[0001] 本发明属于污染场地中构筑物的打印领域，具体来说，涉及一种污染场地应急阻隔屏障的3D打印方法。

[0002] 突发环境污染事件的应急处置是一个国际性难题。突发环境污染事件具有不确定性、污染物短时间内集中排放的特点。若不及时控制，将对地表土壤、地下水、大气等环境介质以及周边人类、植被、生物造成恶劣影响。切断和控制污染源、防止污染蔓延扩散是处置突发土壤污染的有效方法。

[0003] 阻隔屏障能够有效控制污染物运移或阻断污染物暴露途径，是污染场地风险管控最常用、有效的技术。传统的压实黏土需要重型设备压实；土‑土工膜复合水平阻隔屏障铺设后，应急处置机械与设备通行能力较差。因此，现有技术难以满足突发环境污染事件的应急处置需求。将快速成型、高韧性的阻隔材料通过3D打印技术进行施工，能够有效克服传统的阻隔屏障材料的弊端。然而，与传统建筑领域3D打印技术相比，污染场地阻隔屏障除了关注墙体的强度之外，更为关注打印结构阻隔污染物的性能。与3D打印的垂向墙体相比，水平阻隔屏障厚度小，但水平方向打印带数量多，因此存在大量的拼接冷缝。这些打印条带之间的冷缝粘结强度较低，对阻隔污染物性能影响较大。同时，材料凝固过程中，由于失水开裂产生孔隙、裂缝等优势通道，使其阻隔污染物迁移能力显著降低。因此，本领域亟需研发满足污染场地3D打印工艺的高效施工方法。

[0037] 下面对本发明的技术方案进行详细的说明。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

[0038] 如图1和图2所示，本发明实施例的一种污染场地应急阻隔屏障的3D打印方法，包括以下步骤：

[0039] 步骤10，收集污染场地信息。污染场地信息包括场地污染分布范围；污染物种类及化学和物理特性。通过土壤、地下水气味、颜色初步确定场地污染分布范围，然后通过取样测试土壤、地下水和土壤气精准刻画场地污染分布范围。

[0040] 步骤20，根据步骤10收集的污染场地信息，确定阻隔屏障2的施工参数。施工参数包括打印边界、打印厚度D、打印方向和打印次序。将打印区域按照幅为单位进行划分。打印方向是指不同幅阻隔屏障的施工顺序，从一端到另一端，还是从两端到中间，或者是从中间到两端。对于内凸形场地来说，如图7所示，依次按照a、b、c、d、e的顺序，即从场地的低洼边界处开始，向场地凸起的顶端结束，按幅打印阻隔屏障。对于内凹形场地来说，如图8所示，依次按照a、b、c、d、e的顺序，即从场地的低洼位置开始，向场地凸起的边界结束，按幅打印阻隔屏障。对于平坦场地来说，如图9所示，依次按照a、b、c、d、e的顺序，即从污染物分布最浅的位置开始，分别向场地周边的结束，按幅打印阻隔屏障。

[0041] 步骤30，根据步骤20确定的阻隔屏障的施工参数，在污染场地1上方打印阻隔屏障2；所述阻隔屏障2呈层状结构，且至少由2层组成，每层阻隔屏障2由至少2条打印带201组成；每条所述打印带201的侧面设置有加强线3，每条所述打印带201的底部设有加强网5。

[0042] 上述实施例的3D打印方法打印出水平复合阻隔屏障，覆盖在污染场地1上方，实现对污染场地1中挥发性污染物的阻隔。阻隔屏障2呈层状结构，且至少由2层组成，每层阻隔屏障2由至少2条打印带201组成；每条所述打印带201的侧面设置有加强线3，每条所述打印带201的底部设有加强网5。每条加强线3部分嵌至在一打印带201的侧面，加强线3其他部分嵌至在与该打印带201相邻的另一条打印带201的侧面。这样，通过一条加强线3将处于同一层中相邻的两条打印带201连接在一起。两条相邻打印带之间设置加强线3后，一方面能够通过加强线3与打印材料的吸附作用，促进新打印的打印带界面与已经打印完成的旧打印带界面之间的打印浆体的沉积，减少新、旧打印带(相邻两个打印带)界面之间包裹空气形成的脱空面积，从而有效增加新、旧打印带界面之间的粘结强度、减少优势通道的形成。此外，相邻两个打印带接触界面处的打印浆体在加强线3和防滑线4的协同作用下，通过加强线3的界面与打印浆体之间存在的物理吸附、化学键合和机械嵌锁作用下，形成复合结构，且防滑线4与浆体的作用显著提升相邻两个打印带界面过渡区的密实度，从而减少材料硬化失水过程中的脱空发育与裂缝形成。

[0043] 打印带201的底部设有加强网5。加强网5部分嵌至在一打印带201的底面，加强网5其他部分嵌至在与该打印带201相邻的下方打印带201的顶面。这样，通过加强网5将处于上下相邻两层中的两条打印带201连接在一起。两层打印带之间设置的加强网5除了具有与加强线3类似的改善相邻打印带之间界面的粘聚作用，减少脱空区，增加阻隔屏障的强度和阻隔性能之外，还能有效改善材料打印后的流动状态。特别是对于场地地面起伏较大(坡度大于30°)的情况，坡度变化对造成每一层打印屏障不同位置处厚度的显著变化，从而造成阻隔屏障整体上的阻隔性能降低，有机物穿透的薄弱点增加。通过在相邻两个打印带直接设置加强网5，有效抑制了打印材料打印出来后，在重力作用下向侧向流动，使打印屏障的厚度更为均匀。

[0044] 上述实施例的打印方法打印出的阻隔屏障2，在打印后就可实现阻隔功能，不需要养护，适用于应急场合。

[0045] 为加强阻隔效果，如图1所示，所述步骤20中，打印边界是场地污染分布范围的边界向外延伸3～10m。如图1中，中部灰色部分为污染场地1，虚线框为打印边界。

[0046] 优选的，所述步骤20中，打印厚度D根据式(1)测得：

[0047] D＝0.10+n1×f1+n2×f2+(M‑30)×n3×f3   式(1)

[0048] 式中，D表示阻隔屏障的打印厚度，单位：m；n1表示进场应急人员调整系数，单位：m/次，取值为0.001～0.005；f1表示应急人员进场次数，单位：次；n2表示质量小于20t的进场应急装备调整系数，单位：m/次，取值为0.005～0.015；f2表示质量小于20t的进场应急装备进场次数，单位：次；M表示质量大于等于20t的应急装备的质量，单位：t；n3表示大于等于
20t的进场应急装备调整系数，单位：m/(t×次)，取值为0.01～0.05；f3表示大于等于20t的进场应急装备进场次数，单位：次。

[0049] 根据式(1)测得的数值，确定打印厚度，阻隔屏障打印时间和打印材料用量是污染场地应急处置关注的重点。而与传统的污染场地修复治理不同，突发环境污染的应急处置具有不确定性。应急处理期间需要大量检测人员多次进场勘察测试，且重型的应急处置设备会对阻隔屏障的力学强度提出更高的要求。通过式(1)，充分考虑应急人员进场次数、应急装备的质量和进场次数，对阻隔屏障的厚度进行精准计算，不仅能够优化材料的用量，还能有效减少施工周期，对突发环境事故的应急处置具有重要的意义。

[0050] 优选的，所述步骤20中，打印次序如下：

[0051] 步骤201、将打印边界围成的打印区域，以幅为单位进行划分，每一幅为正方形，边长L根据式(2)计算：

[0052]

[0053] 式中，T表示允许打印时间，单位：s；v1表示打印机器打印喷头的移动速度，单位：m/s；v2表示打印机器打印喷头的空载移动速度，单位：m/s；w表示打印带201的宽度，单位：
m。

[0054] 步骤202、对一幅阻隔屏障2，由下向上按层打印，每一层打印至少2条打印带201，然后进行上一层打印，直至打印完成该幅阻隔屏障2。

[0055] 步骤202中，进行上一层打印时，打印设备从下一层阻隔屏障2的打印终点转移到上一层阻隔屏障2的打印起点的时间称为允许打印时间T，定义为阻隔屏障材料可打印时间t的m倍。在可打印时间t内完成两层阻隔屏障2的打印，能够保证前一打印层中打印材料处于良好的流动状态，促进加强网5与防滑线4在上下两层打印带之间的粘结作用，抑制打印冷缝之间的缺陷形成，从而有效保证阻隔屏障的施工质量，并达到施工周期的最小化，满足环境污染应急处置需求。若阻隔屏障2为摇臂式打印设备打印，m的取值为0.80～0.90；若阻隔屏障2为框架式打印设备打印，m的取值为0.85～0.98。

[0056] 步骤203、按照步骤202的方法，进行下一幅阻隔屏障2的打印，直至打印结束。

[0057] 上述打印次序的确定过程中，按幅对打印区域进行划分，并按照幅为单位进行阻隔屏障2的打印。在一幅阻隔屏障2的打印后，再打印另一幅阻隔屏障2。对阻隔屏障进行分幅施工建造，能够实现阻隔屏障的施工质量精细化控制。通过分幅施工，将每一幅的面积与材料的可打印时间进行了有效关联，在保证打印材料施工和易性的前提下，最大程度地优化了施工周期，为阻隔屏障打印的自动化、智能化设计提供了支撑。此外，为进行打印质量控制和施工工艺调整，以幅为单位，进行采样测试和工艺参数计算，更为客观。

[0058] 优选的，所述步骤30中，在竖向相邻的两层阻隔屏障2中，每条打印带201的中线与竖向相邻的打印带201的边界相对。所述打印带201的宽度为10～30cm。通过上下两层打印带的交错设置，能够充分避免打印带之间打印冷缝对阻隔屏障服役性能的影响。合理设置打印带的宽度，能够提升阻隔屏障打印施工效率。打印带过宽会造成打印界面的非均质性，打印出的条带截面变化较大；而打印带过窄则会导致打印冷缝过多，促进优势通道发育。打印带的宽度控制在10～30cm范围内，能够实现阻隔屏障打印质量和打印效率的最优化。

[0059] 优选的，所述步骤30中，加强线3位于每条打印带201的侧面高度1/2位置处，加强线3上设有防滑线4。通过在打印带201的侧面高度1/2位置处设置加强线3，能够保证相邻两个打印带201的粘结强度的提升，避免在外界荷载作用下，粘结界面所在的垂向截面内出现明显的应力集中，导致两个相邻打印带之间打印冷缝的二次开裂。此外，加强线3在打印带201的侧面高度1/2位置处设置后，打印带在喷出后维持其初始形状，避免在坡度变化较大的情况下，产生明显的厚度差异。

[0060] 优选的，如图3和图4所示，防滑线4与加强线3轴线垂直，防滑线4长度为打印材料中骨料最大粒径的3～6倍。通常，打印材料由骨料和凝胶材料组成。通过合理设置加强线3上的防滑线4长度，能够调整阻隔屏障中防滑线4与骨料的机械嵌锁作用，增加复合结构的力学性能。通过防滑线4将加强线3上承担的应力传递给硬化浆体，减少阻隔屏障的裂纹和内部微裂纹的数量和尺寸，提高阻隔屏障的连续性。在受力过程中，防滑线4与加强线3改变了硬化浆体的应力场，通过防滑线4的桥接作用来阻止或延缓裂纹的扩展，从而提高应急处置过程中外界荷载作用下阻隔屏障的韧性。防滑线4长度过大，会造成团聚体，在阻隔屏障内产生空穴；防滑线4长度过小，则无法形成有效的摩擦力，机械嵌锁作用不明显。

[0061] 防滑线4为N条，呈组设置，每组防滑线包括3～8条防滑线4，防滑线4沿加强线3轴向均匀分布。呈组设置防滑线，便于加工生产，降低阻隔屏障的经济成本。

[0062] 相邻防滑线的间距为防滑线4长度的1～3倍。每组防滑线中，防滑线4沿加强线3周向均匀分布，相邻防滑线之间夹角相等，防滑线4和加强线3组合后呈立体状。也就是，同一条加强线3上的所有防滑线4不是处于同一平面上。防滑线4和加强线3组合后呈立体状，能够保证防滑线4在两个相邻打印带中的均匀分布，有效避免防滑线4只是粘附在两个相邻打印带中间，而没有嵌入到打印带的打印材料之中。

[0063] 上述实施例中，加强线3和防滑线4是共同发挥作用的。防滑线4能够提升加强线3与打印浆体的粘结强度与界面面积。相邻两个打印带接触界面处的打印浆体在加强线3和防滑线4的协同作用下，通过加强线3和防滑线4的界面与打印浆体之间存在的物理吸附、化学键合和机械嵌锁作用下，形成复合结构，增加阻隔屏障在养护期间失水开裂引起的内部应力、服役期间外界荷载作用下的力学强度和污染阻隔性能。

[0064] 优选的，所述步骤30中，所述加强网5是设有防滑线4的加强线3编织而成。由于防滑线4和加强线3组合后呈立体状，所以由防滑线4和加强线3编成的加强网5也成立体状。这能够保证加强网5上的防滑线4在两个相邻打印层的打印浆体中均匀分布，有效避免防滑线4只是粘附在两个相邻打印层中间，而没有嵌入到打印材料之中，从而使得加强网5体现出对阻隔屏障服役性能的最优加强效果。

[0065] 优选的，加强网5的网格为正方形，网格边长为打印带201宽度的0.2～0.6倍。加强网5与打印带201表面的摩擦作用能够约束打印浆体的侧向位移，提高土体的自立稳定性。通过锁定打印浆体的骨料，限制其运动，防止打印浆体的侧向变形和不均匀沉降。此外，加强网5能够与阻隔屏障共同承受荷载，提高阻隔屏障的承载能力和稳定性，并且将集中的应力分散到更广泛的区域，减少局部应力集中，从而降低土体的变形和破坏，这种加筋效果对于污染场地应急处置过程中的承载力力尤为重要。

[0066] 上述实施例中，在打印带之间设置加强线3和加强网5。通过这些加强纤维能够有效改善打印带之间的粘结性能，提升阻隔屏障服役性能。

[0067] 对比3D打印阻隔屏障冷缝附近区域试样，设置加强线、加强网前后的阻隔效果。

[0068] 试样1厚度为2层，在两层之间设置加强网，每一层设有2个打印带，在打印带之间设置加强线。打印带的宽度为30cm，长度为10m，厚度为10cm。每10米加强线2设有125组防滑线，每组防滑线包括4条防滑线，每条防滑线长度为1cm(打印材料中骨料最大粒径2mm的5倍)。加强网的网格边长为9cm(打印带宽度的0.3倍)。如图5和图6所示，在同层相邻两个打印带之间设置采样孔6，采样孔6贯穿上下两层，进行采样。采样获得的第一样品为圆柱形试样，直径为20cm，高度为20cm。

[0069] 试样2与试样1相同，但是两层之间不设置加强网，打印带之间也不设置加强线。在与试样1相同的采样位置进行采样，获得相同尺寸的第二样品。

[0070] 参考《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420—2020)对上述两个样品‑的阻隔屏障冷缝区域进行渗透系数测试。测试结果为：第一样品的渗透系数为2.71×10
7 ‑6
cm/s，第二样品的渗透系数为6.05×10 cm/s。因此，设置加强线、加强网后3D打印阻隔屏障冷缝区域的污染阻隔性能显著提升，渗透系数降低1个数量级以上。

[0071] 本发明通过在打印带之间设置的纤维制成的加强线增韧作用，以及在打印层之间设置的纤维制成的加强网的增韧作用，有效控制污染物运移或阻断污染物暴露途径，实现突发土壤环境污染事件的高效应急处置。

[0072] 下面例举2个实施例和1个对比例，以证明采用本发明的方法可以节省材料。

[0073] 阻隔屏障打印面积为120m2，其中，30t的应急装备行驶路径面积为25m2；小于20吨2 2
的应急装备行驶路径面积为30m ；其他区域为有应急人员进场，面积为65m 。将n1取值为
0.005m/次，f1为10次；n2取值为0.01m/次，f2为5次；

[0074] n3取值为0.02m/次，f3为2次。

[0075] 对比例：传统阻隔屏障通常是在整个污染场地内填筑阻隔屏障材料，厚度通常为3
0.5～1.0m，以其均值(0.75m)进行估算，则需要填筑的阻隔屏障材料为0.75*120＝90m。

[0076] 实施例1：按照本发明的方法，分两次完成打印设计

[0077] 通常打印区域内的阻隔屏障厚度相等，第一阶段考虑有应急人员、质量小于20吨的应急装备进场。在应急过程中如果发现重大污染源需要大于20吨的应急装备进场时，则再次进行第二阶段阻隔屏障打印施工。依此计算，第一阶段需要打印材料的方量为120×3
(0.10+0.005×10+0.01×5)＝24m；第二阶段需要打印材料的方量为25×(0.10+0.005×
3 3
10+0.01×5+0.02×2×10)＝15m；合计两个阶段需要打印材料的方量为39m。

[0078] 实施例2：按照本发明的方法，一次完成打印设计

[0079] 30t的应急装备行驶路径面积为25m2，需要打印材料的方量为25×(0.10+0.005×3 2
10+0.01×5+0.02×2×10)＝15m；小于20吨的应急装备行驶路径面积为30m，需要打印材
3
料的方量为30×(0.10+0.005×10+0.01×5)＝6m ；其他区域为有应急人员进场，面积为
2 3
65m，需要打印材料的方量为65×(0.10+0.005×10)＝9.75m；合计需要打印材料的方量为
3
30.75m。

[0080] 通过对比发现，2个实施例分别可以节省阻隔屏障材料56.7％和65.8％。

[0081] 上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。