混凝土3D打印技术的研究与应用进展

2021-03-31肖博丰李古

中国建材科技 2021年3期

关键词：屈服应力层间强度

肖博丰李古

（广东工业大学土木与交通工程学院，广东广州 510006）

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3D打印技术（3D printing technology）是一种快速成型技术，又称为增材制造，是一种以数字模型文件为基础，运用各种可印制（或可打印）的粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

随着3D打印技术的研发，越来越多的人意识到3D打印技术的可拓展性，该技术也被越来越多地应用在更多更广的领域。从开始的塑料材料3D打印技术，到之后与医学、航天、制造业等的合作与融合，都印证了3D打印技术具有高度的包容性和产业技术革新性。

建筑行业也不例外，可以通过3D打印技术生产出更精确，甚至近乎完美的组件[1]。此外，采用3D打印技术有着无需搭建混凝土浇筑模板即可打印建筑构件或建筑，打印系统的智能化和操作流程的简单化，打印施工只需配置少量人员即可完成部品或建筑等诸多优点[2]。目前，关于建筑建材的3D打印技术还处于初始阶段，需要更多的试验研究去发展和完善现有的3D打印技术，使其成为成熟且具有工程意义的高水平技术。

本文主要对3D打印材料与工艺及3D打印混凝土的试验方法与相关应用进行综述，并对混凝土3D打印技术存在的问题及未来的方向提出看法。

1 混凝土3D打印材料与工艺研究

3D打印材料的通用性来自系统的多样性，但对于每个具体的应用，可用材料仍然是有限的，仍有待进一步探索[3]。如今，国内外有不少关于混凝土3D打印材料的研究，关注点主要在水泥基材料本身及外加剂或纤维增强上，从而改善混凝土3D打印过程中的构件性能或打印能力。

1.1 混凝土3D打印材料研究

目前，3D打印混凝土胶凝材料主要以无机材料为主，如硅酸盐水泥、干混砂浆、粘土类、专用石膏材料等，也有以环氧树脂为主要代表的有机材料[4]。

石丛黎等[5]通过对3D打印混凝土技术的试验和初步探索，发现采用普通水泥和快硬性水泥的复配，能够解决普通水泥凝结时间长而导致的构件打印强度支撑问题，因为快硬水泥能在短时间内提供支撑结构其他未凝结硬化部分的强度，同时，采用轻质集料减轻混凝土材料自身的重量也可以增加打印的高度。邱鹏鹏[6]在开展硫铝酸盐水泥作为3D打印材料研究时发现，硫铝酸盐水泥具有凝结硬化快、早期强度高、后期强度仍稳定、收缩率低、低温性能好、耐腐蚀性能强等优点，是理想的作为3D打印的胶凝材料，而且，硫铝酸钙盐水泥的加入，能够通过提高水泥浆的屈服应力使得打印后的各层砂浆具有更好的可建造性[7]。

3D打印混凝土的性能不仅与水泥有关，材料中的砂率也会有影响。当砂率小于0.235时，随着水泥掺量的增加，混凝土的静屈服应力也会随之增加，但对高砂量（大于0.24）而言则相反[8]。

此外，外加剂或纤维增强也能改变3D打印混凝土的打印性及性能。石丛黎等[5]和Rubio等[9]在其材料中加入聚丙烯纤维、增稠剂及自制的柔性调节剂，发现纤维和外加剂能提高材料的触变性、柔顺连续性。而引气剂的使用，不但能够降低混凝土的弹模，提高混凝土的抗渗性能、抗冻性能，更重要的是引气剂引入微小、均匀独立气泡，起到了滚珠效应，使骨料颗粒间摩擦力减小，增加了水泥浆体的体积，降低混凝土的塑性粘度[6]。

雷斌等[4]进行了3D打印混凝土材料的制备方法研究，在混凝土中加入活性矿粉，发现粉煤灰、硅粉、矿粉、陶瓷抛光砖粉等矿物掺合料的活性成分能大幅提高打印构件的强度及结构的致密度，从而提高材料的耐久性能和结构的使用寿命。Tohamy等[10]通过在混凝土材料中加入聚丙烯纤维进行3D打印研究发现，聚丙烯纤维可防止打印混凝土样品剥落，在一定程度上优化混凝土在打印机输出端口的挤出过程，并得到均匀、连续的打印试体结构，同时，聚丙烯纤维可在一定程度上抑制混凝土构件裂缝开裂，但是聚丙烯纤维掺量过多会降低混凝土的抗渗性能。Kazemian等[11]发现相对于聚丙烯纤维，硅灰和纳米粘土的混合效应对于3D打印混凝土的影响更明显，且提高了混凝土打印后的形状稳定性，但是，单就硅灰和纳米粘土的比较而言，硅灰的水化反应强于纳米粘土，而纳米粘土在静止状态下的结构重建变化率较好[12]。

Rubio等[9]研究不同的配比对3D打印砂浆流变特性和新鲜性能的影响，结果发现，添加24%的粉煤灰和8%的硅灰能够显著增加砂浆的强度、粘结性能、结构均匀性和稳定性，同时还降低了砂浆的流动性、泌水和层间隔离度，提高了砂浆的挤出性能。Ma等[13]采用铜尾砂与天然砂的质量替代比的六种混合方法研究3D打印混凝土的最佳配比，结果表明，由于铜尾矿颗粒较细，以坍落度、扩展度和V型漏斗时间为特征的新浆料流动性随尾矿置换比的增大而增大，但混凝土的可打印性随之降低。

Panda等[14]指出，短切玻璃纤维的加入能够对3D打印混凝土的力学性能有显著提高，尤其是当短切玻璃纤维掺量为1%时，在不同方向的抗弯、抗压试验中均对抗弯强度和抗压强度有所增强。Hambach等[15]对纤维进行热处理，提高纤维的分散性和亲水性及纤维与胶凝基质的粘结性，随后进行混凝土3D打印试验研究，结果表明，处理后的纤维可增强复合材料的抗弯强度，特别是掺入1%的碳纤维能够使构件具有最高30MPa的抗弯强度。

Tay等[16]通过分析矿渣粉因素和混凝土自身数据发现，水胶比和砂胶比对混凝土坍落度和扩展度的影响要大得多，进而提出坍落度在4～8mm、扩展度在150～190mm的混合物具有光滑的表面和很高的可建造性。Panda等[17]对硅灰和粒化高炉矿渣（ground granulated blast-furnace slag,GGBS）的研究表明，GGBS对于水泥砂浆的新拌能力改善作用有限，但对其早期抗压强度影响显著，GGBS的加入可能促进了均质微观结构的发展，并产生了更强的三维网络，而硅灰的加入对控制混合物在生料阶段的屈服应力和粘度有一定的作用。

Liu等[8]研究了砂、水泥、粉煤灰三元体系对材料静态屈服应力和动态屈服应力的影响，结果发现，当砂率体积分数小于0.235时，材料的静态屈服应力随粉煤灰掺量的减少而增大，此外，动态屈服应力随粉煤灰掺量的增加而减小，当砂率体积分数达到0.28左右时，则随水泥掺量的增加而增大。Rahul等[18]发现在3D打印混凝土中加入纳米粘土可提高混合物的强度，屈服应力也随纳米粘土含量的增加而增加，此外，粘度改性剂（viscosity modified agent,VMA）和硅灰的加入也会使混凝土的强度变高，稳定性更好，同时还发现，屈服应力随着VMA和硅灰的加入而增加。

Mazhoud等[19]探讨制造水下3D打印材料的可能性，通过在砂浆中加入水下不分散剂（anti-washout admixture）来研究其性能，结果表明，随着W/C和水下不分散剂含量的增加，结构累积速率逐渐减小，此外，水下不分散剂的加入降低了砂浆的渗透性。

不管是水泥种类的优选，还是辅助胶凝材料/外加剂的选用，或是纤维的掺入，都会显著影响3D打印混凝土的性能，带来一定的正面效果。但实际应用中也发现，过量掺入纤维会带来消极的影响。而较多研究表明，硅灰的掺加能够使混凝土的流变性能和可打印性达标，因此，硅灰或是提升3D打印混凝土性能的较好材料。

1.2 混凝土3D打印工艺研究

除了材料本身，混凝土3D打印质量的好坏也和机器、材料配比、流变性能等有密切关系。

蔺喜强等[2]通过对快硬早强混凝土的3D打印研究发现，打印混凝土的工作性能和凝结时间控制是材料可打印施工的关键指标，需根据3D打印工艺流程和打印速度调节至适合于打印，结果表明，初凝时间20～60min，砂浆流动度170～190mm，强度等级C40～C50，可满足一般的建筑部品或构件的打印需求。Ma等[13]通过用铜尾砂与天然砂的质量替换，确定了以水胶比为0.26，砂尾比为3:2，由70%的水泥、20%的粉煤灰、10%的硅灰和1.2kg/m3的短切聚丙烯纤维组成的配比能够得到最佳的和易性。

Khalil等[7]研究出了利用普通硅酸盐水泥与硫铝酸钙盐水泥复掺的方法，最终配制出由93%的普通硅酸盐水泥和7%的硫铝酸钙盐水泥复配，水灰比为0.35，砂灰比为2，减水剂为0.26%的砂浆配比，其打印层数可以叠加到超过25层。

张大旺等[20]通过对3D打印混凝土材料及技术的研究发现，机器喷嘴的大小决定了混凝土拌合物配制中的颗粒大小，且必须找到最合适的骨料粒径大小，粒径过大，会堵塞喷嘴，而粒径过小，包裹骨料所需浆体的比表面积大，浆体多，水化速率快，单位时间水化热高，会导致混凝土各项性能恶化；同时，3D打印试样的力学性能也受到喷嘴形状、打印对象的复杂程度等打印参数的影响[21]。

Vaitkevičius等[22]将超声波活化技术和3D打印技术结合，研究超声波技术对3D打印混凝土的影响，从结果可知，超声波活化使3D打印技术过程更容易控制，技术不再依赖环境条件（温度和风），可以得到更好的强度和更耐用的打印混凝土，在诱导前的水化过程中，用超声波弥散仪激活粘合剂，可以产生更多的钙矾石晶体，随着钙矾石晶体数量的增加，凝固时间大大缩短，可显著提高打印速度；同时，在进一步的水化阶段，对比没有超声波活化的组别，超声波活化使打印混凝土的力学性能提高了约10%。Nerella等[23]研究出一种新的现场3D混凝土打印方法，试验证明了可打印混凝土在新拌和硬化状态下的重要性能，并提供了研究可打印混凝土的可泵性、可挤压性和可建造性的试验方法。

Weng等[24]研制了一种新型的三维可打印纤维增强胶凝复合材料(3D printable fiber reinforced cementitious composite,3DPFRCC)，并进行了大规模打印试验，在150分钟内成功打印出78×60×90cm3的结构，表明该新型3DPFRCC具有良好的可建造性和可泵送性，同时证明了所研制的材料具有良好的流变性能和力学性能，适用于大规模打印。Jeong等[25]研究出一种新的算法，快速得出所需的流变特性，以防止在打印过程中混凝土的坍塌，在该模型中，新浇混凝土为Herschel-Bulkley流体，假定在层状混凝土最大剪应力超过屈服应力之前不发生变形，试验表明，通过计算流体动力学的分析结果，该模型能够非常准确地预测坍塌的发生及位置。

材料和打印机也都扮演着重要的角色。Gosselin等[26]依据现有混凝土工程的局限性提出了新的工艺，研制了一种六轴机械臂，实现了几何复杂性和打印的全面系统控制。Zuo等[27]通过对3D打印技术的研究，提出了一种基于尺度3D打印的三维设计模型合理性评估和全尺寸3D打印参数优化方法，并研制了一种用于全尺寸结构打印的五轴打印设备和大型龙门式高刚性3D打印机，在节约打印时间和材料的同时，3D打印桥梁模型与实物的最大偏差控制在0.9mm以内，平均偏差在0.1mm以内。

Marchment等[28]通过研究提出一种新的重叠网格钢筋方法来模拟连续网格，并对机器喷嘴进行新的设计，试验和计算结果表明，试样的破坏不是由于网格与打印材料之间的粘结破坏，而是由于钢的屈服和断裂破坏，这表明叠合网格作为一种功能连续加固是有效的，且喷嘴的设计也是有效的。

此外，也有研究者从钢混结构中的钢筋入手研究。Mechtcherine等[29]通过对钢筋混凝土结构的研究，发现迫切需要将3D打印结构原件的加固技术向前推进，提出了气-金属电弧焊3D打印钢筋的新工艺，并进行新型钢筋的力学性能研究，结果表明，与传统钢筋相比，3D打印钢筋的屈服应力和抗拉强度降低了约20%，但是表现出明显的屈服能力和更高的应变能力，同时，打印钢筋与可打印细粒混凝土的结合性能良好，可与普通钢筋的结合性能相媲美；所开发的基于气电弧焊的3D打印工艺使钢筋生产具有足够的几何精度和几何自由度，生产速度合理。

混凝土3D打印技术现在仍然处于初探或起步阶段，3D打印机器是一个亟需解决的问题，材料的配比也是如此。现有研究成果表明，多轴器械能够更好处理复杂的3D打印图形，但复杂的3D打印图形对混凝土在快硬或可操作性上有更高的要求。而对于材料配合比来说，目前的配合比研究都是基于使用某种外加剂的前提下所提出的经验性配合比，仍然缺乏通用性的配合比方法及相关理论研究。因此，不管是机器，或是材料配比，都需要系统、深入的研究，缺一不可，否则会出现在实际工程应用中各部分无法匹配兼容的问题。

2 3D打印混凝土性能试验方法研究

对于3D打印混凝土而言，混凝土本身的性能是一个重要的考量因素，需要采用合适可行的方法对混凝土的各项性能进行研究。

雷斌等[30]对3D打印混凝土的可塑造性能进行了研究，结果表明，3D打印混凝土材料的物理状态可大体分为三类：可塑状态、半固态和固态，同时，试体部分及整体的破坏形式主要有剥落破坏、挤出破坏、滑移破坏和倾覆破坏；此外，打印材料的可打印性能差会导致混凝土纤维孔隙增大，因此，即使抗压强度仍然很高时，弯曲强度也会明显降低[31]。

Mazhoud等[19]通过掺加水下不分散剂来研究水下3D打印材料的可能性，结果表明，对于水下3D打印材料，抗压强度随着打印速度的增加而降低，而在临界打印速度以下，3D打印砂浆的弹性模量随着打印速度的增加而减小。Ju等[32]利用CT扫描、frozen-stress技术和光弹性试验研究3D打印试件及其力学性能，结果表明，试件在断裂带附近的高应力分布区域和应力梯度方面，试验数据与模拟数值具有较好的一致性，光弹性方法可用来可视化不规则形状和夹杂物的随机空间分布对非均质结构和固体的强度、变形和应力集中的影响，为验证相应的数值解提供了良好的验证方法。

Wolfs等[33]进行了3D打印混凝土的层间粘结试验和打印试验，结果表明，对于多材料打印或在打印时用二次材料填充打印结构，应力可能并不只发生在垂直方向，在这些情况下，临界层不再是载荷最高的层，即初始层，基于分析强度的准则也不再成立，即对于3D打印混凝土来说，破坏层或可能存在的破坏层并不一定在初始层，而是在各向力偏值最大的间层中。Tay等[34]对3D打印的分层制造进行了研究，结果发现，初始层的流变性能影响与后续层的结合，两层之间界面的附着力是决定结构抗拉强度的关键，后一层的模量不受时隙的影响，而初始层的模量随时隙的增大而增大；初始层的高模量阻碍了界面的良好接触和混合，随着时间间隔的增大，界面的空隙越来越大，对层间强度的影响呈对数衰减，同时，为了支撑后续各层，保持结构稳定，需要初始层的高模量。Rahul等[35]的试验证明，3D打印混凝土只有当材料屈服应力在一定范围内时才有可能分层建造，低屈服应力值会导致层的倒塌，阻止分层的可建性，但如果屈服应力太高，材料会太硬而不能挤出，新拌混合物的屈服应力建议在1.5～2.5kPa之间。

Sanjayan等[36]通过延长层间打印时间（分别为10min、20min和30min）来探究层间强度的影响因素，结果表明，影响层间强度的主要因素之一是层间表面的水分水平，如果表面是干燥的，则没有可加工性来形成粘结，而随着层间延迟时间的增加，抗压强度和抗弯强度先增大后减小，对于相同批次的材料，较大的层间时间间隔会降低材料的强度，而打印速度和喷嘴距较小时效果更好，所有这些参数是互补的，必须限制在一个最佳范围[37]。

Le等[38]和Wolfs等[39]研究3D打印混凝土的层间粘结强度发现，打印效果不佳会导致混凝土制品的密度较低，随着层间打印间隙的增大，拉伸结合强度会降低，当间隙保持在15min时，键合大于材料的拉伸能力，而30min或以上的间隙会导致界面粘结失效，进而建立了特征粘结强度与时间的关系，同时指出界面缺水会随时间显著降低。Ma等[40]提出了一种挤压式3D打印系统，并研究其应力力学性能，结果表明，层间叠加导致了3D打印自由形态模型的层合结构，由于相邻细丝间的经度缺陷，模型整体力学性能呈现明显的各向异性，弯曲和剪切试验均表明，不同加载方向下，打印试样的抗压强度变化较大，垂直于细丝间弱界面的拉伸应力比平行于细丝间弱界面的拉伸应力更容易产生裂纹，定向纤维在挤出过程中从喷嘴的窄口处对长丝产生一定的力学增强；同时还发现，电磁干扰监测被证明是一种有效的损伤检测和定量方法，结构损伤引起的结构机械阻抗的变化导致了PZT信号的变化。

Zareiyan等[41]利用齿状联锁结构进行了3D打印混凝土的层间粘接试验，结果表明，无论采用何种测试方法，齿状联锁层（0.25英寸和0.5英寸）都会增加各层之间的结合，沿层间界面受压时，0.5英寸的互锁试件的粘结强度从16%提高到19%，平均提高约17%（层间粘结）；此外，劈裂试验的粘结强度增加了26%，这可能是因为层间接触面的增加。

Feng和Xia等[42-43]研究了3D打印技术的喷印方向对混凝土构件的影响，结果表明，所有3D打印立方体在X、Y、Z三个方向加载时，其破坏模式相似，均为沙漏形开裂，但在X方向（即打印头移动方向）加载时，其抗压强度和弹性模量最高，且喷印方向对结构的承载能力有显著影响。Wolfs等[44]对试件的尺寸效应和密实度因素进行了研究，通过定制的三轴压缩试验装置，与平行进行的单轴压缩试验和超声波透射试验进行了比较，结果表明，试样的尺寸、密实程度或打印材料中存在的小裂缝和空隙，在较后的混凝土龄期影响显著，在龄期为60min或90min时，压实构件的强度比未压实构件高很多。

从上述研究可以看出，研究人员已提出了一些可行的3D打印混凝土性能测试方法，包括新拌性能试验和力学性能试验等。但是，还没有形成较为系统的试验标准和规范，特别是可在现场试验的简易方法仍没有很好地建立与完善。

3 3D打印混凝土的应用

混凝土3D打印技术的特点是利用CAD等建模软件，在自然关节扫描结果上进行重建，打印虚拟三维关节模型，并能直接将数字关节模型转换为物理模型[45]。

Sakin等[46]对BIM技术和3D打印技术的适用性进行了研究，发现BIM可以提高设计的细节和精度，设计的建筑和行动计划会更加具体，通过BIM能同步且更系统地对建筑物进行精准建造。3D打印技术在建筑上有诸多优势，不仅能降低成本，环保利用原材料，改进施工流程，还能减少现场高危作业，减少建造时间。

Xu等[47]将混凝土3D打印技术与历史建筑进行融合，利用混凝土3D打印技术和扫描技术对历史建筑的混凝土构件破坏部位进行修复，效果良好，证明3D扫描技术和3D打印技术的结合可以解决历史建筑修复中普遍存在的问题。最新的3D建模和打印经验表明，需要引入新的专业技术来支持考古学家、建筑师、工程师和修复者，需要使用与仪器测量相关的数字技术，以实现3D建模和实体打印[48]。

对于3D打印，硬件与软件的发展都不可或缺。对于软件，一个重要的问题是确保在建筑设计、结构分析和打印过程中使用的应用程序的互操作性[49]。Marczyk等[50]指出，3D打印技术的成功不仅取决于改善设计和生产过程之间的关系，还取决于工程师设计建筑构件的技能。混凝土或地聚合物的打印性能取决于机械性能和和易性，可以通过选择材料和打印参数进行优化。

如今，混凝土3D打印技术在很多国家都已经有建筑实例。在国外，美国海军陆战队司令部增材制造团队使用了世界上最大的混凝土3D打印机建造军营[51]；世界上最大3D打印建筑已在迪拜竣工[52]；墨西哥开建的“3D打印社区”预计会完工50栋住宅[53]。在国内，河北工业大学打印完成了世界最长跨度装配式混凝土3D打印赵州桥[54]；上海市有10幢3D打印建筑将落成[55]；在新冠疫情期间使用了3D打印隔离病房[56]。这些都印证了3D打印技术在土木工程领域的应用与融合。对于土木工程领域现有的BIM技术及其他建模技术，3D打印与它们融合及共同发展的前景广阔。而混凝土3D打印技术的跨界运用，也是可以思考和探索的内容，不管是航天或是海洋工程等。