概述：3D打印混凝土技术在澳大利亚的最近研究进展

来源：硅酸盐通报

背景介绍

近年来，3D打印混凝土技术成为了传统建筑行业的一种新兴建造方式。与传统混凝土浇筑方式相比，3D打印混凝土的应用为复杂几何形状建筑结构的制造提供了可能，同时最大程度减少了建筑模板的使用和对人工劳动力的依赖。混凝土打印技术通过从可移动喷嘴中挤出新拌胶凝材料，并通过逐层累积叠加来实现打印。为了实现胶凝材料的顺利挤出而不产生堵塞，新拌混凝土的流变性需要通过添加减水剂和粘度改性剂等不同化学添加剂来进行调整。对硬化状态的3D打印混凝土，其力学性能与荷载的施加方向有关，这种特性也被称为力学各向异性。层与层之间细条状混凝土的粘合力较弱，导致3D打印混凝土的力学各向异性，这也是其主要的不足之处。

全球关于3D打印混凝土的科研工作和相关论文发表主要集中在2015年之后，来自澳大利亚大学的研究进展也在近几年获得了更多的关注。本文主要对澳大利亚两所在3D打印混凝土研究方面较为活跃的大学——皇家墨尔本理工大学（RMIT）和斯威本科技大学的最新研究进展进行了介绍，并讨论了3D打印混凝土技术面临的挑战和机遇。

01打印设备

RMIT大学现在使用的混凝土打印机有两种。第一种是高度为1.7 m的中型打印机，这种打印机有两个旋转轴，分别位于底座支架处和支撑臂处。新拌混凝土先被放置于长管容器中，随后在转轴驱动下被移动的活塞挤出。第二种是机器人打印机，机械臂旋转半径3.2 m，同时具有6轴旋转的特点（图1）。混凝土搅拌过程是用一种分离式材料搅拌系统实现的：拌和良好的胶凝材料通过高能泵，经过软管传输到喷嘴处。自动机器人式打印机的一个优势是其自带的履带牵引装置使其移动性更好，可以保证在实验室环境外的现场打印。

斯威本科技大学则主要采用了轨道横梁系统进行混凝土打印，其有效打印空间为1.8 m（长）×1.6 m（宽）×1.8 m（高）。这种打印机与一个致动器相连，在铝框架中进行三轴线性移动的致动器则通过电脑来控制。致动器上安装了螺旋钻式挤出机。挤出机底部连同30 mm直径的喷嘴呈倒圆锥形。通过喷嘴的挤出速率主要受螺旋钻旋转速率控制。

图1 RMIT大学的大型机器人式打印机

02 近期研究进展

2.1 RMIT大学近期研究

RMIT工程学院JonathanTran博士牵头开展的研究工作侧重于纤维增强混凝土的增材制造。Pham等研究了不同尺寸和体积掺量的钢纤维对3D打印混凝土力学性能的影响，在0.25%~0.50%的体积掺量下，3 mm或6 mm的钢纤维对Z轴方向（图2（a））的抗弯强度影响均不大。但在0.75%~1.00%的体积掺量下，6 mm的钢纤维可大幅度提高Z轴方向的抗弯强度（图2（b））、应变强化，降低脆性断裂可能性。随着纤维含量的增加，混凝土的孔隙率逐渐增加。在相同纤维掺量条件下，打印混凝土的孔隙率比传统浇筑的混凝土小（图2（c））。

另外有研究比较了两种有机纤维（PVA纤维和PP纤维）的不同体积掺量对3D打印混凝土的影响，不同掺量的两种纤维对Z轴和X轴方向抗弯强度的提高效果有限（图2（d）、（e））。在相同纤维掺量的条件下，掺加PP纤维的混凝土在两个方向上抗弯强度的增强效果比掺加PVA纤维的更好。该研究团队还将仿生学理念引入到对3D打印混凝土力学性能的研究中，在龙虾角质层中发现的螺旋结构启发下，研究了不同打印样式对抗弯强度的影响。与单一方向的打印样式相比，变换层与层之间的相对打印角度可提高Z轴方向的抗弯强度；在螺旋角为10°~30°的情况下，打印出的试样中出现了裂缝偏转和扭曲现象。这些结果证明可以将仿生学引入3D打印混凝土中以提高其各项性能。

图2 (a)混凝土3D打印空间下的方向定义；(b)钢纤维不同体积掺量对Z方向抗弯强度的影响；(c)6mm钢纤维不同体积掺量对3D打印混凝土内部孔隙率的影响；不同体积掺量的PVA纤维和PP纤维对抗弯强度的影响：(d)沿Z方向，(e)沿X方向

2.2 斯威本科技大学近期研究

斯威本科技大学研究团队的侧重点主要是3D打印纤维增强地聚物混凝土的制备和性能。相较于传统以硅酸盐水泥为胶凝材料的混凝土，地聚物胶凝材料由于其特殊的流变学特性而被认为更适合应用于挤出式3D打印混凝土中。Al-Qutaifi等研究了打印间隔时间对纤维增强地聚物混凝土抗弯强度和层间粘合力的影响。由减少时间间隔所导致的层间粘聚力的增强可以有效提高抗弯强度。Nematollahi等研究了不同PP纤维体积掺量对新拌和硬化后3D打印地聚物混凝土的作用，增加PP纤维的掺量可能会对层间粘合力产生一定负面影响，但同时可以使打印出的条状材料更好地保持形状。当纤维体积掺量增加到0.75%~1.00%时，3D打印地聚物混凝土出现应变强化。

Bong等研究了如何优化室温养护下的3D打印地聚物材料，包括不同种类的氢氧根碱性激发剂（HS）和硅酸根碱性激发剂（SS），以及二者的质量比在内的多种因素均可影响打印地聚物胶凝材料的新拌和硬化性能。激发剂以Na+为主时比以K+为主时制备的胶凝材料工作性更好；在相同SS/HS比例下，模数为3.22（SiO2/Na2O）的硅酸钠溶液制备的试样形状保持性比对应模数为2.00的更好；无论SS种类或SS/HS比例如何，激发剂以Na+为主时制备的地聚物具有更高的抗压强度。综上，可以通过控制激发剂种类和掺量的方式来提高3D打印地聚物混凝土的性能。

挑战与机遇

尽管当前针对3D打印混凝土的研究层出不穷，但相关领域仍然存在许多挑战和技术问题：

(1)除了添加纤维以外，在如何与混凝土挤出流程中同步实现增韧强化方面需要更多的研究。

(2)尽管3D打印混凝土相较于传统混凝土浇筑方式可以适应复杂设计和自由式建筑，但优化、可持续性和有效减重等真正内涵并未得到充分探索。在3D打印混凝土的数值模拟阶段可引入拓扑优化方法用于优化打印出的结构，但将此方法直接应用于混凝土的结构设计有一定困难。

(3)3D打印混凝土不同层之间的粘结力主要通过抗拉强度和抗剪强度进行表征。当前大部分研究集中于抗拉强度，对于抗剪强度的研究还相对不足。

(4)关于3D打印混凝土对环境的影响和经济性评价还不够。与传统意义上的混凝土结构相比，其全寿命周期评估等相关研究十分有限。

此外，3D打印混凝土技术的迅猛发展也带来了新的研究方向与机遇：

(1)微观表征技术的应用：当前研究重点仍旧偏向于宏观力学性能分析，而对微观尺度的研究能为宏观性能提供具体材料层面的理论支持，也将会进一步加深和完善对于3D打印混凝土力学性能的理解。

(2)打印材料的耐久性：对挤出型3D打印混凝土的研究重点为流变性、可建造性、力学性能的各向异性以及层间粘结性。考虑到打印结构与建筑本身的服役时限和环境，有必要对材料结构的耐久性进行细致研究，通过对3D打印混凝土的耐久性进行量化评估，以便比较不同3D打印混凝土的耐久性，可最终实现3D打印混凝土耐久性的预测和提升。