近年来，中国日益重视现代化海洋牧场的建设，曾于2017、2018年两次在中共中央文件中提出发展现代化海洋牧场的建设目标，其中，人工鱼礁的建造方式也应向自动化和智能化的方向迈进[1-3]。建造人工鱼礁的目的是为了增殖渔业资源和保护生物多样性，有研究表明，结构复杂的人工鱼礁有利于提高集鱼效果和丰富鱼类种群[4-6]。传统的施工工艺受到模板及配筋的限制，较难建造出外形复杂的混凝土人工鱼礁，而日益兴起的水泥基3D打印技术则为解决这一问题提供了新的思路。水泥基3D打印技术作为土建领域的新型现代化建造方式，具有施工效率高、人工费用低、无模板和经济环保等优势，同时，由于其建造方式造成的后期收缩性大、表面不平整等问题也限制了其应用范围，然而，这些技术劣势在人工鱼礁领域的体现并不明显。现有的研究表明，3D打印混凝土在强度、抗渗和冻融等方面均能够满足生态型混凝土鱼礁的基本力学性能及耐久性要求[7-12]。沈璐等[13]将3D打印混凝土在水工预制构件建造领域进行了探索，结果表明，该建造方式在经济性和施工效率方面具有明显优越性。也有学者研究认为，结构越复杂，3D打印建造方式的经济性优势越明显[14]。3D打印混凝土在人工鱼礁建设中的应用尚处于起步阶段，目前，已有国外学者将打印出的礁体投放到相应海域中进行长期观测[15]。
生物附着性能是人工鱼礁集鱼机理之一，也是人工鱼礁生态效果的重要评估指标，鱼礁上附着生物种类及数量直接影响着鱼礁的集鱼效果。公丕海[16]、王震等[17]研究了普通硅酸盐水泥、添加贝壳粉的硅酸盐水泥、钢板和塑料板4种鱼礁材料的生物附着效果，结果发现，添加贝壳粉的硅酸盐水泥挂板的附着生物种类和平均生物量均最高，分别为53种和4 717.50 g/m2，特别是平均生物量达到了普通硅酸盐水泥挂板的1.8倍。混凝土材料作为最常见的性能优越的人工鱼礁材料之一，李真真等[18]研究了混凝土中不同水泥种类对生物附着性能的影响，结果表明，铝酸盐水泥及粉煤灰硅酸盐水泥人工鱼礁生物附着效果较复合硅酸盐水泥有明显优势。影响鱼礁材料生物附着性能的因素较多，包括投放海域、时间、季节和水深等，这些都给鱼礁材料生物附着性能的研究及评价增加了难度[19-20]。与普通混凝土相比，3D打印混凝土组分及水泥种类均不相同，逐层打印后的试件具有不同的表面纹路，这些都会对生物附着性能产生影响，而目前关于这方面的研究还鲜见报道。
本研究中，针对3D打印人工鱼礁混凝土材料开展了生物附着性能的试验研究，采用不同口径打印喷头的3D打印人工鱼礁混凝土试件及相同配合比的浇筑成型试件，分析其附着生物种类及附着生物量的差异，研究了3D打印混凝土材料的生物附着性能及表面粗糙程度，以期为水泥基材料3D打印技术在人工鱼礁领域的应用提供科学参考。
1 材料与方法
1.1 材料
制备3D打印人工鱼礁混凝土的原材料由胶凝材料、细骨料、水、矿物掺合料和外加剂组成。其中，胶凝材料包括由河北省唐山市天路水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥(P.O.42.5)和北京市新洪高建材科技有限公司生产的双快水泥(R.SAC 42.5)；细骨料为河砂；矿物掺合料由河北省石家庄市灵寿县强东矿产品加工生产的硅灰；试验用水为饮用自来水；外加剂为天津市宗久建材有限公司生产的减水剂、膨胀剂。
将原材料按表1所示配合比拌制均匀，使用华创智造HC1007台式混凝土3D打印机进行打印。
表1 3D打印混凝土配合比
Tab.1 3D printing concrete mix ratio kg/m3
原料 raw material配合比 mix ratio普通硅酸盐水泥 ordinary portland cement567.8双快水泥 quick-setting cement62.9河砂 river sand708.9硅灰 silica fume71.4水 water224.4减水剂 water reducing agent6.8膨胀剂 swelling agent54.4
1.2 方法
1.2.1 试件制作 试件形状为长方体，尺寸为300 mm×300 mm×100 mm，试件成型方法分为3D打印直接成型和木质模板浇筑成型两种，其中，3D打印成型采用相同打印路径，打印机喷头口径分别选择20、10 mm两种。综上，根据成型方式和打印喷头不同分为3种试件，分别命名为3D-20组、3D-10组和PC组，每组设置3个试件(表2)。生物附着试验需要将试件投放到相应海域，为了防止试件被海流冲走，制作时需在试件顶面中部安装预埋件，以便于固定。制作好的试件如图1所示，由于喷头口径不同，3D-20组和3D-10组试件在侧面形成粗糙程度不同的两种效果，而PC组试件采用木模浇筑成型，喷头口径大小对试件表面粗糙度无影响。
表2 试件类型和编号
Tab.2 Type and serial number of test block
组别group编号No.打印喷头口径/mmnozzle diameter成型方式shaping method3D-203D-20-1、3D-20-2、3D-20-3203D打印3D-103D-10-1、3D-10-2、3D-10-3103D打印PCPC-1、PC-2、PC-3—浇筑
图1 3种表面不同粗糙度3D打印人工鱼礁混凝土试件
Fig.1 3D printed artificial reef concrete test blocks with three different surface roughness
1.2.2 试验海域和时间 于2020年9月1日，将3D打印人工鱼礁混凝土试件投放于辽宁省大连市黑石礁海域潮间带(38°51′N，121°32′E)。
1.2.3 试验设计与生物种类鉴别方法 将3组试件同时投入海域潮间带试验点，使各组试件均处于同一环境条件下，放入海中2个月、3个月和5个月时取样，取样日期分别为2020年11月1日、2021年2月1日和2021年7月1日，第1、2次取样后9个试件均放回原位。每一试件取两组样(表面一组，侧面一组)，每次9个试件共取18组样，3次取样总计54组样。因生物附着具有随机性，故每次取样将表面与侧面的附着生物全部取下，将样品保存在体积分数70%的乙醇中，分别编号后带回实验室进行分析鉴定。用吸水纸吸去生物表面海水，称量其湿质量，计算生物量。
采用 Nikon SMZ745T显微镜对附着生物种类进行鉴定，并进行计数和称重(精度为0.001 g)。附着生物种类的鉴定依据主要参考《中国北部海洋无脊椎动物》《黄渤海软体动物图志》《黄渤海常见底栖动物图谱》中的方法。
1.2.4 生物量与优势度指数的计算 附着生物量(ρ，g/m2)计算公式为
ρ=m/S。
(1)
其中： m为附着生物湿质量(g)；S为取样面积(m2)。
优势度指数(Y)计算公式为
Y=(Ni/N)×fi。
(2)
其中： Ni为第i种出现的个体数；N为采集样品中的所有种类总个体数；fi为第i种出现的频率。优势种由优势度指数Y确定，Y>0.02时为优势种。
1.3 数据处理
采用SPSS 17.0软件对试验结果进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，采用LSD法进行组间多重比较，显著性水平设为 0.05。
2 结果与分析
2.1 附着生物种类
在试件入海后60 d时进行第1次取样，肉眼可以观察到3D-20、3D-10、PC组试件表面均有少量生物附着，侧面附着生物较明显。样品中共有生物8种，均属于软体动物门，其中，多板纲1种、腹足纲7种；试件表面附着生物种类为5种，侧面附着种类为7种，试件侧面附着种类比表面略多；优势种为短滨螺Littorina brevicula、平厣螺Homalopoma sp.(表3)。
距离第1次取样90 d时进行第2次取样，3D-20、3D-10、PC组试件表面和侧面生物附着均较为明显，但附着种类较少。样品中共有生物4种，3种属于软体动物门，1种属于节肢动物门，其中腹足纲3种，软甲纲1种(表3)。由于附着生物种类较少，试件表面和侧边在附着生物种类方面差异不明显。与第1次取样相比，此次附着生物的种类发生了一定的变化，附着生物主要为短滨螺、平厣螺，仅在PC组试件表面发现少量细足寄居蟹 Pagurus gracilipes。
距离第2次取样150 d时进行第3次取样，3D-20、3D-10、PC组试件表面和侧面生物附着量较多，且附着种类也较多。样品中共有生物17种，16种属于软体动物门，1种属于节肢动物门，其中，多板纲1种，腹足纲15种，软甲纲1种；试件表面附着生物种类为8种，侧面附着种类为16种；第3次取样优势种较多，可达9种，除短滨螺外，还发现了较多的细足寄居蟹和朝鲜花冠小月螺Lunella coronata coreensis(表3)。与第2次取样相比，细足寄居蟹不仅出现在试件表面，在3D-20组试件侧面也大量存在。
表3 附着生物种类
Tab.3 Species of attached organisms
物种species2020-11-012021-02-012021-07-01试件表面surface试件侧面side face试件表面surface试件侧面side face试件表面surface试件侧面side face背小笠贝 Lottia dorsuosa++———+矮拟帽贝 Patelloida pygmaea+———++史氏背尖贝 Nipponacmea schrenckii—+——+—红条毛肤石鳖 Acanthochitona rubrolineata—+———+单一丽口螺 Calliostoma unicum++———+平厣螺 Homalopoma sp.++++++短滨螺 Littorina brevicula++++++织纹螺 Nassarius sp.—+—+—+圆锥拟帽贝 Patelloida conulus————++细足寄居蟹 Pagurus gracilipes——+—++花边拟帽贝Patelloida heroldi————++朝鲜花冠小月螺 Lunella coronata coreensis————++内饰角口螺 Ocenebra inornata—————+钝角口螺 Ceratostoma burnetti—————+纵带滩栖螺 Batillaria zonalis—————+伶鼬小球螺 Conotalopia mustelina—————+润泽角口螺 Ceratostoma rorifluum—————+
注：+表示检测出该生物种类; —表示未检测出该生物种类，下同。
Note: +, showing the detected biological species; —, the undetected biological species，et sequentia.
2.2 附着生物量
对第1次取样(2020-11-01)的附着生物量进行统计，结果显示：试件的附着生物总量(表面+侧面)，3D-20组最多(439.31 g/m2)，3D-10组次之(401.40 g/m2)，PC组最少(323.46 g/m2)，3D-20、3D-10组比PC组分别增加了35.8%和24.1%；表面附着生物量，3D-10组最多，3D-20、PC组数量大致相同，3D-10组生物量约是3D-20、PC组的2.3倍；侧面附着生物量，3D-20组最多，3D-10组次之，PC组最少，3D-20、3D-10组比PC组分别增加了38.2%和16.8%；表面与侧面相比较，3组试件的侧面附着生物量均大于表面，两者相差最大的是3D-20组，侧面附着生物量是表面的19.8倍；PC组相差最小，侧面附着生物量是表面的7.4倍(表4)。
表4 样品附着生物量
Tab.4 Attached biomass of samples g/m2
物种species2020-11-012021-02-012021-07-013D-203D-10PC3D-203D-10PC3D-203D-10PC表面sur-face侧面side face表面sur-face侧面side face表面sur-face侧面side face表面sur-face侧面side face表面sur-face侧面side face表面sur-face侧面side face表面sur-face侧面side face表面sur-face侧面side face表面sur-face侧面side face背小笠贝Lottia dorsuosa0.24————1.62———————0.04————矮拟帽贝Patelloida pygmaea2.76———————————3.65————7.46史氏背尖贝Nipponacmea schrenckii—————5.25——————0.90—0.90—14.41—红条毛肤石鳖Acanthochitona rubrolin-eata—26.81—————————————4.58——单一丽口螺Calliostoma unicum—1.89——0.820.62———————1.78—2.58—8.58平厣螺 Homalopoma sp.—206.4028.97168.2910.57150.79151.30376.1543.70205.0847.99175.49—8.1226.03———短滨螺Littorina brevicula18.86182.5319.50183.939.95142.85123.36138.8443.7798.0031.2142.5933.6780.4720.5841.1613.6443.10织纹螺Nassarius sp.———0.71—0.99———2.21———1.72—1.14—1.46圆锥拟帽贝Patelloida conulus————————————0.37————1.78细足寄居蟹Pagurus gracilipes——————————20.69—44.44173.9212.4218.3014.98—花边拟帽贝Patelloida heroldi————————————0.94——0.3821.345.86朝鲜花冠小月螺Lunella coronata coreensis————————————59.6176.21—73.62—62.83内饰角口螺Ocenebra inornata—————————————10.52————钝角口螺Ceratostoma burnetti—————————————16.23————纵带滩栖螺Batillaria zonalis—————————————27.76—3.77—6.18伶鼬小球螺Conotalopia mustelina—————————————12.41—10.26—1.62润泽角口螺Ceratostoma rorifluum—————————————8.82————合计 total21.68417.6348.47352.9321.34302.12274.66514.9987.47305.2999.89218.08143.5841859.93155.7964.37138.87
对第2次取样(2021-02-01)的附着生物量进行统计，结果显示：试件的附着生物总量(表面+侧面)，3D-20组最多(789.66 g/m2)，3D-10组与PC组数量相当(分别为392.77、317.97 g/m2)，3D-20组生物量是3D-10、PC组的2.0和2.5倍；表面附着生物量，3D-20组最多，且明显高于3D-10、PC组，3D-20组生物量是3D-10、PC组的3.1和2.7倍；侧面附着生物量，仍然是3D-20组最多，3D-10组次之，PC组最少，3D-20、3D-10组比PC组分别增加了136.1%和40.0%；表面与侧面相比较，3组试件的侧面附着生物量均大于表面，两者相差最大的是3D-10组，侧面附着生物量是表面的3.5倍，3D-20组相差最小，侧面附着生物量是表面的1.9倍。
对第3次取样(2021-07-01)的附着生物量进行统计，结果显示：试件的附着生物总量(表面+侧面)，3D-20组最多(561.58 g/m2)，3D-10组与PC组数量相当(分别为215.72、203.24 g/m2)，3D-20组生物量约是3D-10组、PC组的2.6倍；表面附着生物量，3D-20组最多，且明显高于3D-10、PC两组，3D-20组数量约是3D-10、PC组的2.4倍；侧面附着生物量，仍然是3D-20组最多，3D-10、PC组数量相当，3D-20组数量分别是3D-10、PC组的2.7倍；表面与侧面相比较，3组试件的侧面附着生物量均大于表面，但3组试件侧面与表面的相差幅度相当，两者的比值为2.1～2.9。
将3次取样结果进行直观比较可知，每次取样，3D-20组的附着生物总量均为最多，3D-10组次之，PC组最少；对于3D-20组试件而言，第2次取样的附着生物量最多，第3次取样数量次之，第1次取样数量最少；而3D-10组、PC组试件均为前两次取样数量较多，第3次取样数量最少(图2)。
图2 3组试件各次取样的生物附着量比较
Fig.2 Comparison of biological attachment biomass in samples in three groups
单因素方差分析显示，3种不同粗糙程度试件间的平均生物量有显著性差异(P<0.05)，之后采用LSD法进行组间多重比较，结果显示，3D-20组与3D-10、PC组间有显著性差异(P<0.05)，3D-10组与PC组间无显著性差异(P>0.05)。
2.3 附着生物优势种
受季节及洋流等因素的影响，附着生物优势种经历了演替的过程。从表5可见：第1次取样，短滨螺、平厣螺的优势度指数均大于0.02，这两种附着生物物种为优势种，其中短滨螺的优势度指数最大；第2次取样，优势度指数大于0.02的物种仍然为短滨螺、平厣螺，优势种没有发生变化，其中平厣螺的优势度指数最大；第3次取样，优势度指数大于0.02的物种为矮拟帽贝、史氏背尖贝、单一丽口螺、短滨螺、细足寄居蟹、花边拟帽贝、朝鲜花冠小月螺、纵带滩栖螺和伶鼬小球螺，这些物种均为优势种，其中优势度指数最大的为细足寄居蟹。3次取样，试件上均出现了短滨螺、平厣螺和织纹螺，而对于每一次取样，短滨螺均为优势种。
表5 优势种及优势度
Tab.5 Dominant species and dominance
物种species优势度 dominance (Y)2020-11-012021-02-012021-07-01背小笠贝 Lottia dorsuosa0.006 3—0.006 1矮拟帽贝 Patelloida pygmaea0.003 1—0.030 0史氏背尖贝 Nipponacmea schrenckii0.003 1—0.030 0红条毛肤石鳖Acanthochitona rubrolineata0.009 4—0.006 1单一丽口螺 Calliostoma unicum0.018 8—0.079 0平厣螺 Homalopoma sp.0.291 50.565 50.018 1短滨螺 Littorina brevicula0.536 10.421 70.218 1织纹螺 Nassarius sp.0.003 10.003 20.006 1圆锥拟帽贝 Patelloida conulus——0.012 1细足寄居蟹 Pagurus gracilipes—0.009 60.357 6花边拟帽贝 Patelloida heroldi——0.036 4朝鲜花冠小月螺 Lunella coronata coreensis——0.042 4内饰角口螺 Ocenebra inornata——0.006 1钝角口螺 Ceratostoma burnetti——0.006 1纵带滩栖螺 Batillaria zonalis——0.036 4伶鼬小球螺 Conotalopia mustel-ina——0.084 8润泽角口螺 Ceratostoma roriflu-um——0.006 1
3 讨论
3.1 喷头尺寸对生物附着的影响
人工鱼礁表面附着生物的变化是影响鱼礁诱鱼效果的重要因素之一，人工鱼礁混凝土表面粗糙程度会影响生物附着的种类和数量。Vivier等[21]研究表明，高粗糙度的人工鱼礁混凝土具有较好的附着性，高粗糙度有利于增加附着表面积，从而增加生物附着量。本研究中，对两种不同口径喷头打印的3D打印人工鱼礁混凝土与普通浇筑混凝土3种试件表面不同粗糙程度进行试验研究，结果表明，采用20 cm喷头打印的人工鱼礁混凝土所形成的粗糙度附着效果要优于其他两种方式，但10 cm喷头打印所形成的粗糙度与浇筑混凝土形成平滑面相差不大。同时，对试件表面和侧面进行比较，侧面的生物附着种类和生物量远大于表面，因为侧面相较于表面有更高的粗糙度。从生物附着机理角度分析，不同宽度的打印喷头会在试件表面和侧面造成不同深度和角度的凹槽，对于大尺寸打印喷头，形成凹槽的深度较大、凹槽周边倾斜角度较小，相较小尺寸喷头更便于生物附着，这也是造成大尺寸打印喷头与小尺寸打印喷头、浇筑成型试件间生物附着量差异较大的原因。此外，从水动力特性的角度分析，大尺寸打印喷头造成的粗糙程度较小尺寸喷头更容易在试件表面形成涡流，以往对于鱼礁的水动力特性分析更注重整个鱼礁结构的流场分析，而礁体表面粗糙度对流场的影响目前也逐渐引起学者的重视[22-23]。
3.2 季节对生物附着的影响
本试验周期为10个月，共采样3次，最后一次在夏季所采集的样品种类最多，原因可能是，一方面随着温度的升高生物的种类增多，另一方面是试件放置于海中的时间较长。采集的样品中，软体动物数量占比最多，这与李轶平等[24]对辽东湾潮间带底栖动物的研究结果一致。软体动物腹足纲的种类最多，这是因为腹足可以使它们更好地附着在鱼礁块上。本研究中试件放置于潮间带，受一定的人为因素影响和潮汐影响，此结果还有待补充，今后将对3D打印人工鱼礁混凝土试件进行投放深度对附着生物效果影响的研究。
3.3 定制化鱼礁3D打印建造技术前景分析
3D打印混凝土作为人工鱼礁材料具有实用性，水泥基材料3D打印技术在海洋牧场建造领域大有可为。本研究结果对于3D打印人工鱼礁的结构设计及建造工艺具有一定的启示意义，如建造时采用的喷头不宜过小；区别于传统的框架式混凝土人工鱼礁结构，可以研发曲面侧壁式人工鱼礁结构，一方面便于引导流场，另一方面也能发挥3D打印混凝土构件侧面生物附着性好的特点。
经济性分析方面，笔者以大连市某海洋牧场示范区人工鱼礁一期投放工程为例，预制鲍鱼礁1万块，规格为2.2 m×1.0 m×1.8 m，模拟制定3D打印施工方案，并与真实的传统施工方式进行经济性对比分析。根据《水运工程工程量清单计价规范》(JTS/T271—2020)进行项目划分和编制，定额指标套用《沿海港口水工建筑工程定额》(JTS/T276—2019)。经过初步测算，总成本方面，传统方式较3D打印建造的成本高出21.37%；将总成本与总工程量的比值定义为生产率指标，则3D打印方式每单位工程数量的成本为825.28元，较传统方式的1 049.52元减少了224.28元，生产率明显提升。工期方面，3D打印建造方式因为省去了模板工程，工期较传统施工方式缩短了26%左右。此外，两种建造方式在成本结构方面差异较大，传统建造方式中，人工费用占总费用的16.72%，而3D打印方式的人工费用仅为8.45%，但是机械费用由传统方式的15.57%上涨到24.72%。2020年至今，新冠疫情防控要求各施工单位应尽量避免大量施工人员密集施工，3D打印建造技术为解决这一问题提供了良好的思路。
水泥基材料3D打印技术在人工鱼礁领域的应用，是海洋渔业与装备制造业的融合。除了3D打印混凝土鱼礁材料外，还需要研发混、搅、挤功能一体化的3D 打印喷头及集成化建筑3D 打印设备，根据流场分析及集鱼机理，设计适用于3D 打印技术的新型定制化礁型结构。通过匹配鱼礁材料性能与打印工艺参数，实现3D打印混凝土人工鱼礁的宏微观形性调控。同时从场地布置、材料制备、设备调试、人员组织、造价管理等方面开展3D 打印人工鱼礁建造技术研究，进而实现工程应用。
4 结论
1)试件成型方式对附着生物种类的影响不大，对附着生物量具有一定的影响。喷头口径会造成试件表面不同的粗糙度，进而会影响附着生物量，大口径喷头在附着生物量方面要优于小口径喷头。
2)试件侧面附着生物量及附着生物种类均高于试件表面，可见3D打印成型方式造成的鱼礁侧壁不平整有利于生物附着。
3)3D打印混凝土作为人工鱼礁材料具有实用性，3D打印建造方式将综合影响人工鱼礁新礁型的设计和定制化人工鱼礁的发展。
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