3D 打印水泥基复合材料发展和展望

王安卿，朱兆悦，王奕飞，鞠永康，龚子衡

（南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167）

0 引言

随着工业4.0 的推广，土木工程领域也在进行一系列的革新， 机械化和信息化正引领建筑施工技术的发展。 传统混凝土除了建筑结构施工需耗费大量的人力资源、 同时还存在材料消耗量大及环境污染等问题。 尤其当遇上结构形式复杂、个性化程度高的建筑结构施工时， 制作所需的模具及后续的混凝土施工过程都存在一定的难度， 施工中的模具也不可再次使用， 带来浪费的同时也增加了生产成本。 所以，合理采用更高效性、节约性的新型3D 打印混凝土技术便很有必要。

回收利用固废，研究新型的3D 打印复合型材料，使其在保证力学性能能满足结构强度和延性要求的同时，也能满足泵送性、可挤出性、可建造性、可粘结性、施工时间、早期强度和绿色环保等方面要求，这对于3D 打印混凝土（3DPC）的预期价值实现具有重要意义。

1 环境友好型3D 打印ECC 的研究现状和展望

1.1 3D 打印混凝土技术与高延性水泥基复合材料

相对于传统混凝土而言，ECC 中加入了一定量的纤维，具有更高的抗拉强度、抗弯强度和抗剪强度，还具有很高的韧性和延伸率。 这种材料可发生较大的形变，从而提高建筑结构的抗震性、防爆性，其还可提高基础设施的可靠性，延长建筑的使用寿命。 与传统混凝土技术相比，3D 打印混凝土技术具有高效性、可变化性。由于其的可变化性，让其更能适应各式各样的建筑模型，满足不同建筑需求。 其它还可以回收利用材料，减少建筑资源浪费，从而节能减排。 故而将混凝土3D 打印技术与ECC 结合很有可能是未来土木工程材料发展的一个热点方向。

由于3DPC 的制备胶凝材料用量高，粗骨料使用较少，3DPC 具有较高的开裂风险， 降低了延展性能。 所以，常在3D 打印水泥材料中加入纤维等材料，加强其的各项性能。新加坡学者Panda 等[1]掺杂0.25%～1% (体积分数) 的玻璃纤维对3DPC 的性能影响进行研究， 结果表明在混凝土材料中掺杂1%的玻璃纤维可大大改善3D 打印混凝土的抗拉、抗弯性能。新加坡南洋理工大学Ma 等[2]研究发现，玄武岩纤维能够有效提高3DPC 的各项强度。悉尼科技大学Shakor 等[3]发现，掺杂1%的聚丙烯纤维（PP 纤维）能提升材料的抗弯抗折强度以及可塑性。 上海建工集团工程研究总院占羿箭[4]利用数值模拟方法研究了纤维增强3DPC 受剪破坏，发现纤维能显著提高3DPC 裂后韧性，但其性能仍然弱于正常浇筑成型的混凝土。 浙江大学孙晓燕等[5]研究多壁碳纳米管对3DPC 性能的影响发现， 碳纳米管对3DPC 的早期强度具有很大的提升， 但对3DPC 流动性没有明显影响。浙江大学汪群和高超[6]探索了掺杂聚乙烯醇纤维（PVA 纤维）对3DPC 的影响，PVA 纤维的掺杂和3DPC 的流动性呈相反关系，增加PVA 纤维掺杂量会降低流动性，还发现掺杂合适的PVA 纤维量可提高3D 打印混凝土建造时结构的形状稳定性。 因此， 研究掺入纤维的种类、长度、掺量等对影响3D 打印ECC 性能具有重要意义。

3D 打印技术则具有可不使用模板进行施工以及快速成型等的特点， 且运用纤维增强混凝土还可满足各类特异性结构的需求，例如仿生、异型曲面、拓扑优化等特殊结构。 从仿生学的方向上，相对于浇筑整体结构，分层堆砌结构更合理。 贝壳珍珠母是由脆性材料文石（CaCO3）构成的，但通过分层堆砌的结构， 将原本脆弱的材料变成十分坚硬的结构。 文石层间的矿物桥、纳米粗糙颗粒、聚合物等结构， 使贝壳在荷载作用下出现了裂缝偏转和分叉等现象，避免了单一裂缝的脆性破坏形式。而3D 打印的堆砌叠加成型的工作模式正好与贝壳珍珠母对分层结构具有一定的相通点。 Yu 等[7]使用PE-ECC 作为原材料， 通过在层间间隔放置PVC 薄膜实现桥接与分隔， 打印出了抗弯强度达15 MPa，极限挠跨比超过1/20 的无筋仿生梁结构。所以，在3D 打印混凝土材料中添加适量的纤维材料以及选用正确的打印方式可化须通过堆砌叠加成型程序这一呆板固定的劣势化为优势， 大大提升材料本身所不具备的强度。

1.2 利用固体废料资源化

将建筑废弃物、 工业生产垃圾和尾矿作为3D打印技术的重要原材料以制备打印所需的水泥基材料， 则不仅可降低3D 打印所需的材料成本，同时减少废料占用土地资源，减少环境污染。 用其取代传统混凝土中的砂石料，代替凝胶材料，既可改善材料性能，也可充分利用废料、尾矿等原本不可利用的资源，减少水泥的用量从而降低碳排放，有助于发展环境友好型工程技术。

在3D 打印砂浆中用再生骨料取代细骨料会降低其力学性能，在取代率不超过50%时，随着取代率的增加强度逐渐降低。肖建庄团队针对在3D打印混凝土中使用再生砂粉替代天然砂或水泥的可行性进行了研究， 结果表明再生砂粉对砂浆早期力学行为有显著影响[8]，再生砂粉具有高吸水率的特点，可以大大减少构建开放时间，并提高打印构建的早期强度和后续的可塑性、可建造性，但加入再生砂粉会降低混凝土的各项力学性能。

1.3 应用优化分析

目前在纤维类型选定、 打印加工完成后的结构力学稳定性评估以及施工工艺与装备研究等领域还面临着需克服的技术困难， 针对目前所存在的问题，大致可从以下几点考虑3D 打印水泥基复合材料的优化方向。

1.3.1 纤维

目前市面上的纤维类型、规格和尺寸繁多，学者们目前研究较多的有碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维和钢纤维等。 面对如此多的纤维品种，如何选择纤维匹配构件所需的力学性能，还需进一步的研究。 此外， 纤维的可搅拌性、 混凝土水泥基的力学适应性、打印时纤维的排布规律、挤出后如何确定纤维的排布分列及分散性及纤维本身的耐久性等都会是3D 打印混凝土技术范畴的研究重点。

1.3.2 煤基固废材料

随着国内外科学家的不断研究发现， 设计3D打印混凝土水泥基配合比时，可使用硅灰、粉煤灰、各种生产尾矿等固废代替水泥作为凝胶材料。由于现在3D 打印技术不成熟， 还需要进行实验测试，设计出具有更好的打印效果的配合比，提高3D 打印混凝土的各项性能。

1.3.3 打印工艺和设备

物料从混合均匀到挤压成形的时间距离、打印机层高和喷头孔径、印刷效率和物料挤压效率等技术参数对物料的印刷工程特性以及印刷系统的力学性能均有重要的影响。另外，如何实现连续打印，决定了大型纤维强化混凝土结构打印工程的进展。所以，还需更为细致、系统的研究，才能探索出最适宜进行3D 打印ECC 的施工工艺和技术形式。

2 机器学习与混凝土强度预测

伴随时代的发展， 对建筑的要求越来越高，各种新型的技术层出不穷，3D 打印技术、大数据深度学习、BIM 等， 不断地挑战刺激了新型混凝土的快速发展，推动了进一步的研究，以开发新的预测模型，可预估混凝土的各项性能，优化混凝土配合比。为能更好应对和适应各种设计规范和标准的要求，混凝土力学性能的预测现在已经成为一项很重要的研究任务。传统的混凝土力学、流变学、耐久性和其他性能预测模型基本上是由实验数据的统计分析发展而来的经验关系，其中已经建立了线性和非线性回归模型。这些模型在某些情况下证明是很有效的，可节省一定的时间和成本，但也还存在一定的缺陷，难以处理复杂材料混凝土试块，建立经验模型所需的昂贵的成本等。 为弥补传统线性和非线性回归模型的缺点，ML 技术最近被引入预测混凝土力学强度，使用这种预测工具可节省昂贵和耗时的试验批次和相关的实验工作，以达到所需的混凝土强度。

3 结语

3D 打印技术具有高效性、可变化性，由于无需模板，能减少材料的使用量，更符合环保的要求。与普通混凝土相比，纤维强化混凝土材料具有更加优异的各项强度性能，还具有高韧性，高延伸性。可提高基础设施的可靠性，延长建筑的使用寿命，利用固体废料替换水泥基中的凝胶材料，能大大减少固体废弃物的累积，减小对环境的破坏，有利于可持续发展。 因此加快进行对3D 打印高延性水泥基环保复合材料的进一步研究， 有利于减少环境污染，增加固体废弃物的利用率，推动建筑行业的进一步发展。