3D 建筑打印技術(shù)是“快速成型技術(shù)”（rapidprototy-ping，簡(jiǎn)稱 RP）的一種，是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，以膠凝材料、摻合料、添加劑、特種纖維、骨料為主制成的特殊“油墨”，運(yùn)用計(jì)算機(jī)制圖將建筑模型轉(zhuǎn)化為三維設(shè)計(jì)圖后，通過(guò)分層加工、疊加成型的方式逐層增加材料來(lái)將建筑物打印建造出來(lái)的技術(shù)。20 世紀(jì) 90 年代，美國(guó)學(xué)者Pegna*早將水泥基材料用于 3D 打印，通過(guò)砂漿逐層累積并利用蒸養(yǎng)快速固化的方式，打印出混凝土（砂漿）結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)近 30 年的發(fā)展，混凝土 3D 打印技術(shù)已能夠完成混凝土制品和結(jié)構(gòu)的打印，并打印低層房屋。

3D 打印混凝土基材材料的選取

1)      膠凝材料

打印混凝土膠凝材料主要是以無(wú)機(jī)材料為主，如硅酸鹽水泥、干混砂漿、黏土類、石膏材料等，也有以環(huán)氧樹(shù)脂為主要**的有機(jī)材料。

由于 3D 打印建筑物中缺少鋼筋骨架的支撐，結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要達(dá)到強(qiáng)度來(lái)承受外部荷載，Le等人選用硅酸鹽水泥作為混凝土的膠凝材料，試驗(yàn)研究表明其層間抵抗彎矩、剪力的能力不足。單選用了普通硅酸鹽水泥作為 3D 打印混凝土膠凝材料，不能達(dá)到 3D 打印混凝土所需要的各項(xiàng)性能。而孫建智等人實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)表明，可以通過(guò)摻加聚合物等乳液對(duì)硅酸鹽水泥的性能進(jìn)行改性，減少收縮，提高黏結(jié)性。

2)      骨料

骨料，是混凝土中占比**的材料，3D 打印混凝土對(duì)骨料的要求比傳統(tǒng)混凝土。密度小、顆粒形貌接近球型的骨料是*適合 3D 打印混凝土使用的，同時(shí) 3D 打印混凝土建筑是由一層一層的混凝土堆疊而成，每一層混凝土都比較薄，加上 3D 打印混凝土是通過(guò)噴嘴噴出成型，如骨料的粒徑過(guò)大，噴嘴可能會(huì)被堵塞。但粒徑過(guò)小，則包裹骨料表面所需的漿體量大，加之水化速率快，單位時(shí)間內(nèi)釋放的水化熱，將會(huì)導(dǎo)致混凝土各項(xiàng)性能的惡化。

因此，根據(jù)噴嘴的大小選取合適的骨料粒徑至關(guān)重要。同時(shí)，骨料的細(xì)度、顆粒級(jí)配、含泥量等指標(biāo)也需嚴(yán)格把控。這些都是由 3D 打印混凝土的特殊性所決定。

3)      礦物摻合料

礦物摻合料有粉煤灰、硅粉、礦粉、陶瓷拋光磚粉等，其活性成分可大幅打印構(gòu)件的強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)的致密度，材料的耐久性能及結(jié)構(gòu)的使用壽命。對(duì)于 3D 打印混凝土的可建造性，早期強(qiáng)度的快速增長(zhǎng)尤為重要，Tregger 等人的研究證實(shí)，在3D 打印混凝土中摻入納米黏土，有利于混凝土的濕壓強(qiáng)度（green strength，或者稱“塑性強(qiáng)度”）。

4)      纖維材料

纖維材料可以明顯打印混凝土的抗裂強(qiáng)度和**載荷的彈性模量，也可以明顯改善打印混凝土韌性和延性，還可以賦予 3D 打印混凝土更好的粘結(jié)性，增強(qiáng)打印層間的粘結(jié)強(qiáng)度，防止應(yīng)力集中處裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。Biranchi等人在研究中就通過(guò)摻加 0.25%纖維的方法調(diào)整了 3D 打印地聚合物砂漿的配合比，獲得了較好的可建造性。

5)      外加劑

3D 打印混凝土建造技術(shù)的關(guān)鍵性問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)材料的凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度的控制，如何才能解決這兩個(gè)指標(biāo)的精確控制，是保證 3D 打印混凝土施工連續(xù)性和安全性的保障。

混凝土常用的材料有減水劑、促凝劑、緩凝劑、早強(qiáng)劑、引氣劑、增稠劑、保塑劑等化學(xué)外加劑，它們對(duì)混凝土的各項(xiàng)工作性能起到了明顯的調(diào)節(jié)及改善作用。適當(dāng)?shù)貙⑼饧觿┻\(yùn)用到 3D 打印混凝土中，會(huì)取得量小而功大的作用。對(duì)于特定的施工環(huán)境，還應(yīng)按需選用外加劑，如在水下施工中可以采用水下抗分散劑（anti washing-out admixture）來(lái)混凝土在水中的性能穩(wěn)定性。

3D 打印混凝土的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

1)      可擠出性與流動(dòng)性

合適的流動(dòng)性是 3D 混凝土所需滿足的*重要條件之一。由于 3D 打印混凝土要通過(guò)輸送管道，經(jīng)打印頭擠出才能打印成型，若其流動(dòng)度過(guò)大，則打印過(guò)程中打印材料無(wú)法堆積，打印無(wú)法繼續(xù)。若流動(dòng)度過(guò)小，則容易造成輸送管道或者打印頭堵塞，并且給打印設(shè)備的清洗造成困難。一般而言，傳統(tǒng)混凝土施工中主要通過(guò)控制含水量來(lái)控制材料的流動(dòng)性，但在 3D 打印過(guò)程中，含水量會(huì)導(dǎo)致多種問(wèn)題，如較大的孔隙含量、力學(xué)強(qiáng)度的下降、的變形率等。所以，為了更好的流動(dòng)性而含水量的做法并不完全適用于 3D 打印混凝土的施工。

事實(shí)上，在大多數(shù)情況下，選用減水劑是保證力學(xué)強(qiáng)度的前提下提高流動(dòng)性的重要方法。但是過(guò)高的流動(dòng)性造成了建造性能的降低，Malaeb 等人通過(guò)研究提出聚羧酸鹽減水劑的摻量不宜超過(guò) 1.1mL/365g（125g 水泥、80g 砂、160g細(xì)集料），流動(dòng)速率控制在 1.1～1.2cm/s。

影響砂漿的可擠出性的因素：

l  砂的比例

l  纖維的添加量

因此，在 3D 打印建筑過(guò)程中，要注意打印材料的使用，以防止打印過(guò)程中的堵塞現(xiàn)象。而對(duì)于水泥基漿體良好的流動(dòng)性能，可通過(guò)調(diào)節(jié)顆粒級(jí)配也能有效地改善材料的流動(dòng)性和流變性，這主要是因?yàn)橥ㄟ^(guò)調(diào)整粉末的含量、粗骨料的含量等方法能使骨料的粒度分布更廣，達(dá)到的填充密度性，從而產(chǎn)生更好的流動(dòng)性。

2)      可建造性

可建造性是評(píng)估混凝土材料可打印性能的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，即材料在自重和上層壓力作用下保持其擠出形狀的能力以及沉積的新鮮材料在負(fù)載下抗變形能力。在 3D 打印混凝土過(guò)程中，由于該技術(shù)省去了模板，很容易出現(xiàn)打印層的層間缺陷或沉降。可建造性是衡量結(jié)構(gòu)早期剛度的指標(biāo)，良好的可建造性是3D 打印混凝土的基本要求。

除了骨料用量之外，礦物摻合料和外加劑的摻入也會(huì)對(duì)建造性做出積極的貢獻(xiàn)。目前的多數(shù)研究中表明，可以通過(guò)調(diào)控流變性能，以此獲得水泥基材料 3D 打印建造性。