3D 打印混凝土的技术要求及水泥基材料影响研究

中图分类号：TU528 文献标识码 ：A

引言

随着 3D 打印技术的迅速发展，建筑行业逐渐迈向智能化，尤其是在水泥基材料的应用上取得了突破性进展。与传统建筑方法相比，3D 打印技术能够显著提高施工效率，减少人工需求，从而节省时间和成本[1]。水泥基材料，作为 3D 打印混凝土（3DPC）技术的核心，能够通过打印机逐层挤出并固化，直接在施工现场完成结构的构建。

然而，尽管 3D 打印水泥基材料具有诸多优势，其广泛应用仍面临一些技术挑战。首先，3D 打印混凝土的强度通常较低，这主要是由于水泥含量较高，进而增加了材料的成本和环境影响。同时，3D 打印要求材料能够迅速凝固，这可能影响打印层的粘结性，降低结构的稳定性。为了解决这些问题，学者们正在探索不同的改性方法，Paul 等人 [2] 提出可改善层间粘结强度、控制打印过程中的界面弱化问题；Roussel N[3] 认为可以优化水泥基材料，调整水泥基材料的配比，适当加入添加剂，能够有效改善混凝土的打印性能。

虽然已有学者探究了大规模 3D 打印技术的质量与整体结构安全性能的优化，但目前研究往往偏重于实验现象，缺乏对水泥基材料性能变化的深入分析，本文主要针对 3D 打印技术中水泥基材料的优化发展和应用进行具体阐释，便于持续推动研究和技术创新。

1 3D 打印混凝土的技术要求

1 打印流程

3D 打印混凝土技术是将 3D 打印技术与混凝土材料技术结合而产生的新的智能制造技术。主要流程如图 1 所示，其主要原理是将混凝土构件进行3D 建模和分割产生三维信息，打印过程中，混凝土通过喷嘴逐层挤出，按照数字化设计的路径进行堆积。

2 材料的性能

2.1 可塑性和可操作性

与传统混凝土相比，3D 打印混凝土通常具有良好的流动性和较长的凝结时间，以满足打印过程中材料的运输、泵送和挤出需求。同时水泥基材料在3D 打印中的应用使得建筑设计更具灵活性，可塑性强 [4]。

2.2 结构的强度与耐久性

水泥基材料能够提供较好的机械性能，尤其是在提高早期强度和耐久性等方面有重要作用。高强度的水泥基活性粉末混凝土广泛应用于 3D 打印中，提升了打印构件的力学性能[ 5 ]。

2.3 环保与可持续性

水泥基材料可以较为容易地与其他环保材料结合使用，能有效减少二氧化碳排放，符合绿色建筑的要求[5]。

因此，水泥基材料作为 3D 打印混凝土的核心成分，能够提供良好的打印性能、强度和环保效益，是实现这一技术广泛应用的关键。

2 水泥基材料对3D 打印混凝土技术的影响

2.1 水胶比对 3D 打印的影响

水胶比作为水泥基材料配制中的关键参数，直接影响 3D 打印混凝土的流变性能、可打印性及力学性能[6]。

水胶比对流变性能起到调控的作用。较低的水胶比通常提高浆体粘聚性和屈服应力，有助于材料在挤出过程中的形态保持和层间稳定，但过低的水胶比易导致泵送和挤出困难 [5][6]。较高的水胶比虽能改善流动性和泵送性，但会削弱材料的稳定性，易引发塌落等打印缺陷 [7]。

2.2 外加剂对 3D 打印的影响

外加剂在水泥基材料 3D 打印过程中至关重要，通过调整混凝土的流变特性，提升可打印性、可建性，能够优化混凝土的工作性及层间粘结性，从而提高成品质量。

外加剂在调整混凝土流动性方面起着至关重要的作用，外加剂种类丰富通常包括粘度调节剂、加速剂、缓凝剂等。例如，使用加速剂可以在低温或高湿环境下促进水泥的水化反应，从而提高混凝土的凝结速度，这对于控制打印过程中的层间黏结尤为重要 [3]。通过外加剂的应用，能显著提高3D 打印性能，同时增强打印后的强度和稳定性 。

3 存在问题

3D 打印混凝土技术在建筑领域具有巨大潜力，但仍面临诸多挑战。

首先，层间粘结性差导致打印件具有各向异性，限制了结构的承载能力和稳定性。其次，3D 打印过程中由于层间固化不均，影响材料的力学性能和耐久性。此外，材料的流变性和配比仍处于探索阶段，如何平衡可打印性与力学性能是关键难题[11]。

3D 打印水泥基材料技术虽具前景，但要实现广泛应用，需在材料优化、打印工艺以及环境适应性方面进行深入研究。

4 总结

3D 打印水泥基材料技术相较于传统施工方法具有显著优势，包括提高施工效率、实现复杂结构和个性化设计。

尽管具有多项优势，3D 打印水泥基材料仍面临挑战，包括材料强度不足、粘结性差等问题。

针对材料强度和粘结性问题，可以优化水泥基材料的配比、使用外加剂等改性方法。

随着 3D 打印技术的不断进步，水泥基材料的性能得到进一步提升，在个性化设计和复杂结构的构建上具有巨大潜力。

参考文献

[1] 王海龙 ， 陈杰 ， 高超 ， 等 . 水泥基材料 3D 打印技术研究进展 [J]. 中国建材科技 ，2021，30（03）：2-7.

[2]Paul S C， Van Zijl G P A G， Tan M J， et al. A review of 3D concrete printing systems and materials properties： Current status and future research prospects[J]. Rapid Prototy** Journal， 2018， 24（4）： 784-798.

[3]Roussel N. Steady and transient flow behaviour of fresh cement pastes[J]. Cement and concrete research， 2005， 35（9）： 1656-1664.

[4]Lu B， Weng Y， Li M， et al. A systematical review of 3D printable cementitious materials[J]. Construction and Building Materials， 2019， 207： 477- 490.

[5] 肖 力光 ， 仲小康 .3D 打印粗骨料混凝土的研究进展及应用 [J]. 混凝土 ，2024，（06）：169-172+179.

[6]Shakor P， Nejadi S， Paul G， et al. Review of emerging additive manufacturing technologies in 3D printing of cementitious materials in the construction industry[J]. Frontiers in Built Environment， 2019， 4： 85.

[7] 张 宇 .3D 打印水泥基材料的设计、制备与性能研究 [D]. 东南大学 ，202

[8]Wu P， Wang J， Wang X. A critical review of the use of 3-D printing in the construction industry[J]. Automation in construction， 2016， 68： 21-3

[9] 张 超 . 基于流变学的 3D 打印混凝土设计及其基本性能研究 [D]. 东南大学 ，2022.

作者简介（通讯作者）：游常，男，汉族，博士，讲师，主要从事碳化物陶瓷及其复合材料、陶瓷材料的湿化学成型研究。