張 翼，朱艷梅，任 強，蔣正武

(同濟大學先進土木工程材料教育部重點實驗室，材料科學與工程學院，上海 201804)

0 引 言

建筑業(yè)常被認為是一個高風險行業(yè)。當在惡劣環(huán)境下施工時，難度及風險增加，不僅生產(chǎn)效率及施工質(zhì)量降低，還會威脅施工人員的人身安全。此外，建筑施工一般具有周期長、高能耗、高污染及高勞動成本等特點。為改善上述問題，建筑施工自動化技術成為建筑施工發(fā)展的必然趨勢之一。近年來快速發(fā)展的3D打印技術(或稱為增材制造技術、快速制造技術)，不僅使產(chǎn)品設計、醫(yī)療、制造業(yè)等領域不斷取得重大突破，同時也為建筑行業(yè)帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。3D打印建筑技術是基于3D打印技術的一類新型自動化建筑技術，具有數(shù)字化、自動化、快速高效、無模、節(jié)省材料、個性化等特點，其應用前景廣闊，尤其是在個性化建筑、災后重建、惡劣甚至極端環(huán)境下施工方面有較大優(yōu)勢[1-3]。

目前3D打印建筑技術研究已經(jīng)步入快速發(fā)展階段，國內(nèi)外越來越多的科研工作者開始對3D打印建筑技術進行研究，其核心內(nèi)容是工藝及材料。目前3D打印建筑材料主要可以分為四類：水泥基材料、石膏類材料、樹脂類以及金屬類材料。水泥基材料作為目前世界上用量最大的建筑材料，因其原材料易得、經(jīng)濟且具有可控可調(diào)的流變性、良好的包容性及耐久性等特點，依然是目前研究及應用最多的3D打印建筑材料。近年來，國內(nèi)外建筑領域的相關研究人員基于不同成型原理已陸續(xù)開發(fā)出了多種基于水泥基材料的3D打印建筑技術。本文首先介紹了基于水泥基材料的3D打印建筑技術的起源及發(fā)展，并對比分析了不同3D打印建筑技術的優(yōu)勢與不足。其次從原材料及配比、可打印性能、力學性能及耐久性能研究等方面對3D打印水泥基材料的研究進展進行了討論。最后探討了3D打印建筑技術目前存在的問題及未來的發(fā)展趨勢，以期為3D打印建筑技術研究及工程應用提供參考。

1 3D打印建筑技術

1.1 3D打印建筑技術的起源與發(fā)展

1997年，美國紐約倫斯勒理工學院Pegna[4]首次對3D打印建筑技術進行了探索，通過選擇性地交替沉積砂與波特蘭水泥薄層，采用蒸汽養(yǎng)護以獲得砌體構件。該工藝充分利用了材料的性能特點，并且材料可以循環(huán)使用。雖然這項工作證明了3D打印技術應用于建筑領域的可行性及前景并引起強烈反響，但受限于當時的水泥混凝土技術及自動化控制技術水平等，相關應用研究近期才見報道[5-6]。

1998年，美國南加州大學Khoshnevis等[7-8]開發(fā)了輪廓工藝(contour crafting?， CC)，該工藝通過兩步實現(xiàn)打印對象的構建:首先采用擠壓工藝將材料擠成打印對象的輪廓;然后采用澆注或注射的方式填充輪廓內(nèi)部。該工藝模擬了傳統(tǒng)澆筑步驟，即支模、澆筑、抹面，其特點在于采用計算機精確控制，自動化完成建筑過程，且通過控制連接到噴嘴的抹刀實現(xiàn)光滑的輪廓表面和復雜的特征，同時保證打印的精度。該工藝最早應用于陶瓷制品的打印，2003年有其應用于建筑領域的報道。

2007年，Dini在倫敦伯爵府舉行的Civils展覽上展示了其開發(fā)的D-shape?技術[9]。2012年，該技術獲得授權[10-11]。D-shape?技術采用的打印設備的底部有數(shù)百個噴嘴，可噴射出鎂質(zhì)黏合物，通過噴涂黏合物將含氧化鎂粉末的細砂層層粘合，最終形成石質(zhì)建筑物。

2009年，英國拉夫堡大學Lim和Buswell等[9,12]開發(fā)了混凝土打印技術(concrete printing， Conprint 3D?)?；炷链蛴〖夹g無需模具，通過將打印材料層層堆積成目標構件、建筑。該技術對打印水泥基材料進行設計開發(fā)，實現(xiàn)了較小的沉積分辨率，這允許更好地控制內(nèi)部和外部幾何形狀。與輪廓工藝相比混凝土打印技術所用設備更簡單，計算機控制程序的編寫也相對簡單。

2012年，蘇黎世聯(lián)邦理工[13-14]啟動了網(wǎng)狀模具(mesh mould)項目，探索在沒有傳統(tǒng)模具的情況下以數(shù)字方式制造具有高幾何復雜性的混凝土結(jié)構的可能性。該技術通過3D打印構建聚合物或鋼筋網(wǎng)絡狀模具，然后根據(jù)網(wǎng)孔的大小選用適當粒徑的骨料進行混凝土配合比設計，從而通過堵塞網(wǎng)孔實現(xiàn)混凝土的保留。此外，為了改善打印建筑物的外觀和耐久性，其外表面還需再噴涂一層混凝土。

2015年，蘇黎世聯(lián)邦理工Lloret等[15]基于快速滑模工藝開發(fā)了智能動態(tài)澆筑技術(smart dynamic casting， SDC?)。智能動態(tài)澆筑技術通過實時監(jiān)控材料的剛度發(fā)展，采用計算機精確控制外部模具的爬升，從而自動化完成滑模成型。連續(xù)滑模成型為解決層界面薄弱及表面質(zhì)量問題提供了良好的思路。此外，相比其他3D打印建筑技術，其顯著優(yōu)勢還在于能夠圍繞鋼筋進行滑模成型，從而實現(xiàn)了打印結(jié)構的增強。

2016年，布勞恩施威格大學、克勞斯塔爾大學和漢諾威大學成立了數(shù)字建筑制造試驗室(digital building fabrication laboratory， DBFL)，并啟動了“噴射混凝土增材制造學科研究項目”的國際合作[16-17]。該項目旨在研發(fā)一種基于噴射混凝土技術原理，有潛力生產(chǎn)具有高表面精度的大規(guī)模鋼筋混凝土構件的噴射混凝土3D打印技術(shotcrete 3D-printing， SC3DP)。SC3DP技術在3D打印水泥基材料配筋、懸挑結(jié)構打印及減少冷接縫方面更具優(yōu)勢和潛力。

圖1展示了基于水泥基材料的3D打印建筑技術的發(fā)展歷史。從3D打印建筑概念的提出至今不過20多年，3D打印建筑技術的研究及應用呈指數(shù)形式發(fā)展，當前3D打印建筑技術已經(jīng)步入高速發(fā)展時期。3D打印建筑技術發(fā)展呈現(xiàn)以下特點：(1)3D打印建筑行業(yè)規(guī)模不斷壯大；(2)新材料、新技術不斷出現(xiàn)；(3)新型工程應用不斷出現(xiàn)。目前出現(xiàn)的基于水泥基材料的3D打印建筑技術有直接將3D打印原理應用于建筑成型的技術，也有結(jié)合3D打印原理實現(xiàn)傳統(tǒng)施工工藝自動化的技術。總而言之，3D打印建筑技術優(yōu)勢在于施工周期短、可拓撲優(yōu)化、高度機械化、無模化、滿足個性定制、結(jié)構復雜建筑建造及外形獨特建筑建造。雖然3D打印建筑技術起源于美國，但是目前相關的研究及應用報道在歐洲及亞洲較多，尤其是歐洲常有關于新型的3D打印建筑技術見諸報道。

圖1 3D打印建筑技術的發(fā)展歷史，改自文獻[18]Fig.1 Development history of 3D printing constructiontechnology, modified from Ref. [18]

1.2 3D打印建筑技術的分類及對比

目前基于水泥基材料的3D打印建筑技術種類繁多，按照成型工藝大致可以分為5類：(1)擠出成型，如輪廓工藝與混凝土打印技術；(2)選擇沉積，如Pegna開發(fā)的工藝及D-shape?技術;(3)模具打印(模具打印的材料并不局限于水泥基材料，還包括塑料、金屬)如輪廓工藝和網(wǎng)狀模具技術；(4)滑模成型，如智能動態(tài)澆筑技術；(5)噴射成型，如噴射3D打印技術。不同種類的3D打印建筑技術的優(yōu)勢及不足如表1所示。

表1 3D打印建筑技術分類及特點Table 1 Classification and characteristics of 3D printing construction technology

不同的3D打印建筑技術具有各自的優(yōu)勢及不足。在應用場景方面，雖然選擇沉積及模具打印這兩種成型工藝在復雜異形結(jié)構打印方面的優(yōu)勢十分明顯，但由于選擇沉積及模具打印工藝的打印程序復雜，因此更適合工廠打印。噴射成型工藝成型的結(jié)構表面質(zhì)量及精度較差，但施工快速，更加適合現(xiàn)場搶修、隧道支護等工程施工。此外，噴射成型工藝可直接現(xiàn)場打印懸挑結(jié)構。擠出成型及滑模成型工藝在現(xiàn)場施工及工廠施工均可。在配筋增強方面，滑模成型及噴射成型能圍繞鋼筋進行施工，但是滑模成型目前只能在垂直方向進行實體柱打印。模具打印工藝采用打印的模具骨架作為新型的增強方式。選擇沉積工藝常將短切玻璃纖維與砂混合實現(xiàn)增強。擠出成型工藝的增強方式目前有纖維增強、被動布筋、外部配筋、連續(xù)鋼纜增強等[19-22]。

由于打印設備及控制技術相對簡單，目前基于擠出成型工藝的3D打印建筑技術的研究與應用受到更多關注。此類技術以水泥基材料作為主要的建筑材料，基于流變學原理及水泥水化原理實現(xiàn)水泥基材料3D打印[23-25]。其目前面臨諸多挑戰(zhàn)[12,18,26]，包括：加工過程中水泥基材料的流變性控制、水泥基材料的收縮、水泥基材料增強增韌、打印材料的層間粘結(jié)、打印材料的耐久性及打印材料各性能評價方法等。

2 3D打印水泥基材料

2.1 原材料及配合比設計

3D打印水泥基材料與傳統(tǒng)混凝土相比，其組分發(fā)生了較大的變化。由于集料尤其是粗集料不利于材料的觸變性[27]，且受限于打印噴嘴尺寸及打印分辨率，3D打印水泥基材料常為砂漿，或者為凈漿。由于水泥凈漿的收縮比較大，往往需要在水泥凈漿中加入纖維以增加其體積穩(wěn)定性[28-29]。此外，3D打印水泥基材料配比中膠凝材料用量增加，且除水泥以外都是一些如高嶺土、硅灰和粉煤灰等對流變性影響較大的摻合料。同時3D打印水泥基材料的外加劑組分也更加復雜，通常包括粘度改性劑、納米材料、促凝劑、緩凝劑等[30-34]。

3D打印水泥基材料根據(jù)所采用的水泥類別可大致分為5類：硅酸鹽水泥體系、硫鋁酸鹽水泥體系、磷酸鹽水泥體系、土聚水泥(地聚合物)體系及氯氧鎂水泥體系。不同體系具有不同的特點，為實現(xiàn)3D打印也有不同的改性方法，如表2所示。

表2 3D打印水泥基材料分類及特點Table 2 Classifications and characteristics of 3D printing cement-based materials

由于硅酸鹽水泥凝結(jié)時間較長，因此常常加入促凝劑縮短其凝結(jié)時間，另外為了增強其保水性和觸變性常常還加入粘度改性劑。硫鋁酸鹽水泥具有快凝、早強的特點，因此往往需要添加適量緩凝劑，并且也采用粘度改性劑以調(diào)節(jié)其保水性和觸變性。磷酸鹽水泥凝結(jié)時間較短，通常采用緩凝劑改性。由于適合土聚水泥的化學外加劑較少，通常采用氧化石墨烯或者高嶺土等無機粘度改性劑進行改性。氯氧鎂水泥屬于氣硬性水泥基材料，優(yōu)勢和不足都比較明顯，主要應用于D-shape?工藝。因為不同水泥體系各有特點，因此目前部分學者結(jié)合不同水泥體系的特點，開展了3D打印復合水泥體系[30,44]的研究。

在考慮3D打印水泥基材料配合比設計時，依然需要將低碳環(huán)保，良好工作性能、力學性能及耐久性能作為設計原則與目標。由于3D打印水泥基材料的特性(不同的工作性能要求、各向異性、環(huán)境敏感性等)及不同于傳統(tǒng)水泥基材料的施工工藝，傳統(tǒng)水泥基材料的配合比設計與制備理論不再適用于3D打印水泥基材料。Liu等[45]采用正交設計法基于3D打印水泥基材料流變特性的多目標(靜態(tài)屈服應力和動態(tài)屈服應力)設計了含水泥、砂、粉煤灰、水和硅灰5組分的材料配合比，并從統(tǒng)計學角度探討了膠凝材料的單獨作用和相互作用對水泥基材料流變性能的影響。此外他們還采用優(yōu)化后的配合比進行了大尺度打印，驗證了該配合比設計方法的可行性，并建議在優(yōu)化膠凝材料組成時，可考慮其他關鍵的特性，如凝結(jié)時間、開放時間、塑性粘度、觸變性和施工速率等。Zhang等[46]基于水泥漿流動度與骨料含量之間關系對3D打印水泥基材料進行配合比設計，他們發(fā)現(xiàn)砂漿的屈服應力由水泥漿的總含量和流動度決定而與水泥漿組成無關。當保持砂漿屈服應力相同時，水泥漿流動度與骨料含量之間呈線性關系。在骨料含量相同條件下，骨料更細時，富余漿體量減少，砂漿具有較高的屈服應力。此外他們還發(fā)現(xiàn)砂漿靜態(tài)屈服應力值在約2 460 Pa時，可獲得良好的可擠出性和可建造性。由中國工程建設標準化協(xié)會于2020年12月31日發(fā)布的《混凝土3D打印技術規(guī)程》(T/CECS 786—2020)基于3D打印混凝土材料特性與前期試驗結(jié)果總結(jié)出了3D打印混凝土配合比的經(jīng)驗設計方法，對于3D打印混凝土配合比設計具有一定指導意義。總體而言，目前的配合比設計方法都是經(jīng)驗性方法，尚需根據(jù)3D打印水泥基材料的應用研究不斷完善，進一步提出理論性的配合比設計方法。

2.2 可打印性能研究

3D打印水泥基材料的施工工藝不同于傳統(tǒng)水泥基材料，因此前者對施工性能要求不同于后者，現(xiàn)有的工作性測試方法并不適用于3D打印水泥基材料工作性能測試。目前國際上也尚未建立起完善、統(tǒng)一的新拌3D打印水泥基材料的工作性能(可打印性能)測試方法標準。文獻中常根據(jù)打印過程,從泵送性、擠出性、建造性、打印時間等方面對3D打印水泥基材料的可打印性進行評價，如表3所示?？紤]便于推廣應用，可打印性能評價方法簡便化是重要趨勢。早期關于可打印性能的評價是直接采用打印機打印實體，進而進行定性及定量評價，而最近較多的評價方法則采用模擬打印或其他簡易測試裝置及方法對可打印性能進行定量評價。

表3 可打印性能評價方法Table 3 Evaluation methods of printability

泵送性是指將材料從儲存材料點泵送至噴嘴處的難易程度。擠出性指的是3D打印水泥基材料在擠出過程中的難易程度及擠出后的連續(xù)性及表面質(zhì)量。建造性是指3D打印水泥基材料擠出以后在自重下及在后續(xù)打印層的擠壓及重力下的變形程度及整體穩(wěn)定性能。打印時間是指材料能夠同時滿足基本的泵送性、擠出性及建造性要求的時間段。通過將可打印時間與其他性能測試指標如剪切強度、流動度、貫入阻力等建立聯(lián)系可以得到水泥基材料的可打印性指標范圍。由于以上性能本質(zhì)都是3D打印水泥基材料的流變性能，因此很多學者直接采用流變儀、粘度計等流變性參數(shù)測試儀器對3D打印水泥基材料的流變參數(shù)(粘度、屈服應力)、觸變性能等進行測試表征[28,32,47,58-59]。通過采取適當?shù)牧髯兂绦蚩梢阅M測試3D打印水泥基材料從攪拌、泵送、擠出到堆積整個過程的流變性能發(fā)展演化,也可以單獨模擬測試其中某一個過程的流變性能變化。但是不同學者采用的儀器及測試程序的不同也造成試驗結(jié)果的差異。采用流變參數(shù)評價3D打印水泥基材料新拌性能雖具有一定指導意義，但是相關儀器價格高昂且操作比較繁瑣復雜，不利于推廣。對于工藝依賴性較為顯著的3D打印水泥基材料，如何建立具有普適意義的3D打印水泥基材料的流變性能評價方法尤為重要。

2.3 力學性能研究

3D打印水泥基材料由于其特殊工藝(無模具、分層制造)，其本身對于環(huán)境的敏感性更強，且打印實體中引入層間界面，導致材料內(nèi)部結(jié)構不再相對均勻、連續(xù)。層間界面通常是整體結(jié)構的薄弱處，受力時容易最先發(fā)生破壞[60]。此外，由于層間界面的存在，3D打印水泥基材料往往表現(xiàn)出各向異性。雖然材料的各向異性可以在結(jié)構設計中加以利用，但是在使用與性能評價時也應該加以考慮。表4所列為文獻中評價層間結(jié)合性能的方法。不同測試方法測得的粘結(jié)強度相差較大，且不同方法的測試結(jié)果離散性不同。Keita等[60]對比分析了三點彎曲測試、壓縮測試、墊鐵片的壓縮測試及角鋼墊片壓縮測試，4種測試方法用于表征3D打印水泥基材料層間粘結(jié)強度的差異，以分層樣品測得的平均強度與參考樣品的平均強度的比值作為相對粘結(jié)強度。他們發(fā)現(xiàn)所有測試方法得到的相對粘結(jié)強度的方差與參考樣品相比都增大，還發(fā)現(xiàn)三點彎曲與壓縮測試測得的相對粘結(jié)強度較參考樣品變化不大或增加，因此不能反映層間界面特征，而界面處墊鐵片的壓縮測試結(jié)果離散性較大，鐵角壓縮測試結(jié)果離散性最小。因此，他們認為鐵角壓縮測試方法是四種方法里最適合表征層間粘結(jié)強度的方法。

表4 層間結(jié)合性能測試方法Table 4 Test methods of interlayer adhesion performance

在傳統(tǒng)的分層澆筑施工中采用振動來臨時提高混凝土的流動性并實現(xiàn)混凝土層的物理混合。然而，在3D打印過程中無法進行振搗，層間僅存在有限的擠壓和剪切作用，因此3D打印實體層間結(jié)構很可能不連續(xù)而存在薄弱區(qū)。原材料組成及性質(zhì)(膠凝材料、骨料、外加劑、增強材料等)會影響3D打印水泥基材料性能(流變性、水化性能、孔隙率等)，進而影響層間結(jié)合性能。Nerella等[68,74]采用壓縮試驗和三點彎曲試驗測試3D打印水泥基材料層間粘結(jié)強度時，發(fā)現(xiàn)含有輔助膠凝材料時層間粘結(jié)強度提高。通過SEM對層間界面結(jié)構觀察發(fā)現(xiàn)即使時間間隔為2 min，僅使用水泥作膠凝材料的參考組也存在明顯缺陷，而膠凝材料中含有30%粉煤灰及15%微硅粉時，層間界面結(jié)構則有所改善。他們根據(jù)界面形貌及形成原因?qū)娱g界面微觀結(jié)構分為4類：①弱結(jié)合(冷接縫太寬而無法隨水化自愈合)；②由于工藝和固化條件而產(chǎn)生的弱結(jié)合(例如沉積中引入空氣)；③暫時弱結(jié)合(隨水化可自愈合)；④強結(jié)合(無明顯缺陷)。此外，界面性質(zhì)(粗糙程度、含水量、空氣等)、環(huán)境(溫度、濕度等)及打印參數(shù)(層厚、移動速度、間隔時間等)等也會對層間界面產(chǎn)生影響[29,69,75]。

在混凝土修補學中關于新、舊混凝土的粘結(jié)性研究較多，且普遍認為表面處理，如噴砂、噴水是提升新、舊混凝土層間粘結(jié)的有效方法[75-77]。為提升3D打印層間粘結(jié)性能，Zareiyan等[30]通過在層間界面處構造互鎖結(jié)構，壓縮及劈拉試驗結(jié)果表明互鎖結(jié)構能夠明顯提升層間粘結(jié)性能。他們發(fā)現(xiàn)在互鎖深度0.75英寸(1.905 cm)以下時，層間粘結(jié)強度隨互鎖深度增加而增加。Hosseini等[78]在打印的水泥基材料兩層間添加一層由黑碳和硫組成的聚合物作為粘結(jié)劑以增強3D打印水泥基材料層間粘結(jié)強度。Marchment等[66]則通過在界面處添加薄層水泥漿的方法，來降低空隙從而增加粘結(jié)面積以提高層間粘結(jié)強度。他們發(fā)現(xiàn)，添加含有超塑化劑或緩凝劑的水泥漿層可以顯著提高層間有效粘結(jié)面積，并提高層間粘結(jié)強度26%～59%。

混凝土本身是一種脆性材料，素混凝土主要應用于承壓結(jié)構，而不用于拉、彎結(jié)構。布置鋼筋是傳統(tǒng)且應用廣泛的提升混凝土結(jié)構拉伸性能的有效途徑。3D打印水泥基材料的推廣應用除需要進行增強以提升其抗拉性能，還需考慮增強措施與打印對象結(jié)構的匹配，若直接將傳統(tǒng)的布筋方式應用于3D打印水泥基材料不僅施工困難、不能充分利用材料的性能特點，還對施工速度及成本有不利影響[26]。高強高韌性的3D打印纖維增強水泥基材料是目前的重要研究方向之一。纖維的種類、形狀、尺寸、以及纖維在混凝土中的分布、取向等均會對混凝土的工作性能、力學性能及耐久性能產(chǎn)生重要影響[79-82]。纖維在擠出成型3D打印水泥基材料中的分布取決于噴嘴尺寸及纖維彈性模量，不同文獻中采用打印設備及纖維的差異導致測試結(jié)果也有所差異。有文獻中指出在擠出成型3D打印水泥基材料中纖維的分布更加有序，可根據(jù)打印路徑的合理設計實現(xiàn)更優(yōu)的纖維分布與取向，可是纖維的有序分布往往又導致更強的各向異性[42,80-81]。但Hambach等[22]發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維能夠提高層間粘結(jié)強度。表5為文獻中3D打印纖維增強水泥基材料力學性能試驗結(jié)果。

表5 3D打印纖維增強水泥基材料力學性能Table 5 Mechanical properties of 3D printing fiber-reinforced cement-based materials

2.4 耐久性能研究

目前關于3D打印水泥基材料耐久性能研究的報道較少。Weng等[86]采用剝落試驗、四點彎曲試驗、抗壓強度試驗對3D打印纖維增強水泥基復合材料(3DPFRCC)的防火性能及耐高溫性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)PVA纖維能有效防止水泥基材料在高溫下的剝落、爆裂。不同溫度下3DPFRCC的抗彎及抗壓強度均高于3D打印素混凝土。Weger等[87]對采用粉末粘結(jié)工藝成型的3D打印水泥基材料的抗凍融及抗碳化性能進行了測試，測試結(jié)果表明，3D打印水泥基材料抗凍融性能滿足標準要求，在自然及增加CO2濃度條件下，試件未發(fā)生碳化。劉致遠[88]研究了低溫養(yǎng)護對擠出成型3D打印水泥基材料流變性能、力學性能的影響，并對3D打印水泥基材料的抗凍性能進行了研究。結(jié)果表明，低溫會使3D打印水泥基材料屈服應力上升，且0 ℃時還出現(xiàn)了剪切增稠的現(xiàn)象。5 ℃低溫養(yǎng)護時的抗壓、抗折及層間粘結(jié)強度明顯低于標準養(yǎng)護。3D打印水泥基材料即使經(jīng)過300次凍融循環(huán)(快凍法)后仍未達到凍融破壞的限值。Putten等[89]采用165 L/g的氯化鈉溶液浸泡樣品的方式對比了不同時間間隔打印樣品(暴露面含層間界面)與澆筑樣品的氯離子滲透性能，發(fā)現(xiàn)浸泡一周后，即使是連續(xù)打印樣品的氯化物吸收量也達到澆筑樣品的3倍左右，且間隔時間的增加會增大層間的孔隙率從而進一步增加氯化物的吸收量。Zhang等[90]研究發(fā)現(xiàn)，3D打印水泥基材料抗硫酸鹽侵蝕性和抗碳化性優(yōu)于澆筑的水泥基材料，但是3D打印水泥基材料的抗凍性與抗氯離子滲透性較差。

普通水泥基材料結(jié)構和耐久性設計規(guī)范將水泥基材料視為均質(zhì)材料，顯然直接將其應用于對環(huán)境更加敏感且具有分層結(jié)構的3D打印水泥基材料的耐久性評價不太適合。然而，當前文獻中多是直接采用普通水泥基材料耐久性測試評價方法對3D打印水泥基材料耐久性能評價表征。因此，如何針對3D打印水泥基材料的特點，更加全面的對3D打印水泥基材料的耐久性能進行評價，也是其推廣應用過程中亟須解決的問題。

3 3D打印建筑技術的思考與建議

3.1 3D打印設備及軟件

目前國內(nèi)擠出成型式3D打印建筑技術的相關應用研究占主導地位，3D打印設備主要為框架式或是機械臂式。框架式結(jié)構目前被廣泛使用，雖然框架式結(jié)構更加穩(wěn)定，但在運輸、安裝、正交沉積方面受到更多限制。此外，打印尺度受設備自身尺寸限制較大。機械臂式打印設備打印自由度更高，在建筑設計方面更具優(yōu)勢，在移動及打印方面相對框架式更加靈活，但編程控制相對復雜。3D打印設備是實現(xiàn)3D打印建筑的基礎，隨著打印建筑尺寸的增大及高度的增加，如何設計大型功能集成的建筑3D打印設備及如何解決高層建筑打印過程中打印設備的爬升問題，抑或是如何設計多設備協(xié)同工作的3D打印智能系統(tǒng)，是未來實現(xiàn)大型高層建筑打印的前提與基礎。此外，如何結(jié)合智能化反饋系統(tǒng)，實現(xiàn)3D打印過程中實時監(jiān)測——反饋調(diào)整，是進一步提升3D打印建筑技術自動化、數(shù)字化、智能化的重要研究方向。

與傳統(tǒng)混凝土施工所不同的是，3D打印建筑結(jié)構需要先完成電腦上模型的構造，再通過自動化程序使之轉(zhuǎn)換為實物。因此，設計軟件成為了3D打印建筑技術準備階段的重要組成部分，開發(fā)更加具有針對性、更加便捷、可控性更強的3D打印建筑專用的建模、切片及三維行程控制軟件，實現(xiàn)打印路徑最優(yōu)化，協(xié)調(diào)擠出系統(tǒng)、行程控制系統(tǒng)及附加功能系統(tǒng)，使打印結(jié)構具有良好均質(zhì)性，并結(jié)合材料性能特點實現(xiàn)建筑結(jié)構的高性能化，是促進3D打印建筑技術快速發(fā)展的重要動力。此外，將BIM(建筑信息模型建造)技術與3D打印建筑配套軟件相結(jié)合，對進一步實現(xiàn)3D打印建筑技術自動化、數(shù)字化及智能化有重大意義。

3.2 3D打印水泥基材料配合比設計

性能需求(包括但不僅限于工作性能、力學性能及耐久性能)是水泥基材料配合比設計的目標與內(nèi)容。在進行3D打印水泥基材料配合比設計時，材料性能設計需求應該結(jié)合3D打印水泥基材料施工工藝、打印材料特性及應用服役環(huán)境綜合決定。而原材料選用原則及規(guī)律則應該基于3D打印水泥基材料的性能需求。目前關于3D打印水泥基材料的配合比設計方法，大多是基于少量的研究測試結(jié)果總結(jié)而出的經(jīng)驗方法，且僅考慮了工作性能及力學性能需求，工作性能主要考慮可打印性，力學性能則主要考慮材料的抗壓強度，充分考慮3D打印水泥基材料特性及其使用場景的配合比設計方法缺乏。此外，鑒于3D打印建筑技術研究應用正快速發(fā)展且不斷完善，其所用水泥基材料的性能需求也將隨之發(fā)生變化，因此相應的配合比設計方法也應該不斷完善。例如，由于無模施工、逐層疊加的施工工藝，3D打印水泥基材料配合比設計時，是否應該考慮將水泥基材料收縮、材料各向異性作為設計目標及內(nèi)容等均是值得討論的問題。

3.3 3D打印水泥基材料性能及評價

層高較低的3D打印建筑，通過材料與結(jié)構的設計，可保證無筋條件下的結(jié)構安全。但隨著層高的增加，結(jié)構的配筋是建筑抗震性的必要保證，如何結(jié)合打印設備及施工工藝實現(xiàn)高韌性建筑結(jié)構是有待解決的重大難題。傳統(tǒng)的水泥基材料的性能檢測及評價方法顯然已不能滿足3D打印水泥基材料的評價與檢測需求。雖然眾多學者提出了評價指標用于評價3D打印水泥基材料所需要具備的某些性能，但主要是基于現(xiàn)階段對3D打印建筑技術初步的認識，對于3D打印水泥基材料的性能評價方法缺乏較為系統(tǒng)、深入的研究。此外，目前的文獻資料，多關注于材料的工作及力學性能而對于3D打印水泥基材料的耐久性能，尤其是惡劣甚至極端環(huán)境下的性能劣化機制及耐久性能研究少有涉及。

3.4 打印建筑標準問題

3D打印建造方式與傳統(tǒng)的建造方式存在極大差異，現(xiàn)有的材料設計、結(jié)構設計、施工規(guī)范、建筑標準等已不再適用。關于擠出工藝的3D打印建筑技術及其水泥基材料，中國工程建設標準化協(xié)會已經(jīng)發(fā)布了《混凝土3D打印技術規(guī)程》(T/CECS 786—2020)，目前還有多部關于3D打印水泥基材料工作性能及力學性能的行業(yè)或協(xié)會標準正在編寫?？梢?D打印建筑技術相關標準體系正在逐漸建立，但這個過程中需注意充分考慮3D打印建造工藝及其發(fā)展，基于大量研究應用結(jié)果不斷完善，從而規(guī)范3D打印建筑行業(yè)的健康發(fā)展。

4 總結(jié)與展望

目前，3D打印建筑技術相關的應用研究正高速、健康發(fā)展，相關的標準體系也正逐漸建立，開始有一些標準化的測試和質(zhì)量控制方法來比較這些最近的進展。目前3D打印建筑技術，建造精度尚不能令人滿意，工藝、設備及軟件研發(fā)尚不充分，暫未進入大規(guī)模商業(yè)應用。盡管需要做很多工作才能充分認識到3D打印建筑技術作為建筑行業(yè)具有成本效益和可靠性的選擇，但它所能提供的潛在效益值得進一步的研究和開發(fā)?？梢灶A見未來3D打印建筑技術可能有如下發(fā)展趨勢：

(1)加速數(shù)字化施工進程、促進自動化施工多元化發(fā)展。3D打印建筑技術將加速混凝土施工數(shù)字化、自動化進程，并成為一種重要的輔助施工手段，從而彌補傳統(tǒng)施工方式的不足。

(2)多種材料協(xié)同施工。根據(jù)結(jié)構的特點在不同的部位采用不同的材料或是不同尺寸的材料進行多噴頭同時施工。如結(jié)構強度要求較高時采用超高性能混凝土，結(jié)構強度要求較低時采用中低強度混凝土。

(3)3D打印建筑材料向功能材料方向發(fā)展。3D打印功能混凝土的配制與研發(fā)，包括輕集料混凝土、吸波混凝土、保溫混凝土、ECC、地聚合物材料、耐高溫混凝土、耐腐蝕混凝土等。

(4)向智能化施工、智能化結(jié)構發(fā)展。利用壓電、光纖或聲發(fā)射等智能方法對3D打印水泥基材料結(jié)構進行實時監(jiān)測反饋，并自動調(diào)節(jié)。如沉積過程中即對3D打印水泥基材料強度、剛度等參數(shù)實時在線監(jiān)測，進而調(diào)節(jié)沉積速率。3D打印智能混凝土的配制與研發(fā)，包括具備自感應、自調(diào)節(jié)、自供能、自修復等功能的智能混凝土材料與結(jié)構。

(5)向局部-整體結(jié)構一體化建造方向發(fā)展，實現(xiàn)從局部結(jié)構到整體結(jié)構的可控建造。在3D打印建筑時，將3D打印水泥基材料局部結(jié)構設計建造與外形結(jié)構設計建造同步完成，即實現(xiàn)局部到整體結(jié)構的同步建造。