差異不明顯。與第1次取樣相比，此次附著生物的種類發(fā)生了一定的變化，附著生物主要為短濱螺、平厴螺，僅在PC組試件表面發(fā)現(xiàn)少量細(xì)足寄居蟹Pagurusgracilipes。

距離第2次取樣150 d時(shí)進(jìn)行第3次取樣，3D-20、3D-10、PC組試件表面和側(cè)面生物附著量較多，且附著種類也較多。樣品中共有生物17種，16種屬于軟體動(dòng)物門，1種屬于節(jié)肢動(dòng)物門，其中，多板綱1種，腹足綱15種，軟甲綱1種；試件表面附著生物種類為8種，側(cè)面附著種類為16種；第3次取樣優(yōu)勢(shì)種較多，可達(dá)9種，除短濱螺外，還發(fā)現(xiàn)了較多的細(xì)足寄居蟹和朝鮮花冠小月螺Lunellacoronatacoreensis(表3)。與第2次取樣相比，細(xì)足寄居蟹不僅出現(xiàn)在試件表面，在3D-20組試件側(cè)面也大量存在。

表3 附著生物種類Tab.3 Species of attached organisms

2.2 附著生物量

對(duì)第1次取樣(2020-11-01)的附著生物量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示：試件的附著生物總量(表面+側(cè)面)，3D-20組最多(439.31 g/m2)，3D-10組次之(401.40 g/m2)，PC組最少(323.46 g/m2)，3D-20、3D-10組比PC組分別增加了35.8%和24.1%；表面附著生物量，3D-10組最多，3D-20、PC組數(shù)量大致相同，3D-10組生物量約是3D-20、PC組的2.3倍；側(cè)面附著生物量，3D-20組最多，3D-10組次之，PC組最少，3D-20、3D-10組比PC組分別增加了38.2%和16.8%；表面與側(cè)面相比較，3組試件的側(cè)面附著生物量均大于表面，兩者相差最大的是3D-20組，側(cè)面附著生物量是表面的19.8倍；PC組相差最小，側(cè)面附著生物量是表面的7.4倍(表4)。

表4 樣品附著生物量Tab.4 Attached biomass of samples g/m2

對(duì)第2次取樣(2021-02-01)的附著生物量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示：試件的附著生物總量(表面+側(cè)面)，3D-20組最多(789.66 g/m2)，3D-10組與PC組數(shù)量相當(dāng)(分別為392.77、317.97 g/m2)，3D-20組生物量是3D-10、PC組的2.0和2.5倍；表面附著生物量，3D-20組最多，且明顯高于3D-10、PC組，3D-20組生物量是3D-10、PC組的3.1和2.7倍；側(cè)面附著生物量，仍然是3D-20組最多，3D-10組次之，PC組最少，3D-20、3D-10組比PC組分別增加了136.1%和40.0%；表面與側(cè)面相比較，3組試件的側(cè)面附著生物量均大于表面，兩者相差最大的是3D-10組，側(cè)面附著生物量是表面的3.5倍，3D-20組相差最小，側(cè)面附著生物量是表面的1.9倍。

對(duì)第3次取樣(2021-07-01)的附著生物量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示：試件的附著生物總量(表面+側(cè)面)，3D-20組最多(561.58 g/m2)，3D-10組與PC組數(shù)量相當(dāng)(分別為215.72、203.24 g/m2)，3D-20組生物量約是3D-10組、PC組的2.6倍；表面附著生物量，3D-20組最多，且明顯高于3D-10、PC兩組，3D-20組數(shù)量約是3D-10、PC組的2.4倍；側(cè)面附著生物量，仍然是3D-20組最多，3D-10、PC組數(shù)量相當(dāng)，3D-20組數(shù)量分別是3D-10、PC組的2.7倍；表面與側(cè)面相比較，3組試件的側(cè)面附著生物量均大于表面，但3組試件側(cè)面與表面的相差幅度相當(dāng)，兩者的比值為2.1～2.9。

將3次取樣結(jié)果進(jìn)行直觀比較可知，每次取樣，3D-20組的附著生物總量均為最多，3D-10組次之，PC組最少；對(duì)于3D-20組試件而言，第2次取樣的附著生物量最多，第3次取樣數(shù)量次之，第1次取樣數(shù)量最少；而3D-10組、PC組試件均為前兩次取樣數(shù)量較多，第3次取樣數(shù)量最少(圖2)。

圖2 3組試件各次取樣的生物附著量比較Fig.2 Comparison of biological attachment biomass in samples in three groups

單因素方差分析顯示，3種不同粗糙程度試件間的平均生物量有顯著性差異(P<0.05)，之后采用LSD法進(jìn)行組間多重比較，結(jié)果顯示，3D-20組與3D-10、PC組間有顯著性差異(P<0.05)，3D-10組與PC組間無(wú)顯著性差異(P>0.05)。

2.3 附著生物優(yōu)勢(shì)種

受季節(jié)及洋流等因素的影響，附著生物優(yōu)勢(shì)種經(jīng)歷了演替的過程。從表5可見：第1次取樣，短濱螺、平厴螺的優(yōu)勢(shì)度指數(shù)均大于0.02，這兩種附著生物物種為優(yōu)勢(shì)種，其中短濱螺的優(yōu)勢(shì)度指數(shù)最大；第2次取樣，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)大于0.02的物種仍然為短濱螺、平厴螺，優(yōu)勢(shì)種沒有發(fā)生變化，其中平厴螺的優(yōu)勢(shì)度指數(shù)最大；第3次取樣，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)大于0.02的物種為矮擬帽貝、史氏背尖貝、單一麗口螺、短濱螺、細(xì)足寄居蟹、花邊擬帽貝、朝鮮花冠小月螺、縱帶灘棲螺和伶鼬小球螺，這些物種均為優(yōu)勢(shì)種，其中優(yōu)勢(shì)度指數(shù)最大的為細(xì)足寄居蟹。3次取樣，試件上均出現(xiàn)了短濱螺、平厴螺和織紋螺，而對(duì)于每一次取樣，短濱螺均為優(yōu)勢(shì)種。

表5 優(yōu)勢(shì)種及優(yōu)勢(shì)度Tab.5 Dominant species and dominance

3 討論

3.1 噴頭尺寸對(duì)生物附著的影響

人工魚礁表面附著生物的變化是影響魚礁誘魚效果的重要因素之一，人工魚礁混凝土表面粗糙程度會(huì)影響生物附著的種類和數(shù)量。Vivier等[21]研究表明，高粗糙度的人工魚礁混凝土具有較好的附著性，高粗糙度有利于增加附著表面積，從而增加生物附著量。本研究中，對(duì)兩種不同口徑噴頭打印的3D打印人工魚礁混凝土與普通澆筑混凝土3種試件表面不同粗糙程度進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，采用20 cm噴頭打印的人工魚礁混凝土所形成的粗糙度附著效果要優(yōu)于其他兩種方式，但10 cm噴頭打印所形成的粗糙度與澆筑混凝土形成平滑面相差不大。同時(shí)，對(duì)試件表面和側(cè)面進(jìn)行比較，側(cè)面的生物附著種類和生物量遠(yuǎn)大于表面，因?yàn)閭?cè)面相較于表面有更高的粗糙度。從生物附著機(jī)理角度分析，不同寬度的打印噴頭會(huì)在試件表面和側(cè)面造成不同深度和角度的凹槽，對(duì)于大尺寸打印噴頭，形成凹槽的深度較大、凹槽周邊傾斜角度較小，相較小尺寸噴頭更便于生物附著，這也是造成大尺寸打印噴頭與小尺寸打印噴頭、澆筑成型試件間生物附著量差異較大的原因。此外，從水動(dòng)力特性的角度分析，大尺寸打印噴頭造成的粗糙程度較小尺寸噴頭更容易在試件表面形成渦流，以往對(duì)于魚礁的水動(dòng)力特性分析更注重整個(gè)魚礁結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)分析，而礁體表面粗糙度對(duì)流場(chǎng)的影響目前也逐漸引起學(xué)者的重視[22-23]。

3.2 季節(jié)對(duì)生物附著的影響

本試驗(yàn)周期為10個(gè)月，共采樣3次，最后一次在夏季所采集的樣品種類最多，原因可能是，一方面隨著溫度的升高生物的種類增多，另一方面是試件放置于海中的時(shí)間較長(zhǎng)。采集的樣品中，軟體動(dòng)物數(shù)量占比最多，這與李軼平等[24]對(duì)遼東灣潮間帶底棲動(dòng)物的研究結(jié)果一致。軟體動(dòng)物腹足綱的種類最多，這是因?yàn)楦棺憧梢允顾鼈兏玫馗街隰~礁塊上。本研究中試件放置于潮間帶，受一定的人為因素影響和潮汐影響，此結(jié)果還有待補(bǔ)充，今后將對(duì)3D打印人工魚礁混凝土試件進(jìn)行投放深度對(duì)附著生物效果影響的研究。

3.3 定制化魚礁3D打印建造技術(shù)前景分析

3D打印混凝土作為人工魚礁材料具有實(shí)用性，水泥基材料3D打印技術(shù)在海洋牧場(chǎng)建造領(lǐng)域大有可為。本研究結(jié)果對(duì)于3D打印人工魚礁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建造工藝具有一定的啟示意義，如建造時(shí)采用的噴頭不宜過?。粎^(qū)別于傳統(tǒng)的框架式混凝土人工魚礁結(jié)構(gòu)，可以研發(fā)曲面?zhèn)缺谑饺斯~礁結(jié)構(gòu)，一方面便于引導(dǎo)流場(chǎng)，另一方面也能發(fā)揮3D打印混凝土構(gòu)件側(cè)面生物附著性好的特點(diǎn)。

經(jīng)濟(jì)性分析方面，筆者以大連市某海洋牧場(chǎng)示范區(qū)人工魚礁一期投放工程為例，預(yù)制鮑魚礁1萬(wàn)塊，規(guī)格為2.2 m×1.0 m×1.8 m，模擬制定3D打印施工方案，并與真實(shí)的傳統(tǒng)施工方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析。根據(jù)《水運(yùn)工程工程量清單計(jì)價(jià)規(guī)范》(JTS/T271—2020)進(jìn)行項(xiàng)目劃分和編制，定額指標(biāo)套用《沿海港口水工建筑工程定額》(JTS/T276—2019)。經(jīng)過初步測(cè)算，總成本方面，傳統(tǒng)方式較3D打印建造的成本高出21.37%；將總成本與總工程量的比值定義為生產(chǎn)率指標(biāo)，則3D打印方式每單位工程數(shù)量的成本為825.28元，較傳統(tǒng)方式的1 049.52元減少了224.28元，生產(chǎn)率明顯提升。工期方面，3D打印建造方式因?yàn)槭∪チ四０骞こ?，工期較傳統(tǒng)施工方式縮短了26%左右。此外，兩種建造方式在成本結(jié)構(gòu)方面差異較大，傳統(tǒng)建造方式中，人工費(fèi)用占總費(fèi)用的16.72%，而3D打印方式的人工費(fèi)用僅為8.45%，但是機(jī)械費(fèi)用由傳統(tǒng)方式的15.57%上漲到24.72%。2020年至今，新冠疫情防控要求各施工單位應(yīng)盡量避免大量施工人員密集施工，3D打印建造技術(shù)為解決這一問題提供了良好的思路。

水泥基材料3D打印技術(shù)在人工魚礁領(lǐng)域的應(yīng)用，是海洋漁業(yè)與裝備制造業(yè)的融合。除了3D打印混凝土魚礁材料外，還需要研發(fā)混、攪、擠功能一體化的3D 打印噴頭及集成化建筑3D 打印設(shè)備，根據(jù)流場(chǎng)分析及集魚機(jī)理，設(shè)計(jì)適用于3D 打印技術(shù)的新型定制化礁型結(jié)構(gòu)。通過匹配魚礁材料性能與打印工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)3D打印混凝土人工魚礁的宏微觀形性調(diào)控。同時(shí)從場(chǎng)地布置、材料制備、設(shè)備調(diào)試、人員組織、造價(jià)管理等方面開展3D 打印人工魚礁建造技術(shù)研究，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

4 結(jié)論

1)試件成型方式對(duì)附著生物種類的影響不大，對(duì)附著生物量具有一定的影響。噴頭口徑會(huì)造成試件表面不同的粗糙度，進(jìn)而會(huì)影響附著生物量，大口徑噴頭在附著生物量方面要優(yōu)于小口徑噴頭。

2)試件側(cè)面附著生物量及附著生物種類均高于試件表面，可見3D打印成型方式造成的魚礁?jìng)?cè)壁不平整有利于生物附著。

3)3D打印混凝土作為人工魚礁材料具有實(shí)用性，3D打印建造方式將綜合影響人工魚礁新礁型的設(shè)計(jì)和定制化人工魚礁的發(fā)展。