3D打印混凝土研究進展及其應用

張 超，鄧智聰，馬 蕾，劉 超，陳宇寧，汪智斌，賈子健，王香港,2，賈魯濤,2，陳 春,2，孫正明，張亞梅,2

(1.東南大學材料科學與工程學院，江蘇省土木工程材料重點實驗室，南京 211189；2.南京綠色增材智造研究院有限公司，南京 210000)

0 引 言

在全球工業朝著自動化和數字化方向發展的背景下，3D打印(three-dimensional printing)技術引起了越來越多的關注。3D打印技術通常又被稱為增材制造(additive manufacturing)技術，該技術主要以數字模型為基礎，通過控制系統，將材料以噴射、擠出等方式從下到上逐層堆疊，最終形成完整的結構實體。3D打印技術在金屬加工[1]、醫學和航空航天等領域已經有了較為成熟的應用。

近年來，3D打印混凝土技術在建筑領域的應用開始逐步發展起來。3D打印混凝土技術指的是按照數字模型成型的行進路徑，將水泥基材料作為打印材料，通過層層堆疊，最終形成三維結構或者構件的技術[2]。3D打印混凝土技術被認為是一種極具潛力的新型建造技術，將對建筑行業未來發展產生深遠的影響。在工程建造領域，研究人員和工程師們正在積極探索這一項技術，為建筑業可持續發展和智能化提供新的思路和見解。

有別于傳統模板支撐-鋼筋綁扎-混凝土澆筑的結構建造方式，3D打印混凝土技術可以在無模板支護的條件下完成建造。典型的單噴嘴、輪廓成型式的3D打印混凝土建造方式如圖1所示。首先要制備所需要打印的水泥砂漿或者混凝土。需要說明的是，不同于傳統的建造方法所使用的混凝土，用于3D打印的混凝土對于流變性能的要求更高，相應的技術要求會在接下來的章節中詳細描述，這里不再贅述。之后，將攪拌后獲得的新拌狀態的混凝土通過管道泵送或者人工方式轉移至料斗中(步驟1)。砂漿在振動和料斗中的螺旋葉片剪切的雙重作用下，從噴嘴中被擠出(步驟2)并堆疊于之前已擠出的混凝土之上。通過計算機軟件的程序設定控制噴嘴的行進路線，便可以得到數字建模的實體結構(步驟3)。

圖1 3D打印混凝土的擠出堆疊過程(圖片來源于東南大學張亞梅教授團隊)Fig.1 Extrusion and deposition process of 3D printingconcrete (from Professor Zhang Yamei’steam at Southeast University)

相較于傳統的模板支撐澆筑成型的建造方式，3D打印混凝土擁有許多優點。從生產力和成本的角度來看，全世界范圍內，建筑行業傳統的低效率生產方式已經存續了許多年[3-4]。與其他新興領域的高研發投入占比相比，土木工程建造領域的低智能化、低研發投入與技術更新速度緩慢等現象尤為突出。因此，在過去幾十年中，建造與施工工藝幾乎沒有實質性的改變。

3D打印混凝土技術的重要意義在于將計算機輔助設計工具應用于施工過程中，進而推進施工過程的智能化[5-6]，并有效縮短施工時間，提高生產效率[7]。有研究表明[8]，對于復雜結構的施工建造，3D打印混凝土技術在成本和效率上都勝于傳統建造形式。Wangler等[9]也認為，隨著結構復雜程度的增加，3D打印混凝土技術在建造成本以及市場占有率層面上會有愈發突出的優勢，這是因為在傳統建造工藝中，結構復雜度的上升會增加模板制作和澆筑過程的成本和時間；而3D打印混凝土技術在建造全過程中不需模板輔助，在復雜結構成型過程中有著得天獨厚的優勢。另一方面，全球正在發生的人口老齡化現象將會進一步提升建筑行業的用工成本，提高傳統建造方式的整體成本支出。可以預期，數字化3D打印建造技術在未來會有長足的發展。

從環境影響的角度來看，一些研究已經表明，在施工過程中引入高科技的智能化設備對能源的消耗微乎其微，建筑行業的主要碳排放集中于建筑材料的生產[10-11]。大量的研究文獻發現，相比于傳統建造形式，數字化3D打印建造形式在進行復雜程度較高的結構施工時，耗能更低。另一方面，由于傳統建造形式受限于模板的使用，很難做到結構的優化，而3D打印技術可以根據工況做到結構的最佳優化(圖2)。這個優點能夠有效減少建筑材料、模板和機械的使用，進而降低碳排放。同時，數字化3D打印能夠使得一些構件的功能集成化，進而減少材料的使用。例如，Agustí-Juan和Habert等[12]通過生命周期評價發現，通過在計算機輔助設計階段的功能集成化，3D打印建造的屋頂結構可以取代吊頂的功能，進而減少對環境的負面影響。

圖2 基于計算結果分析的結構優化[9]Fig.2 Structural optimization on the basis of computational assessment[9]

總體來說，相比于傳統的建造方式，3D打印混凝土技術在多個方面展現了其獨有的優越性。在接下來的章節中，筆者將分別從流變與可打印性能、配合比設計與制備、硬化性能及特點、3D打印混凝土配筋技術、3D打印混凝土的應用及其他類型的3D打印混凝土等六個方面對3D打印混凝土發展現狀進行更加詳盡的介紹。

1 3D打印混凝土的流變與可打印性能

1.1 3D打印混凝土的流變性

混凝土要成功打印需滿足可打印性，包括可泵送性、可擠出性和可建造性。從宏觀上講，混凝土在泵送和擠出時要具有較好的流動性，擠出后強度必須能夠快速增長來抵抗自身、上層重量和擠壓力所引起的變形；從流變學角度講，混凝土泵送和擠出時要有較低的動態屈服應力和塑性粘度來保證流動，層疊后要有較高的靜態屈服應力和粘度恢復能力來抵抗流動，這種特性被稱為觸變性[13-15]。觸變性被認為是靜態屈服應力和動態屈服應力差異的根源[16-17]。

圖3 固相界面間流體受剪切示意圖Fig.3 Schematic diagram of sheared fluidbetween solid interfaces

圖4 流體流動曲線Fig.4 Flow curves of fluids

(1)

(2)

式中：H為兩固相界面高度差；V為流體相對速率；S為平板的面積；F為平板受到的力。

3D打印混凝土應當具有與打印機和打印參數相匹配的適當屈服應力，從而保證材料的可擠出性。屈服應力不宜過小或過大，過小會導致材料易于流動，難以滿足可建造性，過大會導致打印體因擠出連續性差而存在較多缺陷。隨著屈服應力的增加，擠出的混凝土條帶寬度減小，當屈服應力增加到一定程度時，混凝土條帶在擠出時會發生斷裂，3D打印混凝土擠出長條隨屈服應力的變化如圖5所示[18]。

混凝土的流變性與自身各組分比例以及骨料特點有關。Liu等[19]研究了材料組分對混凝土流變性能的影響，研究發現：較高的用水量會同時降低靜態屈服應力和動態屈服應力，而較高的硅灰摻量會產生較高的靜態屈服應力；各組分之間的相互作用可能對新拌膠凝材料的流變特性產生重要影響，靜態屈服應力、動態屈服應力與各組分之間沒有明顯的相關性。Zhang等[20]指出：砂漿的屈服應力受水泥漿體中骨料摻量和粒徑影響；當骨料摻量降低5%時，3D打印混凝土的屈服應力從2 730 Pa降至809 Pa；當骨料摻量相同時，骨料越細屈服應力越高。Panda等[21]對比了地聚合物混合物中磨細粒化高爐礦渣與激發劑含量比例對流變性的影響，發現磨細粒化高爐礦渣含量增加會導致屈服應力和粘度增加，激發劑比例的增加會導致觸變性降低。Zhang等[22]發現，隨著砂膠比增加，混合物的初始粘度和初始屈服應力線性增加，而初始觸變性線性減小。

混凝土在打印過程中存在可逆的物理變化，如解絮和再絮凝，以及不可逆的化學現象，如由于水化反應而凝結硬化。水化反應隨著時間持續進行，導致混凝土的流變性具有時變特性，混凝土的粘度和動態屈服應力會隨著時間的增加而增大，而觸變性可能會隨時間增加而變差[23]。

通過引入外加組分可以有效調節混凝土的流變性。Sun等[24]研究發現：地聚合物復合材料中加入羧甲基淀粉鈉摻量越多，漿體的屈服應力和塑性粘度越大，并且二者具有協同性；塑性粘度的增加降低了漿體擠壓過程中離析現象，屈服應力的增加可以有效防止漿體擠出后的塌陷。Rahul等[13]在混凝土中摻入粘度調節劑、硅灰和納米粘土來調節流變性能，發現三者的加入均增加了漿體的屈服應力。Chen等[25]在硫鋁酸鹽水泥基3D打印漿體中加入硼酸、葡萄糖酸鈉和硅藻土控制其流變特性，研究發現：隨著緩凝劑硼酸、葡萄糖酸鈉摻量的增加，靜態屈服應力、動態屈服應力和塑性粘度都不斷降低；相同緩凝劑摻量下，硅藻土摻量越大，混合物的靜態屈服應力、動態屈服應力和塑性粘度越大。Long 等[26]研究發現，在水泥基材料中摻入微晶纖維素可以調節流變性，隨著微晶纖維素摻量的增加，塑性粘度和屈服應力逐漸增大。侯澤宇[27]研究發現，聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維和劍麻纖維能夠顯著影響3D打印混凝土的流變性能，特別是增加混凝土的靜態屈服應力，進而影響3D打印混凝土的打印性能。

1.2 3D打印混凝土的可建造性

可建造性是評估混凝土材料滿足打印適用性的重要特性。混凝土材料在打印過程中坍塌的原因可以歸結為“材料的失效”(見圖6(a))和“打印體失穩”(見圖6(b))[28]。“材料失效”會導致混凝土材料打印過程中發生流動和斷裂，而“打印體失穩”是由于打印過程中力和力矩平衡性喪失而引起的，會使得打印體向一側傾倒。通過對混凝土材料的流變性和凝結硬化速度調節可以起到提升可建造性的作用。如果混凝土材料凝結硬化速度較快，則擠出后強度可以迅速增長，在自重和持續不斷增加的上層打印條帶的作用下能夠保持穩定的形狀[13,29]。可建造性與靜態屈服應力有較好的相關性，隨著靜態屈服應力增大，可建造性提高。

圖6 混凝土打印過程中坍塌[28]Fig.6 Collapse during concrete printing[28]

學者們對可建造性提出了不同的表征方法。Wolfs等[30]對新拌混凝土圓柱體進行單軸無側限抗壓測試，根據得到的應力應變曲線來評估3D打印混凝土的可建造性，如圖7所示。Rahul等[13]通過在不引起下層明顯變形的情況下可以建造的混凝土層數來評估可建造性。Long等[26]通過量測打印結構的整體塌陷時的高度和每層的高度來估計可建造性，如圖8(a)所示。Panda等[23]通過定制板積重試驗來測試其可建造性，作者將新鮮狀態的地聚合物放在天平上，然后在地聚合物上面放置一定制板材，分別緊貼板材的兩端下表面放置千分表，在板材上方增加重物，根據地聚合物上方增加的重量以及板材下降的距離來評估可建造性，如圖8(b)所示。Zhang等[20]采用一種類似于坍落度測定的圓筒試驗來表征可建造性，如圖8(c)所示。

圖7 單軸無側限抗壓測試表征可建造性[30]Fig.7 Characterization of buildability assessed by uniaxial unconfined compression test[30]

圖8 可建造性測試Fig.8 Buildability tests

Zhang等[20]研究發現：3D打印混凝土的可建造性由其屈服應力決定，而混凝土的屈服應力取決于水泥漿體的屈服應力和骨料在混合料中的比例；同等骨料含量情況下，骨料越細，混凝土屈服應力越高，越有利于可建造性。Malaeb[31]研究發現，高摻量減水劑(0.95%～2.50%，質量分數)雖然可提高膠凝復合材料的流動性和抗壓強度，但會明顯降低其可建造性。Long等[26]發現，在水泥基材料中加入微晶纖維素可以提高其可建造性。Yuan等[32]通過在水泥基材料中加入凹凸棒粘土提高觸變性來提高可建造性，也可以用快硬硫鋁酸鹽水泥替代普通硅酸鹽水泥加速水化，縮短凝結時間來提高可建造性。還有學者通過在水泥砂漿中加入礦渣和硅灰等工業副產品來提高可建造性，也取得了一定的效果，其中的改善機理大多是通過提高屈服應力來提高可建造性[23,33]。

1.3 打印參數與可打印性

在3D打印混凝土中，打印參數與流變性能同等重要，都對可打印性以及硬化特性起著關鍵作用。如果打印參數發生改變，需要對混凝土的流動性和流變性能以及凝結時間進行調整，以滿足可打印性并優化硬化特性。對于相同或相似材料的打印有必要先通過實驗預先優化打印參數。

打印過程中混凝土的打印速度和擠出速度應協調一致。擠出速度過大容易導致打印層不同位置處沉積厚度不一；打印速度過快容易導致打印條帶寬度不一，嚴重時會導致條帶斷開不連續；當然，打印速度過慢還會增加施工時間和成本。Tay等[34]發現：高擠出速度低行進速度下打印的長條表面積大，這是由于在同一位置擠出的材料多，在擠壓作用下材料被迫發生橫向流動；而高行進速度低擠出速度下打印的條帶發生斷裂，由于擠出的材料與底層之間摩擦力的存在，高行進速度使得噴嘴處對材料剪切作用增大，發生斷裂。Kruger 等[35]開發了一個設計模型，提供了一種確定的打印參數組合：打印速度與打印層高度的組合，分別為87 mm/s和8 mm，在確保建造成功的基礎上得到最快的建造速率。

打印路徑和打印時間間隔是一對相關的參數。在相同打印速度下，打印距離越長，打印時間間隔也越長。通常打印路徑與打印時間間隔不能獨立于材料性能和其他工藝參數來考慮，需根據材料的凝結時間、屈服應力和塑性粘度以及噴嘴擠出速度和行進速度等來確定，不宜過長也不宜過短[21]。如果時間間隔過短，混合物剛度較低，塑性粘度和屈服應力未恢復，容易因擠壓力和上層重量而坍塌變形，不利于建造。Wolfs等[36]對比了截面相同而長度不同的兩堵墻，發現長度較短的墻可打印的層數少，這是由于間隔時間太短，材料還未形成足夠的剛度。Kazemian等[37]同樣發現，層間時間間隔增加有利于提高打印結構的穩定性。但需要注意的是，層間間隔時間過長，可能會導致層間界面粘結變弱。

2 3D打印混凝土的配合比設計與制備

混凝土的配合比設計就是確定混凝土的原材料組成與比例，使混凝土具有一定的新拌與硬化性能，從而滿足工程應用的需求。由于成型工藝的不同，3D打印對新拌混凝土性能的要求不同于傳統混凝土，因此，現行的相關混凝土配合比設計標準與規范無法直接用于指導3D打印混凝土的制備。本節基于現有研究，對3D打印混凝土配合比設計與制備進行總結與討論，為3D打印混凝土的制備提供參考。本節內容來源于由作者為共同作者的期刊特邀綜述“Mix design concepts for 3D printable concrete: a review” (CementandConcreteComposites3D 打印混凝土特刊，2021)。

2.1 3D打印混凝土原材料組成特點

考慮到打印頭噴嘴尺寸的限制以及骨料粒徑增加對3D打印混凝土泵送與擠出性能帶來的負面影響，3D打印混凝土中骨料的最大粒徑會受到一定的制約，盡管一些學者針對利用粗骨料制備3D打印混凝土進行了一些探索，但是，3D打印混凝土目前仍然以砂漿為主。骨料粒徑較小進而造成了3D打印混凝土膠凝材料用量大、骨料用量少、收縮開裂風險高。因此，通常會引入纖維抑制3D打印混凝土的收縮開裂，同時提升其力學性能。但是，纖維會對3D打印混凝土的可泵性與可擠出性能造成負面影響，因此，在引入纖維的同時，可以考慮采用增加減水劑用量、增加粉煤灰等材料對水泥的取代率、降低骨料用量等手段，確保3D打印混凝土的泵送與擠出性能[38]。同時，考慮到打印工藝的限制，為保證混凝土的順利泵送與擠出，剛性纖維以及長度過長的纖維(定向排布纖維除外)在3D打印混凝土中的使用會受到一定的制約。但是，受到打印擠出工藝的影響，纖維增強3D打印混凝土在擠出過程中，纖維可能會順著擠出方向產生一定的取向[39]。利用這一效果，通過優化打印路徑，可以使得3D打印纖維增強混凝土的力學性能在某些方向上明顯優于普通成型的纖維增強混凝土。

2.2 3D打印混凝土配合比設計

根據設計目標，合理地進行原材料種類的選擇與比例的確定是進行3D打印混凝土配合比設計的關鍵。對于普通混凝土配合比設計，通常以28 d抗壓強度作為混凝土配合比設計基本指標，根據保羅米公式，可以大致確定出混凝土的水膠比，再根據混凝土坍落度指標，確定混凝土的用水量，進而獲得混凝土的膠凝材料用量以及骨料用量等參數。而對于3D打印混凝土，目前還缺乏相關標準與規程指導混凝土配合比的設計，相關研究仍處于探索階段，未形成有廣泛共識的配合比設計方法。本節基于已有研究，對3D打印混凝土配合比設計方法進行簡要的歸納與總結。

相比普通混凝土以強度作為基本設計指標，由于3D打印混凝土力學性能存在各向異性的特點，同時，3D打印混凝土力學性能也會受到打印參數的顯著影響，當前研究基本沒有采用3D打印混凝土的力學性能指標作為混凝土配合比的設計指標。但是考慮到3D打印混凝土在建筑結構工程中的使用，有必要發展以力學性能作為指標的3D打印混凝土配合比設計方法。由于3D打印采用層層堆疊的方式進行混凝土的打印成型，層間界面存在薄弱環節，使得3D打印混凝土的力學性能整體弱于正常澆筑的混凝土，因此，筆者建議可以考慮引入強度損失系數，以強度損失系數乘以正常澆筑混凝土設計強度作為3D打印混凝土強度設計指標，充分利用現有普通混凝土強度設計方法，進行3D打印混凝土配合比設計。考慮到3D打印混凝土力學性能的各向異性，不同方向的強度損失系數也不同。在進行3D打印混凝土配合比設計時，可以考慮通過優化配合比，盡量減少3D打印混凝土的強度損失。通過摻加有火山灰活性的摻合料，如硅灰和粉煤灰，利用火山灰反應產物填充層間界面缺陷的特點，能夠有效避免3D打印混凝土的強度損失[40]。纖維素纖維、環氧樹脂等材料，摻入3D打印混凝土中也有增強界面性能、減少強度損失的作用[41-42]。

目前，3D打印混凝土配合比設計主要以滿足打印要求作為設計指標，包括可泵性、可擠出性以及可建造性，這需要3D打印混凝土具有合適的流變性能來滿足打印的要求，而坍落度無法全面反映3D打印混凝土的打印性能。因此，傳統以用水量作為主要配合比設計參數配合砂率等參數獲得目標坍落度的配合比設計方法不能用于指導3D打印混凝土的配合比設計。目前，大部分學者在研究中主要采用經驗方法來探索可打印混凝土的配合比。不同學者的經驗方法中涉及的配合比設計參數也有不同，主要包括水膠比、膠砂比、用水量、摻合料種類與用量、外加劑摻量、纖維摻量等。經驗方法中，以試錯法為主，通過不斷調整配合比設計參數，測試混凝土的可打印性能，包括可泵性、可擠出性以及可建造性，直到找到滿足打印性能要求的混凝土配合比。試錯法是一種直接有效地尋找3D打印混凝土配合比的方法，但是，不足之處也很明顯，采用試錯法進行3D打印混凝土配合比設計需要不斷調整配合比設計參數，直到獲得性能滿足要求的配合比。整個過程的不確定性較大，工作量也大。

為了克服試錯法的缺陷，有學者利用回歸分析法探索3D打印混凝土配合比設計方法。這種方法以所選的配合比設計參數作為自變量，設計指標可打印性能作為因變量，采用回歸分析方法研究自變量與因變量之間的關系，用以指導后續3D打印混凝土的配合比設計。例如，Weng等[38]以水膠比A、膠砂比B、粉煤灰取代率C、硅灰取代率D和纖維摻量E五個配合比設計參數作為自變量，混凝土的抗流動性(Fl)、扭矩粘度(To)與觸變性(Th)作為因變量，探索了自變量與因變量之間的關系，作為指導3D打印混凝土配合比設計的經驗公式：

Fl=327.99+2.71A-194.03B-145.99C+419.18D+287.42E

(3)

To=7.89+1.74A-3.70B+3.96C-0.49D+2.73E

(4)

Th=3 072-2 125A-822.2B-185.1C+1 345D+397.5E

(5)

相比試錯法，基于回歸分析法建立的經驗模型對3D打印混凝土配比設計有一定指導意義，但是僅適用于回歸分析試驗中的原材料與打印系統，無法進行推廣。

經驗方法雖然是一種探索可打印混凝土配合比的有效手段，但是，這個過程始終缺乏清晰科學的方針來指導3D打印混凝土配合比的設計。混凝土的打印性能取決于流變性能，其中，屈服應力是最重要的流變參數，它影響3D打印混凝土可擠出性、形狀保持能力、可建造性等性能。因此，描述水泥基材料組分與屈服應力之間關系的流變模型用于指導可打印混凝土的配合比設計具有很大的潛力。

Coussot等[43]提出了用于預測砂漿屈服應力的模型：

(6)

式中：τm和τf分別代表砂漿與漿體的屈服應力；φ和φmax分別代表骨料體積分數和骨料的最緊密堆積分數;m為與骨料形狀等參數相關的系數。當采用球形骨料，且骨料體積分數小于0.6時，m可取1。Toutou和Roussel[44]通過試驗發現，Coussot模型適用于砂漿尺度。

Chateau等[45]發現，摻了硬質球形骨料的漿體的屈服應力τc(φ)與未摻骨料漿體屈服應力τc(0)的比值，僅與骨料的體積分數有關，并提出了Chateau-Ovarlez-Trung模型：

(7)

Mahaut等[46]證實，玻璃質球形骨料對水泥漿體屈服應力的影響符合Chateau-Ovarlez-Trung模型。

這些模型提供了定量描述材料組分與其屈服應力關系的公式，同時，這些關系式不受原材料化學組成的影響。相比經驗方法，利用流變模型，只要獲得關鍵的參數便能夠預測混凝土的屈服應力，這對于形成科學的指導3D打印混凝土配合比設計的方法具有重要的意義。

針對3D打印混凝土，Ivanova和Mechtcherine[47]研究了骨料的體積分數與表面積對混凝土屈服應力的影響。試驗發現，當骨料的表面積恒定時，修正Chateau-Ovarlez-Trung模型能夠準確描述3D打印混凝土的屈服應力與骨料體積分數之間的關系，如式(8)所示：

(8)

其中，采用了骨料的松散堆積分數φRLP取代了最緊密堆積分數φmax，同時，根據試驗結果，骨料的本征粘度從2.5修正到了5.1。基于骨料的體積分數與漿體的屈服應力，利用修正模型，可以準確預測出3D打印混凝土的屈服應力。

根據對Coussot等流變模型的理論分析，Zhang等[20]也提出了經驗模型用于指導3D打印混凝土配合比的設計。由于這些流變模型中均涉及了漿體的屈服應力，其測量仍然依賴于流變儀。為了簡化設計過程，Zhang等[20]采用了漿體流動度替代屈服應力，并通過試驗發現，對于給定的相同可建造性的3D打印混凝土中漿體流動度與骨料用量之間存在線性關系，并且，這個線性關系可以用于指導后續3D打印混凝土的配合比設計。

相比經驗方法，特別是試錯法，基于屈服應力的配合比設計方法極大簡化了3D打印混凝土配合比設計流程。流變模型中，3D打印混凝土被看成是漿體與骨料兩種組分組成，通過提取兩種組分的特征參數，便可以完成可打印混凝土配合比的設計，不需要像經驗方法中必須考慮各種參數對混凝土打印性能的影響。但也必須注意到，目前基于流變模型進行3D打印混凝土配合比設計的研究仍然非常有限，距離形成科學規范的3D打印混凝土配合比設計方法仍有很長一段距離。

3 硬化3D打印混凝土的性能及特點

由于成型工藝的不同，與傳統澆筑成型后的混凝土相比，3D打印混凝土最顯著的特點是混凝土在逐層累加過程中產生了層間界面。在實際打印過程中，每層混凝土由于受到打印頭的擠壓力，基體會比較密實[23]。但是，當打印參數不匹配或者材料性能不佳時，會造成層間區域孔隙增多，層間性能降低，導致3D打印混凝土產生力學各向異性，同時也會影響3D打印混凝土的耐久性能。所以，許多研究者分別從打印參數和材料優化兩個方面改善層間性能，降低其對力學各向異性和耐久性的影響。

本節主要討論由于3D打印成型工藝帶來的混凝土硬化后的性能及特點，包括層間性能、力學各向異性和耐久性，同時，介紹目前通過調整打印參數以及優化材料改善層間性能來提高力學性能和耐久性的方法。

3.1 力學各向異性

3D打印混凝土各向異性的概念由Le等[48]在2012年首次提出。由于3D打印結構逐層累加的特殊成型工藝，在成型過程中會在打印層之間產生一定數量的孔隙，層間孔隙率的增加會在界面處產生大量的微裂紋，形成潛在的缺陷，使打印結構在層間區域受力和非層間區域受力時出現差異性，即力學性能的各向異性。

3D打印混凝土特殊的成型工藝是導致打印試件出現各向異性的主要原因。有研究表明， 3D打印混凝土的總孔隙率與澆筑成型的試件相比降低了6%～8%。這主要是因為打印頭在擠出混凝土的過程中對材料產生了擠出壓力[49]。同時，上部材料堆疊過程中的重力作用也會不斷擠壓下部已打印成型的混凝土，提高了整體的密實程度。但是，由于材料逐層累加的緣故，使抗折強度沿圖9方向Ⅲ受力時，抗折強度與豎向和側向垂直于打印方向受力的試件(圖9方向Ⅰ和Ⅱ)相比有明顯下降。這主要是因為抗折強度的受力點處于試件中下部，當作用力位于層間薄弱區域時，試件更容易產生破壞。3D打印混凝土的各向異性在抗壓強度中表現得并不顯著，但是，由于層間孔隙的出現，抗壓強度會降低20%左右[50]。對于剪切強度來說，打印過程導致橫向層間的孔隙率提高了11%～14%，使橫向層間剪切應力降低了24%～25%；縱向層間的孔隙率提高了10%～16%，導致縱向層間剪切應力降低了22%～30%[51-52]。

圖9 3D打印混凝土中不同的受力方向[36]Fig.9 Different loading directions of 3D printing concrete[36]

3.2 3D打印參數對層間性能的影響

3D打印混凝土的力學各向異性和耐久性均會受到打印層間粘結性能的影響，根據材料性質優化打印參數可以使混凝土具有良好的層間性能。影響3D打印混凝土層間性能的打印參數主要包括：打印層之間的時間間隔、打印頭的高度、打印頭移動的速度等。圖10為打印時間間隔、打印高度和打印速度對層間抗拉強度的影響。

圖10 打印參數對層間抗拉強度的影響[53]Fig.10 Effects of printing parameters on tensile strength of interfaces[53]

隨著層間打印時間間隔的增加，層間抗拉強度降低(圖10(a))。在相同打印工藝和材料的情況下，較短的層間打印時間間隔對層間性能的影響較低。將打印的時間間隔控制在材料的初凝時間內可以減少對界面強度的負面影響[54]。打印時間間隔增加會導致新舊層之間配合不當，界面層之間出現潛在的缺陷問題，同時，造成冷接縫的產生，層與層之間的粘結強度降低，容易產生應力集中的現象[55]。打印層間時間間隔過長導致層間強度下降主要與層間水分的流失有關[56]，除此之外還與打印過程中打印層的泌水現象有關，泌水會導致層間位置的水膠比局部增大，強度降低[57]。有研究表明，當打印層間的時間間隔達到24 h，由于層間失水導致其抗折強度與打印時間間隔為15 s的相比降低了16%，劈裂抗拉強度降低了21%[36]。所以，減小層間的打印時間間隔可以提高打印層之間的均勻性，對優化粘結強度和抗折強度都具有積極的影響。但是，如果打印層之間的時間間隔過短，下層的混凝土材料還未具有一定的強度，不能承載后續的打印層堆疊過程中帶來的重力作用，將導致可3D打印混凝土出現變形或者坍塌等問題[58]。

3D打印混凝土的層間粘結強度與打印速度也存在一定的關系。隨著打印速度的增加，層間拉伸粘結強度降低(圖10(b))。因為隨著打印速度的增加，打印層表面的粗糙度降低，導致在層間更容易出現微孔隙，影響打印試件的硬化性能[59]。

在打印過程中，打印頭距離打印位置的高度對層間性能也有影響。隨著打印頭高度的提升，層間的抗拉強度降低(圖10(c))。所以一般將打印頭的高度設置為低于打印頭寬度，可以有效提高層間的粘結強度，降低界面區域的孔隙率，增加層間的拉伸性能[60]。

3.3 原材料對硬化后材料性能的影響

除了根據3D打印混凝土流變性能優選打印參數之外，還可以通過優選原材料和優化材料配合比提高層間性能，從而提高其力學性能和耐久性。在3D打印混凝土中一般會加入礦物摻合料用來細化孔隙結構，摻合料的加入可以有效抑制水泥砂漿的各向異性，提高整體力學性能和耐久性。研究表明，添加膠凝材料質量分數35%的粉煤灰和15%的微硅粉的3D打印混凝土28 d抗壓強度與使用純水泥相比提高了28.2%[40]。

纖維作為一種良好的增韌材料廣泛應用于3D 打印混凝土中。擠出過程對3D打印混凝土內部的纖維取向具有一定的影響，擠出過程使纖維在混凝土內部具有一定的方向性，即基本平行于打印方向。纖維的定向分布使3D打印混凝土垂直于打印方向的抗折強度和沿打印方向的抗拉強度有所提高，有效改善了3D打印混凝土的抗拉強度和抗折強度，提高了混凝土的抗裂性能[61]。Hambach等[39]將長度為3～6 mm，體積分數為1%的碳纖維應用于3D打印混凝土中，可使抗折強度提高到29.1 MPa，與未添加碳纖維試件的抗折強度相比提高了近3倍。Panda等[62]將體積分數為1%的玻璃纖維應用于以粉煤灰為主的地聚合物3D打印砂漿中時，抗折強度和抗拉強度都有明顯提高。如果將纖維的摻量提高，混凝土的力學性能會進一步增大。侯澤宇[27]研究聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維和劍麻纖維對3D打印混凝土力學性能的影響，發現聚丙烯纖維對3D打印混凝土的抗壓強度有明顯增強效果，而劍麻纖維能夠有效提高3D打印混凝土的抗折強度。Zhu等[49]將體積分數為2%的聚乙烯纖維應用到3D打印混凝土中，抗折強度與1%摻量時相比提高了47%。但是，如果纖維摻量過大，會造成打印頭堵塞的問題。所以需要在滿足力學性能的基礎上合理控制纖維參數和摻量以保證良好的打印性能。

纖維素纖維作為內養護材料可以提高3D打印混凝土的層間粘結性能。因為纖維素纖維中的水分可以促進C-S-H、Ca(OH)2和CaCO3的生成，從而達到提高力學性能、彈性模量和硬度的作用。纖維素纖維還可以通過纖維與細骨料的互鎖作用產生機械粘結以抑制干燥收縮引發的開裂問題，從而使早期水化作用中獲得的整體強度進一步增強[41]。同樣地，超吸水樹脂可以使膠凝材料自收縮和干燥收縮降低超過200%。因為從超吸水樹脂內部釋放的水分可以使漿體內部保持較高的濕度，膠凝材料水化反應更充分，封閉較小的孔且降低100～500 nm范圍內的孔隙，減少了因為自收縮產生的微裂紋數量[63]。

除此之外，聚合物對于提高3D打印混凝土層間的粘結性能也有一定的作用。目前，添加聚合物的方式有兩種，第一種方式是在打印每一層之前在上一層表面涂抹聚合物，因為聚合物可以粘結脫水的水泥顆粒和水泥水化產物，形成聚合物-水泥共混物，這樣就可以通過減少打印層之間的空隙來改善粘合性能。Hosseini等[64]采用碳硫聚合物使3D打印混凝土層間劈拉性能提高超過100%。未加入碳硫聚合物的混凝土中的層間粘結性能主要依靠C-S-H凝膠之間的范德華力，而在層間添加碳硫聚合物使層間分子間的靜電吸引力增強，從而提高了層間性能。第二種方式是采用聚合物改性砂漿的方式提高層間力學性能。Wang等[42]研究發現，質量分數8%的環氧樹脂砂漿具有良好的3D打印混凝土層間增強效果，與未添加相比拉伸粘結力提高了222%～227%，剪切粘結力提高了187%～220%。這主要是因為環氧樹脂與C-S-H凝膠中的Ca2+之間產生的庫侖力抵消了由于表面水分蒸發導致的層間粘結的弱化作用，從而改善了3D打印混凝土的界面粘結性能。

3.4 耐久性

在3D打印混凝土逐層累加的過程中，打印層之間會出現更多的孔隙[65]。如果層間的打印時間間隔過大，打印層之間粘結性能不佳，可能會出現冷接縫的問題，進一步增加了層間的孔隙率甚至是微裂縫的產生，水、氧氣、二氧化碳和酸性侵蝕性離子通過層間界面較容易進入混凝土內部，導致3D打印混凝土強度和剛度部分喪失，進一步增大了混凝土的滲透性，最終影響3D打印混凝土結構的耐久性能[59,66]。

隨著3D打印混凝土技術的發展，硬化混凝土性能及特點的相關研究也在不斷地完善。其中，材料性能與打印參數的協調與控制是實現3D打印混凝土力學性能和長期耐久性能的必要保障。在打印過程中，除了需要考慮打印路徑、層間時間間隔、打印速度、打印頭高度外，還需要考慮打印頭的尺寸、打印層高等打印參數。在材料方面，凝結時間、流變性能、可打印性能等都會對硬化后3D打印混凝土的性能造成影響。所以，針對不同的打印結構和環境需要匹配合適的打印參數和材料，以確保材料硬化后的性能。

4 3D打印混凝土配筋技術

3D打印建造技術以逐層增加材料的方式生成三維實體，3D打印擠出裝置可在其工作空間的三個方向上自由移動，因此，3D打印建造技術對于異形構件的打印具有得天獨厚的優勢，能夠在極大提高結構設計自由度的同時，省去支護繁雜模板的工序和成本。但也正是因為3D打印建造技術全新的增材制造方式，傳統綁扎鋼筋籠后進行澆筑的增強方法已然不適用。所以，找到契合3D打印建造技術工藝特點的可靠增強手段，加強3D打印混凝土構件抵抗結構載荷的能力，是近年來的研究熱點，亦是3D打印建造技術得以在結構工程領域廣泛應用的重要條件之一。

目前，3D打印混凝土的增強方式主要包括纖維增強、鋼絲增強以及鋼筋增強。其中，3D打印混凝土纖維增強技術的種類主要包括：采用短纖維分散在3D打印混凝土基體中[67-69]，采用連續的碳纖維布[70]或FRP(fiber reinforced polymer)筋[71]定向排布于3D打印混凝土構件中進行增強，這些方式能夠有效增強3D打印混凝土構件的力學性能，尤其是抗彎性能和斷裂韌性等。常用的纖維種類包括玻璃纖維、碳纖維、鋼纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維、玄武巖纖維等。當采用玻璃纖維和玄武巖纖維時，應考慮這些纖維自身的耐堿性問題。鋼絲增強3D打印混凝土技術是指將連續鋼絲或鋼絲網埋入混凝土構件中，以增強構件的抗彎能力。而通過后配筋或預配筋的方式將鋼筋配置于3D打印混凝土構件中，能夠顯著提高構件承受結構荷載的能力。本節將主要介紹3D打印混凝土的鋼絲增強技術以及鋼筋增強技術。

4.1 鋼絲增強3D打印混凝土

為了提升3D打印混凝土構件的韌性和抗拉強度，同時滿足3D打印成型方式的自由度， Bos、Lim、Ma等[72-75]在打印噴嘴處安裝了由步進電機驅動的擠出裝置，該裝置如圖11所示，能使得鋼絲隨著打印頭的行進而同步連續布設并埋入擠出后的混凝土中，以形成連續鋼絲增強3D打印混凝土構件，該增強方式適應增材制造的三維柔性以及自動化特性，同時能使3D打印構件的韌性和抗拉性能顯著提高。但該方式只能實現沿著打印路徑方向的增強，遠未能達到傳統鋼筋增強的效果。

圖11 鋼絲擠出裝置的設計圖及實物圖[72]Fig.11 Design and physical drawing of extrusion device of steel wire[72]

Bos等[72]提出了一種鋼絲增強3D打印混凝土構件的自動化制造方法，對配置不同鋼絲的澆筑混凝土和打印混凝土分別進行了拉拔試驗，并進行了梁的四點彎曲試驗。結果表明，與鋼絲和澆筑混凝土的粘結強度相比，鋼絲與3D打印混凝土的粘結強度較低，3D打印混凝土與鋼絲粘結處具有明顯缺陷。在鋼絲增強3D打印梁構件的四點彎曲試驗中，構件呈現兩種失效模式：當鋼絲與3D打印混凝土的粘結強度低于鋼絲本身的抗拉強度時，構件中的鋼絲脫粘而發生破壞；鋼絲與3D打印混凝土的粘結強度較高時，構件因鋼絲被拉斷而破壞。為確保鋼絲增強構件的質量，該技術仍需從工藝、設備、材料性能等方面進行完善。

Lim等[73]采用不同直徑的鋼絲與纖維對3D打印地聚合物進行復合增強，研究了構件的彎曲性能。研究表明：與未增強構件相比，復合增強的方法對地聚合物構件抗彎性能的提高幅度高達290%；由于復合增強地聚合物構件中的PVA纖維與鋼絲被拉出時形成的微裂縫相互作用，彎曲過程中鋼絲的滑移問題得以緩解；增強構件初裂載荷和斷裂韌性均與鋼絲直徑呈正相關。

Ma等[74]為了驗證鋼絲增強地聚合物復合材料在擠出型3D打印技術中的適用性，設計了三種不同的打印路徑(A、B、C)成型構件。3D打印地聚合物構件的彎曲破壞試驗結果如圖12所示，在彎曲破壞的過程中，鋼絲增強的地聚合物構件具有遠優于未增強的地聚合物構件的延性和韌性，增強復合構件在彎曲荷載下降階段仍能保持相當大的撓度增加。另外，采用斜交打印路徑的3D打印鋼絲增強地聚合物復合材料的抗彎強度和抗撓曲變形最好，分別是未增強構件的8倍和70倍。總體而言，增強地聚合物復合材料的機械強度、韌性和開裂后變形均得到了顯著改善。

圖12 3D打印地聚合物構件彎曲破壞曲線[74]Fig.12 Bending curves of 3D printed geopolymer components[74]

Li等[75]的研究指出，硬度小于鋼絲的尼龍、碳纖維、芳綸、聚乙烯長絲由于存在絞結現象，并不適合埋入3D打印混凝土中。同時，受壓狀態下，鋼絲的約束效應能使構件抗壓強度、峰值應變、延性和韌性得到顯著提升，特定的打印路徑能使增強構件的抗壓強度增大50%；拉伸試驗中，鋼絲增強試件的應力-應變曲線在達到峰值荷載之前出現了較多的峰值點和較大的拉伸應變，表現出明顯的延性破壞。

Marchment等[76]通過改裝打印頭，使得鋼絲網通過步進電機控制鋪展開后，3D打印混凝土逐步將其埋入構件中，該技術的裝置示意圖及打印過程如圖13所示。研究表明，與未加鋼網構件相比，鋼絲網將構件的抗彎強度提升了170%～290%，鋼絲網增強3D打印構件的彎曲失效模式為鋼絲網屈服后破壞，而非鋼絲網與混凝土基體粘結失效而產生破壞，證明增強構件中鋼絲網與混凝土之間的粘結是充分有效的。

圖13 鋼絲網埋入3D打印混凝土構件的過程示意圖[76]Fig.13 Schematic diagram of the process of steel mesh embedded in 3D printed concrete components[76]

上述研究表明，柔性鋼絲能夠有效增強3D打印混凝土構件的延性和韌性，使其各項力學性能得到提升，提升效果與柔性鋼絲在構件內的排布密切相關。另外，保證3D打印混凝土與柔性鋼絲之間具有良好的粘結是確保打印構件質量以及柔性鋼絲增強效果的基礎。

4.2 鋼筋增強3D打印混凝土

鋼筋混凝土結構具有優異的力學性能和耐久性能，是現今建筑行業最為常見的建筑結構。在3D打印混凝土構件中，配置鋼筋同樣是保證其抵抗結構載荷能力和耐久性的有效手段。雖然目前技術并不足以實現將鋼筋自動化埋置入3D打印混凝土構件中，且鋼筋本身較高的剛度也不似纖維和柔性長絲可以兼顧3D打印建造技術的三維柔性和自動化特點，但在3D打印建造技術的工程實例中，仍有一些方式能夠實現在3D打印結構中加入鋼筋以保證結構的強度和可靠性。

目前3D打印混凝土構件中常見的配筋方式包括后配筋(post-installed reinforcement method)以及預配筋(pre-installed reinforcement method)兩種方法。

后配筋的方式主要是將鋼筋布置于打印完成的3D打印模板或構件的孔洞中，而后澆筑混凝土。2018年，美國伊利諾伊州的工程師們采用3D打印的工藝使建筑具有獨特的形狀，同時利用傳統的增強方法，在3D打印的外墻模板中布置鋼筋籠后進行澆筑，制造了兩座加筋增材制造混凝土(reinforced additively constructed concrete， RACC)建筑物[77]，建筑物的配筋方式及實物圖分別如圖14、15所示。該方法將傳統澆筑工藝與3D打印工藝進行結合，在發揮3D打印混凝土技術高自由度優勢的同時，保證了建筑結構的承載力和穩定性。

圖14 RACC建筑物配筋方式[77]Fig.14 Reinforcement method of RACC building[77]

圖15 RACC建筑物[77]Fig.15 RACC building[77]

埃因霍溫理工大學在荷蘭Gemert村設計制造并裝配了一座自行車橋，自行車橋主體的打印過程如圖16所示，設計師發揮3D打印建造技術在制作異形構件方面的優勢，從提高抗剪能力以及節約成本的角度對橋梁截面進行了優化。橋梁的主體部分采用3D打印建造技術分段預制，然后運送到現場利用界面材料拼裝粘結，最后將張拉的鋼筋置于預留的孔洞中并用混凝土澆筑[78]，自行車橋的現場裝配過程如圖17所示。

圖16 自行車橋構件的3D打印過程[78]Fig.16 3D printing process of bicycle bridge components[78]

圖17 自行車橋的現場裝配過程[78]Fig.17 Assembling process of bicycle bridge[78]

上述利用3D打印建造技術制作永久性的模板，在其中配置鋼筋后，向其中澆筑混凝土的建造方法是目前在工程中建造結構構件的最常用方式，然而該方式更像是3D打印建造技術和傳統澆筑工藝的結合，一定程度上發揮了3D打印技術高自由度的優勢，但未能將3D打印建造技術高效及自動化的優勢完全開發出來。北京華商騰達公司設計了一種新型的打印頭，打印頭分為兩個噴口，噴口間留有間隙以容納預先架設好的鋼筋，如圖18所示。打印時混凝土從架設在鋼筋網格兩側的噴嘴中擠出，隨打印頭的行進將鋼筋網格埋入其中，制成3D打印混凝土構件。該方式使3D打印技術自由度方面的優勢受到限制，但發揮了3D打印技術節約人員和模板成本以及高效智能化的優勢[76]。

圖18 3D打印建筑的預配筋技術[76]Fig.18 Pre-reinforcement technology of 3D printing based construction[76]

此外， Mechtcherine等[79]利用氣體金屬弧焊技術，得到如圖19所示的3D打印鋼筋，而后進行單軸拉伸試驗，研究了打印鋼筋的力學性能，發現與傳統鋼筋相比，3D打印鋼筋的屈服應力和抗拉強度降低了20%左右，斷口形貌同樣呈韌性失效模式。通過拉拔試驗測試了粘結長度分別為16 mm和32 mm的條件下，打印鋼筋與3D打印混凝土的粘結性能，發現與傳統鋼筋相比，粘結性能分別下降了26%和14%。該研究證實了混凝土與鋼筋同步3D打印技術的可行性和打印構件的可靠性，但3D打印混凝土與3D打印鋼筋的打印環境不同、打印速率不匹配。混凝土與鋼筋同步3D打印技術若能實現，在一定程度上，不僅能保證鋼筋混凝土這一復合結構優異的力學性能和耐久性能，而且能夠更好地發揮3D打印技術優良的三維柔性以及高效智能化、自動化的優勢。

圖19 3D打印鋼筋[79]Fig.19 3D printed steel bars[79]

綜上所述，針對3D打印混凝土的配筋技術目前尚不完善，研究人員雖然從材料、工藝、設備等方面提出了一些適配的3D打印建造技術的配筋增強方法，但要使配筋技術兼顧3D打印建造技術的三維柔性和承受結構載荷的可靠性并非易事，在現有方法中，鋼絲增強技術能夠較好地適配3D打印建造技術的高效智能化和三維柔性，然而僅鋼絲增強的3D打印構件在工程中承受結構載荷的能力有所欠缺；后配筋技術雖然有利于發揮3D打印技術的三維柔性，并保證打印構件承載能力，但該技術的效率較低、工序較為繁瑣；預配筋技術限制了3D打印構件的自由度，但能夠確保建筑的載荷能力；混凝土與鋼筋同步3D打印技術兼顧打印構件和配筋的自動化和自由度，且確保構件優良的力學性能，但面臨著鋼筋與混凝土打印速度不匹配、同步打印設備有待開發等諸多問題，尚待發展完善。

5 3D打印混凝土的應用

近年來，3D打印混凝土技術發展迅速。國內外學者與工程師們也將其從實驗室向實用化進行成果轉化，在房屋、橋梁以及復雜構型建筑等方面均有了成功的工程應用。因有些工程應用的細節并未公開，本節僅對這些工程應用做簡要介紹。

5.1 3D打印房屋

5.1.1 3D打印混凝土城堡

2014年，美國明尼蘇達州工程師Rudenko在自家的后院設計并完成了一個3D打印的混凝土城堡[80](圖20(a))，該城堡占地約15 m2，可容人站立。城堡的墻壁以及塔的三個頂部均需分別打印制造(圖20(b))，最后通過組裝形成城堡結構。

圖20 3D打印混凝土城堡[80]Fig.20 3D printed castle[80]

5.1.2 3D打印辦公樓

2016年， Gensler公司與Thornton Tomasetti公司和Syska Hennessy公司的結構專家在迪拜合作設計了世界上首個3D打印辦公樓[81](圖21)。建造時進行打印的模塊化機器組裝完成后長約120英尺(305 cm)，寬40英尺(102 cm)，高20英尺(51 cm)。打印出的辦公樓占地2 700平方英尺(250 m2)，耗資14萬美元。在辦公樓的內部和外部均設計了一些復雜的曲面圖形，這種不規則的設計很好地體現了3D打印混凝土技術的優勢。

圖21 迪拜3D打印辦公樓外部圖景[81]Fig.21 External view of Dubai 3D printed office[81]

5.1.3 3D打印政府大樓

在使用3D打印混凝土技術建造了辦公樓之后，2020年，迪拜再次利用3D打印混凝土技術建成市政府用樓，見圖22[82]。迪拜市政府大樓高達9.5 m，大樓面積為640 m2。該項目由美國Apis Cor公司負責。市政府大樓的地基是傳統的建筑結構，墻壁是通過3D打印建造的，通過鋼筋和普通混凝土人工填充3D打印的柱子模板來加固建筑。打印建造時，Apis Cor公司因地制宜，使用的3D打印混凝土材料是由該公司開發并于當地生產的一種石膏基建筑材料。使用的可移動式3D打印裝置可以通過起重機在場地進行移動定位，以此覆蓋整個建造區域，見圖22(b)。

圖22 迪拜3D打印市政府大樓[82]Fig.22 Dubai 3D printed municipal building[82]

5.1.4 3D打印二層辦公樓

2019年11月，中國建筑集團在中建二局華南公司廣東建設基地現場打印出一棟約230 m2的二層小樓[83](圖23[84])。二層小樓的墻體均為3D打印混凝土技術建造，梁柱以及樓板和屋頂為預制混凝土構件。整個兩層小樓完成時間為4個月，包括了預制樓板的強度等待時間、樓頂的安裝時間以及3D打印墻體的時間，而3D打印的完成凈用時僅僅為48.5 h。

圖23 3D原位打印二層辦公樓[84]Fig.23 In-situ 3D printed two floor office building[84]

5.1.5 3D打印配電房

2019年，同濟大學肖建莊教授團隊與遼寧格林普建筑打印科技有限公司采用商品混凝土3D打印廣東某配電變電站[85]。配電變電站長12.1 m，寬4.6 m，總高4.6 m(地面以下0.5 m，地面以上4.1 m)。圖24顯示了配電房與打印機的全貌。打印材料采用5～15 mm粗骨料C25預拌混凝土。經過回彈儀測試，最后打印出的配電房強度均超過20 MPa。

圖24 3D打印配電房[85]Fig.24 3D printed power distribution room[85]

5.1.6 3D打印裝配式建筑——南京江北研創園運動場服務設施

南京市江北研創園的運動場上有三座由南京綠色智造研究院有限公司設計并通過3D打印完成的“異型”的房屋(圖25(a))。房屋的建造是通過在工廠3D打印構件(圖25(b))并養護，隨后將構件運至運動場裝配施工完成。設計的構件不僅造型優美，構件本身彎曲突出的部分還可以作為綠植的栽培處，具有良好的節能潛力，并提高了熱舒適性。美國田納西大學Zhang[86]及其團隊對房屋的節能潛力進行了模擬仿真評估，結果表明，集成綠化系統通過植物遮陽、蒸發和土壤蓄熱的綜合作用，極大地降低了墻體外表面溫度和全墻熱通量。

圖25 南京市江北研創園運動場服務設施(南京綠色增材智造研究院提供)Fig.25 Service facilities in Nanjing Jiangbei research and innovation park sports center(provided by Nanjing Institute for Intelligent Additive Manufacturing)

5.1.7 3D打印裝配式建筑——南京江北新區市民中心游客服務中心

位于南京江北新區市民中心主入口處的市民中心游客服務中心(圖26)采用了裝配式 3D打印外墻+裝配式清水混凝土(玻璃纖維增強混凝土GRC+玻璃纖維增強環氧樹脂GRE)內裝+虛擬與現實耦合工程管理系統的智能建造技術，于2020年6月完成[87]。3D打印部分由南京綠色智造研究院有限公司建造完成，總面積286 m2[88]。通過3D打印技術將外墻表面處理成橫豎條紋的形式，與市民中心的造型相得益彰，體現了3D打印混凝土技術在復雜構型構件方面的建造優勢。

圖26 南京江北新區市民中心游客服務中心(南京綠色增材智造研究院提供)Fig.26 Tourist service center in Nanjing Jiangbei new district(provided by Nanjing Institute for Intelligent Additive Manufacturing)

5.2 3D打印橋梁

5.2.1 3D打印裝配式趙州橋

2019年10月，由馬國偉團隊設計建造的裝配式混凝土3D打印趙州橋在河北工業大學北辰校區落成[89]，如圖27所示。該橋梁跨度18.04 m，總長28.1 m。該橋按照原趙州橋1 ∶2 縮小打印，打印時將各部分分開打印，最后現場組裝。橋梁的結構構件采用3D打印永久模板，加上內部配筋并澆筑混凝土建造而成，非結構構件再完全使用3D打印混凝土技術建造。

圖27 3D打印趙州橋[89]Fig.27 3D printed fabricated Zhaozhou bridge[89]

5.2.2 3D打印混凝土人行天橋

2024年巴黎奧運會主辦方欲修建一條長40 m的3D打印混凝土人行天橋[90](圖28)。該天橋由包括土木工程公司Freyssinet、Levigne和Cheron Architects，計算和人工智能(AI)公司Quadric，建筑材料公司LafrageHolcim及大型3D打印公司XtreeE等在內的多家公司共同完成。這座人行天橋的造型奇特，使用3D打印混凝土技術將比傳統結構少使用60%的混凝土。

圖28 2024年巴黎奧運會人行天橋[90]Fig.28 Pedestrian overpass for 2024 Paris Olympic Games[90]

5.3 3D打印混凝土的其他應用

5.3.1 3D打印風力渦輪機塔

風力渦輪機是一種采用風能做動力的渦輪機，風力渦輪機塔是風力渦輪機的基座。現有的風力渦輪機塔通常是由鋼結構和預制混凝土建成，高度通常不超過100 m，底座的直徑不超過4.5 m。更高的機塔可以顯著提高風力渦輪機的發電效率，但更高與更寬的機塔難以運輸到安裝現場。2020年，GE再生能源(GE renewable energy)、COBOD(construction of buildings on demand)和LafargeHolcim三方共同開發3D打印的全球最高的風力渦輪塔，設計的機塔高度可達160 m。圖29是已經打印出的10 m高的塔基座[91]。

圖29 3D打印的10 m高混凝土基座原型[91]Fig.29 3D printed 10 m high concrete base[91]

5.3.2 3D打印市政景觀與小品

3D打印混凝土技術是一種無模板成型方式，因此在異型構件的成型方面有著傳統施工方法所不具備的巨大優勢。南京綠色增材智造研究院有限公司利用3D打印混凝土技術的優勢，建造了一系列的復雜構型的景觀建筑。圖30是3D打印公交站臺，站臺兩側倒U型的混凝土構件由3D打印技術完成。圖31和圖32分別為3D打印市政景觀和河堤護岸，這類造型復雜的混凝土構件，采用定制模板的制造方式成本較高，而3D打印混凝土技術可以充分發揮其無模板、少人工、智能化、快速高效的優勢，低成本定制生產異型構件與景觀小品。

圖30 3D打印公交站臺(南京綠色增材智造研究院提供)Fig.30 3D printed bus station (provided by Nanjing Institute for Intelligent Additive Manufacturing)

圖31 3D打印市政景觀(南京綠色增材智造研究院提供)Fig.31 3D printed municipal landscape(provided by Nanjing Institute for IntelligentAdditive Manufacturing)

圖32 3D打印河堤護岸(南京綠色增材智造研究院提供)Fig.32 3D printed river bank(provided by Nanjing Institute for IntelligentAdditive Manufacturing)

6 其他種類的3D打印混凝土

6.1 3D打印泡沫混凝土

國內外學者已經將3D打印技術與各種建筑材料相結合并做了大量的研究，但大多都集中在普通密度等級的3D打印混凝土。泡沫混凝土作為輕質混凝土的一種，擁有較高的比強度，具備優異的保溫隔熱、吸聲和消能減震效果。泡沫混凝土是通過在水泥漿體中引入氣泡的方式制備而成，操作簡單、成本較低，通過改變泡沫的摻入量可以靈活地改變密度。可打印的泡沫混凝土可用于制備非承重構件，有效降低構筑物整體自重，同時，在吊裝的過程中可以減輕吊裝負擔，這意味著在相同重量下可以吊裝更大體積的構件，提升效率，降低大體積構件吊裝風險性。因此，3D打印泡沫混凝土有其獨特的優勢和應用前景。

傳統的泡沫混凝土攪拌完成后直接澆筑模具中，用于預制構件或者經泵送設備澆筑。為了保證澆筑后能夠自發地均勻填充模具，泡沫混凝土應具備較高的流動性[92]。但是，3D打印泡沫混凝土將會經過擠出和一層一層堆疊的過程，堆疊后泡沫混凝土要具備穩定性和可建造性，這就要求3D打印泡沫混凝土有相對較低的流動性。對于3D打印泡沫混凝土的研究，關鍵在于解決不同性能要求之間的矛盾，即可泵送性和可擠出性與可建造性之間的矛盾，而解決矛盾的關鍵在于使泡沫混凝土具備適當的流變性。

不同于普通砂漿或凈漿，泡沫混凝土的制備通常摻入大量的泡沫，泡沫的摻入量會對泡沫混凝土的流動性和流變性產生顯著影響[93]。由于含有大量的氣泡，泡沫混凝土的濕密度低于普通砂漿，這可能使得泡沫混凝土滿足可打印性的流變參數范圍不同于普通3D打印砂漿[94]。由于氣泡的存在，對泡沫混凝土流變性調節必須考慮泡沫的穩定性變化。一方面，泡沫穩定性與氣泡液膜厚度和強度有關，而液膜強度和厚度又取決于氣泡表面粘度，表面粘度大，液膜中的水排出較難，液膜容易保持較高的厚度不易破壞，這些不但取決于發泡劑本身的質量，而且會受到基體材料因素和流變性的影響[95-97]；另一方面，泡沫具有時變特性，隨著時間的增長，會出現消泡現象，且打印過程中泡沫混凝土中的氣泡難免會受到剪切作用，在剪切力下氣泡的形狀、尺寸以及排列方式會發生變化，甚至會破裂。泡沫的穩定性變化將會嚴重影響泡沫混凝土的流變性[98]。除此之外，泡沫混凝土所受的壓力和溫度不同都會明顯影響流變性[99]。

泡沫混凝土與普通混凝土不同，通常不含骨料，這有利于泵送和擠出，但含有較多的泡沫，尤其是低密度泡沫混凝土漿體主要以泡沫為主，泡沫極易破裂，泵送和擠出過程中的壓力、摩擦和振動都會導致泡沫破裂，這就要求泵送壓力不能過大[100-101]。此外，打印噴嘴的高度應盡量放低從而減少沉積過程中的振動。即使不受到外力的作用，泡沫也會隨著時間增長而消泡，需要協調好消泡時間、打印時間和凝結時間。要盡可能地選擇泡沫穩定性優良的發泡劑，必要時可以引入穩泡組分。根據泵送管道的長度和打印路徑的距離，在保證可泵送所需流動性的條件下，提高膠凝材料的凝結速率，實現與泡沫消泡時間相匹配，同時提高可建造性。

當前有關3D打印泡沫混凝土的研究非常少。Alghamdi等[94]打印了表觀密度在600～1 000 kg/m3的地聚合物泡沫混凝土，研究發現：泡沫混凝土的粘度恢復率越高，可建造性越好；打印的試樣和澆筑試樣表觀密度與孔隙率相差不大，但是擠壓后的試樣氣孔尺寸更大，作者認為這可能是擠壓過程中相鄰的氣泡發生了合并；孔隙率在60%～70%的3D打印泡沫混凝土有效導熱系數可以接近商用的保溫隔熱材料。Falliano等[102]通過自制的擠出模具對泡沫混凝土擠壓，并與澆筑試樣對比，研究發現，經擠壓的泡沫混凝土比澆筑的泡沫混凝土具有更高的抗壓強度，擠出的樣品氣泡分布更均勻并且尺寸明顯小于澆筑的樣品，然而此研究并沒有真正的經過打印機打印，也沒有層層疊加過程。

本文的作者劉超等針對3D打印泡沫混凝土的流變性和可打印性開展了研究(Influence of hydroxypropyl methylcellulose and silica fume on the stability, rheological properties, and printability of 3D printing foam concrete[J].CementandConcreteComposites， 2021， under review)，作者在泡沫混凝土中引入羥丙基甲基纖維素(HPMC)和硅灰(SF)對泡沫混凝土可打印性進行調控，通過對比打印機恒定打印參數下所擠出長條的寬度和連續性來評估可擠出性(見圖33)，通過同時對比相同堆疊層數下泡沫混凝土的堆疊高度和tanθ值來評估可建造性(見圖34)，堆疊高度越高，tanθ值越小,可建造性越好；研究發現，纖維素加入提高了泡沫混凝土的穩定性，減小了tanθ值，但是不利于堆疊高度增加，硅灰加入減小了tanθ值，顯著增加了堆疊高度，對可建造性提高明顯，然而過多的硅灰加入不利于泡沫穩定性，使得泡沫混凝土濕密度增加；對于濕密度在1 550～1 850 kg/m3的泡沫混凝土，其滿足打印性的靜態屈服應力、動態屈服應力和塑性粘度范圍分別為1 113～1 658 Pa、66.4～230.1 Pa和2.08～3.71 Pa·s。

圖33 3D打印泡沫混凝土擠出長條寬度隨時間的變化Fig.33 Variation of the width of extruded 3D printedfoam concrete with time

圖34 3D打印泡沫混凝土可建造性評估方法Fig.34 Evaluation method for the buildability of3D printed foam concrete

總的來說，目前對3D打印泡沫混凝土的研究還很有限。要充分發揮其優勢，還需要開展大量的深入研究，特別是在泡沫穩定性的調控,新拌漿體的可打印性調控，變形開裂性能和長期耐久性的研究等方面。

6.2 3D打印輕骨料混凝土

輕骨料混凝土(LWAC)是用輕質骨料全部或部分取代普通骨料配制而成的干表觀密度不大于1 950 kg/m3的混凝土[103]。相較于普通混凝土(PC)，LWAC具有獨特的優勢。LWAC的比強度更高，可以顯著減輕建筑自重[104]，在建造高層建筑時，對建筑的地基要求可以進一步放寬，同時降低建筑的基礎部位成本[105]。LWAC的抗震性能優良，由于輕骨料混凝土密度較低，故自重較輕，地震力也會相應降低，而輕骨料混凝土的彈性模量又比普通混凝土低，結構自振周期變長，變形能力較大，變形時的能量耗散能力也較強[106]。LWAC中的輕骨料具有多孔結構，在保溫隔熱性能上具有明顯的優勢。從耐久性來看，LWAC的多孔特征使得其具有高抗凍性、高滲透性、高耐火性[107]與無堿骨料反應[106]等優良性能。

在現有裝配式建筑的大環境下，3D打印混凝土構件具有更易建造、更低成本以及更快安裝的優勢，但在安裝過程中的吊裝成本也是需要工程界考慮的。將輕骨料用于3D打印混凝土，通過降低打印構件的自重來降低成本是一條行之有效的思路。

目前有關3D打印輕骨料混凝土的研究十分有限。Rahul等[108]對最大粒徑為10 mm的輕質膨脹粘土骨料制成的混凝土的可打印性進行了研究。結果表明:粗集料含量的增加提高了其水分解吸能力，從而降低了其保水能力；當粗骨料體積替代率為30%時，拌合物可以成功擠出，而體積替代量大于30%時，在擠壓過程中出現堵塞。Wang等[109]將最大粒徑為10 mm的輕質陶粒用于制備3D打印混凝土，為減少因吸水引起的收縮和微裂紋，對陶粒進行了聚乙烯醇涂層處理。他們設計了四種不同類型的空心結構的立方體單元和梁單元，研究發現，矩形網格空心結構(圖35(a))具有最佳的抗壓性能，桁架結構(圖35(b))具有最佳的抗彎性能。

圖35 3D打印空心梁 (單位：mm)[109]Fig.35 3D printed hollow beams (unit: mm)[109]

6.3 3D打印堿激發混凝土

堿激發水泥指的是使用堿性激發劑(常見的有水玻璃溶液和氫氧化鈉溶液[110]等)與一些具有火山灰活性或者水硬性的原材料混合反應而成的一類膠凝材料。堿激發混凝土則是在該膠凝材料當中按一定比例加入骨料混合制備而成。由于制備堿激發混凝土的原材料主要為工業廢棄物(如礦渣、粉煤灰、鎳鐵渣和鋼渣[111-113]等)，而不使用硅酸鹽水泥這類碳排放高的傳統建筑材料，因此其具有綠色低碳的優點。另一方面，由于使用了高堿性的激發劑，堿激發混凝土具有凝結速度快、粘度大[21]的特點，而這些特點都與3D打印混凝土技術對打印凝膠材料的新拌性能要求不謀而合。

最早關于3D打印堿激發混凝土的報道可追溯至Panda等[62]所研究的3D打印硅酸鉀激發粉煤灰砂漿，其研究結果發現，3D打印堿激發體系的力學性能存在各向異性。同時，他們發現玻璃纖維的摻入并不能很好地緩解力學性能各向異性的存在。另外，他們還研究了不同的砂膠比對可打印性的關鍵參數的影響(包括靜態屈服應力、形狀保持等)，并使用最優組配合比成功打印了一個復雜結構[114](如圖36所示)。Panda等[115]研究發現，礦渣和硅灰的摻入對于粉煤灰-礦渣-硅灰三元組分3D打印堿激發材料體系的流變性能和后期力學性能都有積極影響，同時，3D打印堿激發體系對環境的影響低于普通硅酸鹽混凝土[21]；Panda等[116-117]還發現，納米粘土的摻入可以提升3D打印粉煤灰堿激發體系粘度、建造性能以及后期的力學性能。

圖36 3D打印堿激發材料復雜結構[114]Fig.36 3D printed complex structure of alkali activated materials[114]

Alghamdi等[118]研究了激發劑的摻量和種類(NaOH/Na2SO4)、外摻料的比例(礦渣/碳酸鈣等)以及水灰比對于材料的力學性能和打印形貌等多種參數的影響，發現激發劑和外摻料的使用會增加材料的粘度及打印性能。馬國偉等[74]研究了細鋼絲在打印時的同步使用對3D打印堿激發砂漿力學性能的影響，發現細鋼絲的使用會增強強度和抗裂性能。Zhang等[119]發現，硅酸鈉溶液的Si/Na比會明顯影響3D打印堿激發材料的可擠出性和可建造性。Guo等[120]發現，隨著礦渣粉和硅灰摻量的增加，堿激發粉煤灰體系的表觀粘度、觸變性能、塑性粘度和屈服應力先增大后減小。

迄今為止，對于3D打印堿激發混凝土在各個階段、各個方面的研究仍然十分有限，未來的研究可著重于3D打印堿激發混凝土的流變性能與可打印性的調控、力學性能各向異性、變形性能及耐久性等方面，以推進堿激發混凝土在3D打印技術中的應用。

7 3D打印混凝土面臨的挑戰與展望

本文從3D打印混凝土的流變與可打印性能、配合比設計與制備、硬化性能及特點、配筋技術、工程應用及其他種類的3D打印混凝土等六個方面進行了綜述。截至目前，世界各地的研究人員和工程師在3D打印混凝土技術的研究與應用方面已經取得了一定的進展，但是該技術目前仍然處于起步階段，存在著諸多難題亟待解決。

首先，在材料的配合比設計方面：當前，大部分的研究只考慮以可打印性作為設計指標，而缺乏以3D打印混凝土力學性能與耐久性為目標的設計方法，這會阻礙3D打印混凝土結構的工程應用。另一方面，為滿足打印過程中泵送與擠出的要求，3D打印混凝土中的膠凝材料用量一般都較高，如不能調控好膠凝材料用量，這會導致一系列的收縮開裂和后續的耐久性問題。當前許多關于3D打印混凝土可打印性的研究都是使用傳統的試錯方法，這并不利于該技術在未來的標準化和普及。因此，有必要深入探究打印材料配合比與流變性能、硬化性能及耐久性的關系。

其次，由于特殊的層疊成型工藝，3D打印混凝土存在薄弱界面、整體力學性能各向異性的問題。因此，當前用于傳統混凝土的規范和測試方法對于3D打印混凝土結構并不適用。制定一整套適用于3D打印混凝土結構的設計、驗收規范及測試方法迫在眉睫。另外，由于成型工藝的特殊性，3D打印混凝土的配筋問題仍然沒理想的解決方法。

目前關于3D混凝土技術的研究正在如火如荼地進行，隨著該技術的不斷發展和突破，我們有理由相信，在不久的將來，3D打印建造技術將日臻成熟，其應用必將為實現建筑工業化、智能化建造做出應有的貢獻。