综述：面向海洋与水生环境的可扩展水下混凝土增材制造

《Additive Manufacturing Letters》：Towards scalable underwater concrete additive manufacturing for marine and aquatic settings

　　

水下混凝土是海洋与水生基础设施的核心支撑材料，但其传统施工长期受限于作业可达性差及对潜水员依赖度高的问题。水下混凝土增材制造（UCAM）通过自动化、无模板的成型方式，突破了常规水下浇筑的几何限制。然而，将挤出工艺从空气环境转移至水环境后，材料的流变性、早龄期稳定性及层间粘结性能均受到显著干扰，直接制约打印过程的连续性。本综述首次将当前规模较小但增长迅速的UCAM研究整合至统一框架中，系统关联了配合比设计、工艺与装备适配及材料表征三个核心维度。研究对比了已报道的胶凝体系、抗分散与流变调控外加剂、骨料及增强策略；梳理了门架式与机器人系统中喷嘴几何形状、打印速度与流量共同定义的打印工艺窗口；并将UCAM材料的 Fresh 状态与 Hardened 状态性能与传统浇筑混凝土及空气中打印混凝土进行了对标。分析表明，UCAM面临三大特有耦合障碍：新拌材料的水力冲刷分散（washout）、沉积丝条的浮力作用，以及静水压力对水化进程的影响。其中，因层间界面滞留水分导致的层间粘结弱化被明确为限制力学性能可靠性的首要因素。本综述填补了现有案例型研究缺乏系统性对比的空白，为配合比与工艺选型提供了整合性比较基础，同时明确了现场部署前必须解决的标准化与耐久性评价缺口。

1. 1.
   引言
   混凝土广泛应用于港口结构、桥梁基础、海上能源平台、通航设施及海岸防护工程等海洋与水生基础设施。此类环境下的施工与修复常受限于作业空间受限、水体流动多变，以及对胶凝材料稳定、可控投放的严苛要求。传统水下施工依赖导管法浇筑、泵送排放及潜水员辅助修复，虽技术成熟但过程控制难度大且对环境扰动极为敏感。这些局限性推动了自动化方法的发展，以提升布料的精确性并支持潜水员难以抵达或不具备作业安全性的区域施工。
   混凝土基增材制造因可实现无需持续人工干预的精准布料，被视为提升建造自动化水平的重要路径，其优势在于能够成型复杂几何构型、降低材料消耗、优化施工进度并支持自动化作业。当前该技术的进展主要集中在陆地应用场景，其工艺稳定性与环境条件更易管控。相比之下，尽管水下环境亟需可靠的施工与修复技术，水下增材制造的研究关注度仍显著不足。文献计量分析显示，2019至2025年间陆地混凝土增材制造相关出版物达1963篇，而同期水下混凝土增材制造仅见少量报道，但2025年的发文量已接近此前五年总和，表明该方向正处于快速上升期。美国目前已有两个联邦资助项目正在探索该主题。
   水下混凝土增材制造（UCAM）的核心挑战源于复杂的环境条件及众多变量，需深入理解水下环境中工艺-结构-性能的耦合机制。混凝土为多相宾汉姆（Bingham）塑性材料，由固、液、气三相组成，其性能随水泥水化等物理化学过程动态演变。水泥接触水后经历初始溶解期（约15分钟）与诱导期（约2至4小时），期间颗粒形成连通网络并保持工作性；随后颗粒失去流动性，转变为应变不可逆的软固态，该时间点即为初凝。为满足打印所需的流变性能，常掺入高效减水剂（SP）、黏度改性剂（VMA）或缓凝剂，以保障可泵性、可打印性与建造性。
   近期研究已从材料配方与工艺开发两方面探索UCAM，重点聚焦于提升抗分散性、优化水下挤出的流变性，以及改进喷嘴设计与打印参数以保障稳定性与建造性。新兴策略包括使用抗分散外加剂、加速器注入系统及环境改良方法。在工艺层面，硬件适配与打印参数的精确标定对克服水下物理挑战至关重要，研究者已对喷嘴设计进行大量优化，以提升打印质量、尺寸稳定性并保护新拌混凝土免受即时水力侵蚀。然而，现有文献呈碎片化且多为案例导向，导致难以开展跨研究对比、提取可迁移的设计规则，以及制定规模化应用所需的标准化指标与规范。
   为引导UCAM的未来发展，本综述系统组织为四个核心部分：第2节概述材料设计的关键策略，涵盖各类胶凝材料、抗分散外加剂及其他添加剂的使用；第3节分析工艺与装备发展，重点关注喷嘴构型、打印参数及工艺策略；第4节讨论用于评价水下条件下新拌与硬化性能的材料表征方法；最后总结剩余挑战与未来方向。本综述旨在将碎片化的UCAM文献整合为统一的比较框架，并据此明确可扩展水下打印对材料、工艺与表征的具体需求，其核心贡献在于首次建立了UCAM配合比与工艺选型的跨研究比较基础，并明确了标准化、耐久性及动态环境适应性方面的具体缺口，为走向现场部署划定了清晰路径。
2. 2.
   水下增材制造的材料要求与配合比设计
   传统导管法水下混凝土自19世纪末开始应用，至今仍是水下大体积混凝土浇筑的主流技术。20世纪70年代现代抗分散混凝土的发展是重大突破，通过聚合物基抗分散外加剂（AWA）实现了非严格导管约束下的浇筑。水下混凝土的核心特征是在保持足够流动性以实现自密实的同时，具备抵抗水泥细颗粒向周围水体分散的能力。抗分散性主要通过水溶性聚合物AWA实现，如纤维素醚衍生物与微生物多糖，其通过氢键作用提升孔隙水黏度，并在水泥颗粒间形成桥接作用，增强黏聚性与抗离析性。AWA掺量通常控制在胶凝材料质量的0.5%至1%，过量会延缓凝结并降低工作性，不足则无法有效抑制分散。为支撑上述机理，水下混凝土通常设计为高胶凝材料用量（≥600 lb/yd3）、低水胶比（w/cm ≤ 0.45），并匹配适宜的高效减水剂掺量。商用预包装水下水泥多采用混合胶凝体系，结合普通硅酸盐水泥与铝酸盐水泥和/或辅助性胶凝材料，胶凝材料占比通常为38%至57%。在更大水深环境下，温度与静水压力的变化会进一步影响水化动力学与凝结行为，往往需要针对性调整促凝或缓凝外加剂。
   UCAM的材料设计较传统浇筑更为复杂。除传统水下混凝土所需的高流动性与自流平特性外，可打印混凝土还必须在挤出后具备快速的微观结构建造能力，要求材料兼具低泵送黏度与高静态屈服应力，因此需协同优化胶凝体系、化学外加剂与骨料特性，以同时满足抗分散性与触变性需求。

2.1 胶凝体系与配合比设计

胶凝体系的选择是决定UCAM可打印性、抗分散性及早龄期建造性的首要因素。与依赖高流动性与自流平的传统水下混凝土不同，UCAM胶凝材料需在支持挤出式布料的同时，在沉积后快速获得结构整体性。表1汇总了已有研究中报道的胶凝体系组成与关键配合比参数。

普通硅酸盐水泥（OPC）是UCAM研究中最主要的胶凝材料，因其供应广泛且水化行为明确。但单一OPC通常难以提供水下挤出所需的黏聚力与抗分散性，因此多数配合比采用OPC与辅助性胶凝材料（SCM）及多元外加剂策略相结合。硅灰是OPC基UCAM胶凝体系中最常用的SCM，其可提升颗粒堆积密度、致密浆体结构并增强颗粒间黏聚力，以抵抗沉积过程中的水体侵入。石灰石类掺合料（如石灰石粉/填料）也常用于调控流变性与颗粒堆积，粉煤灰与矿渣（GGBFS）则在部分配方中用于改善工作性与水化进程演化。

为促进凝结并提升早龄期建造性，硫铝酸盐水泥（SAC）被反复采用，既可作为单一胶凝材料，也可与OPC组成复合体系。SAC的快速钙矾石驱动水化可促进微观结构快速建造，提升丝条形状保持能力，减少对外部约束的依赖即可实现层叠建造。但过快的反应速率也会缩短开放时间并增加过早硬化的风险，因此需优化SAC掺量、水胶比及外加剂组合以获取适宜的打印窗口。在海水打印条件下，氯离子、硫酸根离子与镁离子等会改变水化路径与物相组成，Friedel盐与钙矾石的形成在某些体系中可密实微观结构并提升长期强度，但该效应高度依赖于胶凝组成与养护条件。

近期研究日益关注低碳与混合胶凝体系，以应对水下打印中高胶凝材料用量带来的可持续性问题。三元体系（如掺加GGBFS、石灰石填料与煅烧黏土类组分）在匹配适宜的抗分散外加剂时，已展现出良好的可打印性与抗分散性。此类体系虽降低了隐含碳排放，但其较慢的水化速率往往需要通过调整促凝剂掺量或养护策略来维持水下早龄期建造性。最新研究也证实了采用波特兰石灰石水泥（PLC）作为低碳胶凝材料的可行性，尤其是在搭配硅灰与兼容外加剂体系的情况下。

2.2 流变与抗分散外加剂

化学外加剂是实现UCAM的关键，其主导着复杂水下环境下的新拌态流变性、抗分散性及微观结构建造能力。水下环境中，温度、静水压力、盐度及波浪与水流等外部扰动会显著影响物理化学反应、水化动力学与颗粒稳定性，使得外加剂辅助的流变控制对维持水下挤出与沉积过程中的打印质量与尺寸稳定性不可或缺。

与传统水下混凝土仅需高黏度与自密实性不同，UCAM需要更精细的流变剖面：材料在泵送与挤出过程中需具备良好的流动性，而在沉积后需快速恢复黏聚力与静态屈服应力以支撑上层荷载而无须模板。实现这一平衡通常需要协同使用多类外加剂，包括高效减水剂（SP）、黏度改性剂（VMA）、触变增强剂及促凝或缓凝剂。

抗分散外加剂（AWA）是一类特殊的黏度改性外加剂，用于提升水下不分散混凝土的混合物黏度与黏聚力。表2汇总了常用商用AWA的主要化学成分、ASTM C494分类及物理形态。AWA在水下应用中尤为关键，其可直接抑制水泥细颗粒向周围水体的分散。AWA通常为长链水溶性聚合物，如纤维素醚衍生物（羟丙基甲基纤维素HPMC与羟乙基纤维素）或微生物多糖（温伦胶）。其主要机理是通过氢键作用提升孔隙溶液黏度，同时在水泥颗粒间形成聚合物缠结与桥接网络。在搅拌或泵送的剪切作用下，聚合物链排列以促进流动；沉积后网络重组，恢复静态屈服应力，提升黏聚力、抗离析性与形状保持能力。

纤维素基AWA（尤其是HPMC）是UCAM中应用最广泛的外加剂之一。研究表明，提高AWA掺量可显著降低水下布料过程中的浊度与质量损失，但过量聚合物可能引入气泡、延缓水化并降低抗压或抗折强度。因此，有效AWA掺量通常处于较窄范围内，一般为胶凝材料质量的0.5%至1.0%，具体取决于胶凝化学、骨料特性与打印条件。此外，硅灰与纳米二氧化硅等矿物外加剂常与聚合物AWA协同使用，以提升流变稳定性与力学性能。这些细颗粒可提升颗粒堆积密度、细化孔结构并促进早期水化，从而在不过度提升黏度的前提下增强抗分散性。硅基添加剂与AWA的协同作用已被证实可在减轻强度损失的同时，改善可挤出性、建造性与层间粘结。

高效减水剂（通常为聚羧酸醚类PCE）对于恢复含AWA与VMA混合物的可泵性与挤出连续性至关重要。但过量SP会抑制微观结构建造、诱发泌水或降低抗分散性，尤其在动态水下环境中。这些负面效应常与外加剂和水泥相之间的竞争吸附及化学不相容性有关。因此，不当的外加剂组合可能导致离析、缓凝或流变演化不稳定等物理化学副作用。

总体而言，UCAM的外加剂设计具有多变量与体系依赖性。可靠的水下可打印性并非通过对单一外加剂的孤立优化实现，而是通过精心设计的协同组合，形成“剪切下可泵送流动、挤出后快速恢复屈服应力、持续抵抗分散”的流变剖面。这些外加剂策略构成了胶凝体系选择与骨料设计之间的关键纽带，支撑可扩展水下3D打印材料的开发。

2.3 骨料与增强材料

骨料选择与增强策略在控制UCAM的可打印性、抗分散性及力学性能方面发挥关键作用。与传统水下混凝土中骨料主要承担结构与经济功能不同，UCAM对骨料级配与增强材料施加了与挤出稳定性、层间粘结及水下抗分散性相关的额外约束。因此，骨料级配与增强应被视为流变与界面体系的主动组成部分，而非被动填充料。

多数UCAM研究采用基于砂浆的细骨料体系，以最小化离析并保障稳定的挤出。细骨料有助于形成黏聚性丝条、减少浆体分散并提升挤出连续性。但过高的细颗粒含量会增加需水量与黏度，可能损害可泵性并需要更高的减水剂掺量。

粗骨料在UCAM中的应用仅在有限尺度上得到验证。有研究成功打印了最大粒径达8 mm的粗骨料混凝土，但水下打印试件的密度与抗压强度较低，仅达到空气中打印试件强度的约72%。这主要归因于水下沉积过程中水体侵入导致的孔隙形成、压实不足与异质性增加。粗骨料的存在还会加剧浆体-骨料界面的不连续性，可能加重分散并损害结构整体性。因此，粗骨料在UCAM中的应用仍受限于喷嘴几何形状、泵送能力及对更强抗分散控制的需求。

纤维增强在UCAM中兼具机遇与挑战。聚乙烯醇（PVA）纤维可显著提升层间劈裂抗拉强度，在水下条件下最高可达72%，主要通过桥接层间界面并改善抗裂性。再生废橡胶也被纳入LC3基复合材料以提升抗冲击性与延性，为更可持续的增强策略提供了路径。聚丙烯（PP）纤维常被加入水下可打印混凝土以提升打印鲁棒性，特别是在沉积过程中稳定丝条，帮助在水下条件下维持连续、不间断的挤出。然而，水下环境使层间整体性对纤维掺量与界面形貌高度敏感：纤维含量会改变层间粗糙度，过度粗糙可能截留更多界面水体，降低粘附能力并削弱层间粘结。

相反，纤维掺入也可能对抗分散性与打印质量产生不利影响。玻璃纤维与HPMC存在不相容性，会导致分散增加与挤出行为不稳定。PVA纤维会增加丝条表面粗糙度，可能促进挤出与层沉积过程中的水体渗透与侵蚀。因此，过量的纤维掺量或不合适的纤维几何形状可能加剧分散、削弱层间粘结并增加孔隙率。

综上，骨料与增强材料虽可提升UCAM的力学性能与功能特性，但其有效性高度依赖于颗粒尺寸、纤维类型、掺量以及与胶凝和外加剂体系的相容性。选择不当或掺量过高可能加重分散、孔隙形成与层间缺陷。有效的UCAM设计需要将骨料级配与增强特性的优化，与胶凝化学及外加剂策略协同进行，以实现可靠且可扩展的水下增材制造。

1. 3.
   水下条件下的工艺策略与打印方法
   将挤出式3D打印从陆地环境转移至水生环境，需要对工艺策略进行根本性重构，以减轻流体动力分散并确保结构完整性。硬件优化必须与精确的打印参数同步进行。与空气环境打印不同，UCAM需要严格控制喷嘴速度与实际挤出速度之比（v_n/v_e）；略微压缩的沉积策略（过挤出）对于置换层间截留的水膜至关重要。该机理在很大程度上取决于喷嘴离地高度（h_n）。若h_n过大，水体卷入会形成润滑层，大幅降低层间粘结——这一现象被确认为水下结构力学各向异性的主要来源。相反，减小离地高度可促进“抹压”作用，实现层间机械互锁，部分恢复因钙溶出而损失的粘结强度。UCAM适配的核心是喷嘴几何形状与工艺参数的优化，需针对特定打印系统及其挤出力学进行定制。图2通过小提琴图总结了所综述研究中汇总的UCAM打印/工艺参数分布。每个面板中的白点代表中位数，粗竖条代表四分位距，细竖线代表最小值与最大值范围（不含异常值），彩色区域的横向宽度代表数据在特定取值下的概率密度。
   图2的子图(a-1)至(a-5)对比了机器人与门架式打印系统在喷嘴尺寸、打印速度、丝条高度、丝条宽度与流量上的分布。门架系统展现出更优的几何灵活性，支持显著更宽的喷嘴尺寸范围（4–100 mm）与丝条宽度范围（5–100 mm），但其运动学参数更为保守，打印速度通常稳定在约60 mm/s。相比之下，机器人系统的特点是高通量性能：其喷嘴尺寸分布更为集中（15–40 mm），但打印速度显著更高，分布上限可达115 mm/s。最值得注意的是，如图(a-5)所示，机器人系统可实现1.2至3.0 L/min的高流量，这得益于其外部泵送系统；而门架系统则严格限制在约0.3 L/min的低且近乎恒定的流量，这是由重力驱动的挤出机制所致。这表明机器人系统更适用于需要快速、大体积布料的应用场景。
   关于子图(b-1)至(b-5)中的喷嘴几何形状，数据凸显了基于横截面形状的明确功能分化。矩形与方形喷嘴明显针对大规模、重载挤出进行了优化，表现为最大的喷嘴尺寸与丝条高度（超过20 mm）。具体而言，矩形喷嘴表现出3.0 L/min的最大恒定流量与最宽的丝条宽度分布（40–100 mm）。方形喷嘴则展现出显著的工艺稳定性，保持约35 mm/s的近乎均匀打印速度与60 mm的固定丝条宽度。相反，圆形喷嘴是多功能的“通用型”；虽然受限于较小的喷嘴尺寸（主要<50 mm）与较低的流量（最大约1.2 L/min），但其在可变速度控制需求下的适应性更强。这表明圆形喷嘴更适合需要变速控制的复杂几何成型，而非圆形几何形状则用于标准化的高体积结构构件。值得指出的是，3D打印文献中常未报告流量参数，因此部分组合仅有单个数据点。
   Yang等人的计算流体动力学（CFD）分析表明，在喷嘴出口处设置屏蔽结构与整流段可显著稳定速度场，降低周围水体对新拌丝条的剪切应力。此外，与圆形横截面相比，采用矩形出口轮廓可通过增加对抗侧向水流的有效接触面积，提升首层稳定性。
   除喷嘴几何形状外，第二类适配在工艺层面运作，通过改变材料输送顺序或直接改变打印环境本身来减少分散并提升建造性。例如，两段式注入系统在挤出过程中将促凝外加剂直接引入喷嘴，允许主体混合物在泵送过程中保持高流动性，同时在水下沉积后快速硬化，从而在不依赖高AWA掺量的情况下显著提升建造性。一种更根本地偏离材料侧解决方案的方法是直接改变打印环境。Wang等人提出了在周围水体中添加水下渗流抑制剂（USI）而非加入混凝土混合物中。通过絮凝打印环境，该方法抑制了侵蚀与分散，使得常规空气打印砂浆设计可直接用于水下，同时保持优异的流动性与力学性能。
2. 4.
   水下增材制造的新拌与硬化性能表征
   UCAM材料的表征需要调整标准测试规程，以适应水下环境中水传输、水泥水化化学与力学荷载的耦合作用，即水传输、水化化学与力学荷载对新鲜及硬化材料的共同作用。与陆地3D打印中“可打印性”由可泵性与建造性的平衡定义不同，UCAM的可打印性主要由抗分散性与静水剪切下的形状保真度决定。
   UCAM的新拌态表征侧重于评估材料在保持结构完整性的同时，被泵送、挤出及抵抗水力侵蚀的能力。为评估可泵性与可挤出性，常在搅拌后立即使用坍落扩展度试验，最优扩展直径通常根据设备不同控制在150 mm至215 mm之间。旋转流变仪用于测量动态屈服应力、塑性黏度与触变性，通过分析剪切速率与剪切应力实现。