3D打印混凝土材料及混凝土建筑技术进展

作者：张大旺等

根据美国材料与试验协会( ASTM) 3D打印技术委员会( F42 委员会) 公布的定义，3D打印是一种与减材制造和等材制造等传统的制造技术迥然不同的，以模型的三维数据为基础，通过打印机喷嘴挤出材料，逐层打印增加材料来生成 3D实体的技术，因此又称为添加制造(AM，Additive Manufacturing) 。其包含诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量，例如：建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学等。目前，轮廓工艺、D-Shape、打印混凝土作为三大增材制造工艺在公共领域尤其在建筑领域具有很好的前景。3D打印技术主要包括3D 建模、3D分割、打印喷涂和后期处理等四部分组成，如图 1 所示。3D 建模是3D打印的基础，3D 建模质量的好坏决定了 3D 打印的优劣；3D 分割是将模型切成一层层的薄皮，此过程是由计算机的软件实现；打印喷涂是将成型材料逐层的喷涂或熔结到三维空间中，最近几年较普遍认同的是 先喷一层胶水，然后再在上面撒一层材料，如此反复；后期处理是指在打印完成后一般都会有毛刺或者粗糙 的表面，此时需要进行后期处理。由此可以看出与传统材料加工方法截然相反，3D打印是基于三维数据，然后通过3D打印机逐层打印，这样就不必事先制造模具，不必在制造过程中去处理大量的材料，也不必通过 复杂的锻造工艺，最终在生产上实现结构优化、节约材料和节省能源。

3D打印技术起源于19世纪末的美国，于20世纪80年代得到实现与发展。起初由于其昂贵的价格，技术的不成熟等，并没有得到推广普及。但经过 30 多年 的发展，3D打印技术也逐渐成熟，且价格也大幅下降。目前3D打印作为“第三次工业革命的重要生产工 具”，正在成为一种迅猛发展的潮流，广泛应用到各个研究领域，如生物医疗领域已使用3D打印技术成功地研制出了人造骨骼等人体组织器官，对生物医学技术的发展具有重大的作用；航天航空领域利用3D打印技术制造现状复杂、尺寸微细、性能特殊的零部件、机构直接制造，实现精细制造；在个性化领域中，3D 打印技术可应用于珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY作品的设计和制造等，除此之外，3D打印技术还在模具制造、电子信息领域、汽车制造领域具有广泛应用。

传统混凝土材料与施工技术
混凝土是当代最大宗的、用量最大的土建材料，在当代城市化进程不断加快的中国扮演的角色也愈加重要。混凝土的强度性能和耐久性与施工技术有着密切的关系。根据ASTMC125( 混凝土和混凝土骨料有关 术语的标准定义) 和 ACI 116 委员会( 水泥和混凝土工艺学的术语) 规定，混凝土是主要由胶结介质和埋在 其中的骨粒颗粒或碎片所组成的复合材料。

与整个所期望的使用年限相比，混凝土的施工所耗时间是可以忽略的，但在这段时间内却要经过许多施工操作。这些操作工序不仅受到材料性能的影响，同时也对材料的使用性能产生作用。一般来说，混凝土材料施工主要包括混凝土的浇灌、捣实、抹面、养护和脱模等过程。

混凝土是在水平方向上以一致的厚度分层铺筑的，所以在浇筑的过程中要保持足够快的浇注速度，以确保在铺筑新的一层时，紧靠下面的一层仍处于塑性形态，避免产生冷接头、流纹以及两层交界的薄弱面；捣实是使混凝土充填模板并围绕埋入的部件和钢筋模制成型，以除去其中的空隙和空气的过程。振动是最普通 的用来捣实混凝土的方法。振动时必须迅速把振动器插入拌合物中，然后缓慢地上下移动，这样有助于空气的逸出；抹面是混凝土确保表面的平整和密实的有效方法之一，尤其在混凝土路面、地板等平板面工程；养护对混凝土的强度和耐久性有着重要的影响。养护目的有两个，一个是在到达要求强度水平的期间内，防止水分损失以及控制混凝土的温度；另一是基于密封表面防止混凝土水分损失。对于路面或者地面可用水淹没进行养护；其它结构可喷水或者喷雾，或者是用水将麻袋或棉布浸湿，然后覆盖混凝土保湿养护；对于快速凝 结的建筑，可使用防水养护纸、聚乙烯薄膜或者成膜养护剂等；脱模一般是混凝土施工的最后一道工序。脱模时必须等到混凝土强度足以承担固定荷载和强制结构载荷所产生的应力，同时混凝土还应有一定的硬度，以便在拆模或者其它操作时，表面不致受到损害。很多时候在脱模之后还会养护一定时间。了解传统混凝土材料及其施工技术对于发展如3D打印混凝土的新技术是不可或缺的重要基础。

3D 打印混凝土材料与工艺

3D 打印混凝土材料
3D打印混凝土技术是将3D打印技术与商品混凝土领域的技术相结合而产生的新型应用技术，其主要原理是将混凝土构件利用计算机进行3D建模和分割生产三维信息，然后将配制好的混凝土拌合物通过挤出装置，按照设定好的程序，通过机械控制，由喷嘴挤出进行打印，最后得到混凝土构件。3D打印混凝土技术在实际施工打印过程中，由于其具有较高的可塑性，在成型过程中的无需支撑，是一种新型的混凝土无模 成型技术，具有以下两个优点：既有自密实混凝土的无需振捣的优点，也有喷射混凝土便于制造繁杂构件的优点。

美国宇航局( NASA) 与美国南加州大学合作研发出“轮廓工艺”3D 打印技术，在24小时内打印出大约 232 m2 的两层楼房( 如图 2) ，大大节约建筑时间和建筑成本，为绿色制造打开了一扇大门。目前玻璃纤维增强石膏、玻璃纤维增强砂浆等均可用于3D打印建筑的无机胶凝基材。例如上海盈创装饰设计工程有 限公司所生产GPＲ( 玻璃纤维增强石膏) 、FＲP( 玻璃钢异性家具) ( 如图 3 所示) 等。

3D 打印混凝土建造完毕后建筑虽然不需要内置布置钢结构进行加固质，但其质地类似于大理石等物质，较传统混凝土具有更高的强度。由此不难看出，普通水泥混凝土已经很难满足其技术要求，因此对混凝土性能提出来更高的要求，以适应3D打印建筑技术的需要。

为满足3D打印建筑的需求，混凝土拌合物必须达到特定的要求。以下从混凝土的组成进行分析。首先，普通硅酸盐水泥在强度，凝结时间等方面可能无法达到3D打印的要求，需在此基础上做进一步的研究。如改变水泥组成中的矿物组成、熟料的细度等。如采用硫铝酸盐水泥或者铝酸盐改性硅酸盐水泥等获得更 快的凝结时间和更好的早期强度等。其次，3D打印是通过喷嘴来实现的。喷嘴的大小决定了混凝土拌合物配制中的颗粒大小，并且必须找到最合适的骨料粒径大小。骨料粒径过大，堵塞喷嘴；粒径过小，包裹骨料所需浆体的比表面积大，浆体多，水化速率快，单位时间水化热高，将会导致混凝土各项性能的恶化。再次，配制的混凝土拌合物要有合适的配合比，由于作为满足3D打印的原料新型混凝土已经不同于传统的混凝土，其各项性能发生了很大的变化，不能由传统的水胶比、砂率等所能决定，其基本性能发生巨大改变。目前与混凝土相关的理论，如强度、耐久性、水化作用等，均不能很好的满足3D打印混凝土的要求。为使打印混凝 土获得理想的状态，如高强度，好耐久性，良好的拌合性能，合适的凝固时间，良好的工作性、可泵性和可建筑性，需要从新的角度去完善理论。最后，外加剂是现代混凝土必不可少的组分之一，是混凝土改性的一种重要方法和技术。3D打印混凝土必须具备更好的流变性以便于挤出且能在空气中迅速凝结防止由于自身重力破坏打印混凝土的结构，并且骨料的最大粒径会变得更小以及其形貌更接近圆形，从而导致级配也将变的更加复杂，最终还需要解决各层之间凝结问题，这就需要新型外加剂来解决。从材料流变学的角度考虑，3D打印混凝土应该具有较高的塑性粘度、较低的极限剪切应力，如此它不具有流淌性却具有好的可塑性，同时应有较快的凝结时间和较高的早期强度。

除此之外，还应该考虑配合比对于打印混凝土的收缩率的影响以及孔隙结构对于打印混凝土的影响。例如，Le 等研究表明：低的水胶比和粉煤灰比例有助于降低打印过程的收缩率；小的孔隙结构可以提高打 印混凝土的品质。在此基础上，打印混凝土的可浇筑性和挤出性受到混凝土的和易性和凝结时间的影响。在3D混凝土打印过程中还必须保证打印完成部分的完整性，不会由于自身的重力因素而出现塌落，倾斜等变形现象，这就要求其具有良好的可塑性，凝固时间短，早期强度高，能够承受自身重量和打印过程中的动载荷，使下一层打印胶结不受影响。

3D打印混凝土的施工和3D打印建筑
随着3D打印混凝土技术的不断发展和深入，3D打印建筑也应用而生。目前，在中国上海青浦出现了第一批3D打印房屋( 如图 4) ，其主要以高标号水泥、建筑垃圾和玻璃纤维为打印原料，并且此次工程并非传统的3D打印，而是通过人工现场组装3D打印机打印出的一层层的房屋结构而完成的。在不久将来，由荷兰建筑师 Janjaap Ｒuijssenaars 与意大利发明家Enrico Dini( D-Shape 3D 打印机发明人) 一同合作利用3D打印技术建造一栋名为“Landscape House”的建筑。这些是3D打印建筑的巨大突破，将 3D打印建筑技术实际化。

轮廓工艺作为新型的施工工艺很好地提升了3D打印混凝土的实用化。轮廓工艺是一项通过电脑控制的喷嘴按层挤出材料的建筑技术。轮廓工艺是一项混合技术，主要包括外部轮廓和内部轮廓两部分，通过挤压成型形成外部轮廓，再通过挤压浇筑或注入来填充内。填充内核的作为结构加固的挤压模型系统。泥刀作为此项技术的关键特点，用于抹平和精确规整每一层的外表和顶面，这就解决了在实际建筑过程中，由于3D打印建筑是层层堆积的过程，不可避免地导致层级堆积效应，出现表面粗糙，横向条纹明显的现象( 如图 5) 。

利用轮廓工艺的3D打印混凝土可在打印过程中减少表面粗糙等现象( 如图 6) ，减少了后期的表面平整行精确建造；此外，打印设计中可以通过对内部系统的填充来提高打印建筑的结构性能。

3D 打印建筑干混砂浆材料与工艺
干混砂浆又称干粉砂浆、干拌砂浆，它是将水泥、砂、矿物掺合料及功能性添加剂按照一定比例，在专业生产厂于干燥状态下均匀拌制、混合成的一种颗粒或粉状的混合物，然后以干粉包装或散装的形式运至工地，按规定比例加水拌和后即可直接使用的干粉砂浆材料。干混砂浆由于其使用的方便性、灵活性等而受到工程界的青睐，近年来得到了越来越广泛的应用。

随着 3D 打印技术出现，干混砂浆也将脱出目前普通砂浆的内涵，作为复合材料其生产方式将同时向为建筑结构主体服务和辅助服务的一体化道路。在3D打印建筑中，干混砂浆将广泛地作为打印机的 “墨水”。3D打印建筑干混砂浆对于材料的要求同打印混凝土的要求相类似，都要求其具有良好的可塑性等性能。与打印混凝土不同的是，打印干混砂浆通常使用粘结沉淀成型的方法进行打印。粘结沉淀成型原 理是按照CAD模型数据通过机械控制将胶水打印在 每层砂石粉上的设计区域，反应硬化后清除多余部分， 得到打印的物体( 如图 7) 。3D 打印干混砂浆可以改善构件的相关性能。例如：3D打印干混砂浆的板材将 具有互相扣接设计，会更牢固和安全，利用 3D打印仿生技术设计的结构具有可以有效的缩短施工周期、降低风险、不易脱落等优势。

3D 打印混凝土建筑存在的问题

3D打印建筑虽然相比传统建筑具有强度高、建筑形式自由、在建筑时间、环保性、节能等几大突出的优势。但作为一种目前正处于研发试用阶段的新型技术，不可避免地存在以下问题：

( 1) 原材料的问题。与传统的混凝土施工工艺相比，3D打印混凝土对原材料的流变性和可塑性提出了更高的要求。普通水泥可能已无法同时满足建筑性能与打印技术的要求，骨料有可能会采用新的破碎工艺以制造出的粒径更小，颗粒形貌更接近圆形的骨料，外加剂在混凝土中不仅要保留已有的性能，还要解决各层之间如何完美无缺的结合问题。

( 2) 精度的问题。建筑设计非同儿戏，它的完成实现需要分毫不差的精确度，但是3D打印技术是否 会出现偏差，以及应该做好预防工作是3D打印技术在建筑设计模型应用中应该注意的问题。由于3D打印混凝土工艺发展还不完善，快速成型的零件的精度及表面质量大多不能满足工程使用的要求，不能作为功能性部件，只能做原型使用。

( 3) 软件的问题。与传统混凝土施工不同的是，3D打印混凝土是降维制造，需要将 3 维模型转化为 2 维模型以方便打印工作的进行，因此需要相关软件在电脑上完成相关的工作，在通过自动化程序使之转换为实物，所以软件是3D打印的重要部分，是将模型数据化的重要环节。软件的开发是至关重要的。目前，我国还没有专业的软件公司与3D打印相配套，形成完整的产业链。

( 4) 打印设备的问题。随着技术的发展3D打印设备在快速发展，一台3D打印设备价格从最初的几十万美元到现在的几千美元，再到我国五千多人民币的价格。3D打印设备在不断地走向大众，走进各个领域。然而，目前的3D打印混凝土设备还不能够完全满足其应用环境的特殊性的要求。例如，目前使用的打印设备只能满足平面扩展阶段，可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。

此外，3D打印混凝土与传统混凝土相比，发生很大变化，需要重新建立一套施工工艺和安全规范措施等。

结论与展望

( 1) 传统建筑技术会产生很高比例的建筑垃圾。据预测，中国每年 20 亿 m2 以上的工程建设将持续10~15 年，同时每年会产生约 6 亿 t 的建筑垃圾。而 3D打印混凝土技术在建筑过程中由于支模拆模的繁琐程序的取消，实现了混凝土的充分利用，降低了水泥用量，降低了建筑垃圾的产生，符合当今绿色发展的主题;

( 2) 3D打印混凝土及砂浆作为一种新型技术，需要不断地对原材料的选择，配合比设计和配制理论，外加剂的使用等方面进行深入的研究，以此完善其性能的要求；需要不断地对配套软件的研究，以使3D打印更加自动化，达到最佳效果；也需要不断发展对 3D 打印机械的研究，以实现高层打印，使打印建筑在高层建 筑方向得到更好地发展；更需要不断地对轮廓工艺进行完善，以实现精细施工和表面细致化的要求，使打印向精细化产品发展。