3D侧面打印混凝土中材料选择与打印参数优化的系统化方法

《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：A systematic approach for material selection and printing parameter optimization in 3D lateral printing concrete

　　

摘要

尽管基于机械臂和喷涂的3D打印方法已将混凝土打印扩展至复杂几何形状，但在沉积精度、材料利用率和工艺稳定性方面仍存在局限。与此同时，传统的挤出式三维打印混凝土（3DPC）仍然主要局限于在水平基板上进行垂直堆叠。为了解决这些局限，本研究提出了一种3D横向打印混凝土（3DLPC）方法。通过材料性能测试、打印试验和计算流体力学（CFD）仿真，研究了其线丝形成机制和参数匹配策略。基于流动性和下垂变形，选取了满足挤出性、粘结力和抗下垂要求的打印混合物。随后采用线丝截面参数化方法，分析了打印厚度、喷嘴角度和喷嘴形状对截面形状和偏移率的影响。结果表明，打印厚度通过调节线丝自重效应与界面约束之间的平衡来影响偏移行为，在打印厚度为8 mm时获得最低偏移率。喷嘴角度通过改变挤出动量的法向和切向分布来影响沉积稳定性。增大喷嘴角度可以降低偏移率，但也会增加喷嘴内部的流向变化和挤出阻力。矩形喷嘴能够提供更加稳定的出口边界和界面约束，其整体成型性能优于圆形喷嘴。基于这些结果，本研究建立了3DLPC的分级参数匹配框架。研究结果可以为3DPC在复杂垂直界面上的原位成型、修复和保护应用提供参考。

引言

作为数字建造中的重要技术路线，三维打印混凝土（3DPC）近年来在建筑构件制造、快速结构施工和智能基础设施建设领域受到了广泛关注[[1], [2], [3]]。与传统模板浇筑相比，挤出式3DPC能够通过数字路径规划实现胶凝材料的定向和定量沉积，具有免模板施工、高度自动化、材料沉积路径可控和施工效率高等优势[[4], [5], [6]]。同时，该技术在无人化和智能建造方面具有强大的潜力，在高海拔、水域和水下作业等高风险施工场景中展现出明显优势[[7], [8], [9]]。然而，当前的挤出式3DPC仍主要以在水平基板上逐层垂直堆叠作为基本成型方法[10,11]。该方法适用于在平整基座上打印墙体、构件或结构单元[[12], [13], [14]]。当应用对象从新建构件转变为在既有结构的垂直表面上进行线丝成型、界面保护或在复杂曲面上进行原位成型时，传统的垂直堆叠方法容易受到喷嘴姿态、设备空间干涉和界面粘结能力的限制[15]。因此，突破传统水平基板上垂直堆叠的局限，开发适用于垂直或近垂直界面的替代沉积策略，对于扩展3DPC的制造灵活性至关重要。类似于其他增材制造技术，根据不同的应用需求调整构建方向，横向打印为复杂界面沉积、原位制造和修复应用提供了一条新的施工路线。

3D横向打印混凝土（3DLPC）为应对上述问题提供了一条新的工艺路线。与传统基于向下挤出的垂直堆叠方法不同，横向打印通过调整喷嘴结构和挤出方向，使混合物能够沿垂直基板或既有结构表面连续沉积。这样可以在不依赖复杂模板的情况下形成附着线丝或保护层[16,17]。该方法有望应用于大型墙体浮雕成型、桥墩表面修复、隧道衬砌加固、挡土墙保护、水工结构修复等涉及复杂垂直界面的增材制造和修复场景[[17], [18], [19]]。现有的横向打印研究主要集中在基于机械臂的挤出式和喷涂式3DPC上，如图1所示。尽管机械臂为3D混凝土打印提供了高灵活性和空间可达性，但其定位精度和沉积稳定性可能受到结构刚度、承载能力和运动控制精度等因素的影响，尤其是在沿复杂轨迹或大规模表面打印时[[21], [22], [23], [24]]。尽管喷涂工艺能够适应在复杂曲面上的沉积，但通常伴随反弹、材料损失和界面成型不稳定等问题[18,[25], [26], [27], [28]]。Tao等人[16]研究了3D打印硬岩隧道衬砌中湿态胶凝材料在顶部和侧倾基板上早期粘结性能。他们发现非水平界面上的最大可打印层数与材料的抗剪阻力和界面粘结性能密切相关。Lu等人[29]研究了打印参数对喷涂式3DLPC所产生的线丝几何特征的影响。他们发现喷涂线丝呈现明显的非均匀分布，并对打印参数敏感。Lowke等人[20]进一步指出，喷涂式3DLPC所形成构件的表面平整度较差，通常需要进行二次表面修整才能满足建筑混凝土的质量要求。这些研究表明，基于机械臂的系统为在复杂表面上打印提供了高空间适应性。然而，机械臂横向打印中常用的喷涂沉积方法可能存在材料反弹、沉积不一致和表面质量问题，限制了其进一步应用。

为了将3DLPC进一步扩展到机械臂之外，本研究提出了一种适用于龙门式3D打印系统的横向打印方法。基于机械臂的系统与基于龙门架的系统分别在空间灵活性和结构刚度方面具有不同优势。所提出的方法结合了龙门系统的高刚度和稳定的运动控制与挤出式沉积，避免了喷涂工艺带来的反弹和材料损失，并在垂直界面上实现更加可控的线丝沉积。

与传统打印相比，横向打印的核心问题不再仅仅是材料是否能连续挤出以及层间是否能堆叠，而是混合物是否能够在垂直界面上实现稳定粘结、抵抗重力引起的下垂，并维持规则的线丝形状[30]。横向打印中线丝的形成行为主要由材料性能、打印参数和喷嘴几何形状决定。首先，材料性能决定了挤出与形状保持之间的平衡。打印混合物应具有足够的流动性以克服喷嘴内部的流向变化和挤出阻力，同时保持足够的粘结力和形状保持能力以防止沉积后的滑动、下垂和截面不稳定[[31], [32], [33], [34]]。因此，横向打印材料需要在挤出性、粘结力和抗下垂性能之间取得平衡。其次，打印参数和喷嘴几何形状调节沉积过程。喷嘴角度和喷嘴形状影响混合物内部的流动行为、出口速度分布和界面按压状态，而挤出速度、行进速度和打印厚度等打印参数影响线丝稳定性和偏移变形[[35], [36], [37], [38]]。这些因素之间存在强耦合关系，使得横向打印在本质上不同于传统的垂直逐层沉积。

在横向打印过程中，湿态混合物在喷嘴内经历流向变化，挤出后与垂直基板产生瞬态相互作用，随后在重力和界面约束作用下发生线丝变形。这些瞬态过程决定了最终的线丝形态和沉积稳定性，但仅通过实验测量难以直接捕获。因此，计算流体力学（CFD）仿真不仅是补充验证手段，也是揭示横向打印行为内在机制的必备工具。此前针对3DPC的CFD研究主要关注在传统水平基板打印条件下预测线丝几何形状、压力演化和沉积稳定性，通过评估打印速度、挤出流量、喷嘴高度、喷嘴几何形状和材料流变参数的影响[[38], [39], [40], [41]]。然而，与在垂直界面上横向打印相关的流向重定向、瞬态基板相互作用和线丝偏移形成等机制仍不清楚。因此，将CFD仿真与实验研究相结合是建立工艺参数与横向线丝形成行为之间关系的必要手段。因此，建立适用于横向打印的材料性能评价方法，并结合CFD仿真揭示关键参数影响混合物挤出和线丝形成行为的机制，是该项技术在工程实践中应用前必须解决的核心问题。

基于此，本研究首先根据3DLPC垂直界面沉积的需求设计了横向挤出的材料选择方法。该方法用于综合表征打印混合物的挤出性、粘结力和抗下垂性能。在此基础上，选取满足横向打印要求的混凝土混合物来研究打印参数的优化。考虑到影响打印过程中线丝成型质量的关键因素，本研究选取打印厚度、喷嘴角度和喷嘴形状作为主要变量，系统研究了不同参数设置下线丝截面形状、偏移行为和成型稳定性的变化。同时，建立了横向打印过程的CFD数值模型，提取了基板的瞬态压力响应、喷嘴内部流场和压力场演化特征，分析了打印参数对混合物流向变化、界面按压、挤出阻力和线丝偏移行为的影响机制。基于这些结果，提出了3DLPC的参数匹配与优化策略。本研究旨在为3DLPC的材料设计、喷嘴优化和参数选择提供理论基础。同时，也为3DPC从传统构件制造扩展到复杂界面上的原位粘结挤出和结构保护提供方法论参考。

节选片段

材料

本研究使用海螺水泥股份有限公司生产的P.O 42.5水泥作为基本胶凝材料。粉煤灰（FA）和硅灰（SF）是混凝土工程中常用的活性矿物掺合料，它们可以通过火山灰效应和微集料填充效应改善混凝土的力学性能和耐久性，同时降低材料成本[42,43]。因此，本研究选用FA和SF作为矿物掺合料。FA来源于热电厂，SF

打印材料早期性能试验结果

根据2.3节所述的打印材料早期性能试验方法，对上述五种配合比进行了流动性和下垂性能试验。试验结果如表4所示。

可以看出，随着SP掺量的增加，混合物的流动性和下垂变形均增加。SP的掺入主要影响混合物的流动性。当SP掺量低于0.3%时，混合物的流动性增加

结论

本研究提出了一种适用于垂直基板沉积的3DLPC方法，以满足3DPC在复杂垂直界面上原位成型的需求。通过早期性能试验、打印试验和CFD数值仿真的结合，建立了横向打印的材料选择方法，并研究了打印厚度、喷嘴角度和喷嘴形状对线丝成型特征、偏移行为以及内部流场和压力特征的影响

CRediT作者贡献声明

王庆伟：方法论、软件、可视化、论文初稿撰写。朱宾荣：数据整理、形式分析、论文审阅与编辑。韩松：数据整理、软件、可视化。卢汝阳：方法论、项目管理。潘金龙：资金获取、方法论、论文审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（52130210, 52408269）和江苏省研究生研究与科技创新计划（SJCX25_0114）的资助。

王庆伟 | 朱宾荣 | 韩松 | 卢汝阳 | 潘金龙