《Journal of Building Engineering》：Underwater 3D concrete printing: Automation challenges, process-material coupling, and future construction pathways
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本综述系统阐述水下3D混凝土打印（U3DCP）这一新兴自动化建造技术，聚焦其区别于陆地打印的水动力学环境特性，重点分析抗冲刷体系（AWAs）、流变结构演化、过程-材料耦合机制等核心挑战，涵盖从材料设计（如HPMC、CMS等聚合物改性）到硬件系统（机器人/门架式平台）、从新鲜状态性能（静态屈服应力τy,static、触变重建率Athix）到硬化性能（抗压强度、层间粘结）的全链条技术路径，为海洋基建、生态修复等场景提供自动化、可持续建造方案。
引言
过去十年间，三维混凝土打印（3DCP）已从实验室 curiosità 发展为颠覆性建造技术。与传统方法相比，3DCP 无需模板即可实现逐层制造，赋予几何形状前所未有的自由度，并提升材料利用率和数字化集成度。随着陆地3DCP的成熟，水下建造与修复活动日益受到关注，尤其在 offshore 基础设施、海岸防护系统和海洋生态修复领域需求迫切。常规水下建造严重依赖预制件安装、重型吊装或潜水员辅助 placement，成本高、耗时长且对环境干扰大。水下3D混凝土打印（U3DCP）提供全新范式：直接在水下环境中原位制造水泥基结构，无需脱水或模板，极大减少海洋扰动并提升对不规则海床几何的适应性。
尽管概念上与陆地3DCP相似，U3DCP涉及材料-过程-环境间根本不同的相互作用，不能简单套用陆地打印策略。与重力主导的陆地打印不同，水下打印处于水动力学条件下，引入浮力、水流拖曳、水泥相稀释与分散等挑战。同时，U3DCP也显著不同于 tremie 灌注或抗冲刷混凝土浇筑等传统水下混凝土技术，后者依赖 bulk flow 和密闭而非可控细丝挤出。这些差异带来三大紧密耦合的挑战：水动力不稳定性（冲刷、分散、细颗粒流失）、新鲜状态机械完整性（屈服应力、触变性、结构建立以维持细丝形状和承载能力）、过程-材料耦合（打印速度、喷嘴几何、沉积高度和时间与流变演化的强烈相互作用）。应对这些挑战需跨越流变学、物理化学和机器人过程控制的统一理解，而非孤立优化单个参数。
材料与配合比设计
U3DCP依赖高度工程化的水泥基混合物，其设计需同时确保挤出连续性、抗水动力扰动分散性以及沉积后快速结构恢复。因此，U3DCP混合物通常为富胶凝材料、细骨料主导、聚合物改性体系，对组成失衡容忍度窄。
典型体积组成中，胶凝材料占比达20–30 vol%，通常包括普通波特兰水泥（OPC）及部分替代的辅助胶凝材料（SCMs），如磨细矿渣（GGBS）或地聚合物。水组分（10–20 vol%）含量受严格限制以平衡可泵性和抗分散性。细骨料占比约20–40 vol%，最大粒径多低于2 mm甚至1 mm，粗骨料则基本避免以防堵塞喷嘴、破坏细丝 cohesion 并加剧局部湍流。化学外加剂和功能添加剂（1–10 vol%）虽体积占比小，但对水下可打印性控制作用显著，包括高效减水剂、抗冲刷剂（AWAs）、保塑剂、促凝剂、纤维和微/纳米填料。
抗冲刷剂（AWAs）是U3DCP不可或缺组分，按其作用机制可分为：聚合物增稠和增强 cohesion 剂（如羟丙基甲基纤维素HPMC、羧甲基淀粉CMS、韦兰胶等，掺量0.1–0.5% binder）、合成絮凝控制聚合物（如阳离子聚丙烯酰胺CPAM、水下抗渗剂等，掺量0.05–0.3% binder）、集成水下粘结剂（如UWB-II、UWB-III系统，掺量3–10% binder）以及混合AWA体系。过量AWA掺量会导致挤出不稳定、喷嘴压力积聚和表面质量差，凸显 tight dosage control 和系统特定优化的必要性。
新鲜状态行为原理
U3DCP的新鲜状态控制比陆地3DCP和常规水下混凝土更为复杂，打印材料需同时承受水动力扰动、保持挤出过程中流变 coherence 并在水下条件下发展足够早期结构完整性。
流变性能是核心。静态屈服应力（τy,static）对抵抗浮力引起的 uplift、水动力拖曳和沉积后 immediate 颗粒分散至关重要，其值通常远高于陆地打印要求。动态屈服应力则主要控制可泵性和挤出连续性。触变重建率（Athix）通过公式 τy(t) = τy0+ Athix·t 描述静态屈服应力随时间演化，是链接流变与打印间隔时间的关键参数。
流动性和可挤出性方面，U3DCP存在严格上下限。可打印水下砂浆的扩展度 practical window 约140–190 mm。低于此范围会导致挤出不连续、细丝撕裂和表面质量差；高于此范围则加剧冲刷、浆体稀释和几何保真度丧失。
抗冲刷和抗分散性通过质量损失率（Mloss，通常要求<20%）、浊度测量和pH值 evolution（控制≤12以限制浸出和环境 impact）评估。抗冲刷性与静态屈服应力和触变重建率定量相关，而非单独流动性。
可建造性、形状保持和早期稳定性受浮力诱导 lateral spreading 和水动力拖曳影响，特征破坏模式包括层浮起、边缘圆化和渐进侧向 collapse。浮力（Fb= ρwgV）和拖曳力（Fd= 0.5CdρwAU2）公式为流变学、材料设计和过程控制提供工程级估算。绿色强度发展和层间粘结因水膜形成、界面稀释和固体-固体接触延迟而更具挑战性，局部促凝剂喷射等 process-material hybrid 策略可有效缓解。
打印硬件与操作策略
U3DCP硬件和操作策略与常规陆地打印有根本区别，需应对流体阻力、浮力、可变静水压力和移动部件周围复杂流动。
打印平台主要采用基于机器人手臂（有无促凝剂注入管）或门架式系统，辅以 high-torque 渐进腔泵或螺旋泵、连续或批次搅拌机、受控水箱或 submerged 测试池、增强输送软管和专用打印头。过程策略向 hybrid material-process 解决方案演进，如两阶段打印、按需混合物切换和通过喷嘴出口集成喷射系统进行局部促凝剂计量。
喷嘴设计是材料与环境间的核心接口。为抑制冲刷和湍流卷吸，研究多采用同轴或屏蔽式喷嘴，外 sleeve 或约束管保护挤出细丝免受周围水影响，稳定沉积区流场。喷嘴形状主要有圆形（直径15–30 mm）和矩形（如100 mm × 30 mm），其参数决定打印细丝横截面尺寸。
打印速度（10–120 mm/s）和运动学控制对沉积质量起决定性作用。挤出速率、喷嘴移动速度、 stand-off 距离和喷嘴直径共同定义了细丝连续性与抗水动力扰动间的平衡。过度挤出或移动速度会加剧剪切诱导分散和冲刷，而过于保守的速度则增加水中停留时间并加剧浮力驱动变形。
力学行为与耐久性
从新鲜沉积到硬化性能的转变是U3DCP的定义性挑战，其中混合物设计、打印过程和 submerged 环境间的独特相互作用决定结构能力和长期完整性。
抗压强度数据表明，当冲刷得到有效控制时，水下打印砂浆的强度可接近或匹配空中打印对应物，但受AWA类型和掺量、层间时间间隔和早期养护条件高度敏感。聚合物基AWA（如HPMC、CMS）通常因聚合物引入气孔和延迟水化 kinetics 导致强度略低于基准空中混合物；而水下粘结剂（UWB）或USI型体系则表现出相对较高抗压强度，反映其限制早期 immersion 期间胶凝材料损失和促进更密实水化产物的能力。
劈裂抗拉强度表现出比抗压强度更窄的绝对范围和更大的对AWA类型的敏感性。拉伸性能对工艺参数 consistently 更敏感，反映挤出基制造的 layered 性质和 submerged 沉积的额外挑战。弯曲强度趋势突出了水下3D打印元素的各异性和过程敏感性，其性能与细丝 cohesion、层间粘结和纤维效率 integrative 相关。
层间粘结是水下3D打印混凝土最关键且脆弱的力学性能。与空中沉积不同，水下打印在细丝表面引入连续水分交换，改变触变重建、表面化学和连续层间的水化进程。有效实现强层间粘附的时间窗口更窄，局部促凝剂计量等策略可缩小层沉积的关键 timing window。
耐久性是当前探索最少但最关键的限制因素。现有研究绝大多数为短期，缺乏真实海水环境下的长期暴露数据。关键耐久性问题包括氯离子侵入、硫酸盐侵蚀、钙浸出以及与聚合物富集抗冲刷体系相关的微观结构不稳定性。聚合物基AWA的长期稳定性和环境相容性对标准化提出 critical challenge，需要 dedicated 耐久性 metrics 和基于性能的接受标准。此外，缺乏 reinforcement integration 和腐蚀防护的既定策略仍是U3DCP结构应用的基本障碍。
应用与多学科机遇
U3DCP代表海底建筑的范式转变，通过直接在 submerged 环境中原位制造水泥基结构，绕过 cofferdams、脱水或重型预制物流。
其应用 landscape 跨越多个工程和科学领域，统一于对几何适应性、自动化和减少水下人工干预的共同需求。主要应用方向包括：海洋基础设施建造与修复（如港口、码头墙壁、导航渠道的修复层、 collar 和填充几何形状的打印）； offshore 可再生能源基础（如海上风力涡轮机基础、潮汐和波浪能基础的水动力优化 subsea 混凝土形式）；海岸保护和气候适应结构（如多孔互锁 armor units 的打印，增强波浪能耗散）；生态工程和海洋栖息地增强（如复杂仿生几何形状的打印，促进珊瑚定居、鱼类庇护和生物多样性增强）；水下管道、隧道和公用事业保护（如定制保护壳、 mattress 和填充结构的打印，精确符合现有管道几何形状和海床剖面）；水下机器人、自动化与数字孪生集成（如机器人手臂、门架系统和 remotely operated vehicle (ROV)/autonomous underwater vehicle (AUV) 辅助平台的精确 tool-path 执行）；国防、安全与水下资产部署（如快速部署、坚固且几何复杂的海底结构的现场制造）；科学研究、考古学和探索支持（如水下实验室、传感器平台和考古保护定制结构的打印）。
挑战、标准与监管环境
尽管在材料开发、工艺创新和概念验证演示方面进展迅速，U3DCP仍处于技术就绪度的早期阶段。其从实验室规模可行性向可靠、可认证和现场可部署建造技术的转变不仅受未解决的技术挑战限制，还缺乏公认的标准、测试协议和监管框架。
技术挑战包括冲刷和分散（特别是在挤出后最初几分钟内）、层间粘结（因水膜形成、界面稀释和键合效率降低而导致显著机械各向异性）、 scaling 效应（大多数打印元件仍为亚结构规模，高宽比有限，反映未解决的浮力诱导变形、累积层不稳定性和 extended 打印持续时间内的可泵性问题）以及水动力效应和流动水环境（当前U3DCP研究的一个主要 gap 是 limited consideration 代表真实海洋环境的流动水条件）。
耐久性不确定性方面，现有研究主要集中在早期力学性能，海水环境中长期暴露数据非常有限。关键耐久性问题包括氯离子侵入、硫酸盐侵蚀、钙浸出和与聚合物富集抗冲刷体系相关的微观结构不稳定性。特别是广泛使用促凝剂和硫酸盐基添加剂（如硫酸铝、硫铝酸盐体系）以增强早期强度和层间稳定性，虽对可建造性有效，但可能增加与延迟钙矾石形成、硫酸盐诱导膨胀和与海洋环境化学不相容性相关的长期风险。
标准、代码和认证 gaps 方面，目前没有国际或国家指南明确解决水下3D打印混凝土问题， leaving practitioners 依赖常规水下混凝土（如CRD-C61冲刷测试）、空中3DCP建议和定制项目特定规范的 fragmented combination。这一监管真空对责任、保险和合同风险分配具有重大影响。
未来发展和监管接受的路线图应优先关注：真实海洋环境中的长期耐久性研究；新鲜状态性能的标准化评估框架；先进过程控制系统；结构规模测试和设计方法；全尺寸现场原型和环境影响评估。解决这些优先事项将以协调方式 essential，将U3DCP从有前途的实验技术转变为能够满足海洋、 offshore 和海岸基础设施严格要求的 robust 建造技术。
结论与展望
水下3D混凝土打印（U3DCP）代表了数字制造、水泥基材料科学、海洋工程和机器人技术交叉领域 rapidly emerging 的范式。本综述追溯了U3DCP从早期可行性研究到近期机制驱动研究的演变，综合了配合比设计、新鲜状态控制、打印硬件、力学性能和多学科应用方面的进展。
从材料角度看，U3DCP混合物的特点是富胶凝材料、细骨料主导的组成和广泛使用化学外加剂，特别是聚合物基抗冲刷剂。这些系统能够在 submerged 条件下实现挤出稳定性和抗冲刷性，但也引入了与流变演化、与高效减水剂的竞争吸附以及潜在长期耐久性风险相关的新的敏感性。在工艺层面，U3DCP需要专用硬件和操作策略，包括封闭或屏蔽喷嘴、多流或同轴挤出、局部促凝剂计量以及适用于 submerged 环境的机器人或门架式部署系统。力学性能数据表明，当冲刷得到有效控制时，水下打印砂浆的抗压、抗拉、抗弯和层间粘结强度可接近或匹配空中打印对应物。然而，强度发展仍然对抗冲刷剂类型和掺量、层间时间间隔和早期养护条件高度敏感。关键的是，耐久性仍然是探索最少但最具决定性的实际应用障碍。
展望未来，U3DCP的实际实施途径需要在多个方面取得协调进展。优先研究方向包括：真实海洋暴露下的长期耐久性和微观结构演化；针对打印量身定制的标准化冲刷、流变和绿色强度测试协议；自适应喷嘴计量和过程控制算法的开发；为设计模型和安全系数提供信息的结构规模测试；以及伴随环境影响评估的全尺寸现场演示。建立国际任务组、循环测试项目和基于性能的代码提案将对于弥合当前实验室研究与工程接受度之间的差距至关重要。总之，水下3D混凝土打印作为下一代海洋基础设施、 offshore 能源系统、生态工程和自主海底建设的使能技术具有巨大潜力。其成功转化为实践将取决于将材料、工艺和环境视为一个集成系统。
