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1、41 科技导航 Science & Technology 总61期 2014.07 混凝土世界 前言 混凝土材料是当今社会最为重要的土木工程材料之 一， 为人类社会的发展与建设做出了不可估量的贡献， 而 随着社会科学技术的发展， 混凝土在生产应用过程中的高 能耗、 高污染等问题逐渐凸显， 成为制约混凝土材料发展 的一大阻力。 为适应社会可持续发展的需要， 混凝土本身 性能逐渐向高强度、 高性能等方向发展， 同时， 新技术的 出现也为混凝土的可持续发展提供了新的方向。 近年来， 作为 “第三次工业革命” 标志性技术的3D打 印技术引领时代潮流， 快速进入到各个研究领域， 从工业 设计、 航空航天
2、到医疗等各大领域均已出现3D打印的足 迹， 这对传统的社会生产将产生巨大的冲击， 成为改变未 来世界的创造性科技。 同样， 3D打印技术与混凝土技术相 结合的3D打印混凝土技术， 必将是混凝土发展历程上一 次重大的转折点。 本文以3D打印技术为出发点， 介绍3D打印混凝土技 术的发展现状与对建筑行业的贡献， 并结合对3D打印混 凝土技术的认识与存在的问题， 展望3D打印混凝土技术 未来的前景与研究趋势。 1 3D打印技术 3D打印技术的正式名称为 “增材制造” ， 又称为 “快 速成型技术” ， 起源于上世纪80年代， 是指通过连续的物 理层叠加， 逐层增加材料来生成三维实体的技术 （增材制
3、造） ， 与传统的去除材料加工技术（减材制造）不同， 因此 又称为添加制造（Additive Manufacturing， AM） 1， 其综合 了数字建模技术、 机电控制技术、 信息技术、 材料科学与 化学等诸多方面的前沿技术知识， 具有很高的科技含量。 美国材料与试验协会（ASTM）于2009年成立的添加制造 技术子委员会F42将之定义为 “一种与传统的材料去除加 工方法相反的， 基于三维数字模型的， 通常采用逐层制造 方式将材料结合起来的工艺。 其同义词包括添加成型、 添 加工艺、 添加技术、 添加分层制造、 分层制造， 以及无模 成型” 。 不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，
4、成 形原理和系统特点也各有不同。 但是基本原理一样， 那就 是 “分层制造， 逐层叠加” 2， 即通过逐层增加材料来生成 3D实体， 达到制造产品的目的， 如图1如示。 历经30多年的发展， 3D打印的工艺方法逐渐被发掘 出来， 主要有光固化成型法（Stereo Lithography Apparatus, SLA） 、 选择性激光烧结法 （Selected Laser Sintering, SLS） 、 分层实体制造法 （Laminated Object Manufacturing, LOM） 、 熔融沉积制造法（Fused Deposition Modeling, FDM） 和三维 打印法
5、 （Three Dimensional Printing, 3DP）等3。 近年来， 3D打印获得了飞速的发展， 其应用已涉及到 很多领域。 如： 生物、 医学领域已成功地使用3D打印技术 进行人造血管等人体组织器官的制造， 对医学技术的发展 收稿日期：2014-04-30 3D打印混凝土技术的发展与展望 马敬畏 蒋正武 苏宇峰 （同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室， 上海 200092） 摘 要：3D打印技术是混凝土行业发展的一大机遇， 3D打印混凝土技术也必将成为混 凝土行业发展的一个重要方向。 本文简单介绍了3D打印技术， 综述了国内外3D打印混凝 土技术与其材料、 施工的发展现状
6、与最新进展， 指出3D打印混凝土技术目前存在的技术 难题， 并对3D打印混凝土技术的未来进行展望， 提出可能的研究方向。 关键词： 3D打印； 3D打印混凝土技术； 施工工艺； 展望； 研究方向 42 科技导航 Science & Technology CHINA CONCRETE 2014.07 NO.61 起到重要的作用； 航空航天领域可以利用3D打印技术制 造各种不同的零部件， 对生产品质进行精确控制； 在建筑 领域， 3D打印技术可以提高施工效率， 节约资源， 并且可 应用于建筑模型风洞实验和效果展示等。 除此之外， 3D 打印技术还可应用于汽车工业、 电子电器、 服装首饰、 个 性设
7、计等众多领域之中。 2 3D打印混凝土技术 3D打印混凝土技术是在3D打印技术的基础上发展起 来的应用于混凝土施工的新技术， 其主要工作原理是将配 置好的混凝土浆体通过挤出装置， 在三维软件的控制下 ， 按照预先设置好的打印程序， 由喷嘴挤出进行打印， 最终 得到设计的混凝土构件（如图2（a） 所示） 。 3D打印混凝土 技术在打印过程中， 无需传统混凝土成型过程中的支模 过程， 是一种最新的混凝土无模成型技术。 2012年， 英国 拉夫堡大学的研究者研发出新型的混凝土3D打印技术， 3D打印机械（如图2（b） 所示）在计算机软件的控制下， 使 用具有高度可控制挤压性的水泥基浆体材料， 完成精
8、确定 图 2 3D打印混凝土技术示意图（a） 、 打印机械（b） （b）（a） 图 1 3D打印技术原理图 43 科技导航 Science & Technology 总61期 2014.07 混凝土世界 位混凝土面板和墙体中孔洞的打印， 实现了超复杂的大尺 寸建筑构件的设计制作， 为外形独特的混凝土建筑打开了 一扇大门4。 2.1 3D打印混凝土 随着3D打印混凝土技术的出现， 普通混凝土已无法满 足其技术的需要， 对混凝土的性能提出了进一步的要求， 分别体现在对新拌混凝土的施工性能和硬化混凝土的力 学性能及耐久性， 英国拉夫堡大学的T. T. Le等5-6人对此 进行了相关的研究。 对于新拌
9、的混凝土浆体， 为满足3D打印的要求， 必须 达到特定的性能要求。 首先是可挤出性， 在3D打印混凝土 技术中， 混凝土浆体通过挤出装置前端的喷嘴挤出进行打 印， 因此配置浆体中颗粒大小要由喷嘴口的大小决定， 并 需严格控制， 杜绝大颗粒集料的出现， 在打印过程中不致 堵塞， 以保证浆体顺利挤出。 其次， 混凝土浆体要具有较 好的粘聚性， 一方面， 较好的粘聚性可以保证混凝土在通 过喷嘴挤出的过程中， 不会因浆体自身性能的原因出现间 断， 避免打印遗漏； 另一方面， 3D打印是由层层累加而得 到最终的产品， 因此， 层与层之间的结合属于3D打印混凝 土的薄弱环节， 是影响硬化性能的重要因素，
10、而较好的粘 聚性可以在最大程度上削弱打印层负面的影响。 最后， 可 挤出性和粘聚性尽可以保证前期的打印和硬化后的性能， 却难以保证打印的全程可以顺利进行。 在3D混凝土打印的 过程中， 必须要求已打印完成的部分状态保持良好， 不会 出现坍塌、 倾斜等中断打印施工的现象， 这就对混凝土浆 体的可建造性提出了要求 （如图3所示） 。 3D打印混凝土技术同样会对硬化混凝土的性能产生 较大影响。 在打印过程中， 混凝土呈条状挤出成型， 条与 条之间的粘结问题是决定硬化打印混凝土孔结构的重要 因素， 较差的粘聚性会导致打印混凝土结构内部出现大 而多的孔隙（如图4（中）所示） ， 亦必将对混凝土的耐久 性
11、有重大影响； 对强度而言， 使用打印技术会造成混凝土 强度的损失， 导致打印混凝土的强度低于同种配比的模 成型混凝土， 同时， 打印也会使混凝土的强度出现各项异 性的特点， 强度的高低由打印的方向所决定； 此外， 水中 养护对打印混凝土的性能也有较大的影响， 这一点在其 他研究者的研究中也得到证实7， 主要原因在于水中养护 会对打印混凝土的微观结构有一定的改善作用， 填充打 印混凝土在打印过程中造成的孔隙， 从而改善打印混凝 土的各项性能。 图 3 3D打印混凝土打印效果图 图 4 成型方法对混凝土孔结构的影响（左为模成型， 中、 右为打印成型） 44 科技导航 Science & Techn
12、ology CHINA CONCRETE 2014.07 NO.61 2.2 3D打印混凝土的施工 随着3D打印混凝土出现在研究者的视野中， 3D打印 建筑也随之产生。 意大利研究者Enrico Dini发明了世界首 台大型建筑3D打印机， 这台打印机的底部有数百个喷嘴， 可喷射出镁质黏合物， 在黏合物上喷撒砂子可逐渐铸成石 质固体， 通过一层层地黏合物和砂子结合， 最终形成石质 建筑物， 并成功使用建筑材料打印出高4米的建筑物 （如图 5所示） 。 在此基础上， 他与荷兰建筑师Janjaap Ruijssenaars 一同合作， 欲用此3D建筑打印机打印建设一座 “莫比乌斯 环” 状的建筑物
13、， 用以参加欧洲的3D打印比赛8， 这是3D 打印混凝土技术在建筑行业的大胆实践。 近日， 上海青浦出现一批3D打印房屋， 其研发者马义和 使用回收的建筑垃圾与玻璃纤维作为打印原料， 采用自行 设计的组装打印机械在24小时内完成了10幢200平方米建 筑的 “打印” ， 但其使用的材料与结构的承载力、 耐久性仍 值得考虑9。 而在此前不久， 荷兰的一家建筑企业也已着手 进行一栋大楼的打印， 其施工主要是通过将3D打印机打印 出来的预制件像积木一样垒起来， 以此来完成打印10。 在3D打印混凝土的打印过程中， 是混凝土条层层堆 积的过程， 不可避免地会在打印构件的表面上出现台阶效 应， 其表面粗
14、糙不平， 不仅影响美观， 还可能导致精度的误 差， 从图6中可以明显看出， 打印的构件表面存在横向的条 纹， 层次较为明显， 表面平整度有待美化。 而为了处理这类 问题， 通常使用两种方法： 一是缩小打印喷嘴的口径， 降低 台阶的高度， 这种方法会降低打印的速度， 影响施工效率， 同时并不能保证表面达到理想的平整度； 二是在成型后进 行后续抹平处理， 此方法需进行重复工作， 费时费力。 为解决3D打印建筑施工过程中的这些问题， 美国 南加州大学的Behrokh Khoshnevis教授提出轮廓建筑工 艺（Contour Crafting） 11-12。 轮廓建筑工艺是使用3D打 印技术进行建筑
15、建造的一种工艺， 包括轮廓打印系统 （Extrusion system）和内部填充系统 （Filling system） 两部 分（如图7 （左） 所示） ， 其原理是先进行外部轮廓的打印， 之后向内部填充材料， 形成混凝土构件。 轮廓建筑工艺最 大的特点是： 在喷嘴上加入泥刀 （如图7（右） 所示） ， 泥刀 保证在打印建筑的同时可以进行表面的平整， 很好地解决 3D打印表面不平整的问题。 此外， 轮廓建筑工艺可以在3D 图 5 大型建筑3D打印机打印的建筑物 图 6 3D打印成品的表面状态 45 科技导航 Science & Technology 总61期 2014.07 混凝土世界 打印
16、建筑的同时， 实现混凝土构件中配筋， 还可以进一步 尝试高层建筑的打印建设。 以3D打印技术为基础， 加入泥刀的轮廓建筑工艺具 有较多的优点， 一方面在打印的同时进行建筑物表面的平 整， 提高了打印建筑表面的光滑度与精确度， 避免重复施 工； 同时， 还可以加大每层打印的厚度， 提高建筑物的建造 效率， 可在24小时内打印完成一栋2500平方英尺的房子。 此外， 打印设计中填充系统的存在， 可以根据需要进行内 部材料的填充， 在很大程度上提高打印建筑的结构性能。 2.3 3D打印混凝土存在的问题 目前的3D打印混凝土技术正处于研发试用阶段， 对于 其性能与应用均处于探索阶段， 因此， 不可避免地会存在 一些问题。 （1）原材料的问题13。 3D打印混凝土相对于传统的 模成型混凝土对原料的要求更为苛刻， 普通水泥可能无 法同时满足建筑性能与打印技术的要求， 粗细骨料的质 量要求会更高， 甚至要采用新的破碎工艺制度， 而对于外 加剂在混凝土体系中发挥的作用及作用机理也可能会发 生改变。 （2）配合
