概述：3D打印混凝土技術(shù)在澳大利亞的最近研究進展

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,。混凝土打印技術(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)的最新研究進展進行了介紹,，并討論了3D打印混凝土技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和機遇,。

01打印設(shè)備

RMIT大學(xué)現(xiàn)在使用的混凝土打印機有兩種。第一種是高度為1.7 m的中型打印機,，這種打印機有兩個旋轉(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,。第二種是機器人打印機，機械臂旋轉(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�,。自動機器人式打印機的一個優(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）,。這種打印機與一個致動器相連,，在鋁框架中進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。擠出機底部連同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)的大型機器人式打印機

02 近期研究進展

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軸方向的抗彎強度（圖2（b））,、應(yīng)變強化，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度的增強效果比摻加PVA纖維的更好,。該研究團隊還將仿生學(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)研究團隊的側(cè)重點主要是3D打印纖維增強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地聚物混凝土抗彎強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可以有效提高抗彎強度。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)變強化,。

Bong等研究了如何優(yōu)化室溫養(yǎng)護下的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)與機遇

盡管當前針對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撲優(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)力主要通過抗拉強度和抗剪強度進行表征。當前大部分研究集中于抗拉強度,，對于抗剪強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遇：

(1)微觀表征技術(shù)的應(yīng)用：當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,。考慮到打印結(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)的耐久性進行細致研究,，通過對3D打印混凝土的耐久性進行量化評估，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,。