孫曉燕，葉柏興，王海龍，陳龍

（浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058）

0 引言

2013年4 月，我國(guó)首次在《國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃》和《國(guó)家科技支撐計(jì)劃制造領(lǐng)域2014年度備選項(xiàng)目征集指南》中提出以3D打印技術(shù)推動(dòng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型；2015年2月，《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015-2016年）》將3D打印正式升格為國(guó)家戰(zhàn)略，全方位推進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)；2016年8月，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部下發(fā)了《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》對(duì)3D打印技術(shù)積極開展設(shè)備、材料研發(fā)，結(jié)合BIM技術(shù)應(yīng)用，探索建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)，實(shí)施應(yīng)用技術(shù)?；趥鹘y(tǒng)建材發(fā)展3D打印混凝土結(jié)構(gòu)，是土建行業(yè)建造智能化發(fā)展的迫切需求，可以有效解決傳統(tǒng)建筑施工手工作業(yè)多、模板用量大、復(fù)雜造型難以實(shí)現(xiàn)等問題，在建筑個(gè)性化設(shè)計(jì)、信息化建模、智能化建造方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

近年來，國(guó)內(nèi)外研究者在3D打印混凝土工作性能研究方面取得了一些成果[1-4]，3D打印混凝土的可打印性、可建造性和力學(xué)強(qiáng)度均已滿足智能建造需求。為緩解建筑用砂不足和綠色可持續(xù)發(fā)展，馬國(guó)偉等[5-6]評(píng)估了基于3D打印工藝的以替代物分別為銅尾礦和陶砂的膠凝材料的工作性能，結(jié)果表明，銅尾礦打印混凝土的流動(dòng)性隨著銅尾礦替代率的增加而增大，可建造性則相反；中陶砂更適于作為3D打印陶砂混凝土材料。李騰[7]研發(fā)了用再生細(xì)骨料配制3D打印材料的配合比，研究發(fā)現(xiàn)，再生骨料替代率與抗折強(qiáng)度整體負(fù)相關(guān)。Ding等[8]研究了3D打印再生細(xì)骨料混凝土的早期強(qiáng)度，試驗(yàn)得出，再生細(xì)骨料對(duì)打印混凝土的早期強(qiáng)度發(fā)展起到加速作用，可提供更好的可建造性。Rahul和Santhanam[9]探索了含有輕質(zhì)膨脹黏土骨料制備混凝土的可打印性，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輕質(zhì)膨脹黏土骨料替代率超過30%時(shí)易導(dǎo)致打印噴嘴的堵塞。盡管如此，在現(xiàn)有的條件下，對(duì)滿足3D打印工藝的新型骨料的探索仍具有重要意義。

沙漠砂是地表巖層風(fēng)化過程的產(chǎn)物，由沙漠砂部分或者全部替代建筑用砂制備而成的混凝土叫作沙漠砂混凝土。目前，中國(guó)[10]、阿曼[11]、毛里塔尼亞[12]、利比亞[13]等多地已經(jīng)在建筑方面開始了使用沙漠砂混凝土的嘗試。為了合理利用資源和緩解沙漠化問題，本文探討與論證以沙漠砂為細(xì)骨料應(yīng)用于3D打印混凝土的可行性，為3D打印新材料的研發(fā)提供借鑒。

1 適用性研究

1.1 建筑用砂的現(xiàn)狀

隨著全國(guó)各地基建項(xiàng)目的快速發(fā)展，各種建構(gòu)筑物的建設(shè)對(duì)混凝土的需求量不斷增加，導(dǎo)致河砂的需求量也與日俱增。河砂屬于嚴(yán)重短缺的不可再生資源，大規(guī)模開采河砂可能會(huì)對(duì)動(dòng)植物群造成嚴(yán)重的負(fù)面影響，隨著我國(guó)加強(qiáng)河湖采砂綜治整理，科學(xué)合理的采砂和嚴(yán)厲打擊非法采砂的推進(jìn)，導(dǎo)致現(xiàn)階段河砂的開采量大幅減少，供不應(yīng)求，這種強(qiáng)烈的供不應(yīng)求的情況促使河砂價(jià)格飛漲，進(jìn)口河砂地區(qū)快速蔓延，工程建設(shè)成本不斷增加。

1.2 沙漠砂的現(xiàn)狀

全球沙漠面積約為6100萬km2，占地近41%的地球陸地和影響世界人口大約38%[14]，第五次《中國(guó)荒漠和沙化狀況公報(bào)》監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，我國(guó)沙化土地面積達(dá)172.12萬km2[15]，新疆、青海等地的沙漠砂資源豐富，但是利用率極低。沙漠砂本身是由松散母巖風(fēng)化而成，自身強(qiáng)度略低于機(jī)制中砂[16]。與河砂相比，沙漠砂具有細(xì)度模數(shù)較小，吸水率高，強(qiáng)度、硬度不足等特點(diǎn)。過量摻入沙漠砂的混凝土?xí)黾铀嘤昧浚档涂箟簭?qiáng)度，既不經(jīng)濟(jì)，也不安全。如表1所示，沙漠砂的細(xì)度模數(shù)相對(duì)較小，因此，按一定質(zhì)量比將沙漠砂和普通天然中、粗砂混合使用，可填充混凝土骨料之間的微小空隙，對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度有一定的提高[17]。

表1 各地沙漠砂的性能參數(shù)

1.3 材料的匹配度

3D打印混凝土為了適應(yīng)泵送擠出、輪廓成型工藝等工作性能，而取消了粗骨料。目前，3D打印水泥基復(fù)合材料所用的骨料最大粒徑一般小于2 mm[22-24]，相對(duì)而言，沙漠砂的粒徑極小，使用沙漠砂替代部分骨料可填充打印材料內(nèi)部的微小空隙，使打印材料更加均勻和密實(shí)，提高打印材料的工作性能和力學(xué)性能。此外，隨著建筑用砂供需關(guān)系矛盾的加大，尋求一種新骨料代替建筑用砂的重要性日益凸顯。我國(guó)沙漠砂資源豐富，沙漠砂的工程性質(zhì)與混凝土中的細(xì)集料具有相似的特點(diǎn)[25]，是沙漠砂應(yīng)用于3D打印材料的重要前提。

2 安全性研究

2.1 沙漠砂混凝土的研究現(xiàn)狀

2.1.1 力學(xué)性能

為探究沙漠砂混凝土替代普通混凝土的可行性，生兆亮等[26]對(duì)比了以沙漠砂和石英砂分別為骨料的混凝土力學(xué)性能，結(jié)果表明：相對(duì)于石英砂混凝土，沙漠砂混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度和立方體抗壓強(qiáng)度分別降低了17.42%和3.86%，但劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別提高了1.49%和11.53%。李志強(qiáng)等[27-30]研究了不同沙漠砂替代率的混凝土的力學(xué)性能，結(jié)果表明：當(dāng)沙漠砂替代率在40%以內(nèi)時(shí)，混凝土立方體的抗壓強(qiáng)度、和易性均隨著沙漠砂替代率的增加而逐漸增加；隨著沙漠砂替代率的增加，混凝土的彈性模量、能量耗散能力和延性呈先增大后減小的趨勢(shì)。陳美美等[31]和李帥雄等[32]通過研究不同材料及其摻量，綜合考慮抗壓強(qiáng)度和工作性，發(fā)現(xiàn)沙漠砂替代率為25%～30%時(shí)沙漠砂混凝土的工作性能較好。Luo等[11，20]改變水灰比和沙漠砂替代率對(duì)沙漠砂混凝土進(jìn)行了研究，證明了適當(dāng)控制水灰比可使砂漠砂替代混凝土中的細(xì)骨料而不造成不利影響。上述研究中各種沙漠砂制備的混凝土抗壓強(qiáng)度如表2所示，沙漠砂混凝土的抗壓強(qiáng)度隨沙漠砂替代率等因素的變化而變化，其強(qiáng)度可以滿足不同工程的要求。

表2 沙漠砂混凝土的抗壓強(qiáng)度

為探究最佳的沙漠砂替代率，李志強(qiáng)等[27]、劉海峰等[30]、Benabed等[21]和Al-Harthy等[11]分別采用古爾班通古特沙漠砂、毛烏素沙漠砂、阿爾及利亞南部沙漠砂、阿曼東部沙漠砂，研究了不同沙漠砂替代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖1所示，對(duì)比文獻(xiàn)中的相對(duì)抗壓強(qiáng)度（即不同沙漠砂替代率的混凝土與普通混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度之比）可知，隨著沙漠砂種類和替代率的不同，沙漠砂混凝土的抗壓強(qiáng)度最多降低了19%，但控制沙漠砂的摻量可以使沙漠砂混凝土的抗壓強(qiáng)度損失減小到5%以內(nèi)，甚至使其抗壓強(qiáng)度有所提高。

圖1 不同沙漠砂替代率混凝土的相對(duì)抗壓強(qiáng)度

2.1.2 耐久性能

耐久性能是研究混凝土材料在工程應(yīng)用中的重要保障，隨著沙漠砂混凝土的發(fā)展，許多學(xué)者對(duì)其耐久性能進(jìn)行了研究。王娜和李斌[12]調(diào)整混合料級(jí)配、水灰比和減水劑用量，制備了和易性好、抗裂性能強(qiáng)、抗硫酸鹽侵蝕性能優(yōu)異的C50高強(qiáng)沙漠砂混凝土。馬荷姣等[33]通過改變不同材料及其摻量的抗碳化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)沙漠砂替代率對(duì)混凝土的抗?jié)B性能影響較小。楊浩等[34]的研究發(fā)現(xiàn)，沙漠砂粒徑較小有利于混凝土內(nèi)部的密實(shí)性，但由于其并不參與混凝土內(nèi)部的反應(yīng)，因此其影響較小。杜勇剛等[35]研究了不同粉煤灰摻量和沙漠砂替代率對(duì)沙漠砂混凝土抗凍性能的影響，結(jié)果表明，保持粉煤灰摻量不變，隨著沙漠砂替代率的增加，不同凍融循環(huán)次數(shù)后沙漠砂混凝土的質(zhì)量損失率遞增，相對(duì)動(dòng)彈性模量先增加后減小，相比于普通混凝土，沙漠砂混凝土的抗凍性能較差。馬映昌等[18]探討了低溫作用對(duì)不同沙漠砂替代率混凝土強(qiáng)度的影響，研究發(fā)現(xiàn)，低溫下與低溫后2種工況下，沙漠砂混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著沙漠砂替代率的增加呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢(shì)，級(jí)配良好的沙漠砂混凝土在低溫下的工作性能優(yōu)于普通混凝土。崔壯等[17]對(duì)現(xiàn)有研究進(jìn)行進(jìn)行總結(jié)發(fā)現(xiàn)，完全采用沙漠砂配制的混凝土耐久性較差，可采用摻入適量的礦物摻合料、不同長(zhǎng)度和不同種類的纖維和部分替代天然砂的方法來提高沙漠砂混凝土的耐久性能。

2.1.3 其它性能

除了混凝土力學(xué)性能與耐久性能之外，建筑結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土的其它性能也有一定的要求。針對(duì)沙漠砂混凝土的其它性能，王國(guó)慶等[29]對(duì)比了普通混凝土和普通砂取代率為50%的沙漠砂混凝土抗震性能，結(jié)果表明，沙漠砂混凝土的消耗地震能力較強(qiáng)，抗震性能和試件延性較好。李志強(qiáng)等[36]研究了沙漠砂替代率變化對(duì)耗能能力和剛度衰減等性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，隨著沙漠砂替代率的增加，沙漠砂混凝土的彈性模量、能量耗散能力和延性都呈先增加后降低的趨勢(shì)。李志強(qiáng)等[37]和董存等[38]研究了沙漠砂混凝土梁的抗彎承載力，結(jié)果表明，沙漠砂混凝土梁的破壞形式和破壞機(jī)理與普通混凝土基本相同，均符合平截面假定。

2.2 性能的匹配度

現(xiàn)有研究驗(yàn)證了沙漠砂作為替代材料進(jìn)行工程建造的可行性，并對(duì)耐久性和結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了一些技術(shù)探索。在強(qiáng)度方面，沙漠砂混凝土的抗壓強(qiáng)度為32.9～81.7 MPa，適宜的沙漠砂替代率能使混凝土的強(qiáng)度損失率在5%以內(nèi)，甚至有所提高，可滿足一般工程的要求。在耐久性方面，沙漠砂混凝土在低溫作用下的工作性能較好，抗凍性能較差，抗?jié)B和抗碳化性能與普通砂混凝土相近，但可以通過改變沙漠砂摻量、加入纖維等方式來提高沙漠砂混凝土的耐久性能。在結(jié)構(gòu)受力方面，沙漠砂混凝土的抗震性能較好，抗彎性能與普通砂混凝土相近。沙漠砂混凝土的力學(xué)性能、耐久性能和結(jié)構(gòu)性能均可滿足大部分工程的要求，為沙漠砂應(yīng)用于3D打印材料提供了重要保證。

3 經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性研究

3.1 經(jīng)濟(jì)性

目前，河砂的供應(yīng)量不足，機(jī)制砂需大型機(jī)器加工、綠色發(fā)展水平低，海砂的淡化成本高。沙漠砂資源豐富，開采方便，無需大型機(jī)器和淡化成本，對(duì)降低工程造價(jià)具有重要意義。黃強(qiáng)等[39]總結(jié)了沙漠砂的特征及效益，發(fā)現(xiàn)不計(jì)治沙效益，單選沙漠砂在經(jīng)濟(jì)上也基本可行。朱騰明等[10]證明了沙漠砂混凝土在工程應(yīng)用上良好的經(jīng)濟(jì)效益。王娜和李斌[12]研究發(fā)現(xiàn)，使用沙漠砂混凝土既能縮短工期，又能將每平方米混凝土的成本降低8.7%。Al-Harthy等[11]的研究表明，當(dāng)其它骨料變得不經(jīng)濟(jì)時(shí)可采用沙漠砂代替。

3.2 環(huán)保性

采用沙漠砂替代河砂，能大大減小河砂的需求量，防止過度開采河砂而導(dǎo)致生態(tài)平衡的破壞。沙漠砂開采可以起到防沙治沙的作用，減緩沙漠化造成的污染[18]，對(duì)保護(hù)自然環(huán)境和合理開發(fā)利用自然資源具有深遠(yuǎn)的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

綠色化、低碳化和高效化是未來發(fā)展的趨勢(shì)，混凝土3D打印已逐漸成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)，但目前建筑用砂已供不應(yīng)求，河砂等建筑用砂的過度開采易導(dǎo)致生態(tài)破壞等連鎖反應(yīng)，資源豐富但利用率極低的沙漠砂或可成為打印混凝土骨料的新選擇。在工程性質(zhì)方面，沙漠砂與3D打印混凝土細(xì)集料的細(xì)度和強(qiáng)度相近；在強(qiáng)度與耐久性方面，與普通混凝土相比，隨著沙漠砂替代率的變化，沙漠砂混凝土的強(qiáng)度損失可減小到5%以內(nèi)，其抗碳化性能、抗?jié)B性能和低溫工作性能等耐久性方面無顯著降低；從經(jīng)濟(jì)環(huán)保方面，結(jié)合使用沙漠砂作為3D打印材料的骨料，可改善建筑用砂不足的困境、縮短工期、降低造價(jià)和緩解沙漠化造成的污染。沙漠砂與3D打印技術(shù)的結(jié)合滿足綠色低碳建筑化和建筑工業(yè)化的發(fā)展要求，但目前對(duì)此的研究仍是寥寥無幾，亟待研發(fā)適用于3D打印工藝的沙漠砂混凝土材料。