概述：3D打印混凝土技術(shù)在澳大利亞的最近研究進(jìn)展

來源：硅酸鹽通報

背景介紹

近年來，3D打印混凝土技術(shù)成為了傳統(tǒng)建筑行業(yè)的一種新興建造方式。與傳統(tǒng)混凝土澆筑方式相比，3D打印混凝土的應(yīng)用為復(fù)雜幾何形狀建筑結(jié)構(gòu)的制造提供了可能，同時最大程度減少了建筑模板的使用和對人工勞動力的依賴�；炷�土打印技術(shù)通過從可移動噴嘴中擠出新拌膠凝材料，并通過逐層累積疊加來實現(xiàn)打印。為了實現(xiàn)膠凝材料的順利擠出而不產(chǎn)生堵塞，新拌混凝土的流變性需要通過添加減水劑和粘度改性劑等不同化學(xué)添加劑來進(jìn)行調(diào)整。對硬化狀態(tài)的3D打印混凝土，其力學(xué)性能與荷載的施加方向有關(guān)，這種特性也被稱為力學(xué)各向異性。層與層之間細(xì)條狀混凝土的粘合力較弱，導(dǎo)致3D打印混凝土的力學(xué)各向異性，這也是其主要的不足之處。

全球關(guān)于3D打印混凝土的科研工作和相關(guān)論文發(fā)表主要集中在2015年之后，來自澳大利亞大學(xué)的研究進(jìn)展也在近幾年獲得了更多的關(guān)注。本文主要對澳大利亞兩所在3D打印混凝土研究方面較為活躍的大學(xué)——皇家墨爾本理工大學(xué)（RMIT）和斯威本科技大學(xué)的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹，并討論了3D打印混凝土技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

01打印設(shè)備

RMIT大學(xué)現(xiàn)在使用的混凝土打印機(jī)有兩種。第一種是高度為1.7 m的中型打印機(jī)，這種打印機(jī)有兩個旋轉(zhuǎn)軸，分別位于底座支架處和支撐臂處。新拌混凝土先被放置于長管容器中，隨后在轉(zhuǎn)軸驅(qū)動下被移動的活塞擠出。第二種是機(jī)器人打印機(jī)，機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)半徑3.2 m，同時具有6軸旋轉(zhuǎn)的特點（圖1）。混凝土攪拌過程是用一種分離式材料攪拌系統(tǒng)實現(xiàn)的：拌和良好的膠凝材料通過高能泵，經(jīng)過軟管傳輸?shù)絿娮焯�。自動機(jī)器人式打印機(jī)的一個優(yōu)勢是其自帶的履帶牽引裝置使其移動性更好，可以保證在實驗室環(huán)境外的現(xiàn)場打印。

斯威本科技大學(xué)則主要采用了軌道橫梁系統(tǒng)進(jìn)行混凝土打印，其有效打印空間為1.8 m（長）×1.6 m（寬）×1.8 m（高）。這種打印機(jī)與一個致動器相連，在鋁框架中進(jìn)行三軸線性移動的致動器則通過電腦來控制。致動器上安裝了螺旋鉆式擠出機(jī)。擠出機(jī)底部連同30 mm直徑的噴嘴呈倒圓錐形。通過噴嘴的擠出速率主要受螺旋鉆旋轉(zhuǎn)速率控制。

圖1 RMIT大學(xué)的大型機(jī)器人式打印機(jī)

02 近期研究進(jìn)展

2.1 RMIT大學(xué)近期研究

RMIT工程學(xué)院JonathanTran博士牽頭開展的研究工作側(cè)重于纖維增強(qiáng)混凝土的增材制造。Pham等研究了不同尺寸和體積摻量的鋼纖維對3D打印混凝土力學(xué)性能的影響，在0.25%~0.50%的體積摻量下，3 mm或6 mm的鋼纖維對Z軸方向（圖2（a））的抗彎強(qiáng)度影響均不大。但在0.75%~1.00%的體積摻量下，6 mm的鋼纖維可大幅度提高Z軸方向的抗彎強(qiáng)度（圖2（b））、應(yīng)變強(qiáng)化，降低脆性斷裂可能性。隨著纖維含量的增加，混凝土的孔隙率逐漸增加。在相同纖維摻量條件下，打印混凝土的孔隙率比傳統(tǒng)澆筑的混凝土�。▓D2（c））。

另外有研究比較了兩種有機(jī)纖維（PVA纖維和PP纖維）的不同體積摻量對3D打印混凝土的影響，不同摻量的兩種纖維對Z軸和X軸方向抗彎強(qiáng)度的提高效果有限（圖2（d）、（e））。在相同纖維摻量的條件下，摻加PP纖維的混凝土在兩個方向上抗彎強(qiáng)度的增強(qiáng)效果比摻加PVA纖維的更好。該研究團(tuán)隊還將仿生學(xué)理念引入到對3D打印混凝土力學(xué)性能的研究中，在龍蝦角質(zhì)層中發(fā)現(xiàn)的螺旋結(jié)構(gòu)啟發(fā)下，研究了不同打印樣式對抗彎強(qiáng)度的影響。與單一方向的打印樣式相比，變換層與層之間的相對打印角度可提高Z軸方向的抗彎強(qiáng)度；在螺旋角為10°~30°的情況下，打印出的試樣中出現(xiàn)了裂縫偏轉(zhuǎn)和扭曲現(xiàn)象。這些結(jié)果證明可以將仿生學(xué)引入3D打印混凝土中以提高其各項性能。

圖2 (a)混凝土3D打印空間下的方向定義；(b)鋼纖維不同體積摻量對Z方向抗彎強(qiáng)度的影響；(c)6mm鋼纖維不同體積摻量對3D打印混凝土內(nèi)部孔隙率的影響；不同體積摻量的PVA纖維和PP纖維對抗彎強(qiáng)度的影響：(d)沿Z方向，(e)沿X方向

2.2 斯威本科技大學(xué)近期研究

斯威本科技大學(xué)研究團(tuán)隊的側(cè)重點主要是3D打印纖維增強(qiáng)地聚物混凝土的制備和性能。相較于傳統(tǒng)以硅酸鹽水泥為膠凝材料的混凝土，地聚物膠凝材料由于其特殊的流變學(xué)特性而被認(rèn)為更適合應(yīng)用于擠出式3D打印混凝土中。Al-Qutaifi等研究了打印間隔時間對纖維增強(qiáng)地聚物混凝土抗彎強(qiáng)度和層間粘合力的影響。由減少時間間隔所導(dǎo)致的層間粘聚力的增強(qiáng)可以有效提高抗彎強(qiáng)度。Nematollahi等研究了不同PP纖維體積摻量對新拌和硬化后3D打印地聚物混凝土的作用，增加PP纖維的摻量可能會對層間粘合力產(chǎn)生一定負(fù)面影響，但同時可以使打印出的條狀材料更好地保持形狀。當(dāng)纖維體積摻量增加到0.75%~1.00%時，3D打印地聚物混凝土出現(xiàn)應(yīng)變強(qiáng)化。

Bong等研究了如何優(yōu)化室溫養(yǎng)護(hù)下的3D打印地聚物材料，包括不同種類的氫氧根堿性激發(fā)劑（HS）和硅酸根堿性激發(fā)劑（SS），以及二者的質(zhì)量比在內(nèi)的多種因素均可影響打印地聚物膠凝材料的新拌和硬化性能。激發(fā)劑以Na+為主時比以K+為主時制備的膠凝材料工作性更好；在相同SS/HS比例下，模數(shù)為3.22（SiO2/Na2O）的硅酸鈉溶液制備的試樣形狀保持性比對應(yīng)模數(shù)為2.00的更好；無論SS種類或SS/HS比例如何，激發(fā)劑以Na+為主時制備的地聚物具有更高的抗壓強(qiáng)度。綜上，可以通過控制激發(fā)劑種類和摻量的方式來提高3D打印地聚物混凝土的性能。

挑戰(zhàn)與機(jī)遇

盡管當(dāng)前針對3D打印混凝土的研究層出不窮，但相關(guān)領(lǐng)域仍然存在許多挑戰(zhàn)和技術(shù)問題：

(1)除了添加纖維以外，在如何與混凝土擠出流程中同步實現(xiàn)增韌強(qiáng)化方面需要更多的研究。

(2)盡管3D打印混凝土相較于傳統(tǒng)混凝土澆筑方式可以適應(yīng)復(fù)雜設(shè)計和自由式建筑，但優(yōu)化、可持續(xù)性和有效減重等真正內(nèi)涵并未得到充分探索。在3D打印混凝土的數(shù)值模擬階段可引入拓?fù)鋬?yōu)化方法用于優(yōu)化打印出的結(jié)構(gòu)，但將此方法直接應(yīng)用于混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計有一定困難。

(3)3D打印混凝土不同層之間的粘結(jié)力主要通過抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度進(jìn)行表征。當(dāng)前大部分研究集中于抗拉強(qiáng)度，對于抗剪強(qiáng)度的研究還相對不足。

(4)關(guān)于3D打印混凝土對環(huán)境的影響和經(jīng)濟(jì)性評價還不夠。與傳統(tǒng)意義上的混凝土結(jié)構(gòu)相比，其全壽命周期評估等相關(guān)研究十分有限。

此外，3D打印混凝土技術(shù)的迅猛發(fā)展也帶來了新的研究方向與機(jī)遇：

(1)微觀表征技術(shù)的應(yīng)用：當(dāng)前研究重點仍舊偏向于宏觀力學(xué)性能分析，而對微觀尺度的研究能為宏觀性能提供具體材料層面的理論支持，也將會進(jìn)一步加深和完善對于3D打印混凝土力學(xué)性能的理解。

(2)打印材料的耐久性：對擠出型3D打印混凝土的研究重點為流變性、可建造性、力學(xué)性能的各向異性以及層間粘結(jié)性�？紤]到打印結(jié)構(gòu)與建筑本身的服役時限和環(huán)境，有必要對材料結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行細(xì)致研究，通過對3D打印混凝土的耐久性進(jìn)行量化評估，以便比較不同3D打印混凝土的耐久性，可最終實現(xiàn)3D打印混凝土耐久性的預(yù)測和提升。