水泥基材料3D打印技术研究进展

王海龙 陈杰 高超 高君峰 孙晓燕

（浙江大学建筑工程学院，浙江 杭州 310058）

0 前言

信息化和数字化是当今各行业发展的必然趋势。3D打印技术可通过互联网信息技术平台，与物联网、大数据、智能材料等众多先进技术紧密融合，实现智能化制造，改变人类的生产方式和生活方式。1986年Charles Hull发明了世界上第一台3D打[1]，利用建模软件或实体扫描方式得到的数字模型为基础，运用金属粉末或非金属材料，通过逐层打印方式来构造物体的空间形态。由于3D打印技术在制造工艺方面的创新，其被认为是“第三次工业革命的重要生产工具”[2]。

在新一轮工业革命浪潮下，3D打印作为先进制造技术的代表正在崭露头角。与传统的制造技术相比，3D打印技术具有明显的技术优势[3]。经过三十多年的发展和推广，3D打印技术被广泛应用于航空航天、工业设计、生物医疗、食品、艺术设计、建筑模型和教育等诸多领域。美国于2012年成立了“国家增材制造中心”，掀起了全球3D打印的热潮[1,4]。

近年来，基于房屋、桥梁等建筑物智能建造的发展需求，水泥基材料3D打印技术也取得了一些突破，一定程度上可以有效解决建筑传统施工中存在的手工作业多、模板用量大、造型复杂难以实现等问题。也因为如此，新型的、智能化的建筑3D打印技术在行业内的关注度得到了不断提高。

1 3D打印工艺

建筑3D打印技术作为新型数字建造技术，与传统建筑技术相比，具有建造速度快、无模机械化施工、节省人力和建造成本[5]、可完成空间任意造型结构[6-7]等优势。目前，应用于建筑领域的3D打印工艺主要有以下三种：D型工艺（D-Shape）、轮廓工艺（Contour Crafting）和混凝土打印（Concrete Printing）。

粘结沉降成型工艺“D-Shape”是由意大利工程师Enrico Dini发明的一种3D打印工艺[8]。打印机底部有数百个喷嘴，如图1所示，这些喷嘴可以同时喷射出镁质粘合物，在粘合物上喷撒砂子可以逐渐铸成实质固体，通过一层层粘合物和砂子的结合，最终形成石质建筑物。D-Shape打印机能够很容易地打印其他建造方式难以实现的高成本曲线建筑。目前，基于这种打印工艺已经成功建造了一些建筑结构，比如荷兰的Janjaap Ruijseenars等[9-10]模拟莫比乌斯环，利用D-shape技术建造了景观别墅landscape house（见图2）。

图1 D-shape工艺的打印机[11]Fig.1 Machine for D-shape printing[11]

图2 打印建筑landscape house设计[10]Fig.2 Design of printing building of landscape house[10]

轮廓工艺（CC）是由美国南加州大学的Behorhk Khoshnevis开发的一种分层制造技术[12]。该工艺可以使用水泥、混凝土为原料，依据设计图，利用3D打印机的喷嘴喷出高性能材料，逐层打印出墙壁、隔间和装饰等，再用机械手臂完成整座房子的基本构架，如图3（a）所示。轮廓工艺的特点在于不需要使用模板，打印出来的建筑物轮廓将成为建筑物的一部分，大大提升了建造的效率。除了打印房屋外，轮廓工艺的另一个潜在用途是探索地外环境，如美国航天局正在研究在外星球上建造太空基地的可能性[13]，希望为人类进行行星探索提供一个外星栖息地，如图3（b）所示。

图3 轮廓工艺的应用Fig.3 Application of contour crafting printing method

混凝土打印由英国拉夫堡大学建筑工程学院提出，该技术与轮廓工艺相似，也是基于混凝土喷挤堆积成型的工艺[14]。混凝土打印（机械装置如图4所示）通过空间钢筋网保证了打印构件的整体性能，工艺简单，打印效率较高[15]；但其打印的构件表面粗糙，尺寸受设备限制[16]（如图5）。

图4 混凝土打印机械装置[15]Fig.4 Printing system for concrete[15]

图5 混凝土打印制作的构件[16]Fig.5 Printed elements using printable concrete[16]

2 3D打印水泥基材料研究现状

与传统的建筑材料相比，建筑3D打印材料要求具有良好的可塑性、工作性、触变性以及早期力学性能。目前，国内外已有学者就3D打印建筑材料进行了研发[17-19]，其中工作性能、力学性能和耐久性能是建筑3D打印材料的研究热点。

2.1 工作性能

3D打印水泥基材料的工作性能指标包括流动性、凝结时间、早期强度、可建造性等方面。打印材料的流动性能需要控制在合适的范围内，才能满足3D打印泵送输出和稳定打印的要求。流动性可通过水胶比、合理的级配以及加入适当的外加剂来控制。减水剂是最常见的外加剂，随着减水剂的增加，流动性能随之提高，但是过高的流动性会造成建造性能的降低，Malaeb等[20]通过研究提出每365g基体材料（水泥、砂、细集料）中聚羧酸盐减水剂的掺量不宜超过1.1mL。

3D打印材料应具有初凝时间可调以及初、终凝时间间隔短的特点。初凝时间可调指根据打印长度和高度以及打印速度的快慢来调整材料的初凝时间；初、终凝时间间隔短是为了保证打印材料有足够的强度发展速率，保证材料具有在不同高度自重作用下不产生大的变形。Le等[7]研制了一种聚丙烯微纤维增强细骨料混凝土，其流动性能可维持100min，具备足够的工作时间（流动性可以维持的时间），且该混凝土在打印62层之后，底层并没有出现明显的变形，具有良好的可建造性。

建筑3D打印材料还应具有足够的早期强度，特别是1～2h内的早期强度应发展较快，以保证结构在连续打印过程中不变形。表1给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 力学性能

要建造性能良好的混凝土结构，打印材料应具有较高的强度、良好的抗裂能力和韧性。利用纤维进行增强能够显著提高水泥基材料的抗裂性能，也可以明显改善打印材料的韧性和延性，还能推迟混凝土制品的表面劣化，提高其耐久性[28]。表2列举了国内外一些可用于3D打印的纤维增强水泥基材料的力学性能。Le等[7]以普通硅酸盐水泥、粉煤灰和硅灰为胶凝材料，加入砂和聚丙烯微纤维(纤维掺量1.2kg/m³)制得一种高性能纤维增强细骨料混凝土。Hambach M等[29]研究了短纤维增强3D打印用水泥基材料的力学性能，分别对掺加1%碳纤维、1%玄武岩纤维和1%玻璃纤维的水泥基材料的力学性能进行了测试。马国伟等[21]利用尾铜矿研制的3D打印水泥基材料（聚丙烯纤维掺量1.2kg/m³）具有良好的工作性能和力学性能。汪群等[26-27]利用聚乙烯醇纤维（掺量为混凝土体积的1.2%）研制了3D打印水泥基复合材料，并探讨聚乙烯醇纤维的掺量对混凝土粘结性能、力学性能和耐久性能的影响。

表2 3D打印水泥基材料力学性能Tab.2 Mechanical properties of 3D printing cementitious materials

2.3 耐久性能

除了安全性要求，3D打印建筑还需要满足建筑结构的耐久性要求。打印建筑需尽可能使用抗渗性能良好、强度高的打印材料。普通硅酸盐水泥基材料抗渗保温性能差，需在其中添加外加剂，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满足打印结构的耐久性要求。东南大学研究团队[30]对其研发的3D打印混凝土材料进行了耐久性能试验，结果表明，同普通混凝土一样，通过使用对应的外加剂、更换合适的胶凝材料或调整混凝土配合比（如水胶比、砂胶比、纤维掺量等），可以有效提高该材料的耐久性能，满足工程要求。浙江大学研究团队[26]对其研发的3D打印水泥基复合材料进行碳化试验和氯离子渗透试验，结果表明，3D打印水泥基复合材料的分层打印未对碳化分布造成明显的影响，但碳化速率和抗渗系数与层界分布显著相关，与层间界面相比，条间界面抗碳化和抗渗性能更低，3D打印堆积成型虽减少了结构内部大孔，但使界面缺陷呈现出各向异性。

3 3D打印水泥基材料的配筋增强研究进展

目前，3D打印水泥基材料还存在诸多问题，通过纤维增强可有效提高材料的抗拉强度和延性，但纤维较短，连续性较差，且纤维增强材料只能在打印层沉积方向上增强，而不能跨越层间增强混凝土[31-33]。要打印建造建筑结构，单纯依靠材料中的纤维尚不能满足结构设计的安全性要求，对构件进行配筋是一个相对简单的方法，但是如何在打印过程中实现对构件的配筋是一个需要考虑机械、材料、工艺等多方面因素的综合性问题，需多学科配合才能解决。

按照配筋方式，目前3D打印水泥基材料的增强方式可概括为内置预制钢筋网和打印钢筋网。内置预制钢筋网的方法又可以分为：1）在打印模板中内置钢筋并浇筑混凝土形成一个整体；2）打印过程中在打印层间置入预制增强筋材或网片；3）通过特制喷嘴在钢筋网两侧打印水泥基材料。由于3D打印可以建造复杂的构件轮廓，因此可将其作为永久模板使用，结构建造时只需在模板内放置预制的钢筋笼，再浇筑形成钢筋混凝土构件，即可满足结构的安全性和承载力要求。浙江大学研究团队[34]采用3D打印水泥基复合材料打印制作了永久梁模板和永久柱模板，并对其配筋后再浇筑混凝土形成叠合梁和柱，通过力学试验得出：永久模板能与后浇混凝土协调工作；得益于高强度的打印模板，叠合方柱轴心抗压强度比整体现浇方柱提高23.4%，叠合圆柱轴心抗压强度比整体现浇圆柱提高36%。拉夫堡大学Le T T[7,16]基于自主研发的3D打印混凝土材料，通过在打印构件上预留孔道放置预应力筋来增强构件的承载能力，增强方式如图6所示。在水泥基材料打印过程中置入预制钢筋网也被证明是一种有效的增强方式。浙江大学研究团队[26]通过在打印过程中铺设钢丝网来实现拱构件的配筋增强，如图7所示，通过力学试验得出：加入钢丝网对拱的承载能力的影响与其具体形态有关，在配筋率相似的情况下，密钢丝网的加劲效果优于疏钢丝网；采用密钢丝网的3D打印拱与疏钢丝网相比，极限荷载提高15.2%。北京华商腾达还发明了一种在配筋网两侧打印混凝土的技术，具体实施方法是先布置竖向钢筋网，然后使用叉形喷嘴，在钢筋网的两侧同时打印，如图8所示[35]，通过这种方法，该公司在45天内现场打印完成了400m²两层别墅。而澳大利亚斯威本科技大学发明了一种新型的3D打印喷嘴，可在喷嘴中间插入钢筋网片，以此形成配筋增强构件，如图9所示。Marchment通过三点弯曲梁试验（跨径1.4m）得出，与无筋梁相比，以这种方式打印的试验梁抗弯承载力提高170%～290%，且钢筋网片与打印的混凝土具有良好的粘结性能[35]。

图6 预应力筋增强打印构件[16]Fig.6 Printed element reinforced with prestress cable[16]

图7 钢丝网增强3D打印混凝土拱Fig.7 3D printed arch reinforced with steel wires

图8 钢筋网两侧打印混凝土[35]Fig.8 Concrete printed from both sides of steel grid[35]

图9 打印喷头中钢筋网片插入[35]Fig.9 Steel grid embedded in the middle of print head[35]

在混凝土打印过程中同时打印钢筋网的增强方式，国内外学者也进行了一些尝试。德国德累斯顿工业大学Mechtcherine等[36]使用气体-金属电弧焊对钢筋进行3D打印，并通过粘结试验得到3D打印钢筋与混凝土的粘结力可相当于普通钢筋与混凝土的粘结力。但是，打印钢筋的温度很高，如不能快速冷却，很难与打印混凝土同时操作并形成性能良好的一体化构件，因此此种方法要实现工程应用还有很长的路要走。河北工业大学研究团队[37]采用在3D打印喷嘴上添加线轴，在打印混凝土的同时，通过线轴在混凝土上布设钢丝来实现配筋增强构件，如图10所示，通过四点弯曲试验得出，这种配筋方式能大大提高打印构件的抗弯强度。基于打印混凝土的同时进行连续布筋增强的思想，浙江大学研究团队[38]研究了布设筋材与3D打印水泥基复合材料的粘结性能，通过拉拔试验得出，由于3D打印试件存在层间和条间缺陷，筋材与复合材料间的粘结强度均小于模板浇筑试件，且打印方向对粘结强度有一定的影响，在3D打印试件中，平行打印试件的粘结强度最大，垂直打印试件的粘结强度最小；并在此基础上进行了连续布筋混凝土构件的设计和受力性能系统研究。

图10 打印喷头上布设钢丝线轴[37]Fig.10 Wire spool Arranged on the print head[37]

4 问题与展望

尽管3D打印技术存在诸多优势，国内外专家学者也开展了一定的研究工作，但是3D打印技术在建筑工程领域的应用尚处于起步阶段，还面临许多难题和不足，主要集中在打印材料、配筋方法、打印工艺和机器设备等方面，未来的建筑3D打印技术的研究重点仍集中于此。

1）打印材料具有明显的脆性。目前用于3D打印建筑的材料以水泥基材料为主，虽然现阶段对于3D打印水泥基材料的研究和应用取得了较好的成果，但3D打印材料的性能要求比较严格，不是所有的水泥基材料都适于建筑结构的打印建造，一些高强度水泥基材料的低适用性也不利于其在建筑行业的推广应用。水泥基打印材料具有明显的脆性，尽管一些材料在制作时加入增强纤维，但是纤维连续性不强，增强效率有限，如直接采用这些材料打印成水平分布的承重构件，则承载能力较低，且会发生脆性破坏。因此，尚需从结构应用的角度对水泥基打印材料进行优化研究。

2）打印工艺不完善，且缺乏评判标准。目前的3D打印技术施工工艺尚存在以下问题：首先，建筑结构表面平整度不足。3D打印结构的表面比较粗糙，一定程度上影响建筑结构的美观和性能，如对大型打印构件采用找平的方式提高表面平整度，会耗费大量的人力和物力。其次，打印精度不高。打印的建筑结构往往与设计尺寸存在偏差，给装配式施工的打印构件带来装配困难；无法做到灵活精准预留管道等工艺，需要后期进行钻孔等处理，可能对打印结构造成潜在的损伤风险。最后，打印层间和条间的粘结截面为薄弱环节。打印时不同层条的接触界面存在较多的孔隙，承载时容易从这些薄弱处发生破坏。2019年7月26日协会标准《3D打印混凝土材料性能试验方法》《3D打印混凝土基本力学性能试验方法》编制组成立暨第一次工作会议于在西安召开，该两项标准的制定与发布将推动科学合理地检测和评估3D打印混凝土新拌及硬化后的性能，对于促进3D打印技术建造混凝土结构构件具有重要意义。

3）3D打印结构的配筋增强方式亟待深化研究。要想提高3D打印构件的承载能力，采用一定的配筋方式对结构进行加固增强是必须的。现有的绑扎钢筋笼工艺与3D打印技术无法兼容，而采用体外配筋或在3D打印永久模板中进行配筋已得到有效尝试，但在打印过程中进行体内打印配筋需要特殊的打印设备；同时，对于采用的配筋材料也需要合理选择，以适应3D打印工艺，弥补3D打印缺陷。

4）打印设备适应性弱。目前已有多家机构进行3D打印设备的生产和研发，但3D打印设备尺寸大多不大，适于打印小尺寸的建筑构件，对于大型建筑物还很难一次打印成型，且打印时难以同时满足抹面、预留孔道、布置钢筋等要求，为了适应建筑市场的发展需求，尚需开发大尺寸、全尺寸、功能完善的打印设备，同时提高打印机的打印精度。此外，尚需根据打印设备进行相应的结构设计方法研究。