張 翼，朱艷梅，任 強(qiáng)，蔣正武

(同濟(jì)大學(xué)先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201804)

0 引 言

建筑業(yè)常被認(rèn)為是一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)。當(dāng)在惡劣環(huán)境下施工時(shí)，難度及風(fēng)險(xiǎn)增加，不僅生產(chǎn)效率及施工質(zhì)量降低，還會(huì)威脅施工人員的人身安全。此外，建筑施工一般具有周期長(zhǎng)、高能耗、高污染及高勞動(dòng)成本等特點(diǎn)。為改善上述問題，建筑施工自動(dòng)化技術(shù)成為建筑施工發(fā)展的必然趨勢(shì)之一。近年來快速發(fā)展的3D打印技術(shù)(或稱為增材制造技術(shù)、快速制造技術(shù))，不僅使產(chǎn)品設(shè)計(jì)、醫(yī)療、制造業(yè)等領(lǐng)域不斷取得重大突破，同時(shí)也為建筑行業(yè)帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。3D打印建筑技術(shù)是基于3D打印技術(shù)的一類新型自動(dòng)化建筑技術(shù)，具有數(shù)字化、自動(dòng)化、快速高效、無模、節(jié)省材料、個(gè)性化等特點(diǎn)，其應(yīng)用前景廣闊，尤其是在個(gè)性化建筑、災(zāi)后重建、惡劣甚至極端環(huán)境下施工方面有較大優(yōu)勢(shì)[1-3]。

目前3D打印建筑技術(shù)研究已經(jīng)步入快速發(fā)展階段，國(guó)內(nèi)外越來越多的科研工作者開始對(duì)3D打印建筑技術(shù)進(jìn)行研究，其核心內(nèi)容是工藝及材料。目前3D打印建筑材料主要可以分為四類：水泥基材料、石膏類材料、樹脂類以及金屬類材料。水泥基材料作為目前世界上用量最大的建筑材料，因其原材料易得、經(jīng)濟(jì)且具有可控可調(diào)的流變性、良好的包容性及耐久性等特點(diǎn)，依然是目前研究及應(yīng)用最多的3D打印建筑材料。近年來，國(guó)內(nèi)外建筑領(lǐng)域的相關(guān)研究人員基于不同成型原理已陸續(xù)開發(fā)出了多種基于水泥基材料的3D打印建筑技術(shù)。本文首先介紹了基于水泥基材料的3D打印建筑技術(shù)的起源及發(fā)展，并對(duì)比分析了不同3D打印建筑技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與不足。其次從原材料及配比、可打印性能、力學(xué)性能及耐久性能研究等方面對(duì)3D打印水泥基材料的研究進(jìn)展進(jìn)行了討論。最后探討了3D打印建筑技術(shù)目前存在的問題及未來的發(fā)展趨勢(shì)，以期為3D打印建筑技術(shù)研究及工程應(yīng)用提供參考。

1 3D打印建筑技術(shù)

1.1 3D打印建筑技術(shù)的起源與發(fā)展

1997年，美國(guó)紐約倫斯勒理工學(xué)院Pegna[4]首次對(duì)3D打印建筑技術(shù)進(jìn)行了探索，通過選擇性地交替沉積砂與波特蘭水泥薄層，采用蒸汽養(yǎng)護(hù)以獲得砌體構(gòu)件。該工藝充分利用了材料的性能特點(diǎn)，并且材料可以循環(huán)使用。雖然這項(xiàng)工作證明了3D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的可行性及前景并引起強(qiáng)烈反響，但受限于當(dāng)時(shí)的水泥混凝土技術(shù)及自動(dòng)化控制技術(shù)水平等，相關(guān)應(yīng)用研究近期才見報(bào)道[5-6]。

1998年，美國(guó)南加州大學(xué)Khoshnevis等[7-8]開發(fā)了輪廓工藝(contour crafting?， CC)，該工藝通過兩步實(shí)現(xiàn)打印對(duì)象的構(gòu)建:首先采用擠壓工藝將材料擠成打印對(duì)象的輪廓;然后采用澆注或注射的方式填充輪廓內(nèi)部。該工藝模擬了傳統(tǒng)澆筑步驟，即支模、澆筑、抹面，其特點(diǎn)在于采用計(jì)算機(jī)精確控制，自動(dòng)化完成建筑過程，且通過控制連接到噴嘴的抹刀實(shí)現(xiàn)光滑的輪廓表面和復(fù)雜的特征，同時(shí)保證打印的精度。該工藝最早應(yīng)用于陶瓷制品的打印，2003年有其應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的報(bào)道。

2007年，Dini在倫敦伯爵府舉行的Civils展覽上展示了其開發(fā)的D-shape?技術(shù)[9]。2012年，該技術(shù)獲得授權(quán)[10-11]。D-shape?技術(shù)采用的打印設(shè)備的底部有數(shù)百個(gè)噴嘴，可噴射出鎂質(zhì)黏合物，通過噴涂黏合物將含氧化鎂粉末的細(xì)砂層層粘合，最終形成石質(zhì)建筑物。

2009年，英國(guó)拉夫堡大學(xué)Lim和Buswell等[9,12]開發(fā)了混凝土打印技術(shù)(concrete printing， Conprint 3D?)?；炷链蛴〖夹g(shù)無需模具，通過將打印材料層層堆積成目標(biāo)構(gòu)件、建筑。該技術(shù)對(duì)打印水泥基材料進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了較小的沉積分辨率，這允許更好地控制內(nèi)部和外部幾何形狀。與輪廓工藝相比混凝土打印技術(shù)所用設(shè)備更簡(jiǎn)單，計(jì)算機(jī)控制程序的編寫也相對(duì)簡(jiǎn)單。

2012年，蘇黎世聯(lián)邦理工[13-14]啟動(dòng)了網(wǎng)狀模具(mesh mould)項(xiàng)目，探索在沒有傳統(tǒng)模具的情況下以數(shù)字方式制造具有高幾何復(fù)雜性的混凝土結(jié)構(gòu)的可能性。該技術(shù)通過3D打印構(gòu)建聚合物或鋼筋網(wǎng)絡(luò)狀模具，然后根據(jù)網(wǎng)孔的大小選用適當(dāng)粒徑的骨料進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，從而通過堵塞網(wǎng)孔實(shí)現(xiàn)混凝土的保留。此外，為了改善打印建筑物的外觀和耐久性，其外表面還需再噴涂一層混凝土。

2015年，蘇黎世聯(lián)邦理工Lloret等[15]基于快速滑模工藝開發(fā)了智能動(dòng)態(tài)澆筑技術(shù)(smart dynamic casting， SDC?)。智能動(dòng)態(tài)澆筑技術(shù)通過實(shí)時(shí)監(jiān)控材料的剛度發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)精確控制外部模具的爬升，從而自動(dòng)化完成滑模成型。連續(xù)滑模成型為解決層界面薄弱及表面質(zhì)量問題提供了良好的思路。此外，相比其他3D打印建筑技術(shù)，其顯著優(yōu)勢(shì)還在于能夠圍繞鋼筋進(jìn)行滑模成型，從而實(shí)現(xiàn)了打印結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)。

2016年，布勞恩施威格大學(xué)、克勞斯塔爾大學(xué)和漢諾威大學(xué)成立了數(shù)字建筑制造試驗(yàn)室(digital building fabrication laboratory， DBFL)，并啟動(dòng)了“噴射混凝土增材制造學(xué)科研究項(xiàng)目”的國(guó)際合作[16-17]。該項(xiàng)目旨在研發(fā)一種基于噴射混凝土技術(shù)原理，有潛力生產(chǎn)具有高表面精度的大規(guī)模鋼筋混凝土構(gòu)件的噴射混凝土3D打印技術(shù)(shotcrete 3D-printing， SC3DP)。SC3DP技術(shù)在3D打印水泥基材料配筋、懸挑結(jié)構(gòu)打印及減少冷接縫方面更具優(yōu)勢(shì)和潛力。

圖1展示了基于水泥基材料的3D打印建筑技術(shù)的發(fā)展歷史。從3D打印建筑概念的提出至今不過20多年，3D打印建筑技術(shù)的研究及應(yīng)用呈指數(shù)形式發(fā)展，當(dāng)前3D打印建筑技術(shù)已經(jīng)步入高速發(fā)展時(shí)期。3D打印建筑技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：(1)3D打印建筑行業(yè)規(guī)模不斷壯大；(2)新材料、新技術(shù)不斷出現(xiàn)；(3)新型工程應(yīng)用不斷出現(xiàn)。目前出現(xiàn)的基于水泥基材料的3D打印建筑技術(shù)有直接將3D打印原理應(yīng)用于建筑成型的技術(shù)，也有結(jié)合3D打印原理實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)施工工藝自動(dòng)化的技術(shù)?？偠灾?，3D打印建筑技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于施工周期短、可拓?fù)鋬?yōu)化、高度機(jī)械化、無?；M足個(gè)性定制、結(jié)構(gòu)復(fù)雜建筑建造及外形獨(dú)特建筑建造。雖然3D打印建筑技術(shù)起源于美國(guó)，但是目前相關(guān)的研究及應(yīng)用報(bào)道在歐洲及亞洲較多，尤其是歐洲常有關(guān)于新型的3D打印建筑技術(shù)見諸報(bào)道。

圖1 3D打印建筑技術(shù)的發(fā)展歷史，改自文獻(xiàn)[18]Fig.1 Development history of 3D printing constructiontechnology, modified from Ref. [18]

1.2 3D打印建筑技術(shù)的分類及對(duì)比

目前基于水泥基材料的3D打印建筑技術(shù)種類繁多，按照成型工藝大致可以分為5類：(1)擠出成型，如輪廓工藝與混凝土打印技術(shù)；(2)選擇沉積，如Pegna開發(fā)的工藝及D-shape?技術(shù);(3)模具打印(模具打印的材料并不局限于水泥基材料，還包括塑料、金屬)如輪廓工藝和網(wǎng)狀模具技術(shù)；(4)滑模成型，如智能動(dòng)態(tài)澆筑技術(shù)；(5)噴射成型，如噴射3D打印技術(shù)。不同種類的3D打印建筑技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及不足如表1所示。

表1 3D打印建筑技術(shù)分類及特點(diǎn)Table 1 Classification and characteristics of 3D printing construction technology

不同的3D打印建筑技術(shù)具有各自的優(yōu)勢(shì)及不足。在應(yīng)用場(chǎng)景方面，雖然選擇沉積及模具打印這兩種成型工藝在復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)打印方面的優(yōu)勢(shì)十分明顯，但由于選擇沉積及模具打印工藝的打印程序復(fù)雜，因此更適合工廠打印。噴射成型工藝成型的結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量及精度較差，但施工快速，更加適合現(xiàn)場(chǎng)搶修、隧道支護(hù)等工程施工。此外，噴射成型工藝可直接現(xiàn)場(chǎng)打印懸挑結(jié)構(gòu)。擠出成型及滑模成型工藝在現(xiàn)場(chǎng)施工及工廠施工均可。在配筋增強(qiáng)方面，滑模成型及噴射成型能圍繞鋼筋進(jìn)行施工，但是滑模成型目前只能在垂直方向進(jìn)行實(shí)體柱打印。模具打印工藝采用打印的模具骨架作為新型的增強(qiáng)方式。選擇沉積工藝常將短切玻璃纖維與砂混合實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)。擠出成型工藝的增強(qiáng)方式目前有纖維增強(qiáng)、被動(dòng)布筋、外部配筋、連續(xù)鋼纜增強(qiáng)等[19-22]。

由于打印設(shè)備及控制技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，目前基于擠出成型工藝的3D打印建筑技術(shù)的研究與應(yīng)用受到更多關(guān)注。此類技術(shù)以水泥基材料作為主要的建筑材料，基于流變學(xué)原理及水泥水化原理實(shí)現(xiàn)水泥基材料3D打印[23-25]。其目前面臨諸多挑戰(zhàn)[12,18,26]，包括：加工過程中水泥基材料的流變性控制、水泥基材料的收縮、水泥基材料增強(qiáng)增韌、打印材料的層間粘結(jié)、打印材料的耐久性及打印材料各性能評(píng)價(jià)方法等。

2 3D打印水泥基材料

2.1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

3D打印水泥基材料與傳統(tǒng)混凝土相比，其組分發(fā)生了較大的變化。由于集料尤其是粗集料不利于材料的觸變性[27]，且受限于打印噴嘴尺寸及打印分辨率，3D打印水泥基材料常為砂漿，或者為凈漿。由于水泥凈漿的收縮比較大，往往需要在水泥凈漿中加入纖維以增加其體積穩(wěn)定性[28-29]。此外，3D打印水泥基材料配比中膠凝材料用量增加，且除水泥以外都是一些如高嶺土、硅灰和粉煤灰等對(duì)流變性影響較大的摻合料。同時(shí)3D打印水泥基材料的外加劑組分也更加復(fù)雜，通常包括粘度改性劑、納米材料、促凝劑、緩凝劑等[30-34]。

3D打印水泥基材料根據(jù)所采用的水泥類別可大致分為5類：硅酸鹽水泥體系、硫鋁酸鹽水泥體系、磷酸鹽水泥體系、土聚水泥(地聚合物)體系及氯氧鎂水泥體系。不同體系具有不同的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)3D打印也有不同的改性方法，如表2所示。

表2 3D打印水泥基材料分類及特點(diǎn)Table 2 Classifications and characteristics of 3D printing cement-based materials

由于硅酸鹽水泥凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，因此常常加入促凝劑縮短其凝結(jié)時(shí)間，另外為了增強(qiáng)其保水性和觸變性常常還加入粘度改性劑。硫鋁酸鹽水泥具有快凝、早強(qiáng)的特點(diǎn)，因此往往需要添加適量緩凝劑，并且也采用粘度改性劑以調(diào)節(jié)其保水性和觸變性。磷酸鹽水泥凝結(jié)時(shí)間較短，通常采用緩凝劑改性。由于適合土聚水泥的化學(xué)外加劑較少，通常采用氧化石墨烯或者高嶺土等無機(jī)粘度改性劑進(jìn)行改性。氯氧鎂水泥屬于氣硬性水泥基材料，優(yōu)勢(shì)和不足都比較明顯，主要應(yīng)用于D-shape?工藝。因?yàn)椴煌囿w系各有特點(diǎn)，因此目前部分學(xué)者結(jié)合不同水泥體系的特點(diǎn)，開展了3D打印復(fù)合水泥體系[30,44]的研究。

在考慮3D打印水泥基材料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，依然需要將低碳環(huán)保，良好工作性能、力學(xué)性能及耐久性能作為設(shè)計(jì)原則與目標(biāo)。由于3D打印水泥基材料的特性(不同的工作性能要求、各向異性、環(huán)境敏感性等)及不同于傳統(tǒng)水泥基材料的施工工藝，傳統(tǒng)水泥基材料的配合比設(shè)計(jì)與制備理論不再適用于3D打印水泥基材料。Liu等[45]采用正交設(shè)計(jì)法基于3D打印水泥基材料流變特性的多目標(biāo)(靜態(tài)屈服應(yīng)力和動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力)設(shè)計(jì)了含水泥、砂、粉煤灰、水和硅灰5組分的材料配合比，并從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度探討了膠凝材料的單獨(dú)作用和相互作用對(duì)水泥基材料流變性能的影響。此外他們還采用優(yōu)化后的配合比進(jìn)行了大尺度打印，驗(yàn)證了該配合比設(shè)計(jì)方法的可行性，并建議在優(yōu)化膠凝材料組成時(shí)，可考慮其他關(guān)鍵的特性，如凝結(jié)時(shí)間、開放時(shí)間、塑性粘度、觸變性和施工速率等。Zhang等[46]基于水泥漿流動(dòng)度與骨料含量之間關(guān)系對(duì)3D打印水泥基材料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，他們發(fā)現(xiàn)砂漿的屈服應(yīng)力由水泥漿的總含量和流動(dòng)度決定而與水泥漿組成無關(guān)。當(dāng)保持砂漿屈服應(yīng)力相同時(shí)，水泥漿流動(dòng)度與骨料含量之間呈線性關(guān)系。在骨料含量相同條件下，骨料更細(xì)時(shí)，富余漿體量減少，砂漿具有較高的屈服應(yīng)力。此外他們還發(fā)現(xiàn)砂漿靜態(tài)屈服應(yīng)力值在約2 460 Pa時(shí)，可獲得良好的可擠出性和可建造性。由中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)于2020年12月31日發(fā)布的《混凝土3D打印技術(shù)規(guī)程》(T/CECS 786—2020)基于3D打印混凝土材料特性與前期試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)出了3D打印混凝土配合比的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，對(duì)于3D打印混凝土配合比設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義?？傮w而言，目前的配合比設(shè)計(jì)方法都是經(jīng)驗(yàn)性方法，尚需根據(jù)3D打印水泥基材料的應(yīng)用研究不斷完善，進(jìn)一步提出理論性的配合比設(shè)計(jì)方法。

2.2 可打印性能研究

3D打印水泥基材料的施工工藝不同于傳統(tǒng)水泥基材料，因此前者對(duì)施工性能要求不同于后者，現(xiàn)有的工作性測(cè)試方法并不適用于3D打印水泥基材料工作性能測(cè)試。目前國(guó)際上也尚未建立起完善、統(tǒng)一的新拌3D打印水泥基材料的工作性能(可打印性能)測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)中常根據(jù)打印過程,從泵送性、擠出性、建造性、打印時(shí)間等方面對(duì)3D打印水泥基材料的可打印性進(jìn)行評(píng)價(jià)，如表3所示?？紤]便于推廣應(yīng)用，可打印性能評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)便化是重要趨勢(shì)。早期關(guān)于可打印性能的評(píng)價(jià)是直接采用打印機(jī)打印實(shí)體，進(jìn)而進(jìn)行定性及定量評(píng)價(jià)，而最近較多的評(píng)價(jià)方法則采用模擬打印或其他簡(jiǎn)易測(cè)試裝置及方法對(duì)可打印性能進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

表3 可打印性能評(píng)價(jià)方法Table 3 Evaluation methods of printability

泵送性是指將材料從儲(chǔ)存材料點(diǎn)泵送至噴嘴處的難易程度。擠出性指的是3D打印水泥基材料在擠出過程中的難易程度及擠出后的連續(xù)性及表面質(zhì)量。建造性是指3D打印水泥基材料擠出以后在自重下及在后續(xù)打印層的擠壓及重力下的變形程度及整體穩(wěn)定性能。打印時(shí)間是指材料能夠同時(shí)滿足基本的泵送性、擠出性及建造性要求的時(shí)間段。通過將可打印時(shí)間與其他性能測(cè)試指標(biāo)如剪切強(qiáng)度、流動(dòng)度、貫入阻力等建立聯(lián)系可以得到水泥基材料的可打印性指標(biāo)范圍。由于以上性能本質(zhì)都是3D打印水泥基材料的流變性能，因此很多學(xué)者直接采用流變儀、粘度計(jì)等流變性參數(shù)測(cè)試儀器對(duì)3D打印水泥基材料的流變參數(shù)(粘度、屈服應(yīng)力)、觸變性能等進(jìn)行測(cè)試表征[28,32,47,58-59]。通過采取適當(dāng)?shù)牧髯兂绦蚩梢阅M測(cè)試3D打印水泥基材料從攪拌、泵送、擠出到堆積整個(gè)過程的流變性能發(fā)展演化,也可以單獨(dú)模擬測(cè)試其中某一個(gè)過程的流變性能變化。但是不同學(xué)者采用的儀器及測(cè)試程序的不同也造成試驗(yàn)結(jié)果的差異。采用流變參數(shù)評(píng)價(jià)3D打印水泥基材料新拌性能雖具有一定指導(dǎo)意義，但是相關(guān)儀器價(jià)格高昂且操作比較繁瑣復(fù)雜，不利于推廣。對(duì)于工藝依賴性較為顯著的3D打印水泥基材料，如何建立具有普適意義的3D打印水泥基材料的流變性能評(píng)價(jià)方法尤為重要。

2.3 力學(xué)性能研究

3D打印水泥基材料由于其特殊工藝(無模具、分層制造)，其本身對(duì)于環(huán)境的敏感性更強(qiáng)，且打印實(shí)體中引入層間界面，導(dǎo)致材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不再相對(duì)均勻、連續(xù)。層間界面通常是整體結(jié)構(gòu)的薄弱處，受力時(shí)容易最先發(fā)生破壞[60]。此外，由于層間界面的存在，3D打印水泥基材料往往表現(xiàn)出各向異性。雖然材料的各向異性可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中加以利用，但是在使用與性能評(píng)價(jià)時(shí)也應(yīng)該加以考慮。表4所列為文獻(xiàn)中評(píng)價(jià)層間結(jié)合性能的方法。不同測(cè)試方法測(cè)得的粘結(jié)強(qiáng)度相差較大，且不同方法的測(cè)試結(jié)果離散性不同。Keita等[60]對(duì)比分析了三點(diǎn)彎曲測(cè)試、壓縮測(cè)試、墊鐵片的壓縮測(cè)試及角鋼墊片壓縮測(cè)試，4種測(cè)試方法用于表征3D打印水泥基材料層間粘結(jié)強(qiáng)度的差異，以分層樣品測(cè)得的平均強(qiáng)度與參考樣品的平均強(qiáng)度的比值作為相對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度。他們發(fā)現(xiàn)所有測(cè)試方法得到的相對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的方差與參考樣品相比都增大，還發(fā)現(xiàn)三點(diǎn)彎曲與壓縮測(cè)試測(cè)得的相對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度較參考樣品變化不大或增加，因此不能反映層間界面特征，而界面處墊鐵片的壓縮測(cè)試結(jié)果離散性較大，鐵角壓縮測(cè)試結(jié)果離散性最小。因此，他們認(rèn)為鐵角壓縮測(cè)試方法是四種方法里最適合表征層間粘結(jié)強(qiáng)度的方法。

表4 層間結(jié)合性能測(cè)試方法Table 4 Test methods of interlayer adhesion performance

在傳統(tǒng)的分層澆筑施工中采用振動(dòng)來臨時(shí)提高混凝土的流動(dòng)性并實(shí)現(xiàn)混凝土層的物理混合。然而，在3D打印過程中無法進(jìn)行振搗，層間僅存在有限的擠壓和剪切作用，因此3D打印實(shí)體層間結(jié)構(gòu)很可能不連續(xù)而存在薄弱區(qū)。原材料組成及性質(zhì)(膠凝材料、骨料、外加劑、增強(qiáng)材料等)會(huì)影響3D打印水泥基材料性能(流變性、水化性能、孔隙率等)，進(jìn)而影響層間結(jié)合性能。Nerella等[68,74]采用壓縮試驗(yàn)和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)試3D打印水泥基材料層間粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，發(fā)現(xiàn)含有輔助膠凝材料時(shí)層間粘結(jié)強(qiáng)度提高。通過SEM對(duì)層間界面結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)即使時(shí)間間隔為2 min，僅使用水泥作膠凝材料的參考組也存在明顯缺陷，而膠凝材料中含有30%粉煤灰及15%微硅粉時(shí)，層間界面結(jié)構(gòu)則有所改善。他們根據(jù)界面形貌及形成原因?qū)娱g界面微觀結(jié)構(gòu)分為4類：①弱結(jié)合(冷接縫太寬而無法隨水化自愈合)；②由于工藝和固化條件而產(chǎn)生的弱結(jié)合(例如沉積中引入空氣)；③暫時(shí)弱結(jié)合(隨水化可自愈合)；④強(qiáng)結(jié)合(無明顯缺陷)。此外，界面性質(zhì)(粗糙程度、含水量、空氣等)、環(huán)境(溫度、濕度等)及打印參數(shù)(層厚、移動(dòng)速度、間隔時(shí)間等)等也會(huì)對(duì)層間界面產(chǎn)生影響[29,69,75]。

在混凝土修補(bǔ)學(xué)中關(guān)于新、舊混凝土的粘結(jié)性研究較多，且普遍認(rèn)為表面處理，如噴砂、噴水是提升新、舊混凝土層間粘結(jié)的有效方法[75-77]。為提升3D打印層間粘結(jié)性能，Zareiyan等[30]通過在層間界面處構(gòu)造互鎖結(jié)構(gòu)，壓縮及劈拉試驗(yàn)結(jié)果表明互鎖結(jié)構(gòu)能夠明顯提升層間粘結(jié)性能。他們發(fā)現(xiàn)在互鎖深度0.75英寸(1.905 cm)以下時(shí)，層間粘結(jié)強(qiáng)度隨互鎖深度增加而增加。Hosseini等[78]在打印的水泥基材料兩層間添加一層由黑碳和硫組成的聚合物作為粘結(jié)劑以增強(qiáng)3D打印水泥基材料層間粘結(jié)強(qiáng)度。Marchment等[66]則通過在界面處添加薄層水泥漿的方法，來降低空隙從而增加粘結(jié)面積以提高層間粘結(jié)強(qiáng)度。他們發(fā)現(xiàn)，添加含有超塑化劑或緩凝劑的水泥漿層可以顯著提高層間有效粘結(jié)面積，并提高層間粘結(jié)強(qiáng)度26%～59%。

混凝土本身是一種脆性材料，素混凝土主要應(yīng)用于承壓結(jié)構(gòu)，而不用于拉、彎結(jié)構(gòu)。布置鋼筋是傳統(tǒng)且應(yīng)用廣泛的提升混凝土結(jié)構(gòu)拉伸性能的有效途徑。3D打印水泥基材料的推廣應(yīng)用除需要進(jìn)行增強(qiáng)以提升其抗拉性能，還需考慮增強(qiáng)措施與打印對(duì)象結(jié)構(gòu)的匹配，若直接將傳統(tǒng)的布筋方式應(yīng)用于3D打印水泥基材料不僅施工困難、不能充分利用材料的性能特點(diǎn)，還對(duì)施工速度及成本有不利影響[26]。高強(qiáng)高韌性的3D打印纖維增強(qiáng)水泥基材料是目前的重要研究方向之一。纖維的種類、形狀、尺寸、以及纖維在混凝土中的分布、取向等均會(huì)對(duì)混凝土的工作性能、力學(xué)性能及耐久性能產(chǎn)生重要影響[79-82]。纖維在擠出成型3D打印水泥基材料中的分布取決于噴嘴尺寸及纖維彈性模量，不同文獻(xiàn)中采用打印設(shè)備及纖維的差異導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果也有所差異。有文獻(xiàn)中指出在擠出成型3D打印水泥基材料中纖維的分布更加有序，可根據(jù)打印路徑的合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的纖維分布與取向，可是纖維的有序分布往往又導(dǎo)致更強(qiáng)的各向異性[42,80-81]。但Hambach等[22]發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維能夠提高層間粘結(jié)強(qiáng)度。表5為文獻(xiàn)中3D打印纖維增強(qiáng)水泥基材料力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果。

表5 3D打印纖維增強(qiáng)水泥基材料力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of 3D printing fiber-reinforced cement-based materials

2.4 耐久性能研究

目前關(guān)于3D打印水泥基材料耐久性能研究的報(bào)道較少。Weng等[86]采用剝落試驗(yàn)、四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)3D打印纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(3DPFRCC)的防火性能及耐高溫性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)PVA纖維能有效防止水泥基材料在高溫下的剝落、爆裂。不同溫度下3DPFRCC的抗彎及抗壓強(qiáng)度均高于3D打印素混凝土。Weger等[87]對(duì)采用粉末粘結(jié)工藝成型的3D打印水泥基材料的抗凍融及抗碳化性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，3D打印水泥基材料抗凍融性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，在自然及增加CO2濃度條件下，試件未發(fā)生碳化。劉致遠(yuǎn)[88]研究了低溫養(yǎng)護(hù)對(duì)擠出成型3D打印水泥基材料流變性能、力學(xué)性能的影響，并對(duì)3D打印水泥基材料的抗凍性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，低溫會(huì)使3D打印水泥基材料屈服應(yīng)力上升，且0 ℃時(shí)還出現(xiàn)了剪切增稠的現(xiàn)象。5 ℃低溫養(yǎng)護(hù)時(shí)的抗壓、抗折及層間粘結(jié)強(qiáng)度明顯低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。3D打印水泥基材料即使經(jīng)過300次凍融循環(huán)(快凍法)后仍未達(dá)到凍融破壞的限值。Putten等[89]采用165 L/g的氯化鈉溶液浸泡樣品的方式對(duì)比了不同時(shí)間間隔打印樣品(暴露面含層間界面)與澆筑樣品的氯離子滲透性能，發(fā)現(xiàn)浸泡一周后，即使是連續(xù)打印樣品的氯化物吸收量也達(dá)到澆筑樣品的3倍左右，且間隔時(shí)間的增加會(huì)增大層間的孔隙率從而進(jìn)一步增加氯化物的吸收量。Zhang等[90]研究發(fā)現(xiàn)，3D打印水泥基材料抗硫酸鹽侵蝕性和抗碳化性優(yōu)于澆筑的水泥基材料，但是3D打印水泥基材料的抗凍性與抗氯離子滲透性較差。

普通水泥基材料結(jié)構(gòu)和耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范將水泥基材料視為均質(zhì)材料，顯然直接將其應(yīng)用于對(duì)環(huán)境更加敏感且具有分層結(jié)構(gòu)的3D打印水泥基材料的耐久性評(píng)價(jià)不太適合。然而，當(dāng)前文獻(xiàn)中多是直接采用普通水泥基材料耐久性測(cè)試評(píng)價(jià)方法對(duì)3D打印水泥基材料耐久性能評(píng)價(jià)表征。因此，如何針對(duì)3D打印水泥基材料的特點(diǎn)，更加全面的對(duì)3D打印水泥基材料的耐久性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，也是其推廣應(yīng)用過程中亟須解決的問題。

3 3D打印建筑技術(shù)的思考與建議

3.1 3D打印設(shè)備及軟件

目前國(guó)內(nèi)擠出成型式3D打印建筑技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用研究占主導(dǎo)地位，3D打印設(shè)備主要為框架式或是機(jī)械臂式?？蚣苁浇Y(jié)構(gòu)目前被廣泛使用，雖然框架式結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，但在運(yùn)輸、安裝、正交沉積方面受到更多限制。此外，打印尺度受設(shè)備自身尺寸限制較大。機(jī)械臂式打印設(shè)備打印自由度更高，在建筑設(shè)計(jì)方面更具優(yōu)勢(shì)，在移動(dòng)及打印方面相對(duì)框架式更加靈活，但編程控制相對(duì)復(fù)雜。3D打印設(shè)備是實(shí)現(xiàn)3D打印建筑的基礎(chǔ)，隨著打印建筑尺寸的增大及高度的增加，如何設(shè)計(jì)大型功能集成的建筑3D打印設(shè)備及如何解決高層建筑打印過程中打印設(shè)備的爬升問題，抑或是如何設(shè)計(jì)多設(shè)備協(xié)同工作的3D打印智能系統(tǒng)，是未來實(shí)現(xiàn)大型高層建筑打印的前提與基礎(chǔ)。此外，如何結(jié)合智能化反饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)3D打印過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)——反饋調(diào)整，是進(jìn)一步提升3D打印建筑技術(shù)自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化的重要研究方向。

與傳統(tǒng)混凝土施工所不同的是，3D打印建筑結(jié)構(gòu)需要先完成電腦上模型的構(gòu)造，再通過自動(dòng)化程序使之轉(zhuǎn)換為實(shí)物。因此，設(shè)計(jì)軟件成為了3D打印建筑技術(shù)準(zhǔn)備階段的重要組成部分，開發(fā)更加具有針對(duì)性、更加便捷、可控性更強(qiáng)的3D打印建筑專用的建模、切片及三維行程控制軟件，實(shí)現(xiàn)打印路徑最優(yōu)化，協(xié)調(diào)擠出系統(tǒng)、行程控制系統(tǒng)及附加功能系統(tǒng)，使打印結(jié)構(gòu)具有良好均質(zhì)性，并結(jié)合材料性能特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的高性能化，是促進(jìn)3D打印建筑技術(shù)快速發(fā)展的重要?jiǎng)恿?。此外，將BIM(建筑信息模型建造)技術(shù)與3D打印建筑配套軟件相結(jié)合，對(duì)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)3D打印建筑技術(shù)自動(dòng)化、數(shù)字化及智能化有重大意義。

3.2 3D打印水泥基材料配合比設(shè)計(jì)

性能需求(包括但不僅限于工作性能、力學(xué)性能及耐久性能)是水泥基材料配合比設(shè)計(jì)的目標(biāo)與內(nèi)容。在進(jìn)行3D打印水泥基材料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，材料性能設(shè)計(jì)需求應(yīng)該結(jié)合3D打印水泥基材料施工工藝、打印材料特性及應(yīng)用服役環(huán)境綜合決定。而原材料選用原則及規(guī)律則應(yīng)該基于3D打印水泥基材料的性能需求。目前關(guān)于3D打印水泥基材料的配合比設(shè)計(jì)方法，大多是基于少量的研究測(cè)試結(jié)果總結(jié)而出的經(jīng)驗(yàn)方法，且僅考慮了工作性能及力學(xué)性能需求，工作性能主要考慮可打印性，力學(xué)性能則主要考慮材料的抗壓強(qiáng)度，充分考慮3D打印水泥基材料特性及其使用場(chǎng)景的配合比設(shè)計(jì)方法缺乏。此外，鑒于3D打印建筑技術(shù)研究應(yīng)用正快速發(fā)展且不斷完善，其所用水泥基材料的性能需求也將隨之發(fā)生變化，因此相應(yīng)的配合比設(shè)計(jì)方法也應(yīng)該不斷完善。例如，由于無模施工、逐層疊加的施工工藝，3D打印水泥基材料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，是否應(yīng)該考慮將水泥基材料收縮、材料各向異性作為設(shè)計(jì)目標(biāo)及內(nèi)容等均是值得討論的問題。

3.3 3D打印水泥基材料性能及評(píng)價(jià)

層高較低的3D打印建筑，通過材料與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可保證無筋條件下的結(jié)構(gòu)安全。但隨著層高的增加，結(jié)構(gòu)的配筋是建筑抗震性的必要保證，如何結(jié)合打印設(shè)備及施工工藝實(shí)現(xiàn)高韌性建筑結(jié)構(gòu)是有待解決的重大難題。傳統(tǒng)的水泥基材料的性能檢測(cè)及評(píng)價(jià)方法顯然已不能滿足3D打印水泥基材料的評(píng)價(jià)與檢測(cè)需求。雖然眾多學(xué)者提出了評(píng)價(jià)指標(biāo)用于評(píng)價(jià)3D打印水泥基材料所需要具備的某些性能，但主要是基于現(xiàn)階段對(duì)3D打印建筑技術(shù)初步的認(rèn)識(shí)，對(duì)于3D打印水泥基材料的性能評(píng)價(jià)方法缺乏較為系統(tǒng)、深入的研究。此外，目前的文獻(xiàn)資料，多關(guān)注于材料的工作及力學(xué)性能而對(duì)于3D打印水泥基材料的耐久性能，尤其是惡劣甚至極端環(huán)境下的性能劣化機(jī)制及耐久性能研究少有涉及。

3.4 打印建筑標(biāo)準(zhǔn)問題

3D打印建造方式與傳統(tǒng)的建造方式存在極大差異，現(xiàn)有的材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工規(guī)范、建筑標(biāo)準(zhǔn)等已不再適用。關(guān)于擠出工藝的3D打印建筑技術(shù)及其水泥基材料，中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)已經(jīng)發(fā)布了《混凝土3D打印技術(shù)規(guī)程》(T/CECS 786—2020)，目前還有多部關(guān)于3D打印水泥基材料工作性能及力學(xué)性能的行業(yè)或協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)正在編寫?？梢?D打印建筑技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系正在逐漸建立，但這個(gè)過程中需注意充分考慮3D打印建造工藝及其發(fā)展，基于大量研究應(yīng)用結(jié)果不斷完善，從而規(guī)范3D打印建筑行業(yè)的健康發(fā)展。

4 總結(jié)與展望

目前，3D打印建筑技術(shù)相關(guān)的應(yīng)用研究正高速、健康發(fā)展，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系也正逐漸建立，開始有一些標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試和質(zhì)量控制方法來比較這些最近的進(jìn)展。目前3D打印建筑技術(shù)，建造精度尚不能令人滿意，工藝、設(shè)備及軟件研發(fā)尚不充分，暫未進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。盡管需要做很多工作才能充分認(rèn)識(shí)到3D打印建筑技術(shù)作為建筑行業(yè)具有成本效益和可靠性的選擇，但它所能提供的潛在效益值得進(jìn)一步的研究和開發(fā)?？梢灶A(yù)見未來3D打印建筑技術(shù)可能有如下發(fā)展趨勢(shì)：

(1)加速數(shù)字化施工進(jìn)程、促進(jìn)自動(dòng)化施工多元化發(fā)展。3D打印建筑技術(shù)將加速混凝土施工數(shù)字化、自動(dòng)化進(jìn)程，并成為一種重要的輔助施工手段，從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)施工方式的不足。

(2)多種材料協(xié)同施工。根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在不同的部位采用不同的材料或是不同尺寸的材料進(jìn)行多噴頭同時(shí)施工。如結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高時(shí)采用超高性能混凝土，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較低時(shí)采用中低強(qiáng)度混凝土。

(3)3D打印建筑材料向功能材料方向發(fā)展。3D打印功能混凝土的配制與研發(fā)，包括輕集料混凝土、吸波混凝土、保溫混凝土、ECC、地聚合物材料、耐高溫混凝土、耐腐蝕混凝土等。

(4)向智能化施工、智能化結(jié)構(gòu)發(fā)展。利用壓電、光纖或聲發(fā)射等智能方法對(duì)3D打印水泥基材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋，并自動(dòng)調(diào)節(jié)。如沉積過程中即對(duì)3D打印水泥基材料強(qiáng)度、剛度等參數(shù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，進(jìn)而調(diào)節(jié)沉積速率。3D打印智能混凝土的配制與研發(fā)，包括具備自感應(yīng)、自調(diào)節(jié)、自供能、自修復(fù)等功能的智能混凝土材料與結(jié)構(gòu)。

(5)向局部-整體結(jié)構(gòu)一體化建造方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)從局部結(jié)構(gòu)到整體結(jié)構(gòu)的可控建造。在3D打印建筑時(shí)，將3D打印水泥基材料局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建造與外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建造同步完成，即實(shí)現(xiàn)局部到整體結(jié)構(gòu)的同步建造。