水泥基材料3D打印技術研究進展

王海龍 陳杰 高超 高君峰 孫曉燕

（浙江大學建筑工程學院，浙江 杭州 310058）

0 前言

信息化和數字化是當今各行業發展的必然趨勢。3D打印技術可通過互聯網信息技術平臺，與物聯網、大數據、智能材料等眾多先進技術緊密融合，實現智能化制造，改變人類的生產方式和生活方式。1986年Charles Hull發明了世界上第一臺3D打[1]，利用建模軟件或實體掃描方式得到的數字模型為基礎，運用金屬粉末或非金屬材料，通過逐層打印方式來構造物體的空間形態。由于3D打印技術在制造工藝方面的創新，其被認為是“第三次工業革命的重要生產工具”[2]。

在新一輪工業革命浪潮下，3D打印作為先進制造技術的代表正在嶄露頭角。與傳統的制造技術相比，3D打印技術具有明顯的技術優勢[3]。經過三十多年的發展和推廣，3D打印技術被廣泛應用于航空航天、工業設計、生物醫療、食品、藝術設計、建筑模型和教育等諸多領域。美國于2012年成立了“國家增材制造中心”，掀起了全球3D打印的熱潮[1,4]。

近年來，基于房屋、橋梁等建筑物智能建造的發展需求，水泥基材料3D打印技術也取得了一些突破，一定程度上可以有效解決建筑傳統施工中存在的手工作業多、模板用量大、造型復雜難以實現等問題。也因為如此，新型的、智能化的建筑3D打印技術在行業內的關注度得到了不斷提高。

1 3D打印工藝

建筑3D打印技術作為新型數字建造技術，與傳統建筑技術相比，具有建造速度快、無模機械化施工、節省人力和建造成本[5]、可完成空間任意造型結構[6-7]等優勢。目前，應用于建筑領域的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?。–oncrete Printing）。

粘結沉降成型工藝“D-Shape”是由意大利工程師Enrico Dini發明的一種3D打印工藝[8]。打印機底部有數百個噴嘴，如圖1所示，這些噴嘴可以同時噴射出鎂質粘合物，在粘合物上噴撒砂子可以逐漸鑄成實質固體，通過一層層粘合物和砂子的結合，最終形成石質建筑物。D-Shape打印機能夠很容易地打印其他建造方式難以實現的高成本曲線建筑。目前，基于這種打印工藝已經成功建造了一些建筑結構，比如荷蘭的Janjaap Ruijseenars等[9-10]模擬莫比烏斯環，利用D-shape技術建造了景觀別墅landscape house（見圖2）。

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

圖2 打印建筑landscape house設計[10]Fig.2 Design of printing building of landscape house[10]

輪廓工藝（CC）是由美國南加州大學的Behorhk Khoshnevis開發的一種分層制造技術[12]。該工藝可以使用水泥、混凝土為原料，依據設計圖，利用3D打印機的噴嘴噴出高性能材料，逐層打印出墻壁、隔間和裝飾等，再用機械手臂完成整座房子的基本構架，如圖3（a）所示。輪廓工藝的特點在于不需要使用模板，打印出來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，輪廓工藝的另一個潛在用途是探索地外環境，如美國航天局正在研究在外星球上建造太空基地的可能性[13]，希望為人類進行行星探索提供一個外星棲息地，如圖3（b）所示。

圖3 輪廓工藝的應用Fig.3 Application of contour crafting printing method

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

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

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

2 3D打印水泥基材料研究現狀

與傳統的建筑材料相比，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性能。目前，國內外已有學者就3D打印建筑材料進行了研發[17-19]，其中工作性能、力學性能和耐久性能是建筑3D打印材料的研究熱點。

2.1 工作性能

3D打印水泥基材料的工作性能指標包括流動性、凝結時間、早期強度、可建造性等方面。打印材料的流動性能需要控制在合適的范圍內，才能滿足3D打印泵送輸出和穩定打印的要求。流動性可通過水膠比、合理的級配以及加入適當的外加劑來控制。減水劑是最常見的外加劑，隨著減水劑的增加，流動性能隨之提高，但是過高的流動性會造成建造性能的降低，Malaeb等[20]通過研究提出每365g基體材料（水泥、砂、細集料）中聚羧酸鹽減水劑的摻量不宜超過1.1mL。

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

建筑3D打印材料還應具有足夠的早期強度，特別是1～2h內的早期強度應發展較快，以保證結構在連續打印過程中不變形。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 力學性能

要建造性能良好的混凝土結構，打印材料應具有較高的強度、良好的抗裂能力和韌性。利用纖維進行增強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列舉了國內外一些可用于3D打印的纖維增強水泥基材料的力學性能。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細骨料混凝土。Hambach M等[29]研究了短纖維增強3D打印用水泥基材料的力學性能，分別對摻加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性能進行了測試。馬國偉等[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打印水泥基復合材料，并探討聚乙烯醇纖維的摻量對混凝土粘結性能、力學性能和耐久性能的影響。

表2 3D打印水泥基材料力學性能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構的耐久性要求。打印建筑需盡可能使用抗滲性能良好、強度高的打印材料。普通硅酸鹽水泥基材料抗滲保溫性能差，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構的耐久性要求。東南大學研究團隊[30]對其研發的3D打印混凝土材料進行了耐久性能試驗，結果表明，同普通混凝土一樣，通過使用對應的外加劑、更換合適的膠凝材料或調整混凝土配合比（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。浙江大學研究團隊[26]對其研發的3D打印水泥基復合材料進行碳化試驗和氯離子滲透試驗，結果表明，3D打印水泥基復合材料的分層打印未對碳化分布造成明顯的影響，但碳化速率和抗滲系數與層界分布顯著相關，與層間界面相比，條間界面抗碳化和抗滲性能更低，3D打印堆積成型雖減少了結構內部大孔，但使界面缺陷呈現出各向異性。

3 3D打印水泥基材料的配筋增強研究進展

目前，3D打印水泥基材料還存在諸多問題，通過纖維增強可有效提高材料的抗拉強度和延性，但纖維較短，連續性較差，且纖維增強材料只能在打印層沉積方向上增強，而不能跨越層間增強混凝土[31-33]。要打印建造建筑結構，單純依靠材料中的纖維尚不能滿足結構設計的安全性要求，對構件進行配筋是一個相對簡單的方法，但是如何在打印過程中實現對構件的配筋是一個需要考慮機械、材料、工藝等多方面因素的綜合性問題，需多學科配合才能解決。

按照配筋方式，目前3D打印水泥基材料的增強方式可概括為內置預制鋼筋網和打印鋼筋網。內置預制鋼筋網的方法又可以分為：1）在打印模板中內置鋼筋并澆筑混凝土形成一個整體；2）打印過程中在打印層間置入預制增強筋材或網片；3）通過特制噴嘴在鋼筋網兩側打印水泥基材料。由于3D打印可以建造復雜的構件輪廓，因此可將其作為永久模板使用，結構建造時只需在模板內放置預制的鋼筋籠，再澆筑形成鋼筋混凝土構件，即可滿足結構的安全性和承載力要求。浙江大學研究團隊[34]采用3D打印水泥基復合材料打印制作了永久梁模板和永久柱模板，并對其配筋后再澆筑混凝土形成疊合梁和柱，通過力學試驗得出：永久模板能與后澆混凝土協調工作；得益于高強度的打印模板，疊合方柱軸心抗壓強度比整體現澆方柱提高23.4%，疊合圓柱軸心抗壓強度比整體現澆圓柱提高36%。拉夫堡大學Le T T[7,16]基于自主研發的3D打印混凝土材料，通過在打印構件上預留孔道放置預應力筋來增強構件的承載能力，增強方式如圖6所示。在水泥基材料打印過程中置入預制鋼筋網也被證明是一種有效的增強方式。浙江大學研究團隊[26]通過在打印過程中鋪設鋼絲網來實現拱構件的配筋增強，如圖7所示，通過力學試驗得出：加入鋼絲網對拱的承載能力的影響與其具體形態有關，在配筋率相似的情況下，密鋼絲網的加勁效果優于疏鋼絲網；采用密鋼絲網的3D打印拱與疏鋼絲網相比，極限荷載提高15.2%。北京華商騰達還發明了一種在配筋網兩側打印混凝土的技術，具體實施方法是先布置豎向鋼筋網，然后使用叉形噴嘴，在鋼筋網的兩側同時打印，如圖8所示[35]，通過這種方法，該公司在45天內現場打印完成了400m2兩層別墅。而澳大利亞斯威本科技大學發明了一種新型的3D打印噴嘴，可在噴嘴中間插入鋼筋網片，以此形成配筋增強構件，如圖9所示。Marchment通過三點彎曲梁試驗（跨徑1.4m）得出，與無筋梁相比，以這種方式打印的試驗梁抗彎承載力提高170%～290%，且鋼筋網片與打印的混凝土具有良好的粘結性能[35]。

圖6 預應力筋增強打印構件[16]Fig.6 Printed element reinforced with prestress cable[16]

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

圖8 鋼筋網兩側打印混凝土[35]Fig.8 Concrete printed from both sides of steel grid[35]

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

在混凝土打印過程中同時打印鋼筋網的增強方式，國內外學者也進行了一些嘗試。德國德累斯頓工業大學Mechtcherine等[36]使用氣體-金屬電弧焊對鋼筋進行3D打印，并通過粘結試驗得到3D打印鋼筋與混凝土的粘結力可相當于普通鋼筋與混凝土的粘結力。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操作并形成性能良好的一體化構件，因此此種方法要實現工程應用還有很長的路要走。河北工業大學研究團隊[37]采用在3D打印噴嘴上添加線軸，在打印混凝土的同時，通過線軸在混凝土上布設鋼絲來實現配筋增強構件，如圖10所示，通過四點彎曲試驗得出，這種配筋方式能大大提高打印構件的抗彎強度?；诖蛴』炷恋耐瑫r進行連續布筋增強的思想，浙江大學研究團隊[38]研究了布設筋材與3D打印水泥基復合材料的粘結性能，通過拉拔試驗得出，由于3D打印試件存在層間和條間缺陷，筋材與復合材料間的粘結強度均小于模板澆筑試件，且打印方向對粘結強度有一定的影響，在3D打印試件中，平行打印試件的粘結強度最大，垂直打印試件的粘結強度最??；并在此基礎上進行了連續布筋混凝土構件的設計和受力性能系統研究。

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

4 問題與展望

盡管3D打印技術存在諸多優勢，國內外專家學者也開展了一定的研究工作，但是3D打印技術在建筑工程領域的應用尚處于起步階段，還面臨許多難題和不足，主要集中在打印材料、配筋方法、打印工藝和機器設備等方面，未來的建筑3D打印技術的研究重點仍集中于此。

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，雖然現階段對于3D打印水泥基材料的研究和應用取得了較好的成果，但3D打印材料的性能要求比較嚴格，不是所有的水泥基材料都適于建筑結構的打印建造，一些高強度水泥基材料的低適用性也不利于其在建筑行業的推廣應用。水泥基打印材料具有明顯的脆性，盡管一些材料在制作時加入增強纖維，但是纖維連續性不強，增強效率有限，如直接采用這些材料打印成水平分布的承重構件，則承載能力較低，且會發生脆性破壞。因此，尚需從結構應用的角度對水泥基打印材料進行優化研究。

2）打印工藝不完善，且缺乏評判標準。目前的3D打印技術施工工藝尚存在以下問題：首先，建筑結構表面平整度不足。3D打印結構的表面比較粗糙，一定程度上影響建筑結構的美觀和性能，如對大型打印構件采用找平的方式提高表面平整度，會耗費大量的人力和物力。其次，打印精度不高。打印的建筑結構往往與設計尺寸存在偏差，給裝配式施工的打印構件帶來裝配困難；無法做到靈活精準預留管道等工藝，需要后期進行鉆孔等處理，可能對打印結構造成潛在的損傷風險。最后，打印層間和條間的粘結截面為薄弱環節。打印時不同層條的接觸界面存在較多的孔隙，承載時容易從這些薄弱處發生破壞。2019年7月26日協會標準《3D打印混凝土材料性能試驗方法》《3D打印混凝土基本力學性能試驗方法》編制組成立暨第一次工作會議于在西安召開，該兩項標準的制定與發布將推動科學合理地檢測和評估3D打印混凝土新拌及硬化后的性能，對于促進3D打印技術建造混凝土結構構件具有重要意義。

3）3D打印結構的配筋增強方式亟待深化研究。要想提高3D打印構件的承載能力，采用一定的配筋方式對結構進行加固增強是必須的?，F有的綁扎鋼筋籠工藝與3D打印技術無法兼容，而采用體外配筋或在3D打印永久模板中進行配筋已得到有效嘗試，但在打印過程中進行體內打印配筋需要特殊的打印設備；同時，對于采用的配筋材料也需要合理選擇，以適應3D打印工藝，彌補3D打印缺陷。

4）打印設備適應性弱。目前已有多家機構進行3D打印設備的生產和研發，但3D打印設備尺寸大多不大，適于打印小尺寸的建筑構件，對于大型建筑物還很難一次打印成型，且打印時難以同時滿足抹面、預留孔道、布置鋼筋等要求，為了適應建筑市場的發展需求，尚需開發大尺寸、全尺寸、功能完善的打印設備，同時提高打印機的打印精度。此外，尚需根據打印設備進行相應的結構設計方法研究。