混凝土3D打印材料及3D打印模板技術應用進展

孫凱利，吳翔強，藺喜強，李國友，李新健，孫志鵬

(1.中國建筑股份有限公司技術中心，北京 101300；2.中建工程產業(yè)技術研究院有限公司，北京 101300；3.杭州中宸城鎮(zhèn)建設有限公司，杭州 310021)

0 引 言

水泥基材料自發(fā)明以來因其較好的使用特性成為當今用量最大、范圍最廣的建筑材料，并隨著時代的發(fā)展不斷實現自身的變革[1-3]。在科技進步的當下，社會正逐漸迎來數字建造及智慧建造的蓬勃發(fā)展。作為快速成型領域的典型，3D打印成為引導第三次工業(yè)革命的重要生產技術[4]，成功開創(chuàng)了建筑領域的新發(fā)展方向，并推動建筑業(yè)向著數字化、自動化、綠色生態(tài)化的重大變革不斷邁進[5-9]。

3D打印技術在建筑技術中的合理應用，可提升傳統建造的機械化程度、提高施工效率、解放勞動力，同時增材制造的形式可最大限度地降低生產過程中產生的廢棄物[10-12]。混凝土3D打印是建筑3D打印的重要組成，隨著研究的深入開展，材料的流變性、可擠出性、可建造性、凝結時間和力學性能等成為評價混凝土3D打印材料性能的普遍共識[13]。此外，從材料成型的概念來說，混凝土是典型的模塑材料，而3D打印是一種新型的“去模化”增材制造技術[14]，可替代異型構件的模板。因此，充分利用3D打印技術優(yōu)勢為工程建造提供個性化3D打印模板是3D打印技術在建筑工程中應用的一種有效形式。

在推進綠色建造、智能建造的時代背景下，混凝土3D打印技術具有良好的應用前景和巨大的潛在發(fā)展空間。本文以混凝土3D打印技術為出發(fā)點，闡述了混凝土3D打印的發(fā)展歷程，并從3D打印混凝土材料的設計使用及3D打印模板技術應用兩方面展開綜述，以期為建筑3D打印的研究和發(fā)展提供參考與借鑒。

1 3D打印技術

3D打印技術運用數字化控制，通過將材料逐層打印完成數字模型到實物的轉化，其概念在20世紀末的美國與日本獨立產生，隨后，世界上首家3D打印設備公司“3D systems”在美國成立，該公司進行了系統的技術性探索，為3D打印技術的更廣泛研究提供了早期的啟蒙指引，3D打印技術逐步進入快速發(fā)展期。

建筑3D打印源于Pegna[15]提出的一種以水泥基材料逐層累加為基本原理的異型構件建造方式。隨著相關技術的不斷發(fā)展，建筑3D打印逐漸形成了以輪廓工藝[16]、D-Shape粘結沉降成型工藝[17-18]，“混凝土打印”技術[19]為主的三種建造方式。通過混凝土連續(xù)3D打印的方式實現建筑物的建造，為建筑業(yè)帶來突破性的變革，對節(jié)能、優(yōu)化設計、降低成本等方面都有顯著的效果。同時，打印設備的智能化及打印材料制備技術的成熟化，為建筑3D打印的發(fā)展奠定了良好的基礎[20-21]。

2 3D打印在建筑行業(yè)中的技術發(fā)展

2.1 混凝土3D打印材料特性研究

穩(wěn)定的打印材料是建筑3D打印的核心，是實現在3D打印建造工藝中輸料系統、布料系統及打印路徑控制系統間協作使用的關鍵。為適應建筑3D打印技術的需要，研究人員在混凝土材料流變性、可擠出性、可建造性、以及力學性能等方面展開了豐富研究[22-24]。

良好的流變性是混凝土可打印的關鍵之一。混凝土材料自加水拌和起即開始發(fā)生水化硬化，在打印過程中既需要混凝土材料在一定時間內保持好的工作性能，同時層鋪堆疊的無模板建造工藝需要已擠出層為后續(xù)打印層提供強度支撐[25-27]。Roussel等[28]認為在打印的過程中水泥基材料展現出賓漢姆流體的流變特性，即當施加應力高于材料屈服應力臨界閾值時材料才會流動，并以此為出發(fā)點從材料的屈服應力、黏度、彈性模量、臨界應變等多角度論述了3D打印混凝土材料的流變學特性，其結果顯示，適宜的屈服應力是3D打印混凝土材料有別于傳統混凝土的顯著標志。此外，研究人員通過礦物摻合料、納米微粉等比表面積較大的物質來調節(jié)混凝土的觸變性，以此改變漿體的屈服應力，達到調節(jié)漿體流變性的目的，除材料配比外，在既有報道中，研究者們還通過調整水膠比、化學外加劑等來獲得混凝土良好的流變性能。

在混凝土3D打印的工藝過程中，擠出性一般被定義為將新拌混凝土作為連續(xù)長絲輸送到擠出機料斗中的噴嘴并順利通過打印頭噴嘴進行沉積的能力[29-32]。混凝土3D打印是多系統的協調工藝流程，需要材料與機械間的配合，為此，研究人員對骨料粒徑[13,33-36]和打印速率[31,37]等影響混凝土3D打印工藝間協調性的因素進行了廣泛探究。在傳統混凝土構成中，骨料占據絕對的體積，然而，從材料學的角度分析不難得出，骨料粒徑越大，含量越高，將使打印混凝土離散性變大，材料出機可控性降低。足夠的漿體量將提升混凝土在機械中的潤滑性[29]，但增大打印混凝土中膠材用量或降低骨料粒徑在使打印成本提高的同時，基體開裂的風險也會增大。Malaeb等[13]發(fā)現，當打印材料中骨料的最大粒徑Dmax小于噴嘴直徑的1/10時，打印材料可順利通過噴嘴擠出。隨后，Cheikh等[34]通過數值模擬與試驗操作兩種方式相結合，系統探究了漿體流變性、骨料尺寸與打印機噴嘴直徑間的協作性。研究表明，存在骨料粒徑與打印噴頭直徑的比例系數，使混凝土與打印機具有良好的適應性，并較易獲得良好的擠出和打印效果。Nerella等[36]通過定義單位能，即每擠出單位體積所消耗的能量，來定量表征材料的可擠出性，發(fā)現較細砂的擠出能是較粗砂的1.62倍。除材料影響外，研究顯示，打印過程中材料屬性、打印頭的擠出速率及打印頭移動速率間的匹配程度是影響打印材料連續(xù)性、基體密實性及形狀穩(wěn)定性的關鍵[37-39]。

若將建筑3D打印進行階段劃分，則流變性及可擠出性是工藝的前期基礎，而可建造性和力學性能將是對該工藝的實踐性檢驗。當前，評價3D打印材料可建造性的規(guī)范及測試流程并未完善，根據可建造性的定義要求，人們對打印材料的建造性進行了許多探索性研究[31,40-43]，并總結了單層變形屈服失效、底層變形失效、層間形狀不均以及超臨界高度失穩(wěn)等典型的建造失效形式[23,44]。圖1為典型的擠出斷料及建造性不良形式。

圖1 典型的擠出斷料及建造性不良形式Fig.1 A typical form of extrusion breakage and different failure patterns

Perrot等[45]以早齡期下混凝土打印材料的受壓行為作為出發(fā)點，基于使材料發(fā)生塑性變形的臨界應力與作用于前一打印層上的垂直應力的比較，建立了可建造性的強度破壞評價準則。并通過實際打印效果證實，在合理的建造速率及結構基礎上，可確保豎向應力不超過臨界應力，達到穩(wěn)定可靠的建筑效果。Kazemian等[46]設計了以高度變化為核心的“層沉降”和“圓柱體穩(wěn)定性”兩種評估形狀穩(wěn)定性的試驗方法，以期達到定量表征混凝土材料可建造性的目的，圖2為該試驗裝置。Yuan等[42]亦從建筑材料變形的角度出發(fā)，通過監(jiān)測堆疊過程中各打印層間的變形情況，對混凝土3D打印材料的可建造性進行評價。

圖2 圓柱穩(wěn)定性測試[46]Fig.2 Cylinder stability test[46]

隨著研究的深入，人們發(fā)現通過優(yōu)化顆粒級配可以實現材料擠出與材料建造間的協調，同時良好的級配也為打印構件的后期使用服役提供保障。Weng等[35]通過打印柱體層高的方式，對比了Fuller Thompson級配、均勻級配、Gap-Gradations級配和天然河砂級配對可擠出性及可建造性的影響，圖3為該試驗過程。結果顯示，基于Fuller Thompson級配的材料表現出來最佳的使用效果，可打印至40層而不崩塌變形。證明Fuller Thompson級配是配制良好可建造性3D打印水泥基材料的有效方法。

圖3 一種通過打印層高評價材料可建造性的方法[35]Fig.3 A method for evaluating print material buildability by printing layer height[35]

當前，在可建造性的研究過程中取得了許多成果，但打印窗口期[46-47]、打印制度[27,37]、各層間的循環(huán)時間[39]及材料的物理化學反應[48]等都是影響建筑3D打印混凝土可建造性的重要因素。因此，想要獲得科學規(guī)范的測試方法及具體的評價指標仍需不斷探索和積累。

混凝土3D打印材料的力學性能可劃分為新拌漿體早期力學性能和硬化后力學性能。其中，早期力學性能與混凝土3D打印材料的可建造性密切相關，同時，無模的施工特性使得早期力學性能尤為關鍵。為此人們對混凝土打印材料早期的強度、剛度、應力-應變曲線、變形特性等方面展開了廣泛的研究[41,49-51]，其中Wolfs等[40]通過數學建模建立了一種較為可靠的早期3D打印混凝土的破壞準則，并通過無側限單軸壓縮試驗和直剪試驗驗證了構建模型的有效性。研究發(fā)現，在0～90 min內，3D打印混凝土的楊氏模量、抗壓強度和抗剪強度與時間呈線性關系，并與新拌混凝土的齡期成比例發(fā)展。同濟大學團隊[52]通過單軸無側限壓縮試驗對早齡期3D打印漿體的力學性能進行了系統試驗，并全面分析了早齡期(2.5 h)打印漿體的破壞模式、豎向荷載位移關系、側向變形和應力應變特性，為混凝土3D打印材料早齡期條件下力學性能探究提供了豐富的參考依據。

區(qū)別于傳統混凝土結構，層間堆疊的打印形式使硬化后的3D打印混凝土結構存在大量的界面結構并使其具有各向異性的力學特性[30]。在試驗探究的過程中，人們發(fā)現影響強度各向異性的關鍵因素是界面結合強度較弱，并從打印制度及打印材料等角度開展了系列探究。在打印參數方面研究人員發(fā)現，打印時間間隔對界面的影響顯著，打印時間間隔較長將會導致界面“冷縫”和更多缺陷，使層間粘結性不良[44,53-56]。其中，Panda等[57]將較好的打印間隔定義為“窗口時間”，并以此來評估間隔時間對粘結強度的影響。結果表明，當打印時間間隔在窗口時間時，界面效果較好。除打印參數外，Nerella等[58]分析了火山灰礦物存在條件下打印時間間隔對界面的影響，發(fā)現火山灰礦物的存在可以弱化打印時間對界面粘結性造成的影響，當前，通過內摻材料改善3D打印材料層間界面粘結性是實現界面優(yōu)化的方式之一[58-59]。另外一種常見方法如圖4所示，即在界面處增加附加層以此優(yōu)化界面效果[60-61]。

圖4 一種附帶界面粘結層的打印形式[61]Fig.4 A form of printing with an intermediatebonding layer[61]

Ma等[62]以纖維素纖維、石灰石為填料制備了界面材料，并通過層間拉伸強度試驗、剪切粘結強度試驗(如圖5所示)以及微觀試驗證實，摻加的保水組分既可降低早期失水造成的收縮，也可以實現較好的內養(yǎng)護效果，增強界面性能。當前，雖然存在多種方式改善建筑3D打印材料的力學性能，但關于界面結合強度、力學性能、耐久性等各性能間相互關系的研究還很有限，同時缺乏規(guī)范的評價方式，尤其是對早期壓縮條件下的標準化程序或規(guī)范流程還沒有明確提出和建立，建立更加系統的試驗探究及科學規(guī)范體系將對建筑3D打印提供更有利的支撐。

圖5 一種測試界面力學性能的方法[62]Fig.5 Schematic illustration of test setup for interfacial mechanics[62]

建筑3D打印技術作為智能建造的重要表現形式，盡管在復雜的材料和結構設計方面面臨著巨大的挑戰(zhàn)，但建筑3D打印始終在發(fā)展中前行。其中，常用的建筑3D打印材料為水泥砂漿，在實際應用中易造成開裂。為改善現狀并契合大型建筑的3D打印施工，大粒徑骨料3D打印混凝土[63-64]及3D打印纖維增強混凝土[65-67]被研究應用。此外，在綠色生態(tài)發(fā)展的時代背景下，建筑3D打印中的材料體系被不斷豐富革新，各種類型的礦物摻合料[68-69]、地聚物材料[70-73]、沙漠砂[74]、尾礦[31,52,75]等均可用作良好的建筑3D打印材料。另一方面，超高韌性混凝土(engineered cementitious composite, ECC)、超高性能混凝土(ultra-high performance concrete， UHPC)、新型復合外加劑等[76-80]也被應用于建筑3D打印技術中，為提升建筑3D打印的綜合性能及未來建筑中的蓬勃發(fā)展發(fā)揮作用。

2.2 混凝土3D打印在建筑技術中的發(fā)展

隨著3D打印技術的不斷發(fā)展，3D打印在建筑領域中的應用不斷增多。在建筑3D打印發(fā)展的早期階段，以3D打印外形設計的高自由度為起點，形成了種類豐富的藝術景觀及建筑小品打印件，并在一定程度上實現了建筑與藝術緊密結合。隨著技術的提升與材料設計的成熟，3D打印構筑物由單純的造型藝術轉變?yōu)榧婢咚囆g與實用價值的新型建筑。圖6為混凝土3D打印實例，如圖6所示，在建筑3D打印逐漸發(fā)展和深化的過程中，研究人員在打印的中空墻體中附加配筋并澆筑混凝土，以適應大型建筑結構的打印。

圖6 混凝土3D打印實例Fig.6 Examples of concrete 3D printing

建筑3D打印雖起源于國外，但近年來其應用在國內取得了一系列的發(fā)展和成就。中國建筑股份有限公司技術中心、盈創(chuàng)(上海)建筑科技有限公司等一些企業(yè)單位在建筑3D打印設備、材料及發(fā)展應用方面進行了大量的探索。

充分利用3D打印技術在構型設計等方面的優(yōu)勢來實現建筑結構中一些復雜構造或傳統模板較難施工的構件是相關科研人員的重要研究方向之一,圖7為3D打印鋼筋混凝土梁、板。可見，建筑3D打印正逐漸融入到建筑的各關鍵構造中。同時，建筑3D打印技術是材料、編程、機械設備等的集成，為滿足不同條件下的施工作業(yè)，相關配套的軟、硬件在不斷豐富和發(fā)展[27]。

圖7 3D打印鋼筋混凝土梁、板[82]Fig.7 3D printing reinforced concrete beams and panel[82]

相對于傳統建造技術，3D打印技術擁有數字建造(產業(yè)升級)、降維建造(化繁為簡)、降序建造(工藝簡化)、快速建造(提高效率)、增材建造(減少浪費)、精密建造(提高質量)的顯著優(yōu)勢[6]，當獲得足夠的積淀，3D打印技術將在建筑領域取得更廣泛的成就。

3 3D打印模板在裝飾及異型構筑物的應用

高昂的模板成本及龐大的建筑廢棄物是傳統混凝土建造所面臨的兩大挑戰(zhàn)。曾有學者對建筑模板成本進行過專門的統計，結果顯示[12]，在悉尼CBD(中央商務區(qū))混凝土施工項目中，模板成本占據了總成本的80%。另外一項英國本土的調查也發(fā)現，在英國建筑和拆卸活動產生垃圾量占境內所有廢棄物的30%以上，同時大約32%的填埋垃圾和25%的使用過原材料來自建筑業(yè)[11]。

龐大的建筑廢物產出，不僅是資源的嚴重浪費，同時也造成潛在的環(huán)境污染，與當今綠色生態(tài)可持續(xù)的發(fā)展理念相悖。而混凝土3D打印增材制造的特性，在保證自身無模施工的同時，可作為傳統混凝土的免拆永久模板。此時，整體結構保有外形設計的高自由度，以電腦模型設計為藍本的增材制造模式將最大限度地降低了材料的浪費。也正是在鮮明的優(yōu)勢對比下，造就了3D打印模板在建筑裝飾及異型構筑物建造中的良好應用前景。

根據應用領域的不同，現階段免模板的3D打印技術在建筑領域主要分為以下四個方面。

3.1 3D裝飾造型模板

混凝土材料擁有極佳的可塑性，其硬化后的表面紋理、質感和色彩與模板密切相關，理論上可以創(chuàng)造任意造型。而3D打印模板技術為混凝土建筑藝術提供了良好的技術支持。3D裝飾造型模板根據材料屬性可劃分為有機材料類3D裝飾造型模板和無機材料類3D裝飾造型模板，如圖8所示，圖8(a)、(b)分別為有機模板脫模制造和直接3D打印的裝飾板。有機材料類3D裝飾造型模板通常有較好的抗拉強度、抗撕裂強度和粘結強度，且耐堿、耐油，易脫模。同時，有機材料類3D打印裝飾造型模板復刻造型清晰，使用壽命較高。無機材料類3D裝飾造型模板用作永久的模板在展現藝術效果的同時，兼具極佳的結構使用效果。

圖8 混凝土飾面板Fig.8 Concrete decorative board

應用3D裝飾模板成型混凝土，可實現混凝土結構裝飾一體化，包括仿石、仿木等任意造型，混凝土均可達到與原物體高度仿真的效果。圖9為混凝土3D打印裝飾造型模板。3D裝飾模板還能實現大型曲面、鏤空等特殊造型，滿足混凝土特殊的幾何空間造型需求，達到提高混凝土裝飾藝術水平和美化建筑的效果(如圖9所示)。

圖9 混凝土3D打印裝飾造型模板Fig.9 Concrete 3D printing decorative formwork

3.2 3D打印景觀小品及公共設施

圖10為混凝土3D打印景觀小品及公共設施。如圖10所示，城市中的公共設施建筑具有小型化和多樣化的特點，同時城市景觀及文化宣傳等一般具有特殊造型，通過定制模板可能很難完成或者成本很高，而混凝土3D打印技術既可以滿足快速制造，又能實現設計師特殊形狀及文化信息的內涵要求。在推動建設美麗城市、人文城市的今天，應用3D打印工藝既可彰顯科技建造新成就，又能降低傳統石材雕刻對環(huán)境的污染，促進社會生態(tài)建設發(fā)展。

圖10 混凝土3D打印景觀小品及公共設施Fig.10 Concrete 3D printing landscape pieces and public facilities

3.3 3D打印房屋建筑及建筑部件

實現房屋等大型建筑的3D打印，是混凝土3D打印技術重要的應用方向。其中，直接打印配筋的實體墻或應用混凝土3D打印形成預制模殼，并通過組合的方式形成裝配式3D打印建筑是3D打印在建筑中的幾種重要具體展現形式。圖11為應用混凝土3D打印按照建筑設計三維模型打印墻體的外輪廓，以打印的中空外殼為永久模板，中間填充混凝土或保溫材料。

圖11 混凝土3D打印模板的現場應用[81]Fig.11 Field application of concrete 3Dprinting formwork[81]

如圖12所示，隨著建筑3D打印技術的完善與人們觀念的轉變，大型建筑3D打印示范逐漸涌現。此外，將建筑3D打印技術應用到空間建造也在人們的設計規(guī)劃中[18]。

圖12(a)中展示了國內首座基于“輪廓工藝”打印完成的雙層建筑原位3D打印辦公樓，其極高的建造效率充分展現了建筑3D打印的技術優(yōu)勢。圖12(b)中展示的雙層別墅是通過優(yōu)化打印頭設計而成，改善了建筑3D打印豎向配筋難的問題。圖12(c)、(d)分別為盈創(chuàng)(上海)建筑科技公司制備的3D打印預制模殼和3D打印建造的中式庭院。

圖12 3D打印建筑Fig.12 3D printing buildings

3.4 3D打印橋梁及部件

混凝土3D打印在橋梁、市政軌道等工程項目中也展現了突出的潛在應用價值。

圖13所示為混凝土3D打印在橋梁中的應用實例，圖13(a)中的步行橋面為3D打印預制，并結合預應力技術完成最終拼裝。圖13(b)、(c)分別為清華大學設計并建造完成的拱橋和河北工業(yè)大學打印的縮比例趙州橋。拱橋的建造采用混凝土澆筑到預制3D打印模殼的方案。此外，圖14展示了混凝土3D打印在橋梁異型墩柱中的潛在應用形式。在滿足結構支撐的同時，打印的墩柱不僅免除了使用傳統模板帶來的成本，而且提供了良好的藝術效果。

圖13 3D打印橋梁Fig.13 3D printing bridges

圖14 傳統橋梁墩柱與3D打印橋梁墩柱對比Fig.14 Comparison between traditional bridge pier and 3D printing bridge pier

4 混凝土3D打印技術展望

混凝土3D打印增材制造及無模板的工藝特征，使其在提升建造效率的同時，較大程度地降低了建筑廢棄物的產生量，與當前建造發(fā)展方向良好的契合。同時，3D打印技術的推廣應用，可使建筑設計擺脫傳統模板工藝的約束，大幅提升建筑設計自由度，并為復雜混凝土結構的實際建造提供有效的解決方案。在工程技術的發(fā)展與變革需求下，建筑3D打印將向著更長遠的未來邁進。同時，建筑3D打印技術是多學科的跨界融合，涉及建筑模型、結構設計、材料優(yōu)化、系統集成等，其復雜性不言而喻。同時，在明確發(fā)展方向的基礎上，打印材料的穩(wěn)定性、工藝設備的創(chuàng)新性以及標準體系建設的規(guī)范化，仍是未來需關注的重要方向。