迈向可靠的水下施工：3D混凝土打印中的材料与工艺创新

《Journal of Building Engineering》：Towards Reliable Underwater Construction: Material and Process Innovations in 3D Concrete Printing

　　•一种用于水下3D打印的新型水泥基材料，其抗压强度可达31.4 MPa，抗弯强度为3.25 MPa。•通过优化超塑化剂、抗分散剂和触变剂的协同作用，提升了该材料在水下的性能。•为获得最大强度，对打印参数如层高和打印间隔时间进行了优化，其中8–12毫米的层厚为最佳值。•防水性测试表明，水下打印的构件在24小时后水位上升幅度最小仅为1毫米。

引言
水下工程建设是海洋资源开发、水利基础设施运维、深地下工程以及应对全球气候变化导致的海平面上升而开展的沿海防护工程等领域的重要组成部分[1]、[2]、[3]、[4]。在高压水环境里，传统的水下施工技术面临着日益突出的行业瓶颈：这些技术严重依赖围堰抽水和复杂的模板系统，从而导致施工流程繁琐、人力和材料成本高昂、施工周期长，且现场工人的安全风险显著增加[5]、[6]、[7]、[8]。同时，传统的现浇混凝土在水下环境中容易出现严重的水泥体系分散现象，强度大幅下降，且长期耐久性不足，难以保证水下工程在设计使用年限内的结构安全与功能性能[9]、[10]、[11]、[12]。更值得关注的是，传统的施工方式会因围堰的建造与拆除而造成较大干扰，产生大量碳排放，还会对海洋生态系统造成严重影响，这与当前全球低碳施工和海洋生态保护的潮流背道而驰[13]、[14]、[15]。因此，现代水下工程领域迫切需要创新、高效、低碳且可靠的施工技术[16]、[17]。

增材制造技术是一种基于逐层沉积的变革性数字制造技术，它推动了全球制造业的智能化转型[18]、[19]、[20]。作为其在建筑领域的核心应用，3D混凝土打印技术近年来受到了学术界和工业界的广泛关注[21]、[22]、[23]、[24]。这种无需模板的技术利用预编程的挤出系统自动沉积水泥基材料，不仅能降低人工和模板成本，还能实现传统施工方法无法实现的复杂几何形状的一体化制造[25]、[26]、[27]。迄今为止，3D混凝土打印技术已在陆地基础设施中得到广泛应用，从小型功能构件到大型建筑结构均有应用实例，且已展现出显著的技术、经济和环境优势[28]、[29]、[30]。将这项先进技术延伸到水下环境，便诞生了水下3D混凝土打印技术——这是一种有望突破传统水下施工局限性的解决方案，也是土木工程、材料科学、海洋工程和智能制造交叉领域中发展迅速的核心研究方向[31]、[32]、[33]、[34]。与陆地上的3D混凝土打印不同，水下3D混凝土打印面临的主要挑战是材料流变性、水动力学与工艺设备之间的强耦合关系，这使得成熟的陆地3D混凝土打印系统难以直接应用于水下环境[35]、[36]。不过，与传统的水下现浇技术相比，水下3D混凝土打印具有无需围堰抽水、无需模板、自动化程度高且对海洋生态系统干扰小的固有优势，为水下工程建设带来了全新的技术范式。

近年来，众多开创性研究系统地探讨了水下3D混凝土打印技术的可行性与性能，为该领域的发展奠定了重要的基础框架[37]、[38]、[39]、[40]、[41]。在系统开发方面，Ozturk等人开发了一种具有实时喷嘴剂量控制功能的两阶段水下3D混凝土打印系统，使得在陆地和水中打印的构件具有相当的机械性能，但并未研究海洋使用环境对打印部件长期耐久性的影响[42]；Nguyen-Van等人建立了3D混凝土打印的数值计算框架，可准确预测构件的变形情况，但仅进行了单材料验证，尚未进行大规模工程验证[43]；Xiao等人提出了一种基于注入式的3D混凝土打印机器人装配规划方法，可实现打印轨迹的自动生成，但对于超复杂结构仍需进行动态参数调整并依靠人工干预[44]。

在材料改性方面，Eun-A Seo等人研究了纤维-集料型3D混凝土打印材料在空气中和水下环境中的力学性能，明确了打印工艺对强度均匀性的提升作用，但并未对纤维和集料参数进行系统优化[45]；Vuong Nguyen-Van等人阐明了聚乙烯纤维对水泥基材料的改性规律，但在特殊水下使用环境下的长期性能验证尚不充分[46]；Bai等人揭示了高水分环境对碱活化修复材料的劣化机制，但并未根据该机制开发出针对性的改性材料[47]；Yang等人设计了适用于海水3D打印的抗分散水泥基材料，并明确了其强度提升机制，但未进一步研究纤维和矿物掺合料之间的协同改性效应[48]。

在成型工艺优化方面，Ren等人采用液氮冷冻法制备了絮凝混凝土，实现了水下抗冲刷成型，但相关研究仅限于静水环境，未考虑复杂的使用环境[49]；Wang等人阐明了水下混凝土层间剪切强度的影响机制，并确定了最佳施工窗口期，但研究仅局限于传统的浇筑工艺，未针对3D打印场景进行优化[50]；Wang等人提出了一种新的水下3D混凝土打印工艺，通过预混水下增韧剂来解决材料流变性的矛盾，但目前缺乏在流动水条件下大型构件的相关测试数据[51]；Kiyani等人总结了3D混凝土打印关键工艺参数的影响规律，并制定了标准化的设计指南，但对水下工艺的耦合分析不够充分，未能建立完整的水下工艺体系[52]；Jacquet等人通过气体渗透性测试评估了水下打印构件的耐久性，明确了界面渗透性的变化规律，但分析中未纳入水下3D混凝土打印的核心工艺参数[53]。

总体而言，目前关于水下3D混凝土打印技术的研究大多是从材料或工艺的单一方面展开的，尚未形成能够支撑其大规模工程应用的系统性理论和技术体系。一方面，大多数现有研究仅关注单一因素对材料性能的影响，很少有研究揭示复合掺合料体系对水下打印材料综合性能的协同调控机制。另一方面，关于多工艺参数耦合对构件成型性能影响的研究严重不足，且缺乏适用于不同类型构件的标准化工艺依据，这些都极大地限制了该技术在工程中的应用推广。

鉴于上述研究空白及工程应用需求，本研究提出了一种用于高可靠性水下3D混凝土打印的“材料-工艺”一体化技术体系。通过正交试验系统研究了触变剂、水胶比、抗分散剂和减水剂对混合料的工作性、抗分散性及力学性能的影响规律，明确了复合掺合料体系的协同作用机制。通过精确调控层厚、打印间隔时间和打印路径等关键工艺参数，实现了对打印构件成型精度和承载能力的协同优化。在此基础上，完成了围堰构件的水下打印成型试验，并通过水位监测试验验证了该构件的防水性能，从而实现了对该技术体系的工程验证。本研究的结果可为高可靠性的水下工程建设提供新的技术路径，同时也为水下3D混凝土打印技术的大规模工程应用奠定了系统的理论与实验基础。

原材料与配合比
为协同提升水下抗分散性能、确保打印兼容性并增强材料力学性能，原材料的选择如下：水泥体系采用R.SAC 42.5速硬硫铝酸钙水泥与P.O 42.5普通波特兰水泥按1:1的比例混合；集料选用两级配的石英砂；矿物掺合料为粉煤灰-矿渣-硅灰复合体系；化学掺合料则包括……

材料配合比实验结果分析
图10展示了各类掺合料参数对材料流动性、坍落度及抗分散性能的影响：就流动性而言，各参数的影响程度顺序为水胶比 > 触变剂 > 抗分散剂 > 超塑化剂。当触变剂含量为0.4%–0.6%，水胶比为0.4–0.5，抗分散剂含量为1.3%–1.7%，超塑化剂含量为1%–1.25%时，即可满足挤出流动的要求，同时实现各项性能的平衡。

结论
本研究提出了一种用于水下3D混凝土打印的材料-工艺一体化策略。主要结论如下：
1. 正交试验确定的最优配合比为：超塑化剂含量为1.0%，抗冲刷剂含量为1.2%，水胶比为0.40，触变剂含量为0.4%。该配合比在流动性、可施工性、抗冲刷性能及力学性能方面均达到了良好的平衡状态。材料组成直接影响基体的致密性以及界面性能……

作者贡献声明
郑兴龙：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，资源准备，方法论，研究实施，概念构建。郝景斌：监督，项目管理，方法论，资金获取，概念构建。胡江峰：撰写——审阅与编辑，验证，方法论，研究实施，资金获取，概念构建。李光伟：方法论，研究实施，资金获取。傅天驰：方法论，研究实施，数据整理。李晓兆：研究实施。

利益冲突声明
作者声明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。

数据可用性
本文所述研究未使用任何数据。

利益冲突声明
? 作者声明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
作者感谢中国国家自然科学基金（52275224）的资助，以及江苏省高等学校重点学科建设工程项目的支持。

郑兴龙|郝景斌|胡江峰|李光伟|傅天驰|李晓兆