混凝土3D打印材料及3D打印模板技术应用进展

孙凯利，吴翔强，蔺喜强，李国友，李新健，孙志鹏

(1.中国建筑股份有限公司技术中心，北京 101300；2.中建工程产业技术研究院有限公司，北京 101300；3.杭州中宸城镇建设有限公司，杭州 310021)

0 引 言

水泥基材料自发明以来因其较好的使用特性成为当今用量最大、范围最广的建筑材料，并随着时代的发展不断实现自身的变革[1-3]。在科技进步的当下，社会正逐渐迎来数字建造及智慧建造的蓬勃发展。作为快速成型领域的典型，3D打印成为引导第三次工业革命的重要生产技术[4]，成功开创了建筑领域的新发展方向，并推动建筑业向着数字化、自动化、绿色生态化的重大变革不断迈进[5-9]。

3D打印技术在建筑技术中的合理应用，可提升传统建造的机械化程度、提高施工效率、解放劳动力，同时增材制造的形式可最大限度地降低生产过程中产生的废弃物[10-12]。混凝土3D打印是建筑3D打印的重要组成，随着研究的深入开展，材料的流变性、可挤出性、可建造性、凝结时间和力学性能等成为评价混凝土3D打印材料性能的普遍共识[13]。此外，从材料成型的概念来说，混凝土是典型的模塑材料，而3D打印是一种新型的“去模化”增材制造技术[14]，可替代异型构件的模板。因此，充分利用3D打印技术优势为工程建造提供个性化3D打印模板是3D打印技术在建筑工程中应用的一种有效形式。

在推进绿色建造、智能建造的时代背景下，混凝土3D打印技术具有良好的应用前景和巨大的潜在发展空间。本文以混凝土3D打印技术为出发点，阐述了混凝土3D打印的发展历程，并从3D打印混凝土材料的设计使用及3D打印模板技术应用两方面展开综述，以期为建筑3D打印的研究和发展提供参考与借鉴。

1 3D打印技术

3D打印技术运用数字化控制，通过将材料逐层打印完成数字模型到实物的转化，其概念在20世纪末的美国与日本独立产生，随后，世界上首家3D打印设备公司“3D systems”在美国成立，该公司进行了系统的技术性探索，为3D打印技术的更广泛研究提供了早期的启蒙指引，3D打印技术逐步进入快速发展期。

建筑3D打印源于Pegna[15]提出的一种以水泥基材料逐层累加为基本原理的异型构件建造方式。随着相关技术的不断发展，建筑3D打印逐渐形成了以轮廓工艺[16]、D-Shape粘结沉降成型工艺[17-18]，“混凝土打印”技术[19]为主的三种建造方式。通过混凝土连续3D打印的方式实现建筑物的建造，为建筑业带来突破性的变革，对节能、优化设计、降低成本等方面都有显著的效果。同时，打印设备的智能化及打印材料制备技术的成熟化，为建筑3D打印的发展奠定了良好的基础[20-21]。

2 3D打印在建筑行业中的技术发展

2.1 混凝土3D打印材料特性研究

稳定的打印材料是建筑3D打印的核心，是实现在3D打印建造工艺中输料系统、布料系统及打印路径控制系统间协作使用的关键。为适应建筑3D打印技术的需要，研究人员在混凝土材料流变性、可挤出性、可建造性、以及力学性能等方面展开了丰富研究[22-24]。

良好的流变性是混凝土可打印的关键之一。混凝土材料自加水拌和起即开始发生水化硬化，在打印过程中既需要混凝土材料在一定时间内保持好的工作性能，同时层铺堆叠的无模板建造工艺需要已挤出层为后续打印层提供强度支撑[25-27]。Roussel等[28]认为在打印的过程中水泥基材料展现出宾汉姆流体的流变特性，即当施加应力高于材料屈服应力临界阈值时材料才会流动，并以此为出发点从材料的屈服应力、黏度、弹性模量、临界应变等多角度论述了3D打印混凝土材料的流变学特性，其结果显示，适宜的屈服应力是3D打印混凝土材料有别于传统混凝土的显著标志。此外，研究人员通过矿物掺合料、纳米微粉等比表面积较大的物质来调节混凝土的触变性，以此改变浆体的屈服应力，达到调节浆体流变性的目的，除材料配比外，在既有报道中，研究者们还通过调整水胶比、化学外加剂等来获得混凝土良好的流变性能。

在混凝土3D打印的工艺过程中，挤出性一般被定义为将新拌混凝土作为连续长丝输送到挤出机料斗中的喷嘴并顺利通过打印头喷嘴进行沉积的能力[29-32]。混凝土3D打印是多系统的协调工艺流程，需要材料与机械间的配合，为此，研究人员对骨料粒径[13,33-36]和打印速率[31,37]等影响混凝土3D打印工艺间协调性的因素进行了广泛探究。在传统混凝土构成中，骨料占据绝对的体积，然而，从材料学的角度分析不难得出，骨料粒径越大，含量越高，将使打印混凝土离散性变大，材料出机可控性降低。足够的浆体量将提升混凝土在机械中的润滑性[29]，但增大打印混凝土中胶材用量或降低骨料粒径在使打印成本提高的同时，基体开裂的风险也会增大。Malaeb等[13]发现，当打印材料中骨料的最大粒径Dmax小于喷嘴直径的1/10时，打印材料可顺利通过喷嘴挤出。随后，Cheikh等[34]通过数值模拟与试验操作两种方式相结合，系统探究了浆体流变性、骨料尺寸与打印机喷嘴直径间的协作性。研究表明，存在骨料粒径与打印喷头直径的比例系数，使混凝土与打印机具有良好的适应性，并较易获得良好的挤出和打印效果。Nerella等[36]通过定义单位能，即每挤出单位体积所消耗的能量，来定量表征材料的可挤出性，发现较细砂的挤出能是较粗砂的1.62倍。除材料影响外，研究显示，打印过程中材料属性、打印头的挤出速率及打印头移动速率间的匹配程度是影响打印材料连续性、基体密实性及形状稳定性的关键[37-39]。

若将建筑3D打印进行阶段划分，则流变性及可挤出性是工艺的前期基础，而可建造性和力学性能将是对该工艺的实践性检验。当前，评价3D打印材料可建造性的规范及测试流程并未完善，根据可建造性的定义要求，人们对打印材料的建造性进行了许多探索性研究[31,40-43]，并总结了单层变形屈服失效、底层变形失效、层间形状不均以及超临界高度失稳等典型的建造失效形式[23,44]。图1为典型的挤出断料及建造性不良形式。

图1 典型的挤出断料及建造性不良形式Fig.1 A typical form of extrusion breakage and different failure patterns

Perrot等[45]以早龄期下混凝土打印材料的受压行为作为出发点，基于使材料发生塑性变形的临界应力与作用于前一打印层上的垂直应力的比较，建立了可建造性的强度破坏评价准则。并通过实际打印效果证实，在合理的建造速率及结构基础上，可确保竖向应力不超过临界应力，达到稳定可靠的建筑效果。Kazemian等[46]设计了以高度变化为核心的“层沉降”和“圆柱体稳定性”两种评估形状稳定性的试验方法，以期达到定量表征混凝土材料可建造性的目的，图2为该试验装置。Yuan等[42]亦从建筑材料变形的角度出发，通过监测堆叠过程中各打印层间的变形情况，对混凝土3D打印材料的可建造性进行评价。

图2 圆柱稳定性测试[46]Fig.2 Cylinder stability test[46]

随着研究的深入，人们发现通过优化颗粒级配可以实现材料挤出与材料建造间的协调，同时良好的级配也为打印构件的后期使用服役提供保障。Weng等[35]通过打印柱体层高的方式，对比了Fuller Thompson级配、均匀级配、Gap-Gradations级配和天然河砂级配对可挤出性及可建造性的影响，图3为该试验过程。结果显示，基于Fuller Thompson级配的材料表现出来最佳的使用效果，可打印至40层而不崩塌变形。证明Fuller Thompson级配是配制良好可建造性3D打印水泥基材料的有效方法。

图3 一种通过打印层高评价材料可建造性的方法[35]Fig.3 A method for evaluating print material buildability by printing layer height[35]

当前，在可建造性的研究过程中取得了许多成果，但打印窗口期[46-47]、打印制度[27,37]、各层间的循环时间[39]及材料的物理化学反应[48]等都是影响建筑3D打印混凝土可建造性的重要因素。因此，想要获得科学规范的测试方法及具体的评价指标仍需不断探索和积累。

混凝土3D打印材料的力学性能可划分为新拌浆体早期力学性能和硬化后力学性能。其中，早期力学性能与混凝土3D打印材料的可建造性密切相关，同时，无模的施工特性使得早期力学性能尤为关键。为此人们对混凝土打印材料早期的强度、刚度、应力-应变曲线、变形特性等方面展开了广泛的研究[41,49-51]，其中Wolfs等[40]通过数学建模建立了一种较为可靠的早期3D打印混凝土的破坏准则，并通过无侧限单轴压缩试验和直剪试验验证了构建模型的有效性。研究发现，在0～90 min内，3D打印混凝土的杨氏模量、抗压强度和抗剪强度与时间呈线性关系，并与新拌混凝土的龄期成比例发展。同济大学团队[52]通过单轴无侧限压缩试验对早龄期3D打印浆体的力学性能进行了系统试验，并全面分析了早龄期(2.5 h)打印浆体的破坏模式、竖向荷载位移关系、侧向变形和应力应变特性，为混凝土3D打印材料早龄期条件下力学性能探究提供了丰富的参考依据。

区别于传统混凝土结构，层间堆叠的打印形式使硬化后的3D打印混凝土结构存在大量的界面结构并使其具有各向异性的力学特性[30]。在试验探究的过程中，人们发现影响强度各向异性的关键因素是界面结合强度较弱，并从打印制度及打印材料等角度开展了系列探究。在打印参数方面研究人员发现，打印时间间隔对界面的影响显著，打印时间间隔较长将会导致界面“冷缝”和更多缺陷，使层间粘结性不良[44,53-56]。其中，Panda等[57]将较好的打印间隔定义为“窗口时间”，并以此来评估间隔时间对粘结强度的影响。结果表明，当打印时间间隔在窗口时间时，界面效果较好。除打印参数外，Nerella等[58]分析了火山灰矿物存在条件下打印时间间隔对界面的影响，发现火山灰矿物的存在可以弱化打印时间对界面粘结性造成的影响，当前，通过内掺材料改善3D打印材料层间界面粘结性是实现界面优化的方式之一[58-59]。另外一种常见方法如图4所示，即在界面处增加附加层以此优化界面效果[60-61]。

图4 一种附带界面粘结层的打印形式[61]Fig.4 A form of printing with an intermediatebonding layer[61]

Ma等[62]以纤维素纤维、石灰石为填料制备了界面材料，并通过层间拉伸强度试验、剪切粘结强度试验(如图5所示)以及微观试验证实，掺加的保水组分既可降低早期失水造成的收缩，也可以实现较好的内养护效果，增强界面性能。当前，虽然存在多种方式改善建筑3D打印材料的力学性能，但关于界面结合强度、力学性能、耐久性等各性能间相互关系的研究还很有限，同时缺乏规范的评价方式，尤其是对早期压缩条件下的标准化程序或规范流程还没有明确提出和建立，建立更加系统的试验探究及科学规范体系将对建筑3D打印提供更有利的支撑。

图5 一种测试界面力学性能的方法[62]Fig.5 Schematic illustration of test setup for interfacial mechanics[62]

建筑3D打印技术作为智能建造的重要表现形式，尽管在复杂的材料和结构设计方面面临着巨大的挑战，但建筑3D打印始终在发展中前行。其中，常用的建筑3D打印材料为水泥砂浆，在实际应用中易造成开裂。为改善现状并契合大型建筑的3D打印施工，大粒径骨料3D打印混凝土[63-64]及3D打印纤维增强混凝土[65-67]被研究应用。此外，在绿色生态发展的时代背景下，建筑3D打印中的材料体系被不断丰富革新，各种类型的矿物掺合料[68-69]、地聚物材料[70-73]、沙漠砂[74]、尾矿[31,52,75]等均可用作良好的建筑3D打印材料。另一方面，超高韧性混凝土(engineered cementitious composite, ECC)、超高性能混凝土(ultra-high performance concrete， UHPC)、新型复合外加剂等[76-80]也被应用于建筑3D打印技术中，为提升建筑3D打印的综合性能及未来建筑中的蓬勃发展发挥作用。

2.2 混凝土3D打印在建筑技术中的发展

随着3D打印技术的不断发展，3D打印在建筑领域中的应用不断增多。在建筑3D打印发展的早期阶段，以3D打印外形设计的高自由度为起点，形成了种类丰富的艺术景观及建筑小品打印件，并在一定程度上实现了建筑与艺术紧密结合。随着技术的提升与材料设计的成熟，3D打印构筑物由单纯的造型艺术转变为兼具艺术与实用价值的新型建筑。图6为混凝土3D打印实例，如图6所示，在建筑3D打印逐渐发展和深化的过程中，研究人员在打印的中空墙体中附加配筋并浇筑混凝土，以适应大型建筑结构的打印。

图6 混凝土3D打印实例Fig.6 Examples of concrete 3D printing

建筑3D打印虽起源于国外，但近年来其应用在国内取得了一系列的发展和成就。中国建筑股份有限公司技术中心、盈创(上海)建筑科技有限公司等一些企业单位在建筑3D打印设备、材料及发展应用方面进行了大量的探索。

充分利用3D打印技术在构型设计等方面的优势来实现建筑结构中一些复杂构造或传统模板较难施工的构件是相关科研人员的重要研究方向之一,图7为3D打印钢筋混凝土梁、板。可见，建筑3D打印正逐渐融入到建筑的各关键构造中。同时，建筑3D打印技术是材料、编程、机械设备等的集成，为满足不同条件下的施工作业，相关配套的软、硬件在不断丰富和发展[27]。

图7 3D打印钢筋混凝土梁、板[82]Fig.7 3D printing reinforced concrete beams and panel[82]

相对于传统建造技术，3D打印技术拥有数字建造(产业升级)、降维建造(化繁为简)、降序建造(工艺简化)、快速建造(提高效率)、增材建造(减少浪费)、精密建造(提高质量)的显著优势[6]，当获得足够的积淀，3D打印技术将在建筑领域取得更广泛的成就。

3 3D打印模板在装饰及异型构筑物的应用

高昂的模板成本及庞大的建筑废弃物是传统混凝土建造所面临的两大挑战。曾有学者对建筑模板成本进行过专门的统计，结果显示[12]，在悉尼CBD(中央商务区)混凝土施工项目中，模板成本占据了总成本的80%。另外一项英国本土的调查也发现，在英国建筑和拆卸活动产生垃圾量占境内所有废弃物的30%以上，同时大约32%的填埋垃圾和25%的使用过原材料来自建筑业[11]。

庞大的建筑废物产出，不仅是资源的严重浪费，同时也造成潜在的环境污染，与当今绿色生态可持续的发展理念相悖。而混凝土3D打印增材制造的特性，在保证自身无模施工的同时，可作为传统混凝土的免拆永久模板。此时，整体结构保有外形设计的高自由度，以电脑模型设计为蓝本的增材制造模式将最大限度地降低了材料的浪费。也正是在鲜明的优势对比下，造就了3D打印模板在建筑装饰及异型构筑物建造中的良好应用前景。

根据应用领域的不同，现阶段免模板的3D打印技术在建筑领域主要分为以下四个方面。

3.1 3D装饰造型模板

混凝土材料拥有极佳的可塑性，其硬化后的表面纹理、质感和色彩与模板密切相关，理论上可以创造任意造型。而3D打印模板技术为混凝土建筑艺术提供了良好的技术支持。3D装饰造型模板根据材料属性可划分为有机材料类3D装饰造型模板和无机材料类3D装饰造型模板，如图8所示，图8(a)、(b)分别为有机模板脱模制造和直接3D打印的装饰板。有机材料类3D装饰造型模板通常有较好的抗拉强度、抗撕裂强度和粘结强度，且耐碱、耐油，易脱模。同时，有机材料类3D打印装饰造型模板复刻造型清晰，使用寿命较高。无机材料类3D装饰造型模板用作永久的模板在展现艺术效果的同时，兼具极佳的结构使用效果。

图8 混凝土饰面板Fig.8 Concrete decorative board

应用3D装饰模板成型混凝土，可实现混凝土结构装饰一体化，包括仿石、仿木等任意造型，混凝土均可达到与原物体高度仿真的效果。图9为混凝土3D打印装饰造型模板。3D装饰模板还能实现大型曲面、镂空等特殊造型，满足混凝土特殊的几何空间造型需求，达到提高混凝土装饰艺术水平和美化建筑的效果(如图9所示)。

图9 混凝土3D打印装饰造型模板Fig.9 Concrete 3D printing decorative formwork

3.2 3D打印景观小品及公共设施

图10为混凝土3D打印景观小品及公共设施。如图10所示，城市中的公共设施建筑具有小型化和多样化的特点，同时城市景观及文化宣传等一般具有特殊造型，通过定制模板可能很难完成或者成本很高，而混凝土3D打印技术既可以满足快速制造，又能实现设计师特殊形状及文化信息的内涵要求。在推动建设美丽城市、人文城市的今天，应用3D打印工艺既可彰显科技建造新成就，又能降低传统石材雕刻对环境的污染，促进社会生态建设发展。

图10 混凝土3D打印景观小品及公共设施Fig.10 Concrete 3D printing landscape pieces and public facilities

3.3 3D打印房屋建筑及建筑部件

实现房屋等大型建筑的3D打印，是混凝土3D打印技术重要的应用方向。其中，直接打印配筋的实体墙或应用混凝土3D打印形成预制模壳，并通过组合的方式形成装配式3D打印建筑是3D打印在建筑中的几种重要具体展现形式。图11为应用混凝土3D打印按照建筑设计三维模型打印墙体的外轮廓，以打印的中空外壳为永久模板，中间填充混凝土或保温材料。

图11 混凝土3D打印模板的现场应用[81]Fig.11 Field application of concrete 3Dprinting formwork[81]

如图12所示，随着建筑3D打印技术的完善与人们观念的转变，大型建筑3D打印示范逐渐涌现。此外，将建筑3D打印技术应用到空间建造也在人们的设计规划中[18]。

图12(a)中展示了国内首座基于“轮廓工艺”打印完成的双层建筑原位3D打印办公楼，其极高的建造效率充分展现了建筑3D打印的技术优势。图12(b)中展示的双层别墅是通过优化打印头设计而成，改善了建筑3D打印竖向配筋难的问题。图12(c)、(d)分别为盈创(上海)建筑科技公司制备的3D打印预制模壳和3D打印建造的中式庭院。

图12 3D打印建筑Fig.12 3D printing buildings

3.4 3D打印桥梁及部件

混凝土3D打印在桥梁、市政轨道等工程项目中也展现了突出的潜在应用价值。

图13所示为混凝土3D打印在桥梁中的应用实例，图13(a)中的步行桥面为3D打印预制，并结合预应力技术完成最终拼装。图13(b)、(c)分别为清华大学设计并建造完成的拱桥和河北工业大学打印的缩比例赵州桥。拱桥的建造采用混凝土浇筑到预制3D打印模壳的方案。此外，图14展示了混凝土3D打印在桥梁异型墩柱中的潜在应用形式。在满足结构支撑的同时，打印的墩柱不仅免除了使用传统模板带来的成本，而且提供了良好的艺术效果。

图13 3D打印桥梁Fig.13 3D printing bridges

图14 传统桥梁墩柱与3D打印桥梁墩柱对比Fig.14 Comparison between traditional bridge pier and 3D printing bridge pier

4 混凝土3D打印技术展望

混凝土3D打印增材制造及无模板的工艺特征，使其在提升建造效率的同时，较大程度地降低了建筑废弃物的产生量，与当前建造发展方向良好的契合。同时，3D打印技术的推广应用，可使建筑设计摆脱传统模板工艺的约束，大幅提升建筑设计自由度，并为复杂混凝土结构的实际建造提供有效的解决方案。在工程技术的发展与变革需求下，建筑3D打印将向着更长远的未来迈进。同时，建筑3D打印技术是多学科的跨界融合，涉及建筑模型、结构设计、材料优化、系统集成等，其复杂性不言而喻。同时，在明确发展方向的基础上，打印材料的稳定性、工艺设备的创新性以及标准体系建设的规范化，仍是未来需关注的重要方向。