3D打印混凝土材料研究进展

赵颖 王欢 刘维胜 顾菲 叶鸿宏 车玉君 杨华山＊

（1.贵州师范大学 材料与建筑工程学院，贵州 贵阳 550025；2.中建西部建设贵州有限公司，贵州 贵阳 550014）

0 前言

3D打印技术是快速成型技术的一种，是将计算机与打印机相连接，用计算机进行控制，把打印材料一层层堆叠起来，最终把计算机上的“图纸”打印成为真实的物体。3D打印技术具有无模具、自由成型、快速制造特点，给工业产品的制造方法、生产流程等带来了翻天覆地的变化[1]。

如表1所示，传统技术与3D打印技术的效率区别很明显[2]。3D打印在模具成型、设计制造一体化、汽车复杂零件加工等方面展现出巨大优势。不管是在工业设计、教育还是航天等领域，相较于传统的粘土模型、外包加工及2D激光切割注塑成型技术，节省了大量的时间。

表1 3D打印与传统技术效率对比[2]Tab.1 Efficiency comparison between 3D printing and traditional technology[2]

3D打印建筑技术是如今各科研院所及高校研究的热点课题之一，但尚处于初步阶段。3D打印混凝土在建造过程中实现了无模板应用，同时不需要机械振捣，减少了对人力资源和资本的需求，推动了建筑行业的自动化生产。近年来，将3D打印应用于建筑行业的研究呈指数增长[3]，如何大力推进3D打印混凝土技术的发展创新等问题亟待解决。

3D打印混凝土技术的发展带来了对混凝土性能的新要求，普通混凝土的性能不能满足3D打印混凝土的技术需求。为了适应3D打印混凝土技术，有人做过相关研究。例如，南峰等[4]研究发现，掺入石灰石粉后，混凝土具有良好的粘聚性和流动性。周永祥等[5]通过试验研究发现，石灰石粉具有一定的减水效果，该特点或能用于3D打印混凝土技术。

本文简述了3D打印技术及目前适用于3D打印技术的混凝土材料，并提出石灰石粉3D打印混凝土的研究方向，以期为3D打印混凝土技术的应用发展提供参考。

1 3D打印技术

3D打印技术（Three-dimensional printing）作为一种能够自动化、加速生产和减少浪费的生产方式，长期以来一直被用于制造业。图1展示了3D打印技术的分布[6]。使用3D打印技术时，只需对打印机进行必要的设置，采用适于3D打印的材料，便可轻松构建各种各样的产物[7]。随着3D打印技术的发展，3D打印更加可靠，能有效节约时间，降低成本。3D打印技术在汽车、消费品、商业机器、医疗、科研、航空航天、国防等领域显示了独特的优势。随着计算机控制和精密雕刻机等技术的成熟，3D打印在全球会更加流行，引入建筑业是可行的。

图1 3D打印技术的分布[6]Fig.1 The distribution of 3D printing technology[6]

1.1 3D打印技术概念和分类

3D打印技术的定义最初出现于20 世纪七八十年代，被称作“快速成型”技术[8]。3D打印技术是一种增材制造（Additive Manufacturing,AM）技术，可根据三维模型数据打印出结构复杂的几何形状[9]。2009年成立的美国材料与试验协会（ASTM）添加制造技术子委员会F42曾公布3D打印技术的概念：3D打印技术（或称为添加制造技术）是“与传统的材料处理方法（减材制造）不同，基于三维数字模型，材料通常通过逐层制造进行组合的工艺，其同义词包含添加成型、添加工艺、添加技术、添加分层制造、分层制造以及无模成型[10]”。从本质上说，添加制造技术是将原材料粉末或颗粒通过熔化、烧结或粘结的方式逐层累积“增加”。3D打印技术根据成型原理可分为五种：选择性烧结技术（Selective Laser Sintering,SLS）[11]、熔积成型技术（Fused Deposition Modeling,FDM）[12]、立体光固化成型技术（Stereo Lithography Apparatus,SLA）、分层实体制造技术（Object Manufacturing,LOM）[13]和粉末粘合成型技术（Three Dimensional Printing,3DP）。

1.2 国外建筑3D打印技术的发展

建筑3D打印技术被定义为一种建筑方法，其使用打印喷嘴有选择地叠加可凝固的建筑材料[14]。经过不断地发展，国外的增材制造工艺主要分为三大类：1）2004年美国南加州大学的Behroh Khoshnevis发明的轮廓工艺（Contour Crafting）[15]，其特点是不需要使用模具，且建筑物的打印轮廓成为建筑物的一部分，并可采用可移动的大型、轻便3D打印机，可在施工现场打印和组装，减少施工的污染、成本及时间。2）2005年意大利发明家Enrico Dini设计的D-Shape工艺[16]，其特点在于打印机的底部有数百喷嘴，可喷出氧化镁粘合剂，通过粘合剂和砂的组合，逐渐成型为石质固体，最终形成石质建筑。3）2008年英国拉夫堡大学Richard Buswell团队发明的3D混凝土打印技术[17]，该团队已利用混凝土3D打印技术打印出混凝土构件。

1.3 国内建筑3D打印技术的发展

3D打印技术作为“第三次工业革命”的标志性技术，在国内引发了研究热潮，政府陆续出台相关政策扶持。我国的3D打印技术研究以科研院所为主导。理论上，综述型研究仍是3D打印研究领域的热点，主要分为两类，一类以总结国外建筑3D打印具体案例为主，另一类以总结国内各团队的建筑3D打印科研成果为主。实践中，3D打印技术的应用也有重大突破。上海盈创建筑科技作为中国3D打印技术应用领域的专业公司之一，已取得多项领先的3D打印及应用突破[18]，不仅研发了连续打印建筑产品的3D打印机、建筑3D打印万能油墨和喷头，还将水泥、纤维、有机胶粘剂和建筑废料在“油墨”中进行混合，然后逐层喷涂，循环打印，快速冷凝成型，从而打印出房屋[19]。2019年河北工业大学装配式混凝土3D打印赵州桥在建筑技术上具备了工业化、绿色化、智能化的特点，促进了关键技术的发展[20]。中建技术中心材料工程研究所利用轮廓工艺对3D打印材料的粘聚性、流动性以及打印堆积高度等性能进行了研究，并通过模拟试验证实了混凝土的可打印性[21]。2019年11月17日，中建二局广东建设基地完成了一栋7.2米高的双层办公楼的主体结构打印，标志着原位3D打印技术在建筑领域取得突破性进展，同时，这也是世界第一例原位3D打印双层示范建筑[22]。清华大学（建筑学院）-中南置地数字建筑研究中心徐卫国团队设计研发、并与上海智慧湾投资管理有限公司联合建造了世界最大规模3D打印混凝土步行桥[23]。同济大学的大学生团队采用新型混合增材制造方法，结合大型金属3D打印和长丝缠绕的金属构造工艺制造了一座金属桥[24]。华中科技大学推出的HRP系列成型机和成型材料在分层实体制造工艺方面也具有一定优势[25]。

2 3D打印混凝土

Joseph Pegna[26]是首位尝试使用水泥基材料进行3D打印的学者，其方法与选择性沉积法相似，首先用薄薄的砂子覆盖底部，再用水泥覆盖，随后使用蒸汽养护使材料迅速固化，最终成型。随着近年来3D打印技术的发展，市面上出现了不同型号、不同功能的打印机。3D打印机及其打印系统对用于打印的材料有较高要求，为满足3D打印建筑的需要，混凝土拌合物应达到特定的要求[27]。因此，研制和选择用于3D打印的建筑材料要比选择用于传统方法的建筑材料更严格。由于普通硅酸盐水泥无法满足3D打印技术的要求，大多数学者在选择3D打印最佳混凝土材料前通常会使用几种材料混合进行试验。一般来讲，几乎所有选用的材料混合物中均采用了大量的细骨料。在大多数情况下，为了保证打印材料能顺利、流畅且连续地从喷口处挤出，骨料的最大粒径要限制在2mm以内。但是，Rushing[28]使用了粒径高达10mm的粗骨料作为3D打印材料。为了控制物料的凝结时间，在混合料中通常还添有高效减水剂(Superplasticizer,SP)、速凝剂和缓凝剂等外加剂。根据目前的研究报告，当水胶比在0.23～0.41之间、胶砂比在0.63～0.73之间时，3D打印材料在硬化后具有最佳的工作性能和力学性能[29]。总之，3D打印建筑材料要具有一定的和易性、可挤出性和自稳定性等特点，且硬化后要具有一定的强度、刚度和耐久性[16]。

2.1 3D打印建筑技术对材料性能的要求

3D打印建筑材料是3D打印建筑技术的核心[30]，必须满足一定的性能要求。关于3D打印建筑材料，国内外已有学者进行了研究。在国外，荷兰专家对塑料、树脂类材料进行了研究。美国学者对粘土类、树脂砂浆类、混凝土类等材料进行了研究。英国拉夫堡大学的T.T.Le等对3D打印混凝土材料进行了研究。泰国的暹罗水泥集团生产了一种能将粉体材料和纤维用特殊方式混合的水泥，该水泥凝结时间短，可被打印成复杂的弯折和曲线形状[31]。恩斯赫德的A.Budding探究了粉末压实的快速成型技术，泰国的R.Chumnanklang等研究了低成本的高分子粘结剂等在3D打印技术中的应用，麻省理工学院的史蒂文·基廷等[32]提出使用复合材料进行3D打印制造，并通过机器人技术得以实现。在国内，蔺喜强、张涛、霍亮[33]针对水泥基建筑3D打印材料的制备及其在3D打印建筑技术上的应用进行了研究，试验表明，制备的3D打印材料具有早期强度高、后期强度发展稳定的特点，可满足建筑3D打印施工连续性和强度要求。丁铸等[34]基于3D打印技术的进步，阐述了3D打印技术相对于传统建筑技术的优势以及3D打印技术对材料的工作性、耐久性和机械性能的要求。常西栋等[30]在国外文献对3D打印混凝土材料性能分析得到的性能评价指标的基础上，对五大评价指标包括流动性、可挤出性、可建造性、凝结时间及力学强度进行了介绍，阐述了测试方法，并提出3D打印建筑技术存在的问题及未来的研究方向。马国伟等[35]给出了建筑规模3D打印混凝土搅拌设计的一般要求（图2），原则上，胶凝材料应具有易挤出、易流动、易成型、机械性能好、凝结时间适宜等特点，以达到从打印喷嘴到浆料的连续状态，保证自由结构的快速成型。

图2 建筑规模3D打印混凝土拌制设计的一般要求[35]Fig.2 General requirements for building-scale 3D printing concrete mixing designs[35]

综上，3D打印建筑材料应满足流动性、挤出性、建造性、凝结特性及力学性能的基本要求，其中，挤出性、建造性和凝结特性是3D打印混凝土的特有性能。挤出性指打印材料通过打印设备连续打印的能力以及通过打印喷头流畅堆叠进行沉积的能力，且需保证打印的图层不因为自重而产生变形[36]。挤出性是3D打印混凝土的一个重要参数，Khalil等[37]设计的拌合物中砂子的最大粒径为2mm，该材料在挤出过程中不会发生堵塞。建造性是3D打印混凝土的又一个关键参数，指混凝土保持其挤出形状，能承受后续打印自重而不产生变形、坍塌和倾斜[38]。凝结特性对3D打印混凝土的挤出性和建造性等影响显著，打印速度和打印材料的固化速度对打印建筑施工速度、打印结构和生产模式等起决定性作用[39]，因此，有效打印时间可定义为新拌混凝土保持良好的工作性并便于打印的时间段。

显然，是否具有良好的工作性决定了3D打印混凝土能否用于无模增材建造，而3D打印混凝土的工作性与测试方法直接相关，在一定的测试条件下才有意义。相同的混凝土采用不同的测试方法，其工作性可能有显著的差别，例如在喷嘴尺寸较大的设备上判断为挤出性良好的混凝土，在喷嘴尺寸较小的设备上可能无法挤出。但是，现有研究成果均基于各机构自主研发的试验设备，测试方法不统一，导致3D打印混凝土的工作性难以界定，而根据环境和地区的差异选择适量的缓凝剂或促凝剂，能灵活控制凝结时间和硬化速度[40]，或能有效解决上述问题。

2.2 现阶段常用的3D打印水泥基材料

可靠的3D打印建筑材料是实现3D打印建筑技术的基础，也是推动3D打印建筑技术发展的核心，但同时3D打印建筑材料也是制约和阻碍3D打印建筑技术发展的瓶颈。能否实现3D打印建筑技术的应用，主要还是取决于3D打印建筑材料的发展。

丁铸等[34]介绍了四种常用的水泥基3D打印建筑材料：硅酸盐水泥基材料、硫铝酸盐水泥基材料、磷酸盐水泥基材料和地聚合物水泥基材料，其中，硅酸盐水泥基材料和硫铝酸盐水泥基材料是由普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥作为主要的胶凝材料，由适用的最优粒径和最优级配的骨料起支撑性作用，以具有一定活性的工业固体废弃物粉料作为掺合料，同时，为满足挤出性能，还加入了适量的外加剂[2]。蔺喜强等[33]选用河北唐山北极熊建材有限公司生产的快硬硫铝酸盐水泥（Sulphoaluminate Cement,SAC）、20～40目和40～70目机制尾矿砂、适量的早强剂和缓凝剂，以及保证材料粘结性和稳定性的自制复合体积稳定剂（Volume Stabilizer,VS）作为打印材料，该3D打印材料能满足早期强度、凝结时间等各方面性能要求，促进了3D打印技术的推广应用。磷酸盐水泥基材料能够快速硬化和凝固，且早期强度高，具有良好的耐磨性和干缩性。汪宏涛等[41]研究了掺入磨细粉煤灰对磷酸盐水泥基材料凝结时间、强度及水胶比的影响，对适用于3D打印建筑材料的性能调节有重要意义。

以上四种水泥基材料各自特点，满足3D打印建筑技术的要求，但在使用中也面临许多问题。针对3D打印建筑材料的相关研究仍处于起步阶段，还需要进一步加强。

3 石灰石粉3D打印混凝土

3.1 石灰石粉的特性

石灰石粉（Limestone Power,LP）主要指由石灰石经机械加工后所得到的微细颗粒。石灰石和花岗岩是我国现今使用最广泛的集料。与花岗岩相比，石灰石的强度较低，易破碎，将其磨细加工为石灰石粉，加入混凝土和砂浆混合材料，能发挥微集料效应、微晶核效应、形貌效应、比重效应和分散效应[42]，是一种用途广泛的掺合料，能对混凝土或砂浆性能有所改善，有效降低加工费用，还能取代部分集料，改善水泥石的界面结构，有提高水泥石强度的作用[43-44]，并改善混凝土的可泵性、和易性等性能。石灰石在我国资源储量丰富，因此石灰石粉被广泛应用于建筑行业。

3.2 石灰石粉对混凝土性能的影响

水泥生产过程中会产生大量二氧化碳，必然会影响生态环境。为了减少二氧化碳排放量，保护生态环境，建筑行业中常用粉煤灰、矿粉等胶凝材料取代部分水泥，却面临粉煤灰资源有限的问题。石灰石粉可以替代粉煤灰，掺入了石灰石粉的混凝土，其凝结硬化、微观结构及耐久性能都有明显的变化。在保证混凝土流动性一致的情况下，在混凝土中掺入石灰石粉，能减少用水量，进而改善硬化后的孔结构，使混凝土内部结构更加紧密。

周永祥等[5]的研究表明，石灰石粉具有一定的减水效果，在初始坍落度一样的条件下，随着石灰石粉掺量的增加，在30min和60min时间节点处混凝土坍落度损失逐渐增大。石灰石粉加入混凝土后对混凝土的工作性具有两面性，减水性是相对有利的，而坍落度损失大相对不利，具体应用要结合实际综合考虑。

史才军等[45]通过研究石灰石粉在水泥基材料中的作用机理及对水泥基材料耐久性能的影响，为石灰石粉水泥基材料的进一步探索奠定了基础，结果表明，在某种程度上，石灰石粉的粒径越小或掺量越大，越能加速硅酸盐水泥的水化，从而提高水泥基材料的性能。刘焕芹等[46]的研究也表明，石灰石粉能加速水泥中硅酸三钙的水化。张秀芝等[43]的研究结果表明，石粉在水泥浆体中起到填充、活化、加速的作用。

3.3 石灰石粉在3D打印材料中的可应用性

如上所述，3D打印技术对所用的材料有特殊要求，其性能要满足现有标准中建筑物对混凝土的强度和耐久性的要求，要有一定的经济性和环保性，打印材料的可堆积性和塑性阶段下层材料对逐渐增加的上层材料的承载力是最重要的性能。3D打印材料的性能要求主要有凝结时间、强度、工作性、层间粘结性、工业化生产五个方面。初凝、终凝时间间隔的大小决定了打印材料是否有足够的强度发展速率，以及是否具有在不同高度的材料自重作用下不变形的承载力。丁铸等[34]提出四种常用的3D打印水泥基材料，其中之一是硅酸盐水泥基材料，但是普通硅酸盐水泥存在水化速度和凝结速度较慢的问题，无法满足3D打印材料的性能要求。为满足3D打印建筑的要求，混凝土应具有凝结速度较快的特点，而石灰石粉在混凝土硬化中有加速作用，能加速硅酸盐水泥的水化，将石灰石粉掺入硅酸盐混凝土中，可弥补硅酸盐混凝土用于3D打印建筑时的弊端。

4 存在的问题及进一步研究方向

3D打印建筑技术已成为业界关注的热点，有广阔的发展前景。随着工业精密机床技术的发展成熟，制造符合技术要求的3D打印机成为可能。改善原有适用于3D打印建筑材料的相关性能或探索新的符合3D打印的新型建筑材料成为3D打印技术的根本，3D打印建筑技术在不断进步的同时，对混凝土的性能有了新的要求。现有的研究只是在常用的3D打印混凝土的基础上进行改善和加强。目前提出的适用于3D打印建筑技术的水泥基材料依然面临许多问题，如硅酸盐水泥基材料存在水化时间长、凝结速度慢的问题，可掺入石灰石粉弥补这一弊端。研究具有良好性能，且满足低能耗、低污染等节能减排、绿色环保要求的3D打印建筑水泥基材料是当前3D打印建筑技术推广应用的关键。针对3D打印建筑材料，目前依然没有具体的评定标准，其评定指标是一个有待深入研究的问题。而节能减排、绿色环保将不再局限于3D打印技术本身，3D打印建筑材料性能的改善也能通过添加工业废料、生产的副产物等来实现。因此，3D打印建筑材料评定指标及打印材料的性能仍会是未来研究的重要方向，其绿色环保性也具有重要意义。