3D 打印混凝土工作及力学性能研究进展
史庆轩1,2,3 万胜木2 1. 西部绿色建筑国家重点实验室/西安建筑科技大学 2. 西安建筑科技大学土木工程学院 3. 西安建筑科技大学结构工程与抗震教育部重点实验室 摘 要:3D 打印混凝土因具有无模化、智能化施工的显著优势，应用潜力巨大，已逐渐成为世界各地快速上升的研究热点。目前国内外研究人员已对其工作性能和力学性能展开了研究，前者主要包括流动性、可挤出性和建造性能，后者主要包括抗压强度、抗折强度和层间粘结强度。为此基于国内外 3D 打印混凝土的研究现状，首先对其工作性能和力学性能展开具体评述，着重介绍了现阶段对此采取的研究方法和获得的研究成果；然后概述了 3D 打印混凝土在性能研究和实际应用中存在的主要问题，同时针对其普遍存在的抗拉强度低和延性不足问题总结和分析了目前的解决方法，并指出未来的研究方向，有助于推动 3D 混凝土打印技术的研究和应用。 关键词: 3D 打印混凝土；工作性能；力学性能；抗拉强度
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引言
由 Khoshnevis 和 Dutton[1]开发的 3D 打印技术近年来逐渐应用于建筑业，以响应建筑工业化需求和绿色建筑发展理念。由此 3D 打印混凝土应运而生，其本质是一项基于挤压的增材制造技术，即满足工艺要求的可打印材料通过喷嘴挤出形成沉积层，层与层之间相互堆叠，在不依赖模板的前提下逐层形成建筑构件，甚至是工程实体。与传统混凝土施工技术相比，可弥补因城市化和工业化进程加快所带来的劳动力短缺、建筑垃圾多等问题，同时具有施工速度快、无需模板就可打印形状复杂结构的优势[2]。 3D 打印混凝土因此逐渐成为世界各地快速上升的研究热点，并相继出现了具有代表性的应用实例：(a)2012 年 Lim 等[3]介绍了一长凳的 3D 打印过程，证实了混凝土 3D 打印工艺制造复杂构件的可能性；(b)Gosselin 等[4]在2016 年制作了一尺寸约为 1360mm×170mm×1500mm 的墙体，其同时兼顾隔热和结构加固功能；(c)中国华商腾达有限公司提出在实施打印操作前预先手动安装钢筋，然后用经特殊设计的叉形喷嘴在钢筋两侧逐层挤出混凝土，以吞没钢筋并将其牢固包裹于墙内，并于 2016 年在 45 天内现场打印了一栋 400m2的两层别墅。(d)2018 年 Asprone 等[6]以不锈钢螺纹杆制作了长 3m、宽0.2m、高 0.45m 的钢筋混凝土梁。此外，文献[5, 7-8]还揭示了更多与 3D 打印混凝土相关的应用项目，且文献[8-10]更是详细介绍了在应用 3D 打印混凝土背景下所直接和间接带来的经济效益和环境潜力，在此不再赘述。
图 1 3D 打印混凝土应用实例
Fig.1 Application examples of 3D printed concrete
为进一步推广 3D 打印混凝土的研究和应用，国内外学者不仅探究了混凝土在打印时的流动性、可挤出性和建造性能，而且对其硬化后的抗压、抗折和层间粘结强度进行了研讨，甚至还有学者探索在水下对水泥基砂浆进行 3D 打印的可能性[11]，以及尝试在混凝土打印过程中嵌入钢筋[12]。虽然近年来已有与该领域相关的研究综述，但其中多集中 3D 打印混凝土原材料组分及配合比设计、打印工艺的阐述[13-14]，涉及对其工作性能和力学性能的具体评述还较少。因此本文基于国内外现有 3D 打印混凝土的研究成果，详细论述了其在工作性能和力学性能方面的研究进展，重点强调了对应采取的研究方法和取得的研究结果，并概述了 3D 打印混凝土在性能研究和实际应用中的现存问题，同时针对打印结构普遍存在的抗拉强度低和延性不足问题总结和分析现有的解决方法，旨在为 3D 混凝土打印技术的推广提供研究方向。 01 3D 打印混凝土的工作性能 除传统的水泥基材料外，地聚合物等新材料也用于制备 3D 打印混凝土[15]。但材料的多样化并不会改变其在整个打印过程所包含的泵送、挤出和堆叠过程，如图 2 所示。为此，满足打印工艺要求的混凝土需相应具备良好的流动性（可泵性）、可挤出性和建造性能。
1.1 流动性
为保证将已搅拌均匀的 3D 打印混凝土顺利由管道输送到喷嘴处，要求其流动性满足泵送需求。同时流动性也直接影响着后续的挤出和堆叠过程。 目前对 3D 打印混凝土流动性所采取的测试方法与普通混凝土并无本质区别，即采用坍落度或跳桌试验等直观表征流动性大小，如图 3 所示，坍落度值或扩展直径越大，则流动性越大。Ma 等[19]以铜尾矿作为细骨料制备 3D 打印水泥基材料，其中分别以 0%、10%、20%、30%、40%、50%的质量比取代天然砂，由试验结果可知混合物坍落度在 32~87mm、扩展直径在 174~210mm 的范围内才满足打印所需的流动性要求，且随着铜尾矿置换率的提高，流动性呈增大趋势。Baz 等[20]对高效减水剂含量分别在 0.26%、0.36%、0.4%的 3D 打印混合物进行跳桌试验，结果显示其相应扩展直径为 145mm、160mm、180mm，随后对该混合物进行打印，结果表明 3 种配比下均可打印，但最多可打印层数分别为 22、16、12，证明了打印材料的流动性与其可打印层数呈负相关关系。赵颖等[21]则以石灰石粉等量代替硅酸盐水泥，测试了所制备的 3D 打印水泥基材料的跳桌流动度，结果表明石灰石粉掺量在 0、5%、10%、15%、20%变化时，跳桌流动度在 60~182mm 范围内，且随着石灰石粉掺量的增加而呈先升后降趋势，但文中未给出适宜打印的流动度范围。此外，朱艳梅等[22]通过跳桌试验研究了羟丙基甲基纤维素对 3D 打印砂浆流动性的影响，结果表明其流动性随着羟丙基甲基纤维素掺量的增加而降低，且流动度在 160~170mm 范围内的砂浆具有良好的工作性能；而赵仁文[23]研究发现新拌混凝土的跳桌流动度在 180~190mm 区间时有较好的工作性能；肖博丰等[24]建议在掺入耐碱玻璃纤维后，3D 打印砂浆的跳桌流动度在 180~220mm 范围内为宜。
图 3 3D 打印混凝土流动性测试[19]
Fig.3 Flowability measurement of 3D printed concrete[19]
1.2 可挤出性 可挤出性指 3D 打印混凝土能够被喷嘴连续挤出，并赋予沉积层几何形状的能力，其受骨料粒径[16]、喷嘴的形状和尺寸[17]、挤出条件[18]等因素影响。 对 3D 打印混凝土可挤出性优劣的评估，Le 等[25]提出以是否能由直径 9mm 的圆形喷嘴连续挤出 1 至 5 根打印条，且不发生堵塞来评价所制备的高性能 3D 打印混凝土的可挤出性，其中每根打印条 9mm 宽、300mm 长；Ma 等[19]采取类似方法，不同之处在于其使用边长 8mm 的方形喷嘴挤出 8 根 250mm 长的打印条。赵颖等[21]则以 3D 水泥基材料在被半径 15mm 的圆形喷嘴挤出后，不出现撕裂裂纹或撕裂现象作为其满足可挤出性的判别条件。但杨钱荣等[26]和王亚坤等[27]提出待 3D 打印建筑砂浆从喷嘴均匀连续挤出后，用秒表计时 90s，称量该时间段内所挤出的打印砂浆的质量，用以表征其挤出性能。此外，肖博丰等[24]建议在挤出一长 500mm 的打印条后，测其 10 个等间隔位置的宽度，并计算其平均宽度和标准差，从而求得挤出性变异系数，该值越小，说明沉积层在打印后尺寸波动越小，可挤出性越好。 除了通过试验表征 3D 打印混凝土的流动性和可挤出性外，还有学者剖析了混凝土在输送管道内因泵送而形成的“润滑层”性质[28-29]，以及其在打印喷嘴处的挤出过程所包含的剪切作用机理[28, 30]，目的在于明确混凝土在打印过程中的流变特性，具体指屈服应力、触变性、塑性粘度等在内的流变参数对 3D 打印混凝土泵送和挤出的影响。其中屈服应力指混合物发生流动时所需的最小剪应力；触变性指混合物剪切变稀的能力，即在受剪切作用前后，其流动性大小的变化程度；塑性粘度定义为混合物受到的剪应力与剪切速率线性相关下的斜率，Mechtcherine 等[28]指出泵送混凝土的难易程度主要取决于塑性粘度，二者呈负相关关系。显然流变参数的获取有助于事前确定新拌混凝土的可打印性，此外 Souza 等[31]指出相比于坍落度或跳桌流动度，流变参数或许能更准确地说明 3D 打印混凝土的工作性能，尤其是在其坍落度较低时。 综上可知，目前国内外学者对 3D 打印混凝土的跳桌流动度要求差异较大，但大体在蔺喜强等[32]推荐的 170~190mm 范围内，材料组分及配比不同是其主要原因，同时流动性还受搅拌速度、泵送技术等工艺技术制约；且其可挤出性同样受上述因素影响。因此，材料的选用和配合比设计以及施工工艺应作为混凝土 3D 打印技术标准与规程制定中的首要内容。此外，3D 打印混凝土的流变参数对其流动性和可挤出性的影响仍有待进一步研究。 1.3 建造性能 建造性能指 3D 打印混凝土在自重和后续打印层重力作用下抵抗变形，保证打印对象结构完整性的能力，其不仅是 3D 打印混凝土工作性能中最为关键的指标，也是混凝土 3D 打印技术能否实现的前提。 对 3D 打印混凝土建造性能优劣的评估，可直接由打印试件维持原状的能力表征。为此，王里等[33]打印了一 30 层的条状试件，其每层长 400mm，宽 60mm，高 10mm，观察其成型后是否垮塌来评估 3D 打印玄武岩纤维增强陶砂混凝土的建造性能。Ma 等[19]通过长 250mm、宽 30mm、高 8mm 的打印层相互堆积 20 层，并静置 10 min 观察是否坍塌来评价混合物的建造性能。Hiroki 等[34]建造了一个由 7 层打印层组成的 1000mm 长、30mm 宽、120mm 高的直墙，其若能维持自身几何形状且不变形，则认为其建造性能良好；Baz 等[20]和 Le 等[25]也采用了类似方法Papachristoforou 等[35]将良好的建造性能定义为：混凝土在打印 5 层后不发生倒塌，且打印后第一层与第二层的高度之比接近 1；该法首先由 Malaeb 等[36]在 2015 年提出。杨钱荣等[26]和王亚坤等[27]则以竖向构件的有效打印高度表征3D 打印建筑砂浆的建造性能，具体判定方法可参照专利“一种 3D 打印建筑砂浆堆积性能测试装置”[37]。Joh 等[38]研究发现，在一长 1500mm、宽 300mm 空心墙体的打印过程中，仅将其层间间隔时间由 36s 延长至 45s，可打印层数由原来的 19 层增加至 49 层，表明延长层间间隔时间，可明显改善3D 打印混凝土的建造性能。李维红等[39]在打印长 200mm、宽 40mm、高 7mm 的 10 层沉积层后，计算其竖向高度变化率ωi和底层厚度变化率φi，分别见式(1)和式(2)，ωi 和 φi 值越小，打印材料的建造性能越优。 此外，赵仁文[23]和马国伟等[40]依照 GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》，分别对 3D 打印混凝土进行坍落度试验和贯入阻力试验，坍落度越小或者贯入阻力值越大，则建造性能越优。刘致远[41]按照 JGJ/T70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》对 3D 打印水泥基材料进行稠度试验，圆锥体沉入打印材料的深度越大，则其稠度越大，建造性能越差。Zhang 等[42]则根据圆柱体状混合物在重力作用下的剩余高度评价其建造性能；类似地，朱艳梅等[22]以制备的 3D 打印砂浆在自重下的形状保留率表征其建造性能。 除了由试验结果说明 3D 打印混凝土的建造性能外，研究人员还尝试从理论出发预测建造性能。Wolfs 等[43]基于 Mohr-Coulomb 失效准则和混凝土在打印失效前线性的应力-应变关系，对混凝土在沉积后 0-90 min 内实际的打印行为进行数值模拟，与试验结果相比，其虽可正确预测相应的破坏模式，但对可打印层数高估了 27.5%。Jayathilakage 等[44]由修正的Mohr-Coulomb 屈服准则建立了式(3)所示的强度破坏模型，用于预测打印构件在发生塑性屈服时的失效高度，其考虑了打印层堆叠时底层因承受自重应力而产生的摩擦特性，但当打印层的高宽比较小时可能不再适用；史庆轩等[45]同样以打印构件在发生塑性屈服时的失效层数来量化 3D 打印混凝土的建造性能，为此根据其在整个打印过程中的流变特性和 Mohr-Coulomb 失效准则，并结合 Tresca 破坏理论建立了式(4)所示的分析模型。Suiker等[46-47]则提出了一可同时兼顾直立墙体构件弹性屈曲和塑性屈服两种破坏模式下的参数化 3D 打印模型，该模型的计算结果表明，其与相应试验结果保持较好的一致性，可用于 3D 打印过程中工艺条件的优化，且进一步可作为在特定工艺条件下对打印墙体构件进行有限元模拟的验证工具。 综上可知，虽然目前评估 3D 打印混凝土建造性能的方法较多，但以试验手段为主，对建造性能还没有统一的衡量标准，同时涉及对建造性能理论研究的广度和深度还不够。因此，在寻求建造性能标准化衡量方法的同时，对其提出适用面更广、准确度更高的预测模型将是未来的研究方向。 02 3D 打印混凝土的力学性能 与传统混凝土不同，3D 打印混凝土因在垂直方向上层层堆积，且无外力振捣作用，导致打印体具有明显异于传统混凝土在强度方面的各向异性特征及层间粘结弱面，该独特的分层成型工艺意味着现有标准与规程对其不再适用。为此，国内外学者对 3D 打印混凝土抗压强度、抗折（抗弯）强度及层间粘结强度进行了研究。 2.1 抗压及抗折强度 在 3D 打印混凝土抗压和抗折强度试验中，为消除打印边界影响，得到表面光滑的测试块，大多采取图 4 所示从打印的矩形模型中切取的方式。但目前对试块尺寸、加载速率、养护方式及龄期选择等方面并无统一规定，现将主要试块尺寸及加载速率的选取整理于表 1。
由表 1 可知，目前 3D 打印混凝土抗压强度试验多采用边长 100 mm 的立方体试块，抗折强度试验多为 40mm×40mm×160mm 或 100mm×100mm×400mm 的棱柱体试块，加载速率的选取却无明显规律。而在试块的养护方式和龄期选择方面，Panda 等[49]将打印模型置于室内 28d 后切割、加载；王里等[33]和马国伟等[40]则待打印模型室温养护 24h 后，置于温度为(20±2)℃、相对湿度为 95%的环境中养护 28d 再切割、加载；Wolfs 等[50]在薄膜覆盖打印模型 24h 后切割，并待其水浴养护 7d 后加载；Paul等[51]将打印模型置于温度为(21±2)℃，相对湿度 60%±5%的环境中分别养护 7d、14d、28d 后切割、加载。
对 3D 打印混凝土抗压及抗折强度的研究，主要涉及两方面内容：一是不同的材料组成和配比对其的影响[33, 49, 54]，二是不同的工艺参数对其影响[23, 40, 50, 53 ]。
在材料方面，王里等[33]将制备的玄武岩纤维增强陶砂混凝土进行不同方向上的压缩试验和三点弯曲试验，以水平打印层为 XY 平面，结果表明，X 方向（喷嘴移动方向）抗压强度和 Y 方向抗折强度最大；且强度随着纤维掺量的增大而增大，但其各向异性特征也越明显。Le 等[54]针对所制备的高性能 3D 打印纤维增强混凝土进行了一系列力学性能试验，结果表明，浇筑试块强度较高（抗压强度为107MPa，抗折强度为 11MPa）；而打印试块的抗压强度和抗折强度分别在 75~102MPa、6~17MPa 范围内。
而在工艺参数方面，赵仁文[23]对单向和正交打印工艺下的打印试块和浇筑试块进行抗压试验和四点抗折试验，结果表明，与浇筑试块相比，打印试块的早期强度略微折减，但后期强度有所增加，与Le 等[54]的研究结论不一致；且力学强度在不同打印工艺下并没有表现出明显的差异性和各向异性。马国伟等[40]研究了不同打印路径对 3D 打印陶砂轻质混凝土力学性能的影响，结果表明，“回”字形打印路径下的抗压和抗折强度最高，分别为 32.65MPa、3.37MPa。Wolfs 等[50]由三点弯曲试验研究了层间打印间隔时间、喷嘴高度对 3D 打印混凝土抗折强度的影响，结果表明层间间隔时间与抗折强度呈负相关，喷嘴高度对抗折强度却无明显影响；虽抗折强度表现出各向异性，但明显弱于 Panda 等[49]的研究发现：其各向异性高达 50%；且层间间隔时间若足够短，各向异性效应非常有限。Sanjayan 等[53]由抗压试验和三点弯曲试验研究了层间间隔时间对强度的影响，结果表明抗压强度和抗折强度均随着层间间隔时间的延长而先上升后下降，但前者变化趋势更明显；且抗压强度的各向异性效应比抗折强度更明显，不同于赵仁文[23]和 Wolfs 等[50]的研究结论。更多 3D 打印混凝土抗压强度、抗折强度试验结果可见文献[55]。
除上述在室温环境下制备试块并进行试验外，Alchaar 等[56]研究了 3D 打印纤维增强混凝土在高温下（40~45℃中制备试块并放置 7d）的力学性能，且三点抗折试验的试块由每层长 160~200mm、高20mm、宽 40mm 的两层打印层直接堆叠得到，抗压试块同 Wolfs 等[50]，结果显示，高温下其抗折强度（7.5MPa）分别比常温下的打印试块和浇筑试块高 21%和 18%；但高温下抗压强度（20.65MPa）比常温下的打印试块和浇筑试块分别低 16%和 56%。
此外，Ma 等[57]以边长 50mm 的立方体，展示了现浇和不同受力方向下 3D 打印玄武岩纤维增强水泥基材料的受压破坏形态，如图 5 所示，Y、Z 方向下的打印试块破坏形态与现浇试块类似，均呈锥形破坏，但 X 方向下的打印试块受压后仍有较好的完整性，表面仅出现竖向裂缝，原因可能在于挤出后的纤维平行于 X 方向，从而形成均匀密实的打印试块。
图 5 立方体试块受压破坏形态[57]
Fig.5 Failure pattern of cube under compression[57]
朱彬荣等[58]则以直径 100mm、高 200mm 的圆柱体，对比研究了 3D 打印和现浇两种成型方式下聚乙烯高延性水泥基复合材料的单轴受压行为，其中破坏形态见图 6：现浇试块与 Z 方向下的打印试块均呈典型的剪切破坏，而 X 方向下的打印试块表现为多条竖向裂缝的脆性破坏，Y 方向下的打印试块表现为两条相交斜裂缝的楔形破坏。在单轴抗压强度方面，Z、Y、X 受力方向下的打印试块强度分别为同条件下浇筑试块强度（41.7MPa）的 67.6%、63.2%、59.1%；且固定纤维掺量，改变 6mm 与 12mm 长的纤维混掺比例并不会明显改变其单轴抗压强度。 图 6 圆柱体试块单轴受压破坏形态[58] Fig.6 Failure mode of cylinder under uniaxial compression[58] 2.2 层间粘结强度 同抗压及抗折强度试验，3D 打印混凝土层间粘结强度试验中，对试块尺寸、加载速率、养护方式及龄期的选择也不统一，且选取的测试方法也不一致，具体汇总于表 2。 图 6 圆柱体试块单轴受压破坏形态[58] Fig.6 Failure mode of cylinder under uniaxial compression[58] 2.2 层间粘结强度 同抗压及抗折强度试验，3D 打印混凝土层间粘结强度试验中，对试块尺寸、加载速率、养护方式及龄期的选择也不统一，且选取的测试方法也不一致，具体汇总于表 2。 为直接测定层间粘结强度，可采取层堆叠方向的直接拉伸试验。Panda 等[59]为此从双层打印模型中切取长方体试块，以 0.05 mm/s 的速率进行拉伸试验，以研究层间打印间隔时间、喷嘴行进速度及高度对层间粘结强度的影响，结果表明，层间间隔时间越久，强度越低，喷嘴行进速度及高度越小，则强度越高。Tay 等[60]则切取边长 30mm 的立方体试块，以(0.035±0.015) MPa/s的速率进行拉伸试验，结果显示层间抗拉强度随间隔时间的增加呈明显的对数下降趋势；Le 等[54]开展了类似的研究，不同之处在于其切取的试块为直径 58mm、高 120mm 的柱体，但结论一致。Sanjayan 等[53]对切取的50mm×25mm×30mm 的长方体试块以 1 mm/min 的速率进行单轴拉伸试验，结果表明，层间抗拉强度随间隔时间的延长呈先降低后升高趋势，与上述研究结果相悖，见图 7(a)，原因在于层间抗拉强度与其界面的表面含水量存在一定的正相关性。 图 7 层间间隔时间对 3D 打印混凝土层间粘结强度的影响 Fig.7 Effect of time gap on interlayer bond str ength of 3D printed concrete 考虑到直接拉伸试验不仅存在脱粘风险，而且加载过程中可能出现拉应力分布不均，所以有研究者通过层间劈裂抗拉试验或抗剪试验间接测定层间粘结强度。Wolfs 等[50]为研究层间打印间隔时间、喷嘴高度及沉积层表面脱水情况在内的工艺参数对 3D 打印混
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