孙晓燕，叶柏兴，王海龙，陈龙

（浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310058）

0 引言

2013年4 月，我国首次在《国家高技术研究发展计划》和《国家科技支撑计划制造领域2014年度备选项目征集指南》中提出以3D打印技术推动制造业转型；2015年2月，《国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）》将3D打印正式升格为国家战略，全方位推进制造产业升级；2016年8月，住房城乡建设部下发了《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》对3D打印技术积极开展设备、材料研发，结合BIM技术应用，探索建筑结构设计、生产，实施应用技术。基于传统建材发展3D打印混凝土结构，是土建行业建造智能化发展的迫切需求，可以有效解决传统建筑施工手工作业多、模板用量大、复杂造型难以实现等问题，在建筑个性化设计、信息化建模、智能化建造方面具有显著优势。

近年来，国内外研究者在3D打印混凝土工作性能研究方面取得了一些成果[1-4]，3D打印混凝土的可打印性、可建造性和力学强度均已满足智能建造需求。为缓解建筑用砂不足和绿色可持续发展，马国伟等[5-6]评估了基于3D打印工艺的以替代物分别为铜尾矿和陶砂的胶凝材料的工作性能，结果表明，铜尾矿打印混凝土的流动性随着铜尾矿替代率的增加而增大，可建造性则相反；中陶砂更适于作为3D打印陶砂混凝土材料。李腾[7]研发了用再生细骨料配制3D打印材料的配合比，研究发现，再生骨料替代率与抗折强度整体负相关。Ding等[8]研究了3D打印再生细骨料混凝土的早期强度，试验得出，再生细骨料对打印混凝土的早期强度发展起到加速作用，可提供更好的可建造性。Rahul和Santhanam[9]探索了含有轻质膨胀黏土骨料制备混凝土的可打印性，研究发现，当轻质膨胀黏土骨料替代率超过30%时易导致打印喷嘴的堵塞。尽管如此，在现有的条件下，对满足3D打印工艺的新型骨料的探索仍具有重要意义。

沙漠砂是地表岩层风化过程的产物，由沙漠砂部分或者全部替代建筑用砂制备而成的混凝土叫作沙漠砂混凝土。目前，中国[10]、阿曼[11]、毛里塔尼亚[12]、利比亚[13]等多地已经在建筑方面开始了使用沙漠砂混凝土的尝试。为了合理利用资源和缓解沙漠化问题，本文探讨与论证以沙漠砂为细骨料应用于3D打印混凝土的可行性，为3D打印新材料的研发提供借鉴。

1 适用性研究

1.1 建筑用砂的现状

随着全国各地基建项目的快速发展，各种建构筑物的建设对混凝土的需求量不断增加，导致河砂的需求量也与日俱增。河砂属于严重短缺的不可再生资源，大规模开采河砂可能会对动植物群造成严重的负面影响，随着我国加强河湖采砂综治整理，科学合理的采砂和严厉打击非法采砂的推进，导致现阶段河砂的开采量大幅减少，供不应求，这种强烈的供不应求的情况促使河砂价格飞涨，进口河砂地区快速蔓延，工程建设成本不断增加。

1.2 沙漠砂的现状

全球沙漠面积约为6100万km2，占地近41%的地球陆地和影响世界人口大约38%[14]，第五次《中国荒漠和沙化状况公报》监测结果表明，我国沙化土地面积达172.12万km2[15]，新疆、青海等地的沙漠砂资源丰富，但是利用率极低。沙漠砂本身是由松散母岩风化而成，自身强度略低于机制中砂[16]。与河砂相比，沙漠砂具有细度模数较小，吸水率高，强度、硬度不足等特点。过量掺入沙漠砂的混凝土会增加水泥用量，降低抗压强度，既不经济，也不安全。如表1所示，沙漠砂的细度模数相对较小，因此，按一定质量比将沙漠砂和普通天然中、粗砂混合使用，可填充混凝土骨料之间的微小空隙，对混凝土的抗压强度有一定的提高[17]。

表1 各地沙漠砂的性能参数

1.3 材料的匹配度

3D打印混凝土为了适应泵送挤出、轮廓成型工艺等工作性能，而取消了粗骨料。目前，3D打印水泥基复合材料所用的骨料最大粒径一般小于2 mm[22-24]，相对而言，沙漠砂的粒径极小，使用沙漠砂替代部分骨料可填充打印材料内部的微小空隙，使打印材料更加均匀和密实，提高打印材料的工作性能和力学性能。此外，随着建筑用砂供需关系矛盾的加大，寻求一种新骨料代替建筑用砂的重要性日益凸显。我国沙漠砂资源丰富，沙漠砂的工程性质与混凝土中的细集料具有相似的特点[25]，是沙漠砂应用于3D打印材料的重要前提。

2 安全性研究

2.1 沙漠砂混凝土的研究现状

2.1.1 力学性能

为探究沙漠砂混凝土替代普通混凝土的可行性，生兆亮等[26]对比了以沙漠砂和石英砂分别为骨料的混凝土力学性能，结果表明：相对于石英砂混凝土，沙漠砂混凝土的轴心抗压强度和立方体抗压强度分别降低了17.42%和3.86%，但劈裂抗拉强度和抗折强度分别提高了1.49%和11.53%。李志强等[27-30]研究了不同沙漠砂替代率的混凝土的力学性能，结果表明：当沙漠砂替代率在40%以内时，混凝土立方体的抗压强度、和易性均随着沙漠砂替代率的增加而逐渐增加；随着沙漠砂替代率的增加，混凝土的弹性模量、能量耗散能力和延性呈先增大后减小的趋势。陈美美等[31]和李帅雄等[32]通过研究不同材料及其掺量，综合考虑抗压强度和工作性，发现沙漠砂替代率为25%～30%时沙漠砂混凝土的工作性能较好。Luo等[11，20]改变水灰比和沙漠砂替代率对沙漠砂混凝土进行了研究，证明了适当控制水灰比可使砂漠砂替代混凝土中的细骨料而不造成不利影响。上述研究中各种沙漠砂制备的混凝土抗压强度如表2所示，沙漠砂混凝土的抗压强度随沙漠砂替代率等因素的变化而变化，其强度可以满足不同工程的要求。

表2 沙漠砂混凝土的抗压强度

为探究最佳的沙漠砂替代率，李志强等[27]、刘海峰等[30]、Benabed等[21]和Al-Harthy等[11]分别采用古尔班通古特沙漠砂、毛乌素沙漠砂、阿尔及利亚南部沙漠砂、阿曼东部沙漠砂，研究了不同沙漠砂替代率对混凝土抗压强度的影响，结果如图1所示，对比文献中的相对抗压强度（即不同沙漠砂替代率的混凝土与普通混凝土的28 d抗压强度之比）可知，随着沙漠砂种类和替代率的不同，沙漠砂混凝土的抗压强度最多降低了19%，但控制沙漠砂的掺量可以使沙漠砂混凝土的抗压强度损失减小到5%以内，甚至使其抗压强度有所提高。

图1 不同沙漠砂替代率混凝土的相对抗压强度

2.1.2 耐久性能

耐久性能是研究混凝土材料在工程应用中的重要保障，随着沙漠砂混凝土的发展，许多学者对其耐久性能进行了研究。王娜和李斌[12]调整混合料级配、水灰比和减水剂用量，制备了和易性好、抗裂性能强、抗硫酸盐侵蚀性能优异的C50高强沙漠砂混凝土。马荷姣等[33]通过改变不同材料及其掺量的抗碳化试验，发现沙漠砂替代率对混凝土的抗渗性能影响较小。杨浩等[34]的研究发现，沙漠砂粒径较小有利于混凝土内部的密实性，但由于其并不参与混凝土内部的反应，因此其影响较小。杜勇刚等[35]研究了不同粉煤灰掺量和沙漠砂替代率对沙漠砂混凝土抗冻性能的影响，结果表明，保持粉煤灰掺量不变，随着沙漠砂替代率的增加，不同冻融循环次数后沙漠砂混凝土的质量损失率递增，相对动弹性模量先增加后减小，相比于普通混凝土，沙漠砂混凝土的抗冻性能较差。马映昌等[18]探讨了低温作用对不同沙漠砂替代率混凝土强度的影响，研究发现，低温下与低温后2种工况下，沙漠砂混凝土的抗压强度随着沙漠砂替代率的增加呈现先提高后降低的趋势，级配良好的沙漠砂混凝土在低温下的工作性能优于普通混凝土。崔壮等[17]对现有研究进行进行总结发现，完全采用沙漠砂配制的混凝土耐久性较差，可采用掺入适量的矿物掺合料、不同长度和不同种类的纤维和部分替代天然砂的方法来提高沙漠砂混凝土的耐久性能。

2.1.3 其它性能

除了混凝土力学性能与耐久性能之外，建筑结构对混凝土的其它性能也有一定的要求。针对沙漠砂混凝土的其它性能，王国庆等[29]对比了普通混凝土和普通砂取代率为50%的沙漠砂混凝土抗震性能，结果表明，沙漠砂混凝土的消耗地震能力较强，抗震性能和试件延性较好。李志强等[36]研究了沙漠砂替代率变化对耗能能力和刚度衰减等性能的影响规律，结果表明，随着沙漠砂替代率的增加，沙漠砂混凝土的弹性模量、能量耗散能力和延性都呈先增加后降低的趋势。李志强等[37]和董存等[38]研究了沙漠砂混凝土梁的抗弯承载力，结果表明，沙漠砂混凝土梁的破坏形式和破坏机理与普通混凝土基本相同，均符合平截面假定。

2.2 性能的匹配度

现有研究验证了沙漠砂作为替代材料进行工程建造的可行性，并对耐久性和结构性能进行了一些技术探索。在强度方面，沙漠砂混凝土的抗压强度为32.9～81.7 MPa，适宜的沙漠砂替代率能使混凝土的强度损失率在5%以内，甚至有所提高，可满足一般工程的要求。在耐久性方面，沙漠砂混凝土在低温作用下的工作性能较好，抗冻性能较差，抗渗和抗碳化性能与普通砂混凝土相近，但可以通过改变沙漠砂掺量、加入纤维等方式来提高沙漠砂混凝土的耐久性能。在结构受力方面，沙漠砂混凝土的抗震性能较好，抗弯性能与普通砂混凝土相近。沙漠砂混凝土的力学性能、耐久性能和结构性能均可满足大部分工程的要求，为沙漠砂应用于3D打印材料提供了重要保证。

3 经济性和环保性研究

3.1 经济性

目前，河砂的供应量不足，机制砂需大型机器加工、绿色发展水平低，海砂的淡化成本高。沙漠砂资源丰富，开采方便，无需大型机器和淡化成本，对降低工程造价具有重要意义。黄强等[39]总结了沙漠砂的特征及效益，发现不计治沙效益，单选沙漠砂在经济上也基本可行。朱腾明等[10]证明了沙漠砂混凝土在工程应用上良好的经济效益。王娜和李斌[12]研究发现，使用沙漠砂混凝土既能缩短工期，又能将每平方米混凝土的成本降低8.7%。Al-Harthy等[11]的研究表明，当其它骨料变得不经济时可采用沙漠砂代替。

3.2 环保性

采用沙漠砂替代河砂，能大大减小河砂的需求量，防止过度开采河砂而导致生态平衡的破坏。沙漠砂开采可以起到防沙治沙的作用，减缓沙漠化造成的污染[18]，对保护自然环境和合理开发利用自然资源具有深远的影响。

4 结语

绿色化、低碳化和高效化是未来发展的趋势，混凝土3D打印已逐渐成为当下研究热点，但目前建筑用砂已供不应求，河砂等建筑用砂的过度开采易导致生态破坏等连锁反应，资源丰富但利用率极低的沙漠砂或可成为打印混凝土骨料的新选择。在工程性质方面，沙漠砂与3D打印混凝土细集料的细度和强度相近；在强度与耐久性方面，与普通混凝土相比，随着沙漠砂替代率的变化，沙漠砂混凝土的强度损失可减小到5%以内，其抗碳化性能、抗渗性能和低温工作性能等耐久性方面无显著降低；从经济环保方面，结合使用沙漠砂作为3D打印材料的骨料，可改善建筑用砂不足的困境、缩短工期、降低造价和缓解沙漠化造成的污染。沙漠砂与3D打印技术的结合满足绿色低碳建筑化和建筑工业化的发展要求，但目前对此的研究仍是寥寥无几，亟待研发适用于3D打印工艺的沙漠砂混凝土材料。