王安卿，朱兆悅，王奕飛，鞠永康，龔子衡

（南京工程學院建筑工程學院，江蘇 南京 211167）

0 引言

隨著工業(yè)4.0 的推廣，土木工程領域也在進行一系列的革新， 機械化和信息化正引領建筑施工技術的發(fā)展。 傳統(tǒng)混凝土除了建筑結構施工需耗費大量的人力資源、 同時還存在材料消耗量大及環(huán)境污染等問題。 尤其當遇上結構形式復雜、個性化程度高的建筑結構施工時， 制作所需的模具及后續(xù)的混凝土施工過程都存在一定的難度， 施工中的模具也不可再次使用， 帶來浪費的同時也增加了生產成本。 所以，合理采用更高效性、節(jié)約性的新型3D 打印混凝土技術便很有必要。

回收利用固廢，研究新型的3D 打印復合型材料，使其在保證力學性能能滿足結構強度和延性要求的同時，也能滿足泵送性、可擠出性、可建造性、可粘結性、施工時間、早期強度和綠色環(huán)保等方面要求，這對于3D 打印混凝土（3DPC）的預期價值實現具有重要意義。

1 環(huán)境友好型3D 打印ECC 的研究現狀和展望

1.1 3D 打印混凝土技術與高延性水泥基復合材料

相對于傳統(tǒng)混凝土而言，ECC 中加入了一定量的纖維，具有更高的抗拉強度、抗彎強度和抗剪強度，還具有很高的韌性和延伸率。 這種材料可發(fā)生較大的形變，從而提高建筑結構的抗震性、防爆性，其還可提高基礎設施的可靠性，延長建筑的使用壽命。 與傳統(tǒng)混凝土技術相比，3D 打印混凝土技術具有高效性、可變化性。由于其的可變化性，讓其更能適應各式各樣的建筑模型，滿足不同建筑需求。 其它還可以回收利用材料，減少建筑資源浪費，從而節(jié)能減排。 故而將混凝土3D 打印技術與ECC 結合很有可能是未來土木工程材料發(fā)展的一個熱點方向。

由于3DPC 的制備膠凝材料用量高，粗骨料使用較少，3DPC 具有較高的開裂風險， 降低了延展性能。 所以，常在3D 打印水泥材料中加入纖維等材料，加強其的各項性能。新加坡學者Panda 等[1]摻雜0.25%～1% (體積分數) 的玻璃纖維對3DPC 的性能影響進行研究， 結果表明在混凝土材料中摻雜1%的玻璃纖維可大大改善3D 打印混凝土的抗拉、抗彎性能。新加坡南洋理工大學Ma 等[2]研究發(fā)現，玄武巖纖維能夠有效提高3DPC 的各項強度。悉尼科技大學Shakor 等[3]發(fā)現，摻雜1%的聚丙烯纖維（PP 纖維）能提升材料的抗彎抗折強度以及可塑性。 上海建工集團工程研究總院占羿箭[4]利用數值模擬方法研究了纖維增強3DPC 受剪破壞，發(fā)現纖維能顯著提高3DPC 裂后韌性，但其性能仍然弱于正常澆筑成型的混凝土。 浙江大學孫曉燕等[5]研究多壁碳納米管對3DPC 性能的影響發(fā)現， 碳納米管對3DPC 的早期強度具有很大的提升， 但對3DPC 流動性沒有明顯影響。浙江大學汪群和高超[6]探索了摻雜聚乙烯醇纖維（PVA 纖維）對3DPC 的影響，PVA 纖維的摻雜和3DPC 的流動性呈相反關系，增加PVA 纖維摻雜量會降低流動性，還發(fā)現摻雜合適的PVA 纖維量可提高3D 打印混凝土建造時結構的形狀穩(wěn)定性。 因此， 研究摻入纖維的種類、長度、摻量等對影響3D 打印ECC 性能具有重要意義。

3D 打印技術則具有可不使用模板進行施工以及快速成型等的特點， 且運用纖維增強混凝土還可滿足各類特異性結構的需求，例如仿生、異型曲面、拓撲優(yōu)化等特殊結構。 從仿生學的方向上，相對于澆筑整體結構，分層堆砌結構更合理。 貝殼珍珠母是由脆性材料文石（CaCO3）構成的，但通過分層堆砌的結構， 將原本脆弱的材料變成十分堅硬的結構。 文石層間的礦物橋、納米粗糙顆粒、聚合物等結構， 使貝殼在荷載作用下出現了裂縫偏轉和分叉等現象，避免了單一裂縫的脆性破壞形式。而3D 打印的堆砌疊加成型的工作模式正好與貝殼珍珠母對分層結構具有一定的相通點。 Yu 等[7]使用PE-ECC 作為原材料， 通過在層間間隔放置PVC 薄膜實現橋接與分隔， 打印出了抗彎強度達15 MPa，極限撓跨比超過1/20 的無筋仿生梁結構。所以，在3D 打印混凝土材料中添加適量的纖維材料以及選用正確的打印方式可化須通過堆砌疊加成型程序這一呆板固定的劣勢化為優(yōu)勢， 大大提升材料本身所不具備的強度。

1.2 利用固體廢料資源化

將建筑廢棄物、 工業(yè)生產垃圾和尾礦作為3D打印技術的重要原材料以制備打印所需的水泥基材料， 則不僅可降低3D 打印所需的材料成本，同時減少廢料占用土地資源，減少環(huán)境污染。 用其取代傳統(tǒng)混凝土中的砂石料，代替凝膠材料，既可改善材料性能，也可充分利用廢料、尾礦等原本不可利用的資源，減少水泥的用量從而降低碳排放，有助于發(fā)展環(huán)境友好型工程技術。

在3D 打印砂漿中用再生骨料取代細骨料會降低其力學性能，在取代率不超過50%時，隨著取代率的增加強度逐漸降低。肖建莊團隊針對在3D打印混凝土中使用再生砂粉替代天然砂或水泥的可行性進行了研究， 結果表明再生砂粉對砂漿早期力學行為有顯著影響[8]，再生砂粉具有高吸水率的特點，可以大大減少構建開放時間，并提高打印構建的早期強度和后續(xù)的可塑性、可建造性，但加入再生砂粉會降低混凝土的各項力學性能。

1.3 應用優(yōu)化分析

目前在纖維類型選定、 打印加工完成后的結構力學穩(wěn)定性評估以及施工工藝與裝備研究等領域還面臨著需克服的技術困難， 針對目前所存在的問題，大致可從以下幾點考慮3D 打印水泥基復合材料的優(yōu)化方向。

1.3.1 纖維

目前市面上的纖維類型、規(guī)格和尺寸繁多，學者們目前研究較多的有碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、聚乙烯纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維和鋼纖維等。 面對如此多的纖維品種，如何選擇纖維匹配構件所需的力學性能，還需進一步的研究。 此外， 纖維的可攪拌性、 混凝土水泥基的力學適應性、打印時纖維的排布規(guī)律、擠出后如何確定纖維的排布分列及分散性及纖維本身的耐久性等都會是3D 打印混凝土技術范疇的研究重點。

1.3.2 煤基固廢材料

隨著國內外科學家的不斷研究發(fā)現， 設計3D打印混凝土水泥基配合比時，可使用硅灰、粉煤灰、各種生產尾礦等固廢代替水泥作為凝膠材料。由于現在3D 打印技術不成熟， 還需要進行實驗測試，設計出具有更好的打印效果的配合比，提高3D 打印混凝土的各項性能。

1.3.3 打印工藝和設備

物料從混合均勻到擠壓成形的時間距離、打印機層高和噴頭孔徑、印刷效率和物料擠壓效率等技術參數對物料的印刷工程特性以及印刷系統(tǒng)的力學性能均有重要的影響。另外，如何實現連續(xù)打印，決定了大型纖維強化混凝土結構打印工程的進展。所以，還需更為細致、系統(tǒng)的研究，才能探索出最適宜進行3D 打印ECC 的施工工藝和技術形式。

2 機器學習與混凝土強度預測

伴隨時代的發(fā)展， 對建筑的要求越來越高，各種新型的技術層出不窮，3D 打印技術、大數據深度學習、BIM 等， 不斷地挑戰(zhàn)刺激了新型混凝土的快速發(fā)展，推動了進一步的研究，以開發(fā)新的預測模型，可預估混凝土的各項性能，優(yōu)化混凝土配合比。為能更好應對和適應各種設計規(guī)范和標準的要求，混凝土力學性能的預測現在已經成為一項很重要的研究任務。傳統(tǒng)的混凝土力學、流變學、耐久性和其他性能預測模型基本上是由實驗數據的統(tǒng)計分析發(fā)展而來的經驗關系，其中已經建立了線性和非線性回歸模型。這些模型在某些情況下證明是很有效的，可節(jié)省一定的時間和成本，但也還存在一定的缺陷，難以處理復雜材料混凝土試塊，建立經驗模型所需的昂貴的成本等。 為彌補傳統(tǒng)線性和非線性回歸模型的缺點，ML 技術最近被引入預測混凝土力學強度，使用這種預測工具可節(jié)省昂貴和耗時的試驗批次和相關的實驗工作，以達到所需的混凝土強度。

3 結語

3D 打印技術具有高效性、可變化性，由于無需模板，能減少材料的使用量，更符合環(huán)保的要求。與普通混凝土相比，纖維強化混凝土材料具有更加優(yōu)異的各項強度性能，還具有高韌性，高延伸性?？商岣呋A設施的可靠性，延長建筑的使用壽命，利用固體廢料替換水泥基中的凝膠材料，能大大減少固體廢棄物的累積，減小對環(huán)境的破壞，有利于可持續(xù)發(fā)展。 因此加快進行對3D 打印高延性水泥基環(huán)保復合材料的進一步研究， 有利于減少環(huán)境污染，增加固體廢棄物的利用率，推動建筑行業(yè)的進一步發(fā)展。