中国建筑材料科学研究总院：混凝土3D打印如何满足消费者新需求

来源：中国建材报

随着人们低碳环保意识的逐渐加强，消费者对个性化、绿色化的需求越来越高。3D打印被视为引领新一轮科技革命和产业变革的核心技术之一，对提高制造业生产线的柔性化程度，以更低成本生产绿色产品，推动制造业生产方式由大规模生产向个性化定制转变优势明显。

然而，在实现满足消费者新要求的过程中，如何更好地发挥混凝土3D打印的优势？面临哪些挑战？下一步的发展方向是什么？近日，中国建筑材料科学研究总院混凝土科学与工程研究所副所长王振地在接受中国建材报的采访时分享了相关看法。

▲ 混凝土3D打印雕塑《对话》

© 中国建筑材料科学研究总院

问：目前，混凝土3D打印在我国的发展状况如何？与国外相比存在哪些差距？

王振地：混凝土3D打印自20世纪提出以来，在过去10年取得了快速发展，尤其是国内的进展非常喜人。在学术界出现了一大批研究人员投身于混凝土3D打印的研究，目前国内在混凝土3D打印材料研制、建造性评价、界面结合及结构自动化配筋等方面均有突破性进展，并实现了大型桥梁、房屋、城市园林雕塑、应急设施的3D打印和示范应用；在工业界涌现了一批新兴的企业，从事混凝土3D打印的生产和应用，相关打印产品远销多个国家和地区，起到了积极的示范作用。整体上我国与国外属于并跑状态。最近5年我国在混凝土3D打印方向的研发投入呈几何级数增加。可以预见，未来5年还将继续增加。

但我们也应该看到差距，国内混凝土3D打印基本上以挤出工艺为主，对于粉末床打印工艺和其他打印工艺的研究很少有报道，打印工艺相对单一，没有形成工艺上的百花齐放。而国外在智能动态模板浇筑和粉末床打印工艺方面已经实现了多项实际应用。另外，原创研究少，跟踪研究多，有组织、公益性质的系统研究少都是当前存在的差距。

问：面对近年来消费者提出的新需求，混凝土3D打印都取得了哪些突破性进展？在个性化和绿色化发展方面3D打印的优势是什么？

▲为流浪动物制作的3D打印建筑小品《喵坞》

© 中国建筑材料科学研究总院

王振地：近年来，在认知层面，混凝土3D打印的神秘感正逐步褪去，这与技术的进步和推广是分不开的。

在技术层面，混凝土3D打印材料逐渐丰富。混凝土3D打印技术的应用和发展，材料是关键。材料的好坏关系到可打印性，力学性能、收缩和长期服役性能。目前，国内有利用硅酸盐水泥基打印材料、硫铝酸盐水泥基打印材料、地聚合物打印材料、石膏基打印材料等不同材料体系的成功打印案例。打印材料的多寡极大程度决定了3D打印技术的应用范围。现有的3D打印材料基本上满足了建材和建筑领域的绝大部分需求。

3D打印在标准化方面也取得了突破，行业和协会团体标准的立项数量正逐步增加，为3D打印混凝土材料和结构性能的评价提供了很好的基础，在这一方向上我国比国外稍稍领先。

我国在自动化配筋领域取得重要进展。不同于国外的层间横向配筋技术，我国的科研院所、高等院校和工程局等机构先后在层间纵向配筋方面取得突破，实现了层间纵向自动配筋，显著增强了混凝土3D打印的抗拉伸和抗剪切能力。

还有很重要的一点，在我国出现了诸如房屋建筑、桥梁、风景园林、市政雕塑、应急设施等大量的应用示范工程，证明了混凝土3D打印的能力和优点，推动了混凝土3D打印行业的整体进步。

随着3D打印技术的逐渐推广与应用，其优势也得到业内外广泛认可。3D打印也被称为“绿色铸造”“柔性铸造”技术，不仅能够实现无模成型，还具有高精度、高细节度、绿色环保的优势，已经成为助力铸造产业转型升级的重要科技力量。

问：您在混凝土3D打印领域从业多年，见证了行业的发展。在这个领域您主要做了哪些工作？这些工作对行业发展起到了怎样的推动作用？

王振地：中国建筑材料科学研究总院是国内较早开展混凝土3D打印研究工作的单位之一。近年来，团队主要在混凝土3D打印的一些基础性工作方面展开了研究。一是研制了满足建造性要求的3D打印水泥基材料，建立了混凝土可打印范围，给出了3D打印水泥基材料的设计和组成调控原则，建立了基于贯入阻力的现场可打印性评价方法，指导可打印水泥基材料的组成设计，以避免相关企事业单位开展重复研究。

二是针对传统直拉和三点弯曲方法评价打印混凝土界面结合强度评价存在的难题，提出了改进型“十字交叉法”，使施加的压应力在界面处变为拉应力，解决了3D打印混凝土界面结合强度评价难题，并被制定为建材行业标准，为行业的发展作出了公益性贡献。

三是在国内外率先开发出层间长程连续纵向配筋技术，经配筋验证，抗弯拉承载力获得突破性提高，该技术集成了订书针式、射钉式和垂直插筋式自动配筋工艺，有助于提高混凝土3D打印的整体性和实用性，为混凝土3D打印自动配筋的国际难题提供了中国解决方案。

四是在国际化方面，担任RILEM TC-276 DFC（水泥基材料数字化制造），RILEM TC-ADC（3D打印混凝土材料与性能评价），RILEM TC-PFC（3D打印混凝土新拌浆体的性能要求与测试）等技术委员会委员，及时将中国混凝土3D打印的技术进步和重大进展在国际上宣传。

五是作为特邀主编组稿出版《水泥基材料3D打印》专刊一辑，征集了国内外从事混凝土3D打印研究的著名学者的工作，组稿内容涵盖了3D打印水泥基材料设计、可打印材料探索、流变性与建造性、力学性能表征与评价、应用场景与工程应用案例等前沿研究方向的最新研究进展，并深入讨论了阻碍水泥基材料3D打印技术发展的科学问题和技术难题，凝聚了国内杰出科研工作者的心血，对行业具有很高的学术参考价值和工程指导意义。

六是目前正在主编三部建材行业标准《3D打印水泥基材料术语》《3D打印水泥基材料界面结合强度评价方法》和《3D打印水泥基材料收缩性能试验方法》。主要是当前行业缺乏相应的标准规范，限制了混凝土3D打印的应用和发展，这也是目前比较迫切需要解决的问题之一，也希望更多的专家和学者能够参与这一公益性事业，多为行业作贡献。

问：您认为，在满足消费者新需求方面，目前行业主要存在哪些亟待解决的问题？这些问题对行业发展产生了怎样的影响？

王振地： 目前最主要的问题是缺乏恰当的应用场景，应用需求不足，导致产业化进展缓慢。一方面是混凝土3D打印的成本和技术成熟度的问题，整体上3D打印混凝土的成本不占优势，且配筋技术还不够成熟，应用端的需求动力不足。另一方面，混凝土3D打印缺乏必要的设计标准，在设计端没有案例或标准规范可以参考，只能在一些非标类的示范性工程上进行应用。

此外，在技术层面，目前自动化配筋还需要继续进行科研投入，没有配筋的混凝土3D打印不符合结构设计规范，也难以让普通大众接受。

问：在如何实现混凝土3D打印高质量发展，有效满足消费者新需求方面，您有哪些具体的建议和意见？

王振地：一是加大国家科技层面的政策支持。金属增材制造领域国家已经有重大专项支持，混凝土3D打印作为增材制造领域一个分支，目前尚未有专项科技投入，“十三五”期间仅在其他专项内进行了散点状的研发投入，国家科技层面未列入专项支持。建议行业协会进行积极呼吁，统筹国家科技部重点研发计划，国家自然科学基金委和新材料重大专项，对3D打印混凝土材料基础研究，关键技术集成和工程应用进行全链条设计和投入，从国家层面推动混凝土3D打印技术的快速发展。

二是加快混凝土3D打印人才队伍建设，积极培育原创核心技术。由于混凝土3D打印属于交叉学科，既需要懂材料学和机械自动化，又需要有良好的计算机背景，目前这种复合型人才还比较缺乏。在教育层面，应在高等院校内开设3D打印课程或专业，培养各类创新型3D打印人才，为学术界和工业界的快速发展提供基本人才保障；在科技层面，应加快培育一批高素质科技创新团队，形成支撑我国混凝土3D打印领域发展的中坚力量，满足当前和未来一段时间我国混凝土3D打印行业的发展需求。

三是逐步完善混凝土3D打印的标准评价体系。加快标准体系建设，满足设计、施工、验收、实验室测试和评价等不同阶段对技术标准的需求，扫除混凝土3D打印产业发展的障碍，以促进我国混凝土3D打印技术的快速发展和进步。四是积极引导混凝土3D打印的应用端需求，从应用需求端推动发展。着手规划混凝土3D打印产业的发展方向，重视3D打印的技术研发和基础研究工作，支持引导配套性的混凝土3D打印应用需求，给予政策和税收优惠，鼓励大型企业和施工单位成为拉动混凝土3D打印技术发展的主体，从应用端创造有经济和技术效益的实际需求，可以大幅度提升混凝土3D打印产业的发展水平。