肖博豐 李古

（廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 前言

3D打印技術(shù)（3D printing technology）是一種快速成型技術(shù)，又稱為增材制造，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用各種可印制（或可打?。┑恼澈喜牧?，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。

隨著3D打印技術(shù)的研發(fā)，越來(lái)越多的人意識(shí)到3D打印技術(shù)的可拓展性，該技術(shù)也被越來(lái)越多地應(yīng)用在更多更廣的領(lǐng)域。從開(kāi)始的塑料材料3D打印技術(shù)，到之后與醫(yī)學(xué)、航天、制造業(yè)等的合作與融合，都印證了3D打印技術(shù)具有高度的包容性和產(chǎn)業(yè)技術(shù)革新性。

建筑行業(yè)也不例外，可以通過(guò)3D打印技術(shù)生產(chǎn)出更精確，甚至近乎完美的組件[1]。此外，采用3D打印技術(shù)有著無(wú)需搭建混凝土澆筑模板即可打印建筑構(gòu)件或建筑，打印系統(tǒng)的智能化和操作流程的簡(jiǎn)單化，打印施工只需配置少量人員即可完成部品或建筑等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]。目前，關(guān)于建筑建材的3D打印技術(shù)還處于初始階段，需要更多的試驗(yàn)研究去發(fā)展和完善現(xiàn)有的3D打印技術(shù)，使其成為成熟且具有工程意義的高水平技術(shù)。

本文主要對(duì)3D打印材料與工藝及3D打印混凝土的試驗(yàn)方法與相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行綜述，并對(duì)混凝土3D打印技術(shù)存在的問(wèn)題及未來(lái)的方向提出看法。

1 混凝土3D打印材料與工藝研究

3D打印材料的通用性來(lái)自系統(tǒng)的多樣性，但對(duì)于每個(gè)具體的應(yīng)用，可用材料仍然是有限的，仍有待進(jìn)一步探索[3]。如今，國(guó)內(nèi)外有不少關(guān)于混凝土3D打印材料的研究，關(guān)注點(diǎn)主要在水泥基材料本身及外加劑或纖維增強(qiáng)上，從而改善混凝土3D打印過(guò)程中的構(gòu)件性能或打印能力。

1.1 混凝土3D打印材料研究

目前，3D打印混凝土膠凝材料主要以無(wú)機(jī)材料為主，如硅酸鹽水泥、干混砂漿、粘土類、專用石膏材料等，也有以環(huán)氧樹(shù)脂為主要代表的有機(jī)材料[4]。

石叢黎等[5]通過(guò)對(duì)3D打印混凝土技術(shù)的試驗(yàn)和初步探索，發(fā)現(xiàn)采用普通水泥和快硬性水泥的復(fù)配，能夠解決普通水泥凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)而導(dǎo)致的構(gòu)件打印強(qiáng)度支撐問(wèn)題，因?yàn)榭煊菜嗄茉诙虝r(shí)間內(nèi)提供支撐結(jié)構(gòu)其他未凝結(jié)硬化部分的強(qiáng)度，同時(shí)，采用輕質(zhì)集料減輕混凝土材料自身的重量也可以增加打印的高度。邱鵬鵬[6]在開(kāi)展硫鋁酸鹽水泥作為3D打印材料研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，硫鋁酸鹽水泥具有凝結(jié)硬化快、早期強(qiáng)度高、后期強(qiáng)度仍穩(wěn)定、收縮率低、低溫性能好、耐腐蝕性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是理想的作為3D打印的膠凝材料，而且，硫鋁酸鈣鹽水泥的加入，能夠通過(guò)提高水泥漿的屈服應(yīng)力使得打印后的各層砂漿具有更好的可建造性[7]。

3D打印混凝土的性能不僅與水泥有關(guān)，材料中的砂率也會(huì)有影響。當(dāng)砂率小于0.235時(shí)，隨著水泥摻量的增加，混凝土的靜屈服應(yīng)力也會(huì)隨之增加，但對(duì)高砂量（大于0.24）而言則相反[8]。

此外，外加劑或纖維增強(qiáng)也能改變3D打印混凝土的打印性及性能。石叢黎等[5]和Rubio等[9]在其材料中加入聚丙烯纖維、增稠劑及自制的柔性調(diào)節(jié)劑，發(fā)現(xiàn)纖維和外加劑能提高材料的觸變性、柔順連續(xù)性。而引氣劑的使用，不但能夠降低混凝土的彈模，提高混凝土的抗?jié)B性能、抗凍性能，更重要的是引氣劑引入微小、均勻獨(dú)立氣泡，起到了滾珠效應(yīng)，使骨料顆粒間摩擦力減小，增加了水泥漿體的體積，降低混凝土的塑性粘度[6]。

雷斌等[4]進(jìn)行了3D打印混凝土材料的制備方法研究，在混凝土中加入活性礦粉，發(fā)現(xiàn)粉煤灰、硅粉、礦粉、陶瓷拋光磚粉等礦物摻合料的活性成分能大幅提高打印構(gòu)件的強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)的致密度，從而提高材料的耐久性能和結(jié)構(gòu)的使用壽命。Tohamy等[10]通過(guò)在混凝土材料中加入聚丙烯纖維進(jìn)行3D打印研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維可防止打印混凝土樣品剝落，在一定程度上優(yōu)化混凝土在打印機(jī)輸出端口的擠出過(guò)程，并得到均勻、連續(xù)的打印試體結(jié)構(gòu)，同時(shí)，聚丙烯纖維可在一定程度上抑制混凝土構(gòu)件裂縫開(kāi)裂，但是聚丙烯纖維摻量過(guò)多會(huì)降低混凝土的抗?jié)B性能。Kazemian等[11]發(fā)現(xiàn)相對(duì)于聚丙烯纖維，硅灰和納米粘土的混合效應(yīng)對(duì)于3D打印混凝土的影響更明顯，且提高了混凝土打印后的形狀穩(wěn)定性，但是，單就硅灰和納米粘土的比較而言，硅灰的水化反應(yīng)強(qiáng)于納米粘土，而納米粘土在靜止?fàn)顟B(tài)下的結(jié)構(gòu)重建變化率較好[12]。

Rubio等[9]研究不同的配比對(duì)3D打印砂漿流變特性和新鮮性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加24%的粉煤灰和8%的硅灰能夠顯著增加砂漿的強(qiáng)度、粘結(jié)性能、結(jié)構(gòu)均勻性和穩(wěn)定性，同時(shí)還降低了砂漿的流動(dòng)性、泌水和層間隔離度，提高了砂漿的擠出性能。Ma等[13]采用銅尾砂與天然砂的質(zhì)量替代比的六種混合方法研究3D打印混凝土的最佳配比，結(jié)果表明，由于銅尾礦顆粒較細(xì)，以坍落度、擴(kuò)展度和V型漏斗時(shí)間為特征的新漿料流動(dòng)性隨尾礦置換比的增大而增大，但混凝土的可打印性隨之降低。

Panda等[14]指出，短切玻璃纖維的加入能夠?qū)?D打印混凝土的力學(xué)性能有顯著提高，尤其是當(dāng)短切玻璃纖維摻量為1%時(shí)，在不同方向的抗彎、抗壓試驗(yàn)中均對(duì)抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度有所增強(qiáng)。Hambach等[15]對(duì)纖維進(jìn)行熱處理，提高纖維的分散性和親水性及纖維與膠凝基質(zhì)的粘結(jié)性，隨后進(jìn)行混凝土3D打印試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，處理后的纖維可增強(qiáng)復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度，特別是摻入1%的碳纖維能夠使構(gòu)件具有最高30MPa的抗彎強(qiáng)度。

Tay等[16]通過(guò)分析礦渣粉因素和混凝土自身數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，水膠比和砂膠比對(duì)混凝土坍落度和擴(kuò)展度的影響要大得多，進(jìn)而提出坍落度在4～8mm、擴(kuò)展度在150～190mm的混合物具有光滑的表面和很高的可建造性。Panda等[17]對(duì)硅灰和?；郀t礦渣（ground granulated blast-furnace slag,GGBS）的研究表明，GGBS對(duì)于水泥砂漿的新拌能力改善作用有限，但對(duì)其早期抗壓強(qiáng)度影響顯著，GGBS的加入可能促進(jìn)了均質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展，并產(chǎn)生了更強(qiáng)的三維網(wǎng)絡(luò)，而硅灰的加入對(duì)控制混合物在生料階段的屈服應(yīng)力和粘度有一定的作用。

Liu等[8]研究了砂、水泥、粉煤灰三元體系對(duì)材料靜態(tài)屈服應(yīng)力和動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)砂率體積分?jǐn)?shù)小于0.235時(shí)，材料的靜態(tài)屈服應(yīng)力隨粉煤灰摻量的減少而增大，此外，動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力隨粉煤灰摻量的增加而減小，當(dāng)砂率體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.28左右時(shí)，則隨水泥摻量的增加而增大。Rahul等[18]發(fā)現(xiàn)在3D打印混凝土中加入納米粘土可提高混合物的強(qiáng)度，屈服應(yīng)力也隨納米粘土含量的增加而增加，此外，粘度改性劑（viscosity modified agent,VMA）和硅灰的加入也會(huì)使混凝土的強(qiáng)度變高，穩(wěn)定性更好，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，屈服應(yīng)力隨著VMA和硅灰的加入而增加。

Mazhoud等[19]探討制造水下3D打印材料的可能性，通過(guò)在砂漿中加入水下不分散劑（anti-washout admixture）來(lái)研究其性能，結(jié)果表明，隨著W/C和水下不分散劑含量的增加，結(jié)構(gòu)累積速率逐漸減小，此外，水下不分散劑的加入降低了砂漿的滲透性。

不管是水泥種類的優(yōu)選，還是輔助膠凝材料/外加劑的選用，或是纖維的摻入，都會(huì)顯著影響3D打印混凝土的性能，帶來(lái)一定的正面效果。但實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)，過(guò)量摻入纖維會(huì)帶來(lái)消極的影響。而較多研究表明，硅灰的摻加能夠使混凝土的流變性能和可打印性達(dá)標(biāo)，因此，硅灰或是提升3D打印混凝土性能的較好材料。

1.2 混凝土3D打印工藝研究

除了材料本身，混凝土3D打印質(zhì)量的好壞也和機(jī)器、材料配比、流變性能等有密切關(guān)系。

藺喜強(qiáng)等[2]通過(guò)對(duì)快硬早強(qiáng)混凝土的3D打印研究發(fā)現(xiàn)，打印混凝土的工作性能和凝結(jié)時(shí)間控制是材料可打印施工的關(guān)鍵指標(biāo)，需根據(jù)3D打印工藝流程和打印速度調(diào)節(jié)至適合于打印，結(jié)果表明，初凝時(shí)間20～60min，砂漿流動(dòng)度170～190mm，強(qiáng)度等級(jí)C40～C50，可滿足一般的建筑部品或構(gòu)件的打印需求。Ma等[13]通過(guò)用銅尾砂與天然砂的質(zhì)量替換，確定了以水膠比為0.26，砂尾比為3:2，由70%的水泥、20%的粉煤灰、10%的硅灰和1.2kg/m3的短切聚丙烯纖維組成的配比能夠得到最佳的和易性。

Khalil等[7]研究出了利用普通硅酸鹽水泥與硫鋁酸鈣鹽水泥復(fù)摻的方法，最終配制出由93%的普通硅酸鹽水泥和7%的硫鋁酸鈣鹽水泥復(fù)配，水灰比為0.35，砂灰比為2，減水劑為0.26%的砂漿配比，其打印層數(shù)可以疊加到超過(guò)25層。

張大旺等[20]通過(guò)對(duì)3D打印混凝土材料及技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)器噴嘴的大小決定了混凝土拌合物配制中的顆粒大小，且必須找到最合適的骨料粒徑大小，粒徑過(guò)大，會(huì)堵塞噴嘴，而粒徑過(guò)小，包裹骨料所需漿體的比表面積大，漿體多，水化速率快，單位時(shí)間水化熱高，會(huì)導(dǎo)致混凝土各項(xiàng)性能惡化；同時(shí)，3D打印試樣的力學(xué)性能也受到噴嘴形狀、打印對(duì)象的復(fù)雜程度等打印參數(shù)的影響[21]。

Vaitkevi?ius等[22]將超聲波活化技術(shù)和3D打印技術(shù)結(jié)合，研究超聲波技術(shù)對(duì)3D打印混凝土的影響，從結(jié)果可知，超聲波活化使3D打印技術(shù)過(guò)程更容易控制，技術(shù)不再依賴環(huán)境條件（溫度和風(fēng)），可以得到更好的強(qiáng)度和更耐用的打印混凝土，在誘導(dǎo)前的水化過(guò)程中，用超聲波彌散儀激活粘合劑，可以產(chǎn)生更多的鈣礬石晶體，隨著鈣礬石晶體數(shù)量的增加，凝固時(shí)間大大縮短，可顯著提高打印速度；同時(shí)，在進(jìn)一步的水化階段，對(duì)比沒(méi)有超聲波活化的組別，超聲波活化使打印混凝土的力學(xué)性能提高了約10%。Nerella等[23]研究出一種新的現(xiàn)場(chǎng)3D混凝土打印方法，試驗(yàn)證明了可打印混凝土在新拌和硬化狀態(tài)下的重要性能，并提供了研究可打印混凝土的可泵性、可擠壓性和可建造性的試驗(yàn)方法。

Weng等[24]研制了一種新型的三維可打印纖維增強(qiáng)膠凝復(fù)合材料(3D printable fiber reinforced cementitious composite,3DPFRCC)，并進(jìn)行了大規(guī)模打印試驗(yàn)，在150分鐘內(nèi)成功打印出78×60×90cm3的結(jié)構(gòu)，表明該新型3DPFRCC具有良好的可建造性和可泵送性，同時(shí)證明了所研制的材料具有良好的流變性能和力學(xué)性能，適用于大規(guī)模打印。Jeong等[25]研究出一種新的算法，快速得出所需的流變特性，以防止在打印過(guò)程中混凝土的坍塌，在該模型中，新澆混凝土為Herschel-Bulkley流體，假定在層狀混凝土最大剪應(yīng)力超過(guò)屈服應(yīng)力之前不發(fā)生變形，試驗(yàn)表明，通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的分析結(jié)果，該模型能夠非常準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)坍塌的發(fā)生及位置。

材料和打印機(jī)也都扮演著重要的角色。Gosselin等[26]依據(jù)現(xiàn)有混凝土工程的局限性提出了新的工藝，研制了一種六軸機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)了幾何復(fù)雜性和打印的全面系統(tǒng)控制。Zuo等[27]通過(guò)對(duì)3D打印技術(shù)的研究，提出了一種基于尺度3D打印的三維設(shè)計(jì)模型合理性評(píng)估和全尺寸3D打印參數(shù)優(yōu)化方法，并研制了一種用于全尺寸結(jié)構(gòu)打印的五軸打印設(shè)備和大型龍門式高剛性3D打印機(jī)，在節(jié)約打印時(shí)間和材料的同時(shí)，3D打印橋梁模型與實(shí)物的最大偏差控制在0.9mm以內(nèi)，平均偏差在0.1mm以內(nèi)。

Marchment等[28]通過(guò)研究提出一種新的重疊網(wǎng)格鋼筋方法來(lái)模擬連續(xù)網(wǎng)格，并對(duì)機(jī)器噴嘴進(jìn)行新的設(shè)計(jì)，試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果表明，試樣的破壞不是由于網(wǎng)格與打印材料之間的粘結(jié)破壞，而是由于鋼的屈服和斷裂破壞，這表明疊合網(wǎng)格作為一種功能連續(xù)加固是有效的，且噴嘴的設(shè)計(jì)也是有效的。

此外，也有研究者從鋼混結(jié)構(gòu)中的鋼筋入手研究。Mechtcherine等[29]通過(guò)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究，發(fā)現(xiàn)迫切需要將3D打印結(jié)構(gòu)原件的加固技術(shù)向前推進(jìn)，提出了氣-金屬電弧焊3D打印鋼筋的新工藝，并進(jìn)行新型鋼筋的力學(xué)性能研究，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)鋼筋相比，3D打印鋼筋的屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度降低了約20%，但是表現(xiàn)出明顯的屈服能力和更高的應(yīng)變能力，同時(shí)，打印鋼筋與可打印細(xì)?；炷恋慕Y(jié)合性能良好，可與普通鋼筋的結(jié)合性能相媲美；所開(kāi)發(fā)的基于氣電弧焊的3D打印工藝使鋼筋生產(chǎn)具有足夠的幾何精度和幾何自由度，生產(chǎn)速度合理。

混凝土3D打印技術(shù)現(xiàn)在仍然處于初探或起步階段，3D打印機(jī)器是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題，材料的配比也是如此?，F(xiàn)有研究成果表明，多軸器械能夠更好處理復(fù)雜的3D打印圖形，但復(fù)雜的3D打印圖形對(duì)混凝土在快硬或可操作性上有更高的要求。而對(duì)于材料配合比來(lái)說(shuō)，目前的配合比研究都是基于使用某種外加劑的前提下所提出的經(jīng)驗(yàn)性配合比，仍然缺乏通用性的配合比方法及相關(guān)理論研究。因此，不管是機(jī)器，或是材料配比，都需要系統(tǒng)、深入的研究，缺一不可，否則會(huì)出現(xiàn)在實(shí)際工程應(yīng)用中各部分無(wú)法匹配兼容的問(wèn)題。

2 3D打印混凝土性能試驗(yàn)方法研究

對(duì)于3D打印混凝土而言，混凝土本身的性能是一個(gè)重要的考量因素，需要采用合適可行的方法對(duì)混凝土的各項(xiàng)性能進(jìn)行研究。

雷斌等[30]對(duì)3D打印混凝土的可塑造性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，3D打印混凝土材料的物理狀態(tài)可大體分為三類：可塑狀態(tài)、半固態(tài)和固態(tài)，同時(shí)，試體部分及整體的破壞形式主要有剝落破壞、擠出破壞、滑移破壞和傾覆破壞；此外，打印材料的可打印性能差會(huì)導(dǎo)致混凝土纖維孔隙增大，因此，即使抗壓強(qiáng)度仍然很高時(shí)，彎曲強(qiáng)度也會(huì)明顯降低[31]。

Mazhoud等[19]通過(guò)摻加水下不分散劑來(lái)研究水下3D打印材料的可能性，結(jié)果表明，對(duì)于水下3D打印材料，抗壓強(qiáng)度隨著打印速度的增加而降低，而在臨界打印速度以下，3D打印砂漿的彈性模量隨著打印速度的增加而減小。Ju等[32]利用CT掃描、frozen-stress技術(shù)和光彈性試驗(yàn)研究3D打印試件及其力學(xué)性能，結(jié)果表明，試件在斷裂帶附近的高應(yīng)力分布區(qū)域和應(yīng)力梯度方面，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)值具有較好的一致性，光彈性方法可用來(lái)可視化不規(guī)則形狀和夾雜物的隨機(jī)空間分布對(duì)非均質(zhì)結(jié)構(gòu)和固體的強(qiáng)度、變形和應(yīng)力集中的影響，為驗(yàn)證相應(yīng)的數(shù)值解提供了良好的驗(yàn)證方法。

Wolfs等[33]進(jìn)行了3D打印混凝土的層間粘結(jié)試驗(yàn)和打印試驗(yàn)，結(jié)果表明，對(duì)于多材料打印或在打印時(shí)用二次材料填充打印結(jié)構(gòu)，應(yīng)力可能并不只發(fā)生在垂直方向，在這些情況下，臨界層不再是載荷最高的層，即初始層，基于分析強(qiáng)度的準(zhǔn)則也不再成立，即對(duì)于3D打印混凝土來(lái)說(shuō)，破壞層或可能存在的破壞層并不一定在初始層，而是在各向力偏值最大的間層中。Tay等[34]對(duì)3D打印的分層制造進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，初始層的流變性能影響與后續(xù)層的結(jié)合，兩層之間界面的附著力是決定結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度的關(guān)鍵，后一層的模量不受時(shí)隙的影響，而初始層的模量隨時(shí)隙的增大而增大；初始層的高模量阻礙了界面的良好接觸和混合，隨著時(shí)間間隔的增大，界面的空隙越來(lái)越大，對(duì)層間強(qiáng)度的影響呈對(duì)數(shù)衰減，同時(shí)，為了支撐后續(xù)各層，保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，需要初始層的高模量。Rahul等[35]的試驗(yàn)證明，3D打印混凝土只有當(dāng)材料屈服應(yīng)力在一定范圍內(nèi)時(shí)才有可能分層建造，低屈服應(yīng)力值會(huì)導(dǎo)致層的倒塌，阻止分層的可建性，但如果屈服應(yīng)力太高，材料會(huì)太硬而不能擠出，新拌混合物的屈服應(yīng)力建議在1.5～2.5kPa之間。

Sanjayan等[36]通過(guò)延長(zhǎng)層間打印時(shí)間（分別為10min、20min和30min）來(lái)探究層間強(qiáng)度的影響因素，結(jié)果表明，影響層間強(qiáng)度的主要因素之一是層間表面的水分水平，如果表面是干燥的，則沒(méi)有可加工性來(lái)形成粘結(jié)，而隨著層間延遲時(shí)間的增加，抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度先增大后減小，對(duì)于相同批次的材料，較大的層間時(shí)間間隔會(huì)降低材料的強(qiáng)度，而打印速度和噴嘴距較小時(shí)效果更好，所有這些參數(shù)是互補(bǔ)的，必須限制在一個(gè)最佳范圍[37]。

Le等[38]和Wolfs等[39]研究3D打印混凝土的層間粘結(jié)強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，打印效果不佳會(huì)導(dǎo)致混凝土制品的密度較低，隨著層間打印間隙的增大，拉伸結(jié)合強(qiáng)度會(huì)降低，當(dāng)間隙保持在15min時(shí)，鍵合大于材料的拉伸能力，而30min或以上的間隙會(huì)導(dǎo)致界面粘結(jié)失效，進(jìn)而建立了特征粘結(jié)強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系，同時(shí)指出界面缺水會(huì)隨時(shí)間顯著降低。Ma等[40]提出了一種擠壓式3D打印系統(tǒng)，并研究其應(yīng)力力學(xué)性能，結(jié)果表明，層間疊加導(dǎo)致了3D打印自由形態(tài)模型的層合結(jié)構(gòu)，由于相鄰細(xì)絲間的經(jīng)度缺陷，模型整體力學(xué)性能呈現(xiàn)明顯的各向異性，彎曲和剪切試驗(yàn)均表明，不同加載方向下，打印試樣的抗壓強(qiáng)度變化較大，垂直于細(xì)絲間弱界面的拉伸應(yīng)力比平行于細(xì)絲間弱界面的拉伸應(yīng)力更容易產(chǎn)生裂紋，定向纖維在擠出過(guò)程中從噴嘴的窄口處對(duì)長(zhǎng)絲產(chǎn)生一定的力學(xué)增強(qiáng)；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，電磁干擾監(jiān)測(cè)被證明是一種有效的損傷檢測(cè)和定量方法，結(jié)構(gòu)損傷引起的結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗的變化導(dǎo)致了PZT信號(hào)的變化。

Zareiyan等[41]利用齒狀聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了3D打印混凝土的層間粘接試驗(yàn)，結(jié)果表明，無(wú)論采用何種測(cè)試方法，齒狀聯(lián)鎖層（0.25英寸和0.5英寸）都會(huì)增加各層之間的結(jié)合，沿層間界面受壓時(shí)，0.5英寸的互鎖試件的粘結(jié)強(qiáng)度從16%提高到19%，平均提高約17%（層間粘結(jié)）；此外，劈裂試驗(yàn)的粘結(jié)強(qiáng)度增加了26%，這可能是因?yàn)閷娱g接觸面的增加。

Feng和Xia等[42-43]研究了3D打印技術(shù)的噴印方向?qū)炷翗?gòu)件的影響，結(jié)果表明，所有3D打印立方體在X、Y、Z三個(gè)方向加載時(shí)，其破壞模式相似，均為沙漏形開(kāi)裂，但在X方向（即打印頭移動(dòng)方向）加載時(shí)，其抗壓強(qiáng)度和彈性模量最高，且噴印方向?qū)Y(jié)構(gòu)的承載能力有顯著影響。Wolfs等[44]對(duì)試件的尺寸效應(yīng)和密實(shí)度因素進(jìn)行了研究，通過(guò)定制的三軸壓縮試驗(yàn)裝置，與平行進(jìn)行的單軸壓縮試驗(yàn)和超聲波透射試驗(yàn)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，試樣的尺寸、密實(shí)程度或打印材料中存在的小裂縫和空隙，在較后的混凝土齡期影響顯著，在齡期為60min或90min時(shí)，壓實(shí)構(gòu)件的強(qiáng)度比未壓實(shí)構(gòu)件高很多。

從上述研究可以看出，研究人員已提出了一些可行的3D打印混凝土性能測(cè)試方法，包括新拌性能試驗(yàn)和力學(xué)性能試驗(yàn)等。但是，還沒(méi)有形成較為系統(tǒng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，特別是可在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的簡(jiǎn)易方法仍沒(méi)有很好地建立與完善。

3 3D打印混凝土的應(yīng)用

混凝土3D打印技術(shù)的特點(diǎn)是利用CAD等建模軟件，在自然關(guān)節(jié)掃描結(jié)果上進(jìn)行重建，打印虛擬三維關(guān)節(jié)模型，并能直接將數(shù)字關(guān)節(jié)模型轉(zhuǎn)換為物理模型[45]。

Sakin等[46]對(duì)BIM技術(shù)和3D打印技術(shù)的適用性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)BIM可以提高設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)和精度，設(shè)計(jì)的建筑和行動(dòng)計(jì)劃會(huì)更加具體，通過(guò)BIM能同步且更系統(tǒng)地對(duì)建筑物進(jìn)行精準(zhǔn)建造。3D打印技術(shù)在建筑上有諸多優(yōu)勢(shì)，不僅能降低成本，環(huán)保利用原材料，改進(jìn)施工流程，還能減少現(xiàn)場(chǎng)高危作業(yè)，減少建造時(shí)間。

Xu等[47]將混凝土3D打印技術(shù)與歷史建筑進(jìn)行融合，利用混凝土3D打印技術(shù)和掃描技術(shù)對(duì)歷史建筑的混凝土構(gòu)件破壞部位進(jìn)行修復(fù)，效果良好，證明3D掃描技術(shù)和3D打印技術(shù)的結(jié)合可以解決歷史建筑修復(fù)中普遍存在的問(wèn)題。最新的3D建模和打印經(jīng)驗(yàn)表明，需要引入新的專業(yè)技術(shù)來(lái)支持考古學(xué)家、建筑師、工程師和修復(fù)者，需要使用與儀器測(cè)量相關(guān)的數(shù)字技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)3D建模和實(shí)體打印[48]。

對(duì)于3D打印，硬件與軟件的發(fā)展都不可或缺。對(duì)于軟件，一個(gè)重要的問(wèn)題是確保在建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析和打印過(guò)程中使用的應(yīng)用程序的互操作性[49]。Marczyk等[50]指出，3D打印技術(shù)的成功不僅取決于改善設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程之間的關(guān)系，還取決于工程師設(shè)計(jì)建筑構(gòu)件的技能?；炷粱虻鼐酆衔锏拇蛴⌒阅苋Q于機(jī)械性能和和易性，可以通過(guò)選擇材料和打印參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

如今，混凝土3D打印技術(shù)在很多國(guó)家都已經(jīng)有建筑實(shí)例。在國(guó)外，美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)司令部增材制造團(tuán)隊(duì)使用了世界上最大的混凝土3D打印機(jī)建造軍營(yíng)[51]；世界上最大3D打印建筑已在迪拜竣工[52]；墨西哥開(kāi)建的“3D打印社區(qū)”預(yù)計(jì)會(huì)完工50棟住宅[53]。在國(guó)內(nèi)，河北工業(yè)大學(xué)打印完成了世界最長(zhǎng)跨度裝配式混凝土3D打印趙州橋[54]；上海市有10幢3D打印建筑將落成[55]；在新冠疫情期間使用了3D打印隔離病房[56]。這些都印證了3D打印技術(shù)在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用與融合。對(duì)于土木工程領(lǐng)域現(xiàn)有的BIM技術(shù)及其他建模技術(shù)，3D打印與它們?nèi)诤霞肮餐l(fā)展的前景廣闊。而混凝土3D打印技術(shù)的跨界運(yùn)用，也是可以思考和探索的內(nèi)容，不管是航天或是海洋工程等。

4 問(wèn)題和展望

研究中存在的問(wèn)題主要有：

1）雖然在改善3D打印混凝土材料上有較大突破，但仍然缺乏系統(tǒng)研究；

2）對(duì)混凝土3D打印機(jī)器的研究仍有不足，距離大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)仍有距離；

3）對(duì)3D打印混凝土的材料配比及試驗(yàn)方法雖有探索，但沒(méi)有形成統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

未來(lái)的研究方向主要是：

1）混凝土3D打印技術(shù)是一項(xiàng)新興技術(shù)，將給土木工程領(lǐng)域帶來(lái)巨大變革。目前的關(guān)鍵是對(duì)3D打印混凝土的性能、試驗(yàn)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行更系統(tǒng)的研究，力求有一套比較完善的3D打印混凝土規(guī)范，以引導(dǎo)混凝土3D打印技術(shù)的后續(xù)發(fā)展。

2）對(duì)于3D打印混凝土的材料、配比及機(jī)器本身的問(wèn)題，需要更加深入的研究，從各項(xiàng)性能提升入手，系統(tǒng)探究3D打印混凝土的局限性和可發(fā)展性。

3）加快混凝土3D打印技術(shù)的應(yīng)用探索及研究，從工程角度解決實(shí)際生產(chǎn)中的技術(shù)瓶頸。