水深对水下3D混凝土打印的力学性能及施工性能的影响：实验与数值模拟

《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：Effect of water depth on fresh properties and buildability of underwater 3D concrete printing: Experiments and numerical modelling

　　•水深会缩小水下3D混凝土打印的可打印范围。•静水压力会随着深度的增加而几乎呈线性地降低可挤压砂浆的流动性。•水分侵入会降低新鲜砂浆的初强度和弹性模量。•随着水深的增加，结构构建的失效模式会从整体屈曲转变为层间滑动。•经过改进的莫尔-库仑有限元模型可用于预测与深度相关的构建性能变化趋势。

引言
气候变化加剧了人们对海上及海洋基础设施的需求，这些基础设施可用于保护沿海城市，例如防波堤和海堤。传统的水下混凝土施工通常采用导管浇筑、预置骨料混凝土以及预制构件等方法。其中，导管浇筑法被广泛使用，因为它能够在减少与周围水体直接接触的情况下将混凝土注入水中[1]。然而，对于几何形状复杂或具有特殊要求的海洋结构，可能仍需要潜水员协助或专用设备来进行定位、找平、检查、维修或组装等操作[2]。近年来，3D混凝土打印技术作为一种先进的数字化建造技术出现，并已成功应用于建筑施工及功能性结构构件的制造中。该技术能够实现无需模板即可进行施工，并通过自动化流程显著提高效率，同时降低劳动风险[[3], [4], [5]]。水下3D混凝土打印技术则将这一理念延伸到水下环境，旨在减少危险的手动操作，实现现场水下施工。此外，它还减少了传统水下施工中常见的预制构件运输需求[[6], [7], [8], [9]]。因此，水下3D混凝土打印技术在提升生产效率和保障安全方面具有巨大的发展潜力。

当3D混凝土打印技术应用于水下环境时，由于静水压力和水流运动等额外环境因素的影响，保持打印质量并了解打印结构的演变过程变得更加困难。先前的研究指出，水下打印的混凝土结构中常常会出现表面裂纹[[10], [11], [12], [13]]。因此，打印性能是理解新鲜砂浆行为以及确保连续形成混凝土丝状物的关键因素，而这正是获得良好打印质量的基础。在打印过程中，移动速度和挤出速率等参数起着重要作用。有研究表明，这些参数会影响打印材料的力学性能，若控制不当甚至可能导致打印失败[14,15]。在水下环境中，这些参数的影响更为显著，因为它们直接影响周围水体与刚挤出的混凝土丝状物之间的相互作用，而这种相互作用对于理解打印机制和提高打印质量至关重要。

除了打印性能之外，结构构建能力也是评估打印过程的另一重要指标。由于水的存在，水下3D打印的表现与在空气中打印有很大不同。一方面，水的浮力可以减少结构变形，从而可能提高构建能力；另一方面，水下环境也可能降低打印结构的稳定性极限，导致其过早坍塌[10,11,16,17]。有一种假设认为水会降低层间粘结力，不过目前支持这一观点的实验证据还较为有限[17]。初强度，即新鲜可打印砂浆的抗压强度，对于评估和预测构建能力非常重要。先前的研究表明，初强度可用于预测构建能力的失效情况[[18], [19], [20], [21], [22], [23]]。例如，Onur等人（2025年）研究了促凝剂用量对初强度的影响及其对构建能力的作用[17]；不过，这些试件是在空气中制备的，这限制了对空气环境与水下打印环境之间差异的解释。现有研究证实，构建能力既受材料特性影响，也受水的作用影响，但目前尚不清楚在水下环境下材料特性会发生多大变化，以及在整个打印过程中是否始终存在水的作用[[10], [11], [12],16,17,24,25]。

数值建模被广泛用于研究构建性能的变化规律。尤其是基于莫尔-库仑准则的有限元模型，已被广泛应用于描述新鲜砂浆的力学行为，并且在模拟打印过程时与实验结果具有较好的一致性[[18], [19], [20], [21], [22], [23]]。由于水下环境限制了使用精确的测量技术来获取变形等结构响应数据，因此直接观察往往是目前实验监测打印过程的唯一可行方法[11,17,24]。所以，数值建模为分析应力状态和更好地理解失效机制提供了有效的工具。

总之，除了材料成分之外，水环境也是影响水下打印过程及新鲜材料性能的另一个关键因素。由于水下环境涉及静水压力、水流运动以及海水成分等多种因素，本研究首先重点探讨了与水深直接相关的静水压力所带来的影响。因此，研究者在不同的水深条件下进行了打印实验，并将其与在空气中打印的结果进行对比。首先，通过不同的打印参数进行了打印性能测试，以研究打印速度和挤出速率对混凝土丝状物形成的影响。通过对实验结果进行回归分析，确定了能够获得高质量混凝土丝状物的可打印区域。接着，对在不同水深条件下打印的试件提取的样本进行了初强度测试。同时，采用相同的取样方法进行了流动性测试，以评估打印过程中水分含量和水分侵入情况的潜在差异。基于这些结果以及额外的直剪试验，对莫尔-库仑模型进行了修正，以反映水下条件下新鲜砂浆的行为。随后，基于修正后的莫尔-库仑准则建立了考虑静水压力的有限元模型，并通过构建性能测试对其进行了验证。最后，在不同的水深条件下进行了构建性能实验，分析了失效层和失效模式。结合实验结果和数值模拟结果，本研究提出了一种水作用机制，用以解释水下3D混凝土打印过程中打印参数与材料性能变化的共同作用。

部分内容摘录
材料与配合比
本研究中所使用的粘结材料由普通波特兰水泥（CEM I 52.5N）和硅灰组成。由于设备限制，配合比中未添加粗骨料。所使用的河沙经过筛分，粒径不超过2.8毫米，以避免较大颗粒堵塞喷嘴。与在空气中打印不同，水下打印需要较高的粘结力，以防止混凝土过度分散。为增强抗冲刷性能，还在粘结材料中加入了0.6%的粉末状抗冲刷外加剂。为保证施工性能，还需考虑……

混凝土丝状物的宽度、断裂比例及断裂演变
不同打印参数和水深条件下的混凝土丝状物宽度如图6所示。打印参数的表示格式为v–r，其中v表示移动速度（毫米/秒），r表示挤出速率（圈/秒）。例如，v50r0.35表示移动速度为50毫米/秒，挤出速率为0.35圈/秒。在空气中打印的混凝土丝状物在所测试的参数组合下没有出现连续性问题，丝状物上也没有出现裂缝。

结论
本研究通过实验和数值建模，探讨了水深对水下3D混凝土打印过程中新鲜状态下的行为及构建性能的影响。在所研究的范围内，可得出以下结论：
(1)水深的增加会显著影响混凝土丝状物的形成，因为它会降低挤出效率并缩小可打印参数范围。每旋转一次螺旋输送器所能挤出的材料质量会随着水深的增加而几乎呈线性下降，这说明……

局限性及未来建议
本研究旨在初步了解水深如何影响水下3D打印混凝土的新鲜状态性能及构建能力。实验是在实验室的静水环境中进行的，水深最大为450毫米，因此不存在水流、海浪和湍流带来的影响。而在实际的防波堤、海堤和水下维修等场景中，这些因素产生的水动力作用可能会带来额外的水平和垂直应力……

作者贡献声明
张昊：数据整理、研究实施、方法设计、软件应用、结果验证、初稿撰写。杜宏健：概念构思、项目管理、资源协调、监督指导、论文修改与润色。

利益冲突声明
作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
作者感谢新加坡国立大学DeGap基金（A-8003042-00-00）以及教育部AcRF一级资助项目（A-8003222-00-00）的支持。第一作者还感谢新加坡国立大学广州研究院提供的奖学金支持。

张昊 | 杜宏健