综论3D打印混凝土：成型系统·可打印性能·流变性能·硬化性能·耐久性能·标准规范·工程应用

张云升 张宇 陈逸东

（1 东南大学材料科学与工程学院，江苏 南京 211189；2 兰州理工大学土木工程学院，甘肃 兰州 730050）

0 前言

3D打印是20世纪80年代中期在全球快速发展的一门新兴科学技术，是一种以数字模型文件为基础，运用树脂、金属、水泥或陶瓷等作为“油墨”或粘合材料，通过逐层堆叠累积构造物体的快速成型方式。3D打印摒弃工厂生产线，也无需机械加工或模具，可在现场直接从计算机图形数据中打印设计形状的零部件，极大缩短了产品的研制周期，减少了材料浪费，显著提高生产率（生产速度提高10倍以上）和降低生产成本，大幅度减少了所需劳动力数量。目前，3D打印在国防、航空航天、汽车、医疗、建筑、工业设计、珠宝等领域得到了发展与应用。3D打印已成为21世纪战略性和先导性技术，其广泛应用可大幅节约能源和资源，提高产品的加工精度和速度，改变制造业的生产方式，提升制造业的竞争力。2012年4月，英国《经济学人》刊文称，3D打印技术将与其他数字化生产模式一起推动第三次工业革命的实现[1]。美欧日等发达国家高度重视3D打印技术，已将其提升到国家战略层面，并投入巨资进行开发研究[2]。

经过多年的发展，建筑3D打印在设备开发、水泥基打印材料研制、物理力学与耐久性能和工程应用研究等方面有了长足进步。为进一步推动3D打印混凝土（3D printed concrete,3DPC）在建筑领域的应用，本文从3DPC定义、发展历程、成型系统、可打印性能、流变性能、硬化与耐久性能、标准规范与工程应用等方面，对3DPC的最新研究和前沿动态进行系统介绍。

1 3DPC及其发展历程

3DPC实现了施工的免模板、快速化、自动化、灵活化、精细化，可便捷打印复杂建筑，同时具有绿色、环保、节能、节材及节约劳动力等特点，是一种改变传统工艺的新型建造技术。

近年来，3D打印开始在建筑业尝试使用。1997年美国学者Joseph Pegna提出一种适用于水泥基材料逐层累加并选择性凝固的自由形态构件的建造方法[3]。2004年，美国南加州大学的B.Khoshnevis率先使用商品混凝土“打印”房屋，并实现自动化安装房屋水管网。其设备由一个巨型的三维挤出机械构成，挤压头上使用齿轮传动装置，通过层层“增加”累积建造出内墙和外墙、门窗、水电空调管网，从而制造出建筑物[4]（图1）。该想法一经提出立即获得美国军方和国家自然科学基金（NSF）的大力支持和资助，研究成果一旦成熟，则意味着人们可以在基础设施缺乏的偏远地区迅速拥有永久性建筑，工程部队利用大型运输机将建筑打印机和混凝土油墨材料运送到位，建筑就能很快建成，军事意义重大。此外，美国宇航局也正在资助尝试使用3D打印在月球上建造建筑的技术。在欧洲，意大利发明家Enrico Dini设计出D-shape打印机，并开发出相应的打印油墨，其原理是打印机底部有数百喷嘴，可喷射出镁质粘合物，在粘合物上喷撒砂石可逐渐铸成石质固体，通过一层层粘合物和砂石的结合，最终形成石质建筑物[5]（图2）。

图1 利用3D打印技术“打印”建筑物[4]Fig.1 “Printed” buildings by 3D printing technology[4]

图2 Powder-based 3D打印石质建筑物[5]Fig.2 Powder-based 3D printed stone building[5]

2012年，英国拉夫堡大学的R.Buswell开发出高性能3D打印混凝土，打印了弯曲坐凳，并研究该打印混凝土的流变性能和硬化性能。结果表明，其流变学参数（静态屈服应力）可打印范围为0.3～0.9kPa，28 天抗压强度约为91～102MPa，抗折强度约为13～16MPa。相比模铸混凝土，其各项性能无显著损失，并在某些性能上优于模铸混凝土[6]。

从2016年开始，3D打印混凝土的相关研究迅速增多，各国相继开发出可打印混凝土材料。法国学者N.Khalil[7]首次使用硫铝酸钙水泥制备可打印混凝土，其主要利用该水泥可快速硬化的原理，使打印后的混凝土层快速硬化以支撑连续层打印，且打印混凝土28天抗压强度可达80MPa。

新加坡南洋理工大学的B.Panda[8]、澳大利亚斯威本科技大学Jay G.Sanjayan团队[9-11]以及河北工业大学马国伟团队[12-13]和中国建筑技术中心[14]几乎同时开发出地聚合物-3DPC。此外，中国矿业大学王栋民[41]也开发出地聚合物-3DPC，并研究了Si/Na对该3DPC的挤出性和建造性的影响，结果表明，高Si/Na会显著降低浆体的粘度和屈服应力，而低Si/Na会促进浆体的结构重建；相比普通混凝土，该混凝土具备诸多优点，如主要原材料生产能耗低、CO2排放低、地聚合物混凝土硬化后强度高于普通混凝土、4h强度发展可达28天强度的70%等；该打印混凝土28天抗压强度可达40MPa，抗折强度可达7MPa。

同济大学肖建庄团队[15]开发出3D打印再生骨料混凝土，其利用建筑废弃物作为3D打印混凝土骨料，实现将废物利用与3D打印混凝土技术相结合，且已成功应用于打印一栋变电站。

东南大学张云升团队自2016年开始系统研究硅酸盐水泥基3D打印装备和油墨材料，先后设计开发出大型混凝土3D打印机和具有高触变性的3D打印砂浆及含粗骨料混凝土油墨材料[16]，该3D打印材料28天抗压强度可达60MPa，收缩与普通模铸混凝土无显著差别；此外，还研究了3D打印混凝土的流变学行为、力学性能、变形性能和耐久性能。

综上可知，3D打印建筑是未来建筑业的一次重大革命，混凝土油墨是3D打印建筑所必需的大宗材料，研发可用于3D打印的混凝土油墨材料对于推广应用3D打印建筑具有重要意义。目前，国际水泥混凝土学界已对此开始了探索性研究，但尚属初步阶段。

2 3DPC成型系统

目前，3DPC的施工技术有两种，一种是Powder-based 3DPC技术，另一种是Extrusion-based 3DPC技术。由于后者在实际施工中应用更广泛，本文主要针对后者成型系统进行阐述。

早前，B.Khoshnevis[4,17]开发出轮廓打印工艺，其3DPC成型系统主要包括电脑控制系统、软件设计程序和3D打印机，并在打印喷头处设计出刮刀器以建造出特定形状的混凝土构件，该工艺打印的建筑物无需后期构件表面修正即可实现构件表面完整。C.Gosselin等[18]开发出的3DPC成型系统包含五个部分：软件设计、控制器、六轴机械臂打印机、搅拌和泵送系统以及实时监测系统，该成型系统的优势在于完全实现施工的自动化和打印的精确控制。B.Panda等[19-21]研究的3DPC成型系统主要包括软件数字模型和G-代码生成系统、控制器、混凝土泵机和打印机，并使用该系统成功开发出地聚合物-3DPC，且实现大型混凝土建筑的打印。A.Perrot等[22-23]研究的3DPC成型系统主要包括六轴机械臂、挤出喷嘴、流速感应器、混凝土泵机和控制器，并通过该成型系统开发出earth-based 3DPC。V.Vaitkevicius等[24]研究的成型系统主要是混凝土3D打印机，包括搅拌器、软件控制、链条传送和电机驱动系统、钢框架以及打印喷头，并通过该系统成功进行了混凝土3D打印，对该可打印混凝土的早期性能进行了研究。C.Menna等[25]采用了一种BigDelta WASP 3DPC成型系统，该成型系统主要是软件控制和3D打印机，该3D打印机的打印区域为三角形，每边约4.0m，打印头由三个支架支撑，支架的末端沿三个垂直支柱移动，不同于机械臂和坐标系打印机，该打印机内部为中空，完全由三个支架连接着打印喷头，打印的自由度显著提升。R.J.M.Wolfs[26-27]的试验成型系统包括四轴龙门架支撑钢架、数控系统、搅拌机和混凝土泵机等，该系统打印机成功打印出了世界第一座装配式3D打印自行车桥。

马国伟等[28]试验的成型系统主要包括电脑控制系统、钢架、V-型储存箱、运动滑轴、移动平台、搅拌叶片和驱动电机、实时监测机制等，并使用该成型系统成功打印出混凝土装配式构件，实现3D打印技术与装配式技术结合。张云升等[16]使用的3DPC成型系统主要由设计软件、切片软件以及3D打印控制系统组成，且3D打印控制系统由打印系统和控制系统一体组成，大大简化了3DPC成型系统。

综上，Extrusion-based 3DPC技术的工作原理是将搅拌好的可打印混凝土材料通过泵送系统输送到打印喷头中，随后打印喷头在控制系统的操控下完成混凝土构件打印。其成型系统（图3）可总结为以下五个部分：1）软件设计：通过三维软件设计待打印构件计算机模型，并进行二维切片；2）控制系统：接收软件设计端的待打印混凝土构件二维切片模型，并控制打印系统中打印喷头的行走路径；3）打印系统：接收控制系统路径行走指令，并挤出可打印混凝土材料；4）搅拌和泵送系统：将按特定组成设计的混凝土材料组分搅拌完成，并通过混凝土泵泵送至打印喷头；5）实时监测系统：实时监测打印喷头处可打印混凝土材料的输送量，并将实时信息传送至泵送系统，以保证混凝土打印时挤出不堵塞和打印的连续。

图3 3DPC成型系统[18]Fig.3 3DPC molding system[18]

3 3DPC可打印性能

随着3DPC技术的快速发展和应用范围的不断拓展，其优势备受关注，各国学者进行了初期研究。我国建筑行业也意识到3D打印的重要性及其广阔的应用前景，开始了试验研究，并进行了一些工程应用，但目前还主要集中在3D打印建筑的结构设计、数据文件和混凝土3D打印机研发方面，迫切需要研发适于大型建筑3D打印用的混凝土油墨材料。

混凝土作为建筑3D打印的关键油墨材料，需满足特定的可打印性能指标。T.T.Le等[6,29]对3DPC的可打印性规定包括混凝土的挤出性、工作性、有效时间和建造性，并测试了混凝土可打印性参数，采用混凝土层有效挤出长度作为挤出性参数，流变学参数屈服应力作为工作性和有效时间参数，以及垂直挤出层数作为建造性参数。马国伟等[12-13]也对混凝土可打印性进行了定义，认为混凝土的可打印性包括挤出性、建造性、有效时间和流动性，采用挤出混凝土层的宽度及表面撕裂状态作为挤出性参数，而以挤出混凝土层断裂时间作为有效时间，建造性是以挤出打印混凝土垂直层高作为指标，混凝土流动性则是采用跳桌以及坍落度试验作为指标。

本文根据已有研究提出了衡量3D打印混凝土的可打印性能的三个关键技术指标和对应的测试方法。

1）挤出性。挤出性指保证可打印混凝土在打印喷头处挤出时不撕裂和不中断的能力。测试方法为：控制打印喷头螺杆挤出速度为20r/min，挤出300mm长的混凝土层，分割10段测试其宽度并取平均值，将挤出混凝土层明显撕裂或中断时的宽度值确定为该可打印混凝土的挤出性值。见图4。

图4 3DPC挤出性测试Fig.4 Test on extrudability of 3DPC

2）支撑性。支撑性指打印混凝土层支撑连续打印层荷载而不变形或垮塌的能力。3DPC不仅要能挤出，更要具备连续打印的能力。支撑性是表征3DPC支撑其自重的连续打印能力。测试方法为：设计以底面内边长为300mm×300mm的内外双层打印混凝土层，沿Z轴方向逐层连续垂直打印，当打印基体出现明显变形或塌陷时，将此时打印混凝土层的层高定义为该3D打印混凝土的支撑能力值。见图5。

图5 3DPC挤出层Fig.5 3DPC extrusion layers

3）流动性。流动性是保证打印混凝土在输送系统内易于输送和挤出的控制指标。3DPC的流动性是决定该可打印混凝土是否能通过泵送系统输送和打印喷头挤出以及支撑自重连续打印的关键因素。根据挤出和支撑性能测试结果，确定可打印混凝土的流动性范围。可通过跳桌试验测试3D打印混凝土的流动性，以扩展度值的大小反映该可打印混凝土流动性的大小，如图6。

图6 3DPC流动性测试Fig.6 Test of 3DPC f lowability

4 3DPC材料流变性能

混凝土流变学是研究混凝土拌合物在荷载作用下应力-应变关系及其随时间变化规律的科学，流变曲线（剪切速率-剪切应力曲线）是分析与表征材料流变性能的重要依据，而混凝土流变性能的研究是混凝土工作性研究的自然延伸和发展。根据不同流变性能，流体可分为牛顿流体和非牛顿流体。新拌水泥浆、砂浆和混凝土是一种多相多组分混合物，表现出复杂的非牛顿流体特征。目前，研究水泥、砂浆或混凝土流变性能的流体模型主要有以下几种[30-33]。

1）Bingham（宾汉姆）模型

众多学者认为新拌水泥浆、砂浆以及混凝土可视为塑性流体，采用Bingham流体模型进行分析。Bingham模型认为剪应力τ超过临界值τ0时后浆体开始流动，且应变梯度随应力增量（τ-τ0）成线性增长。模型的经典形式为：

式中：

τ—施加的剪应力，Pa；

—应变梯度，s-1；

τ0—屈服应力，Pa；

μ—塑性粘度，Pa·s。

2）修正Bingham模型

实际测试中发现，低剪切速率时水泥混凝土浆体的应力-应变曲线有时并非线性关系。为了修正低速阶段的曲线，在Bingham模型中引入一个二次项c2，得到修正的Bingham模型：

式中，c—修正系数。

3）Casson（卡森）模型

Casson流体基于以下两点假设：①固体颗粒悬浮于牛顿流体中时，粒子间具有相互作用的引力；②当剪切应力较小时，这些颗粒可聚集成刚性杆，杆的长度随剪切应力成反比减小。Casson从理论上推导了如下的经验公式：

式中，μ∞—极限粘度，Pa·s。

4）Herschel-Bulkley（赫切尔-巴尔克）模型

有研究表明，新拌水泥浆、砂浆以及混凝土有时会表现出假塑性或肿胀流体的特性，此时剪切应力-应变曲线采用Herschel-Bulkley模型分析会更准确。Herschel-Bulkley模型认为剪应力τ超过临界值τ0时后开始流动，且应变梯度随应力增量（τ-τ0）成幂律增加：

式中：

m—稠度系数，Pa·sn；

n—流变行为指数。

Herschel-Bulkley模型中，屈服应力τ0、稠度系数m和流变行为指数n是表征流体流变行为的重要参数，但对于塑性粘度µ，公式无法直接给出。Ferraris和de Larrard[7]通过大量的试验研究，推导了如下的经验公式：

式中，—流变测试过程中的最大剪切速率。

在国外，T.T.Le等[28]在最初研究中发现屈服应力可以更好反应3DPC的可打印性能。N.Roussel[34]研究了3DPC的屈服应力、粘度、弹性模量、临界应变和结构重建速率之间的关系，并认为3DPC的挤出和累积建造行为与材料的弹性模量、临界应变及结构重建密切相关。马国伟等[13,28]在研究3DPC的流变性能时从理论上分析了3DPC的材料屈服应力和结构重建性能，认为材料屈服应力的演变和结构重建速率显著影响混凝土构件打印时的建造性能。D.Marchon等[35]研究了掺多种外加剂的3DPC的流变和水化性能，通过对比屈服应力、粘度和触变的变化，确定了结构重建速率与材料的水化反应的密切关系，并认为3DPC材料在设计时应考虑外加剂对水化反应的影响。Y.Weng等[36]利用Fuller Thompson理论和Marson-Percy模型研究颗粒级配对3DPC的流变性能的影响，通过对比宾汉姆模型下的动态或静态屈服应力和塑性粘度发现，连续级配的3DPC具有更高的动态或静态屈服应力以及较低的塑性粘度，且连续、合理的级配下的3DPC能打印出更高的混凝土层，并鲜有塌陷或撕裂。Paul等[37]研究了地聚合物-3DPC的流变性能，认为3DPC的触变性能对混凝土的打印有显著影响，更高的屈服应力和更低的粘度有利于打印混凝土的挤出以及保持挤出后的形状稳定。

在国内，鲜有相关3DPC混凝土流变性能的研究报道。张云升团队系统研究了触变剂、纤维、粗细集料、水胶比、矿物掺合料等关键材料参数对3DPC的流变性能的影响规律，发现可打印混凝土的静态屈服应力是影响3DPC挤出性、支撑性和流动性的最关键因素，并提出了高触变性3DPC混凝土材料组成设计方法。陈明旭等[42]研究了缓凝剂、硅藻土等外加组分对硫铝酸盐水泥基-3DPC的流变性能影响，结果表明，缓凝剂的加入可显著改善3DPC的可打印性，硅藻土的掺入使得打印混凝土层变形可降低10%。济南大学芦令超团队[53]研究了酒石酸对3D打印硫铝酸盐水泥基材料凝结及流变性能的影响，研究表明，酒石酸在延缓3D打印硫铝酸盐水泥浆体凝结时间的同时，具有降低其塑性粘度和屈服应力的作用。

总之，关于3DPC拌合物流变性能的研究主要集中在流动性能，通过研发新型外加剂、使用不同功能的矿物掺合料、优选和优化粗细集料和混凝土配合比来提高新拌混凝土的流动性能，使之在打印喷头中容易流动和挤出，既有良好的流动性能，又有宽域的支撑性能，且强度发展快。已有的用来提升传统混凝土流变性能的方法并不适于3DPC的设计与制备，需另辟蹊径，建立全新的基于流变学的混凝土组成设计方法，研究兼具良好挤出性、支撑性和流动性的混凝土的制备方法，探索新型混凝土工作性能，并揭示组分之间的作用机理和微结构特征，这对于3DPC的设计与制备具有重要的理论意义和实用价值。

5 3DPC硬化性能

5.1 各向异性

传统混凝土建筑是经一体化浇筑振捣密实后建成，在结构受力上显现出各向同性的特征。3DPC建筑是混凝土被挤出层层堆叠而成，虽在某种程度上可减少材料浪费，节省施工时间，节约劳动力，然而其层叠施工工艺会导致打印混凝土层间出现缝隙，从而造成打印建筑物在不同方向上出现受力大小的不同。层间缝隙的存在是3DPC建筑呈现各向异性的根本原因。

T.T.Le 等[6]打印出350×350×120mm3和500×350×120mm3大型混凝土构件，通过取芯切割后研究了高性能3DPC的力学强度，结果表明，3DPC具有显著的各向异性特征，28天抗压强度最高可达102MPa，然而相比模铸混凝土，其抗压强度损失了7.3%～18.2%，并认为该强度的降低是因打印混凝土层间缝隙的存在而导致的。B.Panda等[37]亦打印出大型混凝土构件，并测试其力学强度，研究发现，3DPC具有明显的强度定向性行为，即3DPC的各向异性与层沉积工艺有关，打印方向对该性能有显著影响，且认为3D打印工艺可创造出固有的层间缝隙，该缝隙使得3DPC建筑物的承载力显著降低和呈现明显的各向异性特征，3DPC建筑物的承载力受可打印混凝土的新拌性能、打印间隔及打印方向的影响，而打印方向的调整是造成各向异性产生的原因之一。张宇等[16]研究3DPC力学强度发现，层间粘结强度对各向异性有显著影响，层间粘结强度的大小受层施工间隔时间影响。M.Hambach等[39]研究了纤维增强3DPC，认为纤维在挤出工艺下会定向分布，这使得其在垂直于纤维方向上的强度显著增加，即纤维的定向分布对3DPC建筑物的各向异性有显著影响。马国伟等[13]研究了不同龄期的3DPC力学强度，发现层间缝隙的存在使得3DPC的强度比模铸混凝土低至约30%，也是造成3DPC各向异性的原因。刘致远等[52]采用了十字交叉法进行了关于3D打印水泥净浆层间拉伸强度及层间剪切强度的测试，并认为其中不存在直接拉伸法所具有的受力偏心问题。

综上所述，3DPC技术特有的层叠施工技术使得其存在挤出混凝土层间缝隙，这导致打印混凝土在不同方向上受力大小不同，即各向异性是3DPC的一种固有属性。在实际建筑物中，各向异性特征应受关注。减少打印混凝土建筑物各向异性或改善其层间界面结合性能将是未来研究的重点。

5.2 干燥收缩

收缩是混凝土的固有属性。混凝土在干燥情况下失水通常会出现收缩进而导致开裂，开裂会进一步加速水分的散失，使得混凝土开裂继续恶化，最终使得混凝土承载能力和耐久性降低，导致失效。因此，混凝土收缩是检测其是否符合实际工程应用要求的关键指标。

目前，关于3DPC构件的收缩性能研究报道较少。T.T.Le等[6]对比研究了3DPC和喷射混凝土的收缩变化，结果发现，3DPC的收缩值显著小于喷射混凝土，且相比于养护在气候室（20℃，60%相对湿度）和覆盖湿抹布，保水条件养护时收缩值最小。本文通过对比3DPC和模铸混凝土，研究了在气候室（20℃，60%相对湿度）条件下的收缩，结果表明，3DPC的早期收缩值大于同配比的模铸混凝土，而长期（大于150d）收缩值小于模铸混凝土，这可能是因为打印混凝土构件需要较长时间，该时间内打印混凝土构件由于不能覆盖养护导致大量水分散失，而模铸混凝土在搅拌完成后即进行覆膜养护，早期水分散失较少。在后期气候室中测试时，保留在模铸混凝土中的水分散失较打印混凝土多，因此模铸混凝土的长期收缩值大于打印混凝土。总之，3DPC的收缩变化对于实际工程应用意义重大。此外，由于3DPC的层叠施工特点，打印时造成的水分散失不可避免，施工工艺造成的缝隙也会使得水分散失增强，其各向异性亦会显著影响3DPC的收缩。

6 3DPC耐久性能

目前，学术界尚未有相关文献衡量3DPC的耐久性。本文考虑到3DPC可能用于严酷环境，故在参照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》下进行了打印混凝土的相关耐久性试验。主要考虑因素包括：

1）抗冻融循环能力。其用冻融循环的动弹性模量之比和质量损失率来表示。本文通过对比打印混凝土和模铸混凝土在相同试验环境下抗冻融侵蚀发现：随着冻融循环次数的增加（大于200次），打印混凝土表现出更低的动弹性模量，这可能是由于其内部存在较多层间缝隙，导致冻融腐蚀不只从表面开始，也在内部同时进行，而模铸混凝土更多的是从表面开始腐蚀；随着冻融循环次数的增加，打印混凝土的质量损失较模铸混凝土小，这可能是因为打印混凝土层经由打印喷头强力挤出，使得混凝土层更加密实，且试件内部的腐蚀产物由于被封闭无法流出。

2）氯盐腐蚀。氯盐会严重腐蚀钢筋，大大降低钢筋混凝土构件力学性能，这是混凝土破坏的常见途径。考虑到3DPC构件在未来必须配筋，其层间缝隙会是主要扩散路径，氯盐扩散较模铸混凝土会较快进行，更易腐蚀钢筋。借助氯盐扩散速率与钢筋腐蚀速率正相关可计算钢筋腐蚀速率。本文对比研究了模铸混凝土和打印混凝土的RCM试验，结果表明，打印混凝土因其层间缝隙的存在，使得氯离子渗透深度较模铸混凝土明显。因此，考虑到打印混凝土未来配筋，必须做好钢筋防护，增强其抗氯盐侵蚀能力。

3）抗硫酸盐腐蚀。硫酸盐腐蚀原理是在硫酸盐腐蚀溶液中，SO42-与混凝土中水化产物反应生成AFt和CaSO4等易吸水膨胀产物，导致混凝土膨胀开裂，进而使得结构承载力降低，甚至失效。本文通过对比模铸混凝土和打印混凝土在干湿循环状态下的抗硫酸盐侵蚀试验（150次循环）发现，层间缝隙的存在使得打印混凝土抗硫酸盐侵蚀能力较模铸混凝土强，这可能是因为层间缝隙的存在为钙钒石的生长提供了额外空间，导致打印混凝土中钙钒石膨胀引起破坏的时间延长。

上述3DPC数据均在实验室环境中获得，目前还没有3D打印混凝土在严酷环境长期服役的数据可参考。鉴于3DPC在房屋建筑、桥梁、景观园艺等领域具有广阔的工程应用前景，有必要开展关于3DPC在严酷环境条件下的耐久性研究，包括揭示钢筋锈蚀对3DPC构件的影响机理，以及确定3DPC可抵御的自然环境中有害离子浓度的极限等，这些都将是对3DPC结构进行准确寿命预测需要解决的重要问题。

7 掺粗骨料3DPC研究

以水泥净浆或砂浆为可打印油墨的3DPC目前相对成熟，在实际工程中亦有应用，而对于掺粗骨料的3DPC的研究鲜有报道。将粗骨料加入3D打印油墨中作为骨架，可提高打印混凝土刚度和强度，抑制收缩开裂，降低水泥用量，降低材料成本等，有利于3DPC在建筑领域的应用。然而，掺入粗骨料后，内部骨料之间的机械咬合及骨料与打印喷头内壁之间的摩擦可能导致打印喷头挤出阻力增加，甚至堵塞。试验中发现，采用水泥净浆或砂浆3D打印机很难挤出掺粗骨料混凝土，且极可能造成打印中断、喷头堵塞或打印构件外观严重撕裂等。因此，迫切需要开发出适合打印的掺粗骨料的3DPC以及打印机器。

Todd.S等[40]尝试使用水泥净浆或砂浆3D打印机打印掺粗骨料混凝土，试验发现，3D打印机出现挤出中断、堵塞现象，挤出流量严重不足，打印不连续，打印产品外观极差，这都是粗骨料含量较高造成的。G.C.Ji等[15]开发出一种打印商品混凝土的3D打印机，并成功打印出移动变电站，其发现高强度等级的混凝土，即粗骨料含量较低而胶凝材料相对较多时，易于实现掺粗骨料3DPC在建筑中的应用。

本文设计与开发了一种专门适用于含粗骨料混凝土的3D打印机（专利申请号：201911098949.9），整机结构如图7。其运行特点在于，Y方向打印板在电机控制下可自行前后运动，从而大幅提高可打印的混凝土构件跨径。图8展示了新型混凝土打印喷头，与单纯依靠螺杆挤压力进行出料的原理不同，该喷头的工作原理可概括为：始端大桨叶传送防堵，终端小桨叶搅拌促流。由于含粗骨料的混凝土易在料筒与螺旋叶片的间隙出现堵塞，因此料筒下部的搅拌叶片需要与料筒隔开一定的距离。为使含粗骨料的混凝土能顺利打印，首先采用位于料筒内上端传送叶片完成混凝土向下部的传送，再利用料筒下部叶片的搅拌作用使混凝土由固态转为流态，从而使得混凝土在自重与搅拌力共同作用下流出喷嘴，最终形成一定形状的打印层结构。此外，可通过替换喷嘴的方式进行各类形状的层结构打印构建。

图7 掺粗骨料混凝土3D打印机Fig.7 3D printer for concrete with coarse aggregate

图8 掺粗骨料3DPC打印喷头剖面图Fig.8 Sectional view of 3DPC print head for concrete with coarse aggregate

采用上述混凝土3D打印机，基于调节水泥浆体与骨料总量比值以及优化粗骨料级配的思想，东南大学成功研制出具有良好打印性能与力学性能的带粗骨料的3D打印混凝土油墨材料，粗骨料最大粒径30mm，粗骨料质量掺量可达总量的42%。通过改进后的跳桌试验对其初期流动性进行测试，所得流动度范围与目前砂浆油墨材料的试验数据基本一致，这意味着其具有与砂浆几乎相同的流动性能，有利于3D打印时的运输与出料，且可以在打印时保持层间无宏观缺陷，具有良好的可建造性。其硬化后28d抗压强度可达60MPa，满足建筑工程的混凝土强度要求。目前，正在探索性研究利用此种混凝土进行梁柱构件打印。

8 3DPC相关规范与工程应用

8.1 标准规范

3DPC建筑在实际工程中得到了示范应用，相关标准、规范和指南也正在制定中。

在国外，2016年国际材料与结构研究实验联合会（RILEM）成立了TC276-DFC:Digital fabrication with cement-based materials技术委员会[41]，从事建筑3D打印研究与相关标准起草工作。美国混凝土学会（ACI）成立了TC564-3D Printing with Cementitious Materials技术委员会[42]，报告有关3D打印或无机水泥基材料增材制造方面的研究，以及起草评价3D打印材料与技术方面的规程指南。2018年，美国材料实验协会（ASTM）发布了关于增材制造的设计和要求准则，其2020年12月举办关于增材制造用水泥和混凝土标准制定研讨会，以期将增材制造中的测试方法标准化。

在国内，正在编制的3DPC标准规范有4项：1）中国建筑技术中心主编中国工程建设标准化协会标准《混凝土3D打印技术规程》，介绍了打印材料、打印设备、质量检验等相关技术规程；2）东南大学主编混凝土制品协会标准《3D打印混凝土基本力学性能试验方法》，制定3D打印混凝土抗压强度、抗折强度、层间结合强度、劈拉强度、抗拉强度和弹性模量等基本力学性能试验方法；3）河北工业大学主编混凝土制品协会标准《3D打印混凝土材料性能试验方法》，制定3D打印混凝土流动性能、挤出性能、建造性能、有效时间等可打印性能试验方法；4）中国建筑材料科学研究总院主编建材行业标准《3D打印水泥基材料界面结合强度试验方法》，制定3D打印水泥基材料层间界面结合强度试验方法。通过编制3DPC标准规范，旨在为3DPC技术在土木工程领域的推广应用提供科学指导。

8.2 工程应用

在国外[43-47]，3DPC建筑问世较早。美国3D 混凝土房屋打印机开发商Andrey Rudenko在明尼苏达州建成世界首个3D打印城堡，其光滑的线条设计与精致的细节为3D打印构筑物建造提供了良好示范。欧洲Apis Cor 3D打印公司于2019年12月完成了一座迪拜3D打印办公大楼，如图9所示，其通过极坐标系混凝土3D打印机打印出该建筑，据施工人员称，现场只有三名Apis Cor的工人负责操作机器，整个项目仅花了三周时间。此外，还有美国3D打印房屋和军营，俄罗斯3D打印房屋，西班牙3D打印步行桥以及荷兰3D打印村落和步行桥等。

图9 迪拜3D打印办公楼Fig.9 3D printed offi ce building in Dubai

在国内[48-51]，2013年上海盈创科技有限公司打印出3D打印别墅和一栋6层居民楼。之后北京华商腾达工贸有限公司打印出400m2城堡双层别墅，如图10所示，为我国3D打印建筑应用于实际工程提供了经验。

图10 苏州和北京3D打印别墅Fig.10 3D printed villas in Suzhou and Beijing

2019年11月，中国建筑第二工程局有限公司成功开发了原位3DPC打印技术，并建造了一栋7.2m高的双层办公楼，是世界首例原位3D打印双层示范建筑，如图11所示。与以往的3D打印建筑相比，其优势在于直接在地基上进行墙体打印，无需二次拼装，整体成本较传统建造方式相比更是减少了30%～50%。

图11 3D原位打印示范建筑Fig.11 3D in-situ printing demonstration building

2019年1月，由清华大学徐卫国团队设计研发的3DPC步行桥在上海落成，如图12所示，工程采用两台机器臂3D打印系统，共用450h打印完成全部混凝土构件，该步行桥的建成为3D打印技术从研发到实际工程应用做出了良好示范，同时也突出了3D打印技术在曲线结构制造上的巨大优势。

图12 3DPC步行桥Fig.12 3DPC pedestrian bridge

2019年10月，河北工业大学马国伟团队设计并打印出一座装配式3D打印“赵州桥”（图13），其主拱采用3D打印外轮廓、内部放置钢筋笼后浇筑混凝土相结合方式，而腹拱、横墙、挡墙等均为3D打印混凝土。该桥是目前世界上单拱跨度最长（18.04m）、桥梁总长最长（28.10m）、规模最大（桥宽4.20m）的3D打印步行桥，对于促进我国建筑行业向绿色化、工业化、智能化发展具有重要示范意义。

图13 装配式3D打印赵州桥Fig.13 Assembled 3D Printing Zhaozhou Bridge

总之，3DPC技术既能解决常规施工方法自由度较低的缺点，又可以采用预制构件二次拼装的方式，从而达到缩短工期、降低建筑成本、减少资源浪费的优势，对于土木工程领域的未来发展战略具有巨大的潜力。

9 结语

自20世纪90年代末提出水泥基3D打印材料概念以来，建筑3D打印从最开始单纯追求可打印性和基本力学强度，到考虑耐久性、环保性、可持续性，再到兼顾配筋可行性、施工便利性，其研究取得了迅速发展，成为建筑领域研究开发的一大热点。本文认为3DPC未来有以下几个主要的发展方向：

1）掺粗骨料3DPC材料的研发

水泥净浆或砂浆3D打印材料日趋成熟，但由于其成本高、刚度低、易收缩开裂、水化热大，且对外加剂和砂的质量要求高，难以进行大规模工程应用，同时，我国房屋建筑行业更侧重于采用混凝土材料而非砂浆进行建设，因此，如何能在满足3D打印要求的基础上开发出符合工程建设要求的掺粗骨料3DPC，对于大规模推广3D打印技术在建筑行业中的应用至关重要。

2）大型建筑3D打印装备的开发

目前，国际上推行的3D打印建筑往往侧重于艺术性、示范性建筑。为实现3D打印技术在工业与民用建筑中得到广泛应用从而改变现有生产方式，亟需更加高效的大型建筑3D打印装备。研发原位打印工艺、建筑级3D打印机是将3D打印技术应用于实际工程的关键。此外，结合人工智能、大数据、云计算和5G技术等开发大型多功能自动化建筑级3D打印机，将有利于实现3DPC技术在建筑行业中的改革。

3）合理的建筑3D打印设计与配筋

钢筋混凝土建筑在土木工程中是常规使用及安全性的可靠保证。为发挥3D打印技术在建筑结构上的优势，进一步满足我国现行建筑规范要求，关于3DPC与钢筋及网片联合使用下的适于3D打印的建筑设计方法研究势在必行，而如何克服3D打印混凝土过程中难以直接配筋，尤其是纵向配筋问题，或采用何种方式间接实现3D打印钢筋混凝土结构将至关重要。

4）3D打印混凝土标准规范的制定

国际上正在积极编制有关建筑3D打印的相关标准规范，但对于统一定义打印方式、测试方法，尤其是掺粗骨料混凝土新拌性能和硬化后的性能测试方法，尚未进行编制。因此，为进一步推动3D打印技术在建筑行业的发展和推广，制订建筑3DPC标准和规范，对于建筑3D打印科学化发展至关重要。

建筑3D打印技术发展充满机遇与挑战。其作为一门新兴技术，发展前景广阔。3D打印技术在建筑行业中的发展需要同时建立在打印设备的研发、打印油墨的配制、打印构件的设计、打印人员的培训等基础上，因此需要设备工程师、材料工程师、结构工程师和建筑设计师的通力合作。