剑桥研究人员 3D 打印智能混凝土端墙，实现墙体结构建造过程的数字孪生

基础设施正在成为混凝土 3D 打印的一个关键发展领域。2023年7月19日，南极熊获悉，剑桥研究人员与 Versarien 等行业和专业公司合作，帮助开发了第一座用于国家高速公路项目的 3D打印混凝土基础设施。这种3D 打印结构（一种被称为端墙的挡土墙）已安装在康沃尔郡的 A30 高速公路上，由于嵌入其结构中的剑桥设计的传感器，它可以提供实时信息。这些传感器提供最新的测量结果，包括温度、应变和压力。墙壁的数字孪生可以帮助在故障发生之前发现并纠正故障。

端墙结构通常由预制混凝土制成有限的形状，需要模板和大量的钢筋。但通过使用 3D 打印，该团队（包括来自 Costain、Jacobs 和Versarien 的专家）可以设计和建造无需模板和钢筋的弯曲空心墙。这堵墙的强度不是来自钢材，而是来自几何形状。

这堵墙花了一小时打印而成，大约有两米高、三米半宽。它是在格洛斯特郡先进工程公司Versarien的总部使用基于机械臂的混凝土打印机打印的。使用 3D 打印制作墙壁可显著节省成本、材料和碳排放。

在过去的六年里，工程系 Abir Al-Tabbaa 教授的团队一直在开发新的传感器技术，并探索现有商业传感器的有效性，以便从基础设施中获取更高质量的信息。她的团队还开发了各种“智能”自修复混凝土。对于这个项目，他们提供了传感器来测量打印过程中的温度。

持续监测 3D 打印墙壁不同层的温度变化，以检测任何潜在的热点、热梯度或异常情况。温度数据将与相应的热成像剖面相关联，以了解 3D 打印墙的热行为。

Al-Tabbaa 说：“由于 3D 打印需要极速凝固的水泥，因此它也会产生大量的热量。我们将传感器嵌入墙壁中，以在施工过程中测量温度，现在我们可以在墙壁在现场时从传感器中获取数据。”

除了温度之外，传感器还测量相对湿度、压力、应变、电阻率和电化学势。这些测量为传感器的可靠性、稳健性、准确性和寿命提供了宝贵的见解。

△Versarien 工厂的项目团队

激光雷达系统还用于在打印时扫描墙壁，以创建 3D 点云并生成墙壁的数字孪生体。

Versarien 研究团队表示：“让墙数字化意味着它可以自己说话，我们可以使用我们的传感器更好地了解这些 3D 打印结构并加速它们在行业中的接受度。”

剑桥团队开发了一种称为 PZT（压电陶瓷铅锆钛酸盐）传感器的传感器，它可以测量机电阻抗响应并监控这些测量值随时间的变化，以检测任何可能的损坏。这些智能传感器可以显示 3D 打印砂浆如何随着时间的推移而硬化，同时监控主体结构的健康状况。

在 3D 打印过程中，八个 PZT 传感器被嵌入墙层的不同位置，以捕获施工过程中和现场安装后的使用寿命期间的负载和应变情况。

该团队包括智能材料、自动化、机器人和数据科学领域的专家，还开发了定制的无线数据采集系统。这使得能够从剑桥远程收集嵌入式传感器的多频机电响应数据。

Tabbaa 教授表示：“这个项目将作为一个活生生的实验室，在其生命周期内生成有价值的数据。传感器数据和‘数字孪生’将帮助基础设施专业人士更好地了解如何使用和定制 3D 打印技术，为战略道路网络打印更大、更复杂的水泥建筑结构。”

项目的团队成员包括来自剑桥大学的 Sripriya Rengaraju 博士、Christos Vlachakis 博士、Yen-Fang Su 博士、Damian Palin 博士、Hussam Taha 博士、Richard Anvo 博士和 Lilia Potseluyko 博士；以及 Costain 材料主管 Bhavika Ramrakhyani（工程系兼职博士生）和 Versarien 建筑创新主管 Ben Harries（也将于 10 月开始在工程系攻读兼职博士学位）。

剑桥团队的工作是生命弹性材料计划和未来数字之路计划的一部分。该研究得到了英国研究与创新部 (UKRI) 旗下工程和物理科学研究委员会 (EPSRC) 以及欧盟的部分支持。