解析3D打印混凝土技术的发展

3D打印技术是混凝土行业发展的一大机遇，3D打印混凝土技术也成为混凝土行业发展的一个重要方向。而中国在这方面有着很大的优势，南极熊之前对建筑3D打印机有过大幅的报道，例如上海盈创、北京通州的北京市华商腾达工贸有限公司等，还有甘肃的农民伯伯也自己造出了建筑3D打印机。接下来南极熊简单介绍一下国内外3D打印混凝土技术与其材料、施工的发展现状与最新进展，和3D打印混凝土技术目前存在的技术难题，并对3D打印混凝土技术的未来进行展望，提出可能的研究方向。

近年来，作为“第三次工业革命”标志性技术的3D打印技术引领时代潮流，快速进入到各个研究领域，从工业设计、航空航天到医疗等各大领域均已出现3D打印的足迹，这对传统的社会生产将产生巨大的冲击，成为改变未来世界的创造性科技。同样，3D打印技术与混凝土技术相结合的3D打印混凝土技术，必将是混凝土发展历程上一次重大的转折点。 南极熊将以3D打印技术为出发点，介绍3D打印混凝土技术的发展现状与对建筑行业的贡献，并结合对3D打印混凝土技术的认识与存在的问题，展望3D打印混凝土技术未来的前景与研究趋势。

混凝土材料是当今社会最为重要的土木工程材料之一，为人类社会的发展与建设做出了不可估量的贡献，而随着社会科学技术的发展，混凝土在生产应用过程中的高能耗、高污染等问题逐渐凸显，成为制约混凝土材料发展的一大阻力。为适应社会可持续发展的需要，混凝土本身性能逐渐向高强度、高性能等方向发展，同时，新技术的出现也为混凝土的可持续发展提供了新的方向。

3D打印混凝土技术
3D打印混凝土技术是在3D打印技术的基础上发展起 来的应用于混凝土施工的新技术，其主要工作原理是将配置好的混凝土浆体通过挤出装置，在三维软件的控制下，按照预先设置好的打印程序，由喷嘴挤出进行打印，最终得到设计的混凝土构件（如图2（a）所示）。3D打印混凝土技术在打印过程中，无需传统混凝土成型过程中的支模过程，是一种最新的混凝土无模成型技术。2012年，英国拉夫堡大学的研究者研发出新型的混凝土3D打印技术，3D打印机械（如图2（b）所示）在计算机软件的控制下，使用具有高度可控制挤压性的水泥基浆体材料，完成精确定位混凝土面板和墙体中孔洞的打印，实现了超复杂的大尺寸建筑构件的设计制作，为外形独特的混凝土建筑打开了一扇大门。

1. 3D打印混凝土
随着3D打印混凝土技术的出现，普通混凝土已无法满足其技术的需要，对混凝土的性能提出了进一步的要求，分别体现在对新拌混凝土的施工性能和硬化混凝土的力学性能及耐久性，英国拉夫堡大学的T. T. Le等人对此进行了相关的研究。 对于新拌的混凝土浆体，为满足3D打印的要求，必须达到特定的性能要求。首先是可挤出性，在3D打印混凝土技术中，混凝土浆体通过挤出装置前端的喷嘴挤出进行打印，因此配置浆体中颗粒大小要由喷嘴口的大小决定，并需严格控制，杜绝大颗粒集料的出现，在打印过程中不致堵塞，以保证浆体顺利挤出。

其次，混凝土浆体要具有较好的粘聚性，一方面，较好的粘聚性可以保证混凝土在通过喷嘴挤出的过程中，不会因浆体自身性能的原因出现间断，避免打印遗漏；另一方面，3D打印是由层层累加而得到最终的产品，因此，层与层之间的结合属于3D打印混凝土的薄弱环节，是影响硬化性能的重要因素，而较好的粘聚性可以在最大程度上削弱打印层负面的影响。最后，可挤出性和粘聚性尽可以保证前期的打印和硬化后的性能，却难以保证打印的全程可以顺利进行。在3D混凝土打印的过程中，必须要求已打印完成的部分状态保持良好，不会出现坍塌、倾斜等中断打印施工的现象，这就对混凝土浆体的可建造性提出了要求（如图3所示）。

3D打印混凝土技术同样会对硬化混凝土的性能产生 较大影响。在打印过程中，混凝土呈条状挤出成型，条与条之间的粘结问题是决定硬化打印混凝土孔结构的重要因素，较差的粘聚性会导致打印混凝土结构内部出现大而多的孔隙（如图4（中）所示），亦必将对混凝土的耐久性有重大影响；对强度而言，使用打印技术会造成混凝土强度的损失，导致打印混凝土的强度低于同种配比的模成型混凝土，同时，打印也会使混凝土的强度出现各项异性的特点，强度的高低由打印的方向所决定；此外，水中养护对打印混凝土的性能也有较大的影响，这一点在其他研究者的研究中也得到证实[7]，主要原因在于水中养护会对打印混凝土的微观结构有一定的改善作用，填充打印混凝土在打印过程中造成的孔隙，从而改善打印混凝土的各项性能。

2.3D打印混凝土的施工

随着3D打印混凝土出现在研究者的视野中，3D打印建筑也随之产生。意大利研究者Enrico Dini发明了世界首台大型建筑3D打印机，这台打印机的底部有数百个喷嘴，可喷射出镁质黏合物，在黏合物上喷撒砂子可逐渐铸成石质固体，通过一层层地黏合物和砂子结合，最终形成石质建筑物，并成功使用建筑材料打印出高4米的建筑物（如图5所示）。在此基础上，他与荷兰建筑师Janjaap Ruijssenaars一同合作，欲用此3D建筑打印机打印建设一座“莫比乌斯环”状的建筑物，用以参加欧洲的3D打印比赛[8]，这是3D打印混凝土技术在建筑行业的大胆实践。 近日，上海青浦出现一批3D打印房屋，其研发者马义和使用回收的建筑垃圾与玻璃纤维作为打印原料，采用自行设计的组装打印机械在24小时内完成了10幢200平方米建筑的“打印”，但其使用的材料与结构的承载力、耐久性仍值得考虑。

之前荷兰的一家建筑企业也已着手进行一栋大楼的打印，其施工主要是通过将3D打印机打印出来的预制件像积木一样垒起来，以此来完成打印。 在3D打印混凝土的打印过程中，是混凝土条层层堆积的过程，不可避免地会在打印构件的表面上出现台阶效应，其表面粗糙不平，不仅影响美观，还可能导致精度的误差，从图6中可以明显看出，打印的构件表面存在横向的条纹，层次较为明显，表面平整度有待美化。而为了处理这类问题，通常使用两种方法：一是缩小打印喷嘴的口径，降低台阶的高度，这种方法会降低打印的速度，影响施工效率，同时并不能保证表面达到理想的平整度；二是在成型后进 行后续抹平处理，此方法需进行重复工作，费时费力。 为解决3D打印建筑施工过程中的这些问题，美国南加州大学的Behrokh Khoshnevis教授提出轮廓建筑工艺（Contour Crafting）。轮廓建筑工艺是使用3D打印技术进行建筑建造的一种工艺，包括轮廓打印系统（Extrusion system）和内部填充系统（Filling system）两部分（如图7（左）所示），其原理是先进行外部轮廓的打印，之后向内部填充材料，形成混凝土构件。

轮廓建筑工艺最大的特点是：在喷嘴上加入泥刀（如图7（右）所示），泥刀保证在打印建筑的同时可以进行表面的平整，很好地解决3D打印表面不平整的问题。此外，轮廓建筑工艺可以在3D打印建筑的同时，实现混凝土构件中配筋，还可以进一步尝试高层建筑的打印建设。 以3D打印技术为基础，加入泥刀的轮廓建筑工艺具有较多的优点，一方面在打印的同时进行建筑物表面的平整，提高了打印建筑表面的光滑度与精确度，避免重复施工；同时，还可以加大每层打印的厚度，提高建筑物的建造效率，可在24小时内打印完成一栋2500平方英尺的房子。此外，打印设计中填充系统的存在，可以根据需要进行内部材料的填充，在很大程度上提高打印建筑的结构性能。

3. 3D打印混凝土存在的问题

目前的3D打印混凝土技术正处于研发试用阶段，对于其性能与应用均处于探索阶段，因此，不可避免地会存在一些问题。
（1）原材料的问题。3D打印混凝土相对于传统的模成型混凝土对原料的要求更为苛刻，普通水泥可能无法同时满足建筑性能与打印技术的要求，粗细骨料的质量要求会更高，甚至要采用新的破碎工艺制度，而对于外加剂在混凝土体系中发挥的作用及作用机理也可能会发生改变。

（2）配合比理论的问题。3D打印混凝土技术对混凝土的粘聚性、挤出性和可建造性等新拌性能提出了特殊的要求，同时，打印过程对混凝土的后期硬化性能会产生较大影响，这并不是可以简单地依据水灰比、砂率等参数的调整而可以满足的。依据现有的混凝土配合比理论配制的混凝土是否可以较好地满足3D打印的工作性要求、达到 打印硬化后力学性能与耐久性指标的要求仍有待确定，这就需要从新的角度去提出新的理论，以更好适应于3D打印混凝土技术。

（3）软件的问题。与传统混凝土施工不同的是，3D打印混凝土需要先完成电脑上模型的构造，再通过自动化程序使之转换为实物，因此，设计软件成为3D打印混凝土技术准备阶段的重要组成部分，而如何实现软件与现实之间的转换成为打印混凝土发展不可或缺的步骤。

（4）成型高度的问题。目前的3D打印混凝土技术所使用机械的能力仍处于平面扩展阶段，可适用于低层大面积建筑的建设，而对于广泛使用的高层建筑还无法进行打印，只能通过先打印预制件、再进行组装的方式来实现，同时，要将几十层的建筑物打印出来，需要设计出巨型的3D打印机，解决大型建筑物结构强度问题，以及建筑物中钢筋的打印问题。 此外，3D打印混凝土在生产流程、安全措施等方面均会产生较大的改变，都会造成或多或少的问题，这些均有待研究者进一步的研究与发现。

3D打印混凝土展望

随着科技的发展，愿意从事一线体力劳动的人员越来越少，作为劳动力密集的混凝土建筑行业将迎来一次巨大的挑战，而结合了3D打印技术的3D打印混凝土技术的出现，无疑是一大福音，具有十分广阔的发展前景。3D打印混凝土技术在建造过程中取消了支模拆模的繁琐程序，在很大程度上简化了施工的过程，使得施工速率可以提高到10倍以上，而且还可以实现混凝土的充分利用，降低水泥的使用量，更可以提高建筑物的服役寿命，降低建筑垃圾的产生，减少重复建设，同时，3D打印机械仅需要数名技术人员的控制，减少了施工人员的数量，正符合当今社会的发展趋势。此外，3D打印混凝土技术可以实现各种形状建筑的打印，对环境的要求较小，可将其应用于外太空的探索，迅速完成太空基地的建设。

目前，3D打印混凝土技术处于发展起步阶段，为实现3D打印混凝土技术应用的普遍化，需要针对其存在的问题进行关键技术的解决。未来3D打印混凝土技术的研究发展可以从如下方面进行：

（1）混凝土材料的研究。虽然英国拉夫堡大学的T. T. Le等人对3D打印混凝土进行了部分的研究，提出了一些3D打印混凝土所需要具备的性能，但主要是基于现阶段对3D打印混凝土技术初步的认识，缺乏较为系统、理论、深入的研究。而要使3D打印混凝土技术可以快速地发展，则必须对混凝土的原材料、配制理论进行系统深入的研究，因此，新的混凝土配合比理论和新的原材料要求都需要根据性能需求来完善，这也将是3D打印混凝土技术发展过程中的主要研究课题。

（2）配套软硬件的研究。3D打印混凝土技术是电脑软件与打印机械协同合作的过程，如何将电脑中的三维模型通过软件控制的打印装置将之变为实物，更好地与自动化过程相结合，并使之达到最佳效果，这将是一个长期的过程。

（3）打印工艺的研究。如何合理地安排打印的方向次序、控制打印喷头的全方位爬升等都是决定打印效率的重要因素，也是今后研究中需要注意的方面。同时，目前的3D建筑打印工艺可实现的打印高度受到较大的限制，而社会的发展却使混凝土建筑逐渐向高耸方向发展，这就需要新的打印工艺以实现高层打印与向高层发展所要解决的结构强度、
配筋增强等问题。

文章部分来源： 马敬畏， 蒋正武， 苏宇峰 （同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室）
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