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摘 要：混凝土材料的发展是建筑行业发展的关键部分，绿色高效的生产方式将是未来建材行业发展的新方向，而3D打印混凝土技术在此形势下兴起，于20世纪90年代诞生了3D打印技术，是建筑行业高速发展的新科技之一，也成为了混凝土产业发展的重要机遇。本文概述了目前3D打印混凝土技术的发展，并总结了目前3D打印混凝土材料国内的研发状况，剖析了3D打印混凝土技术的发展优势，对目前3D打印混凝土材料的使用状况做出了概括，为未来3D打印混凝土材料的研发提供了建议和发展。

关键词：3D打印混凝土；优越性；资源利用

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近年来，国家正大力推展科教兴国战略，我国的科技在不断进步，各行各业都在自我革新。同样的，低碳环保的理念一直是各行各业追求的目标，对环境低污染、低成本、高科技的建筑行业，将是未来建筑的发展方向。

在这样的发展趋势下，除了科技领域的引入，新的建筑手段同样需要革新，3D打印混凝土技术便是在此背景下应运而生，3D打印混凝土技术是一个在数字模型之上运用混凝土材料进行分层创建建筑物的过程。相较于传统建筑行业的修建方式，3D打印混凝土技术带来了新气象、新机遇，更带来了低污染、高效率、低成本，这正是建筑行业未来发展的必然趋势。

本文将以现有的3D混凝土材料研究成果为基础，对利用环保材料代替部分原材料的研究进行综述，同时对未来建筑行业绿色、环保、可持续发展的未来做出展望。

1 3D打印混凝土技术

众所周知，3D打印混凝土工艺也可以叫做增材制造，是一个以数字模型为核心的混凝土堆叠工艺，把事先配制好的混凝土浆液根据制定好的印刷流程，利用喷嘴进行堆叠打印，生成建筑上的混凝土构件[1]。而3D打印混凝土的无模板工艺正是它最大的优势，和普通混凝土产品一样，这样的成型方式，更新颖、更低价、更环保。

不论是传统混凝土技术还是新型发展的3D混凝土打印技术，都依托于混凝土材料的组成和配比。3D打印混凝土材料主要是由胶凝材料、掺合料、特种纤维、外加剂和骨料组成的浆体，这种配置好的浆体也被称为“油墨”[2]。

1.1 3D打印混凝土材料的国内外研究现状

3D打印混凝土技术自19世纪被美国学者发明创造以来，最初建筑材料的研究工作大多集中在水泥，1997年Joseph Pegna教授来自于美国伦斯勒理工学校，开发出了一个能够让建筑材料选择性固化的新技术，这其中加入的便是硅酸盐水泥，其作为一种活性材料，使得3D打印混凝土材料可以层层堆叠而成[3][6]。这是最早的关于材料的研究，此后，其他的学者在此基础上，研究了不同材料的相关性能。

意大利Enrico Dini和瑞典Michael的学者，相继将粉末状的沙石加入到材料当中，使之与海水和粘合剂相结合，建造出有机的形体，但这样的材料仅仅可以打印装饰品，承重和结构还不满足要求[4][6]；2012年英国拉夫堡大学的Le等人共同研发了玻璃纤维强化混凝土，这些结构拥有高密度、良好的抗折耐压性能和优异的相互间粘结接力[5][6]，且能大幅度减少空隙的数量，现阶段对于纤维的研究种类也是越来越丰富，产品主要有玄武岩纤维（Basalt）、玻璃化纤（Glass）、聚乙烯醇纤维（PVA）、玄武岩纤维（Basalt）、玻璃化纤（Glass）、聚乙烯醇纤维（PVA）、钢纤维（Steel）等[7]；2014年上海交通大学教授范诗建等人成功将磷酸盐材料磨细为粉末，与氧化物和外加剂结合，配制出具有早强、快硬、黏结度较高的磷酸盐水泥，可用作3D打印机之中[6][8]；之后2018年，东南大学张宇等人，将纳米粘土和硅灰加入水泥当中，代替了部分水泥，这使得材料的可建造性和强度都有所提高[6]。

3D打印混凝土由原来只是可以打印小物件上的简单装饰品，逐渐变成了现在能够打印高强度、大跨度的大规模建筑材料，现在最具备代表性的3D打印建筑物包括：迪拜Mohammed Bin Rashid Al Maktoum太阳能公园；迪拜市政府建筑；荷兰的“无限”景观屋；中国江苏省的公寓楼和上海混凝土3D打印步行桥等等，值得一提的是，迪拜正立志于打造一座全3D打印智能化城市，3D打印的未来不可限量。

1.2 3D打印混凝土技术对材料性能的要求

随着社会的进步和科技的快速发展，越来越多的学者投入到3D打印混凝土技术的研究当中。而3D打印混凝土技术的研究主要包含三个方面：机械设备、结构设计以及材料技术，其中材料的组成和配比是至关重要的一环。

普通的混凝土材料已经无法满足3D打印混凝土技术的要求，新拌混凝土的耐久性和施工性是性能的关键。而3D打印混凝土需要满足其特定的性能要求，首先是可挤出性，混凝土浆体由3D打印装置前端的挤料口挤出进行打印，为保证材料的顺利挤出，材料的组成十分重要，既要保证材料性能的稳定，又要防止材料的颗粒过大，堵塞喷嘴；其次是材料的粘聚性，3D打印混凝土产品是层层打印叠加而成的，层与层之间的粘聚力直接影响混凝土的硬化性能；最后，即使满足这两方面的要求，也还不能保证3D打印产品顺利打印，还需要满足可建造性，要求打印出来的产品没有出现坍塌、崩裂、倾斜、中断等现象。

2 3D打印混凝土技术的优越性

2.1提高工作效率，减少成本

与传统建筑业相比，3D打印混凝土技术无模板是其最大的特点，这使得工作效率大大提高。传统的施工方案是通过软件进行方案设计，而材料与构件准备完成之后，再进行现场施工图的绘制，最后根据现场情况完成施工和装配。而3D打印技术则经过设计师设计后，将设计产品直接打印出来，这种无模板，少人工的建设方式，大幅度减少了建设所用的时间，同时能有效解决人力造成的高额成本，现场工人所需较少，且无需过重的体力劳作，都是简单又轻松的工作[9]。除此之外，清洁又绿色的原材料，不仅缓解了困扰我国多年的资源匮乏和废料再利用问题，还大大减少了材料高昂的费用，3D打印混凝土的发展是未来不可或缺的一项新技术。

2.2材料清洁、环保

目前3D打印混凝土所用的材料大多是各种环保型材料，学者们将各种无法处理的工业及自然形成的废渣废料取代部分原材料，例如粉煤灰、钢渣、风积沙等废弃物的利用。其工作方法简单快捷，只需要把原料选择好投入到机器设备里面，不会形成很大的污染物质和巨大的噪声，且不会灰尘飞扬，场地需求小，破坏小。

2.3推动信息化发展

与3D 打印技术还可以跟互联网技术进行结合，例如与BIM 技术相配合[10]，不仅能够缩短工期，还可以将工作效率进一步提升。将施工中的相关信息发布到BIM平台上，让施工各环节的人员可以根据发布的数据进行管理，随时制定和修改方案，使工程在大数据的分析下更加便捷透明。此外，利用云计算分析大数据，完善对项目的管理，可以有效推动建筑行业从粗放型向信息化的转型。推动了建筑行业的信息化发展。

2.4造型独特

3D打印技术是根据数字建模通过挤出“油墨”打印出建筑物，所以可以创造出许多造型各异，风格多变的装饰物及建筑物，其犹如麻绳编织的纹路特点，更是赋予3D打印更多的独特性，且现阶段的打印机器人具有精度高、定位准确的特点，无需人工校准便可根据客户的需求设计定制方案，现如今的技术，已经不仅仅满足室内装饰品的打印，建筑物与室内装潢的整体打印也基本可以实现。

3 3D 打印混凝土材料利用的现状

由于3D打印混凝土材料的堆叠性，就要求每一层的混凝土都尽量薄，所以所用的骨料应该密度更小、强度更高、形态更接近球状。现阶段，我国正大力践行可持续发展战略，努力推进“碳达峰、碳中和”目标，那么更环保、更节约成本的3D打印混凝土原材料的研究将势在必行。

3.1 石膏基3D打印混凝土

石膏是一类单斜晶系矿石，一般来说包括生石膏和硬石膏二类，但现如今水泥浆已应用于化学工业和建材。郅真真等将α型高强石膏作为胶凝材料加入到混凝土材料的制备当中，结合石膏的机理特征和材料特性，得出了适合3D打印的工艺[11]；苏桂明等研究者将石膏磨细成粉，确定了应用于3D打印的石膏粉Ca SO4·0.5H2O或添加少量Ca SO4·2H2O，从而促进3D打印混凝土的流动性[12]；邓涛等更是研究了高强石膏、微纳米石膏加入3D打印混凝土材料时的可行性[13]。

磷石膏，是在磷酸盐工业生产中用硫酸处理磷矿时生成的一类固态副产品。我国成为当今世界上第一位大磷肥料生产商，造成了大规模的磷石膏累积储存，再加上对土地的大规模耗费，还会对土壤、水资源造成不良影响。王凯、代媛媛等将磷石膏加入到3D打印混凝土的原材料当中，磷石膏颗粒较小、密度较低、融合性较好的特点，符合3D打印混凝土材料的要求，经过对3D打印工作性能的测试，随着磷石膏取代率的增加，其流动性和可挤出性能明显得到了改善， 其中25%取代率下材料表现出了更好的工作性能，为解决我国将近5亿吨磷石膏的闲置堆放做出了巨大贡献[14]。

3.2 矿物掺合料3D打印混凝土

粉煤灰大多来自于燃煤，特别是煤气的焚烧，产生出了很多飞扬于空气中的粒子，对周围环境也会形成不良影响，但是从上时代以来，外国的部分学者便已经对其展开了研究，因此现阶段粉煤灰已经刚刚开始应用到砂浆的生产当中，将粉煤灰用作胶凝材料取代混凝土，能够提高砂浆内部的密实程度，从而改善了砂浆的结构特性。硅灰是工业硅与硅铁通过高炉熔炼而产生的烟尘，经过捕捉装置收集处理制成，掺入混凝土材料中，能有效提高混凝土的性能。而钢铁是社会发展不可或缺的材料之一，矿渣粉作为高炉炼铁的产物，其合理利用是绿色发展的重要组成部分，将其作为混凝土掺合料，已在我国建筑行业广泛应用，矿渣可代替部分骨料，而矿渣粉则可代替部分胶凝材料。

李维红等通过在3D打印混凝土中单掺或复掺粉煤灰和硅灰，研究其对材料性能的影响，试验表明结果表明两种材料对于材料性能影响的表现各不相同[15]；王功勋等则发现将抛光砖粉和粉煤灰复掺，能有效提高3D打印混凝土的耐久性[16][17]。所以可以考虑将粉煤灰与其它材料复合掺入3D打印混凝土的制备当中，同时发挥二者优势，回避劣势，使混凝土具有更好的性能，对3D打印混凝土的研究具有积极意义。孙振平等研究了适合3D打印施工的超高性能混凝土的配置，调节粉煤灰、硅灰、矿渣粉三者的掺量，发现在一定掺量下，基体强度最高，且强度离散性最小[18]。矿物掺合料的合理利用对建筑行业的发展起到了有利影响，实现绿色、健康、可持续发展的新型建筑指日可待。

3.3 风积沙及其他固废材料用于3D打印砂浆

我国西北地区荒漠化形势严峻，沙漠面积占地巨大，这对我国土地及气候都带来了不利影响，而其中也储备了丰富的风积沙资源。一些学者对风积沙的性能进行了研究，其性能适宜取代河沙，包建强等将风积沙部分取代河沙开发出风积沙混凝土[19]，而王聚瑞等利用风积沙制备了超高性能混凝土[20]，风积沙的利用随之越来越广泛。现有学者将风积沙作为骨料加入3D打印砂浆当中，测试其可挤出性、可建造性等参数性能，发现风积沙应用于3D打印混凝土的材料制备中，风积沙具有细沙特性，可以解决目前3D打印产品表面较为粗糙的现状，将风积沙变废为宝，减轻了其对环境的危害。另外，郝建军等[21]还研究了利用再生细骨料全部取代了天然砂，并使粉煤灰、硅灰、炉渣粉等三者相结合形成的复合矿物填充料，从而改善了与3D混凝土材料的配合比，这是将其他固废材料搭配结合作为骨料掺入3D打印混凝土材料的制备当中，也取得了一定的进展，这种利用废弃资源的方式正是我国建筑行业的发展方向。

4 结语与展望

3D 打印混凝土已经是当前科技领域研究的热点。我国传统的建筑行业管理效率低下，技术落后，还会产生高比例的建筑垃圾，急需新技术的发展和应用，故3D打印混凝土拥有雄厚的发展潜力。

1） 基于3D打印混凝土优秀的无模板，少人工的特点，我们可以将这项技术运用于桥梁隧道、地下工程等人力不便于深入施工的场所，这为建设高难度高科技的现代化设施，提供了一种新思路与新机遇。

2） 装饰建筑一体化是未来发展的方向之一，而3D打印混凝土就可以满足这一方向，在打印房屋的同时，将设计好的室内装修设计一同打印，实现“一步到位”的房屋建设，而基于3D打印的造型特点，使得3D打印混凝土房屋更具有独特性。

3） 虽然现阶段对3D打印原材料的研究已经有了一定的研究，但还远远不够，根据3D打印混凝土材料的特点，研究更多材料配合的可能性，在如今“双碳”政策的呼吁下，使用更清洁、更环保的材料是未来发展不可或缺的部分。

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通讯作者：张文慧，（1998，07--），女，汉族，山西省太原市人，硕士在读，主要研究方向：3D打印混凝土及钢与混凝土组合结构