摘要：由于人口老龄化问题不断凸显，劳动力短缺和劳动力成本过高已然成为我国建筑行业面临的主要挑战，为此研究者们不断地进行创新和设计，尝试开发更先进的施工技术。由于施工速度快、劳动成本低、无需模板以及适用于各类施工场地等优点，混凝土3D打印技术应运而生，受到了工程界的广泛关注。基于此，对3D打印纤维增强混凝土材料研究进展进行研究，仅供参考。

关键词：3D打印;纤维增强混凝土;工作性能

引言

20世纪80年代，随着传统建筑施工过程中资源消耗高、危险系数高以及生产效率低等问题的日益加重，遵循绿色环保、文明施工、劳动强度低等理念的3D打印技术应运而生。3D打印技术又被称为快速成型（RapidPrototyping）技术，以三维数据为基础，根据点、线、面的层叠成型原理，改善了传统施工过程中存在的较多难题。经过30多年的发展，3D打印技术已成功应用在工业、生物医疗、航空航天、建筑等领域。

13D打印技术

2016年我国住房和城乡建设部在颁发的《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》中提到“积极开展建筑业3D打印设备及材料的研究”。3D打印技术作为一项新兴技术，其在建筑领域的运用，不仅可缩短工期、提高效率，还可充分利用建筑垃圾减少环境污染并兼顾艺术性，不难预见其对建筑行业发展的影响是不可估量的。国内外学者和相关行业，对3D打印技术在建筑领域运用做了大量的研究和实践，在该领域的研究主要集中在打印材料和打印设备两个方面，国外研究人员更加注重在材料方面的研究，国内主要集中在打印设备的研究。如周奇才等人采用有限元分析论证了龙门式机架的可行性并阐述了打印机控制系统的控制思路和打印流程。提出应从设计创新、结构力学的构造和新材料三个方面来解决如何利用3D打印技术打印高层建筑的问题。韩立芳等人就混凝土建筑3D打印中线宽控制问题，展开了详细的因素分析，并针对出现的问题结合试验测试，对线宽控制方法进行了改进，获得了较为理想的打印效果。齐甦等人从材料的可建造性、层间黏结强度、干燥收缩率、临界失效时间等方面对3D打印建筑用混凝土材料的研究做了归纳总结，并指出混凝土材料是3D打印建筑施工中发展的基础也是制约技术发展的瓶颈。中国混凝土与水泥制品协会3D打印分会发布了2019年度建筑3D打印行业技术与应用发展报告，报告中指出建筑3D打印软件、设备、打印材料、建筑结构体系和技术标准规范均是目前建筑3D打印技术发展中亟待解决的问题。

2纤维增强混凝土

3D打印混凝土的工作性与力学性能指标，探究了PVA纤维对混凝土可打印性的影响。选取水泥、矿粉、硅灰、纤维等材料，按照一定的基准配合比配制试件，设置PVA纤维掺量为0.8%、1.0%、1.2%、1.4%、1.6%的5个试验组，对混凝土材料的流动度、抗压强度、抗折强度进行测试。结果表明，在工作性上，PVA纤维掺量的增加对3D打印混凝土的流动性起抑制作用，而对凝结时间的影响较小;在力学性能上，PVA纤维对抗折强度与抗压强度都有一定的增强效果。从材料的配合比、可打印性、可建造性、可使用性以及工程应用5个方面，对3D打印纤维混凝土的研究现状进行了分析，得出掺入纤维可有效降低混凝土受压脆性、提高混凝土抗拉强度的结论，并指出纤维种类、纤维排列顺序以及纤维含量对纤维增强混凝土有一定的影响。KESHAVARZIAN等为研究纤维增强混凝土的力学性能，共制备了171个立方体与棱柱体试件，分别进行了抗压强度和抗折强度试验，得出了力学强度最优的配合比，并发现微硅粉与水泥是影响纤维增强混凝土力学性能的核心因素。

3纤维增强混凝土材料打印后力学性能

3.1早期性能

在混凝土3D打印中，材料的早期性能同样十分重要。一方面由于3D打印逐层堆叠的施工工艺，下部混凝土层要比上部混凝土层在早期承受更大的荷载，受到挤压后的混凝土层能够维持自身形状不发生变形的能力称为抗形变能力（shape-retentionability）。抗形变能力是上文所述的打印结构不发生材料失效的关键因素。Nematollahi等通过向直径60mm、高60mm的UHPC圆柱体上放置重物并观测其垂直变形来定量评价可打印UHPC的抗形变能力。当重物质量小于1.08kg时，UHPC圆柱均无明显变形。另一种类似的方法是向混凝土圆台体上放置600g的重物，并观测其1min后水平面内的扩展直径。Nematollahi等测得不同掺量下PP纤维增强混凝土的扩展直径为112～124mm，并随着纤维掺量的增加而下降。Li等测量了PVA-ECC在不同静置时间（从搅拌到试验的时间间隔）下的扩展直径，试验结果显示在静置时间不超过70min的情况下，PVA-ECC具有良好的可打印性和抗形变能力，其扩展直径为100～106mm。

3.2可建造性

3D打印混凝土构件的可建造性主要受混凝土材料的触变性影响，且触变性越高，构件形状的稳定性越好，可建造性也就越好。PANDA等通过研究3D打印工艺参数对胶凝材料成型及黏结性能的影响，分析其可建造性。向粉煤灰中掺入2.5%的二氧化硅与0.5%的纳米黏土材料，显著提高材料触变性和屈服强度的同时也提升了3D打印混凝土试件自身的可建造性。MUTHUKRISHNAN等针对3D打印混凝土过程中出现的层间黏结性差、可建造性差等问题，提出了一种微波加热技术，以提高地质聚合物3D打印混凝土的结构强度，改善了试件的可建造性。JOH等通过研究3D打印混凝土工艺参数中的层间间隔时间、喷嘴速度以及侧向支撑对试件可建造性的影响，发现打印试件的抗折、抗拉、抗压强度等性能与层间黏结强度紧密相关，提高材料的黏结强度，有利于提高3D打印混凝土试件的可建造性。

3.3层间粘接性能

由于3D打印堆叠成型的特殊施工工艺，相邻打印层间往往容易形成薄弱界面，层间粘接性能成为了影响打印试件力学性能的关键因素。Sanjayan等制作了50mm×25mm×30mm的双层矩形试块，并在层间预切5mm的切口，通过直接拉伸试验测量了普通混凝土的层间粘接强度仅为0.65MPa。如何提升层间粘接强度也成为了当下混凝土3D打印的研究热点。Zareiyan等通过在层间设置凸起形成自锁效应来增强层间粘接。Marchment等则是通过插入钢筋来增强层间粘接。但这无疑又削减了3D打印带来的施工便利性。

结束语

3D打印技术学名为增材制造技术，是一种直接根据图形数据，通过叠加材料的方法生成立体空间物体的技术。随着数字化技术的不断发展以及打印材料、工艺和设备的不断成熟，3D打印技术的应用领域不断扩大，有医疗器械与用品、汽车零部件、军用装备等高端制造领域，也有日常生活用品，如造型奇特的摆件、精美的电子产品外壳，可见该技术正在改变人们的生活方式和生产模式。

参考文献

[1]侯泽宇.3D打印纤维增强混凝土的制备与性能研究[D].东南大学，2020.

[2]王里，王伯林，白刚，马国伟.3D打印混凝土各向异性力学性能研究[J].实验力学，2020，35（02）：243-250.

[3]董赛阳.3D打印功能梯度混凝土的制备及性能研究[D].南京理工大学，2020.

[4]高超.BFRP筋增强3D打印混凝士梁式构件力学性能研究[D].浙江大学，2020.

[5]张皓，杜文风，张帆.面向3D打印的纤维混凝土材料的发展现状[J].河南大学学报（自然科学版），2020，50（01）：108-117.