3D打印混凝土技术在澳大利亚的最近研究进展

2021-07-13刘俊力JonathanPhuongTran

硅酸盐通报 2021年6期

刘俊力,任杰,Jonathan Phuong Tran

(1.皇家墨尔本理工大学工程学院，墨尔本 3001；2.深圳大学土木与交通工程学院，广东省滨海土木工程耐久性重点实验室，深圳 518060)

0 引言

近几年来，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，最终大幅度降低了建筑总成本[1-3]。混凝土3D打印技术通过从可移动喷嘴中挤出新拌胶凝材料，并逐层累积叠加来实现。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进行调整来实现。对硬化状态的3D打印混凝土，其力学性能主要取决于荷载的施加方向，这种特性也被称为力学各向异性。由于层与层之间细条状混凝土的粘合力较弱，导致3D打印混凝土力学各向异性，这也是其主要缺点。已有一些研究学者对此展开了研究[4-6]。

全球关于3D打印混凝土的科研工作和相关论文的发表主要集中在2015年之后，这方面研究较为活跃的大学主要有新加坡南洋理工大学[7-9]、荷兰埃因霍温理工大学[10-12]、荷兰代尔夫特理工大学[13-15]、德国德累斯顿工业大学[16-17]、南非斯泰伦博斯大学[18-19]，以及中国的河北工业大学[20-21]和同济大学[22-23]。例如，南洋理工大学主要侧重地聚物/碱激发胶凝材料的增材制造从而促进3D打印混凝土的可持续发展，而代尔夫特理工大学的研究团队则着重尝试采用煅烧石灰石和黏土基复合胶凝材料进行3D打印。此外，来自澳大利亚相关大学的研究进展也在近几年引起了越来越多的关注。本综述主要涉及澳大利亚两所在3D打印混凝土研究方面较为领先的大学，分别为皇家墨尔本理工大学(RMIT大学)和斯威本科技大学，内容包括打印设备、研究领域和近期发表的相关论文。

1 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(如图1(a)所示)。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，随后在转轴驱动下移动的活塞中被挤出。第二种是近期采购的机器人打印机(ABB IRB 6700)，机械臂旋转半径3.2 m，同时具有6轴旋转的特点(如图1(b)所示)。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。RMIT大学的研究团队将该机器人打印机应用于大规模混凝土打印工程以及相关科研。

图1 位于RMIT大学的混凝土打印机Fig.1 Concrete printer in RMIT University

斯威本科技大学则采用了轨道横梁系统进行混凝土打印[24]。对于这种系统来说，有效打印空间尺寸为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，而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的控制。斯威本科技大学的轨道横梁打印系统如图2所示。

图2 属于斯威本科技大学的轨道横梁打印系统(图片来自该校官网：https://www.swinburne.edu.au/research/strengths-achievements/specialist-facilities/digital-construction-lab/)Fig.2 Medium-scale 4-axis gantry 3D concrete printingsystem from Swinburne University of Technology

2 近期研究进展

2.1 RMIT大学近期研究

该团队主要由工程学院Jonathan Phuong Tran博士牵头开展研究工作，侧重于纤维增强混凝土的增材制造。由于技术上难以实现在挤出的条状混凝土内加入传统钢筋，因此对于混凝土打印通常在打印过程中同步加入纤维。Pham等[25]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。结果表明，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(如图3(a)所示)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(如图3(b)所示)、应变强化和降低脆性断裂可能性。两种不同尺寸钢纤维导致的结果不同可能是由于3 mm尺寸太小，具体原因需要进一步探索。抗弯强度提高的主要原因是钢纤维的桥接作用，阻碍了微米级裂缝的产生和发展。通过X射线计算机断层成像分析，发现随着纤维含量的增加，混凝土的孔隙率逐渐降低。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试件孔隙率小(如图3(c)所示)，这可能是由挤出的混凝土比普通浇筑的更加密实所造成的。

另一个研究比较了两种有机纤维(聚乙烯醇纤维polyvinyl alcohol (PVA) fibres和聚丙烯纤维polypropylene (PP) fibres)的不同体积掺量对3D打印混凝土的影响[26]。结果发现，不同掺量的两种纤维对在Z轴和X轴方向的抗弯强度提高效果有限(如图3(d)和3(e)所示)，可能原因是加入纤维的同时一定程度上引入了空气，使得材料体系的致密性降低，进而影响了其力学性能。此外，在相同纤维掺量的条件下，聚丙烯纤维在两个方向上的抗弯强度增强效果比聚乙烯醇纤维掺入的混凝土更好。最近，该研究团队将仿生学理念引入到对3D打印混凝土力学性能的研究中。在最近发表的一篇文章中，他们研究了不同打印样式对抗弯强度的影响。在龙虾角质层中发现的Bouligand螺旋结构启发下[27]，设计了不同的打印样式[28]。结果表明，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，打印出的试样中发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3 (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)6 mm钢纤维不同体积掺量对3D打印混凝土内部孔隙率的影响；不同体积掺量的聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维对抗弯强度的影响：(d)沿Z方向，(e)沿X方向(图(b)和(c)基于文献[25]的实验数据重制，图(d)和(e)基于文献[26]的实验数据重制)Fig.3 (a) Definition of directions in a typical 3D printing space; (b) effect of volumetric proportion of steel fibres on theflexural strength in direction Z; (c) effect of volumetric proportion of 6 mm steel fibres on the porosity of printed concrete;effect of volumetric proportion of PVA and PP fibres on the flexural strength in: (d) direction Z, (e) direction X (Fig.(b) and(c) were replotted based on experimental data from [25], Fig.(d) and (e) were replotted based on experimental data from [26])

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用于挤出式3D打印混凝土中[29]。Al-Qutaifi等[30]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。结果显示，由于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。实验发现引入纤维会影响各堆积层之间的粘结力，原因主要是随机分散的纤维可能并不仅完整存在于某一层打印混凝土中，而是介于两层之间，这就可能会导致表面不平整，进而阻碍层与层之间的完整粘结。Nematollahi等[31]研究了不同聚丙烯纤维体积掺量对新拌和硬化后的3D打印地聚物混凝土的作用。结果发现，增加聚丙烯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相应形状。当纤维体积掺量增加到0.75%～1.00%时，出现了3D打印地聚物混凝土的应变强化行为。这一现象可以用来解释相较于不掺纤维或者掺量较少的情况下，其断裂能得以显著增强的实验结果。

Bong等[29]研究了如何优化在室温环境下养护的3D打印地聚物材料。研究发现，包括不同种类的氢氧根(HS)和硅酸根(SS)碱性激发剂，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。结果证明，激发剂以Na+为主时制备的地聚物比以K+为主时制备的相应胶凝材料工作性更好，原因是前者的流体屈服应力较低。同时，在相同SS/HS的比例下，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。此外，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。

2.3 未来研究挑战和机遇

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。以下简要列出：

(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这一方面需要更多的研究。目前报道过的新方式包括置于打印层之间的铁丝网[32]和嵌入式钢筋强化[33]，以及同步于挤出过程的拉出型细铁丝[34]。

(2)尽管3D打印混凝土相较于传统混凝土浇筑方式的所谓优势在于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。拓扑优化是一种数学方法，已在优化材料外观布局方面得到广泛使用。最近，在3D打印混凝土的数值模拟阶段已引入拓扑优化方法，目的在于优化打印出的结构。然而，将此方法直接应用于混凝土的结构设计有一定困难，原因在于其未能考虑材料的非线性行为(比如混凝土的抗压强度和抗拉强度之间的显著差异)。

(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。例如，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。因此有必要对3D打印混凝土结构和建筑楼宇的可持续性进行更加全面的理解和认识。

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。以下就两个方面简要列出：

(1)微观表征技术的应用：不可否认的是，当前对于此项技术的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则能为宏观性能提供具体材料层面的理论支持。例如，挤出型混凝土层间的粘结度会由于孔隙的产生而受到影响，因此有必要对打印样品内部的孔隙进行分析研究。荷兰代尔夫特理工大学的Chen等[35]和南非斯泰伦博斯大学的Kruger等[18]率先运用X射线计算机断层成像对该研究问题进行了探索。后者的研究结果发现，打印出的混凝土结构中层间的孔隙主要为椭球形，其长轴沿着喷嘴移动方向。这些孔隙可以使内部应力分布发生变化，进而对微裂痕的生长产生影响。可见，通过微观层面的分析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：对于挤出型3D打印混凝土，其主要研究重点为流变性(rheology)、可建造性(buildability)、力学性能的各向异性(mechanical anisotropy)以及层间粘结性(interlayer adhesion)。考虑到打印结构与建筑本身的服役时限和环境，有必要对其材料结构的耐久性进行细致研究。例如，位于法国的XtreeE公司已完成对人工珊瑚礁的混凝土3D打印，该结构被放置于地中海中以应对日益严峻的珊瑚礁危机[36]。然而由于海水中大量存在的氯离子、硫酸根等会对硅酸盐混凝土产生破坏作用，因此需要对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，最终实现3D打印混凝土耐久性的预测和提升。