水下3D打印混凝土研究综述

水下3D打印混凝土研究综述

殷向红

（重庆交通大学 河海学院，重庆 400041）

摘要：随着对海洋资源的深度开发以及近海的水下基础结构工程的建设需求逐渐增加，人们提出了将3D打印混凝土(3DPC)应用于水下结构的建造设想，不仅可以提高工作效率和质量，还可以减少重力的影响以增加打印形状的自由度。但是水下3D打印混凝土也会同传统水下混凝土施工一样面临对于拌和物的和易性、泌水性要求以及受到水环境施工带来的水压、流速、涌浪、水分散作用影响等一系列困难。因此，本文进行了国内外关于水下3D打印混凝土的抗分散措施以及性能研究最新进展。

关 键 词：水下3D打印混凝土；抗分散；打印性能

基金项目：重庆交通大学2023年研究生科研创新项目；项目编号：2023S0041

作者简介：殷向红，男，硕士研究生，主要从事混凝土3D打印研究。

引言

混凝土3D打印最初起源于20世纪90年代美国学者Pegna将水泥基材料通过砂浆逐层累积并利用蒸养快速固化的方式，打印出混凝土结构。经过近30多年的发展，被广泛应用于医疗、航空航天、军事、机械、电子、服装、食品等多个领域，被称为“具有工业革命意义的制造技术”[1]。

相较于传统模筑混凝土工程而言，3D打印作为新型数字化与高机械化的融合技术，可实现无模建造和复杂结构的精细化成型，快速高效、节省模板和人工、降低工程费用、减少工序等诸多优点[2]，还为现场工业化建造和建设工程的智能化建造提供有力的支撑。

并且由于近年来人们对海洋资源以及海岸线的开发保护的重视以及水工建筑结构受到的河水或者海水的冲蚀侵蚀从而引起的的混凝土缺陷现象非常普遍，这些缺陷也导致了影响水工建筑物的使用寿命和工作效能等严重问题。所以水下3D打印应用也亟待研究

1水下3D打印混凝土抗分散材料研究进展

关于水下3D打印混凝土，国内外学者主要进行了关于水下3D水泥基材料的研发的研究。杨钱荣[3]通过掺加水下抗分散剂如聚丙烯酰胺(PAM)、纤维素醚(HM)和自制复合抗分散剂(UAD)研究对水下3D打印混凝土的打印性能的影响：(1)建立了3D打印抗分散混凝土（3DPBM）在水中质量损失率，pH值变化、水下堆积高度及水陆强度比等测试方法，有效表征了水下3DPBM的水下施工性能；(2)以抗分散剂PAM制备水下3D打印抗分散混凝土（3DPBM）时，易使砂浆团聚，连续性较差，难以泵送挤出，因而无法满足水陆打印要求；抗分散剂HM和UAD增强了3D打印砂浆的水下抗分散性能，同时可满足水陆打印堆积要求，能够进行水下打印，且掺加UAD的打印砂浆水下堆积性能明显优于掺加HM的打印砂浆。(3)掺入PAM提高了打印砂浆的水陆强度比﹐随着PAM掺量的增加,打印砂浆的早期水陆抗折强度比、抗压强度比均显著提高;掺加适量HM、UAD可提高打印砂浆水陆强度比,但HM掺量过大时,打印砂浆的水陆强度比反而可能降低。

Brahim Mazhoud[4]通过在掺加抗冲刷剂(AWA)研发可用于水下3D打印的水泥基材料，提出随着水灰比W/C的增加水下3D打印的结构堆积率降低，并且AWA的掺入降低了打印砂浆的渗透性，AWA的用量从0%增加到0.5%、1%和1.5%分别导致渗透性降低88%、94%和98%，同时水下3D打印材料，抗压强度随着打印速度的增加而降低。与抗压强度相比，弹性模量表现出截然不同的趋势，在临界打印速度以下，3D打印砂浆的弹性模量随着打印速度的增加而降低。

2水下3D打印混凝土性能研究进展

张广虎[5]通过掺加硅灰(MS)、纳米二氧化硅(NS)、玻璃纤维(GF)和甲基纤维素材料(HPMC)在打印材料中去研究对水下抗分散性、力学性能、可打印性能的影响，认为掺入MS会小幅度降低打印砂浆的挤出性、抗流变性、可建造性。掺入GF会显著降低打印砂浆的挤出性和流变性，但会提高抗变形性和可建造性。掺入HPMC会提高打印砂浆的挤出性和抗变形性，但会降低可建造性。并且水下打印时MS、HPMC的掺入会显著提升打印砂浆的水下抗分散性，NS会小幅度提升，而GF则会显著降低以至于打印失败。并且水下打印试件由于存在分散现象，造成内部孔隙较多，会导致水下试件的抗压和抗折强度比模筑混凝土试件都有一定程度的降低，因此提出对于水下砂浆复掺MS、NS、HPMC可以在拥有不错的水下可打印性能基础上，力学性能也会得到保障。

Seong-Jin Woo[6]比较了同样的砂浆混合物在陆上和水下3D打印的性状稳定性以及硬化状态下的密度、抗压强度、层间粘结强度等力学性能的差异，最后认为：(1)水下打印出现更多的缺陷和不连续，所以水下3D打印需要更大的打印输出量。(2)水下打印由于浮力作用，水下重力和压力降低，打印试件层高的减少进一步降低，可建造性得到改善。(3)水下打印试件的密度低于陆上打印的试件密度。(4)水下3D打印试件的抗弯强度大于陆上打印试件的抗弯强度。(5)水下打印试件的抗压强度低于陆上打印的抗压强度，由于水引起的自重和挤压压力减少缓解了水化速率。

3 水下3D打印混凝土配合比研究进展

孙晓燕[7]根据力学性能、可打印性能建立了水下3D打印混凝土配合比优化设计流程,针对水胶比、矿粉掺量、砂胶比、细骨料级配、絮凝剂掺量、触变剂掺量等材料参数开展序列化试验设计和试验研究，首次面向水下智能建造建立了3D打印混凝土配合比优化设计流程,提出了水下3D打印混凝土强度设计模型和建造期竖向变形预测模型，为水下智能建造提供理论依据和工程借鉴。优化后水下打印成型混凝土28d抗压强度达到55MPa,水陆强度比达到93.9%，可满足水下智能建造结构的性能要求。

5结论

将3D打印技术的作为水下混凝土施工新的生产手段去开展修复水下结构、打印消浪块进行海岸保护的逐渐步入人们的视野，水下建造成为工程开发的必经之路。但是水下3D打印混凝土相对于陆上3D打印的要求更高。因此研究用于水下工程的水下自护3D打印混凝土的制备以及力学性能研究具有重要的意义和工程价值。

参考文献：

[1]肖博丰, 李古. 混凝土3D打印技术的研究与应用进展[J]. 中国建材科技, 2021, 30(03): 49-54.

[2]张云升, 张宇, 陈逸东. 综论3D打印混凝土：成型系统·可打印性能·流变性能·硬化性能·耐久性能·标准规范·工程应用 [J]. 中国建材科技, 2021, 30(03): 8-17.

[3]MAZHOUD B, PERROT A, PICANDET V, et al. Underwater 3D printing of cement-based mortar [J]. Construction and Building Materials, 2019, 214.

[4]杨钱荣, 赵宗志, 蒋正武. 抗分散剂对水下3D打印建筑砂浆性能的影响 [J]. 建筑材料学报, 2022, 25(05): 461-9+82.

[5]张广虎. 水下3D打印水泥基材料性能研究 [D]; 广东工业大学, 2023.

[6]SEONGJIN W, JUNMO Y, HOJAE L, et al. Comparison of Properties of 3D-Printed Mortar in Air vs. Underwater [J]. Materials, 2021, 14(19).

[7]孙晓燕, 陈龙, 王海龙, et al. 面向水下智能建造的3D打印混凝土配合比优化研究 [J]. 材料导报, 2022, 36(04): 84-92..