劉俊力,任 杰,Jonathan Phuong Tran

(1.皇家墨爾本理工大學(xué)工程學(xué)院，墨爾本 3001；2.深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳 518060)

0 引 言

近幾年來，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(shí)最大程度減少了建筑模板的使用和對(duì)人工勞動(dòng)力的依賴，最終大幅度降低了建筑總成本[1-3]?；炷?D打印技術(shù)通過從可移動(dòng)噴嘴中擠出新拌膠凝材料，并逐層累積疊加來實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)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)添加劑進(jìn)行調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。對(duì)硬化狀態(tài)的3D打印混凝土，其力學(xué)性能主要取決于荷載的施加方向，這種特性也被稱為力學(xué)各向異性。由于層與層之間細(xì)條狀混凝土的粘合力較弱，導(dǎo)致3D打印混凝土力學(xué)各向異性，這也是其主要缺點(diǎn)。已有一些研究學(xué)者對(duì)此展開了研究[4-6]。

全球關(guān)于3D打印混凝土的科研工作和相關(guān)論文的發(fā)表主要集中在2015年之后，這方面研究較為活躍的大學(xué)主要有新加坡南洋理工大學(xué)[7-9]、荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)[10-12]、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)[13-15]、德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)[16-17]、南非斯泰倫博斯大學(xué)[18-19]，以及中國的河北工業(yè)大學(xué)[20-21]和同濟(jì)大學(xué)[22-23]。例如，南洋理工大學(xué)主要側(cè)重地聚物/堿激發(fā)膠凝材料的增材制造從而促進(jìn)3D打印混凝土的可持續(xù)發(fā)展，而代爾夫特理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)則著重嘗試采用煅燒石灰石和黏土基復(fù)合膠凝材料進(jìn)行3D打印。此外，來自澳大利亞相關(guān)大學(xué)的研究進(jìn)展也在近幾年引起了越來越多的關(guān)注。本綜述主要涉及澳大利亞兩所在3D打印混凝土研究方面較為領(lǐng)先的大學(xué)，分別為皇家墨爾本理工大學(xué)(RMIT大學(xué))和斯威本科技大學(xué)，內(nèi)容包括打印設(shè)備、研究領(lǐng)域和近期發(fā)表的相關(guān)論文。

1 打印設(shè)備

RMIT大學(xué)現(xiàn)在使用的混凝土打印機(jī)有兩種，第一種是高度為1.7 m的中型打印機(jī)(如圖1(a)所示)。這種打印機(jī)有兩個(gè)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(zhǎng)管容器中，隨后在轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)的活塞中被擠出。第二種是近期采購的機(jī)器人打印機(jī)(ABB IRB 6700)，機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)半徑3.2 m，同時(shí)具有6軸旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn)(如圖1(b)所示)?；炷翑嚢柽^程是用一種分離式材料攪拌系統(tǒng)實(shí)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?dòng)機(jī)器人式打印機(jī)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是其自帶的履帶牽引裝置使其移動(dòng)性更好，可以保證在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境外的現(xiàn)場(chǎng)打印。RMIT大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)將該機(jī)器人打印機(jī)應(yīng)用于大規(guī)?；炷链蛴」こ桃约跋嚓P(guān)科研。

圖1 位于RMIT大學(xué)的混凝土打印機(jī)Fig.1 Concrete printer in RMIT University

斯威本科技大學(xué)則采用了軌道橫梁系統(tǒng)進(jìn)行混凝土打印[24]。對(duì)于這種系統(tǒng)來說，有效打印空間尺寸為1.8 m(長(zhǎng))×1.6 m(寬)×1.8 m(高)。這種打印機(jī)與一個(gè)致動(dòng)器相連，而在鋁框架中進(jìn)行三軸線性移動(dòng)的致動(dòng)器則通過電腦來控制。致動(dòng)器上安裝了螺旋鉆式擠出機(jī)，擠出機(jī)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)速率的控制。斯威本科技大學(xué)的軌道橫梁打印系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 屬于斯威本科技大學(xué)的軌道橫梁打印系統(tǒng)(圖片來自該校官網(wǎng)：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 近期研究進(jìn)展

2.1 RMIT大學(xué)近期研究

該團(tuán)隊(duì)主要由工程學(xué)院Jonathan Phuong Tran博士牽頭開展研究工作，側(cè)重于纖維增強(qiáng)混凝土的增材制造。由于技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)在擠出的條狀混凝土內(nèi)加入傳統(tǒng)鋼筋，因此對(duì)于混凝土打印通常在打印過程中同步加入纖維。Pham等[25]研究了不同尺寸和體積摻量的鋼纖維對(duì)3D打印混凝土力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，在0.25%～0.50%的體積摻量下，3 mm或6 mm的鋼纖維對(duì)Z軸方向(如圖3(a)所示)的抗彎強(qiáng)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(qiáng)度(如圖3(b)所示)、應(yīng)變強(qiáng)化和降低脆性斷裂可能性。兩種不同尺寸鋼纖維導(dǎo)致的結(jié)果不同可能是由于3 mm尺寸太小，具體原因需要進(jìn)一步探索?？箯潖?qiáng)度提高的主要原因是鋼纖維的橋接作用，阻礙了微米級(jí)裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。通過X射線計(jì)算機(jī)斷層成像分析，發(fā)現(xiàn)隨著纖維含量的增加，混凝土的孔隙率逐漸降低。在相同纖維摻量條件下，打印混凝土的孔隙率比傳統(tǒng)澆筑的混凝土試件孔隙率小(如圖3(c)所示)，這可能是由擠出的混凝土比普通澆筑的更加密實(shí)所造成的。

另一個(gè)研究比較了兩種有機(jī)纖維(聚乙烯醇纖維polyvinyl alcohol (PVA) fibres和聚丙烯纖維polypropylene (PP) fibres)的不同體積摻量對(duì)3D打印混凝土的影響[26]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同摻量的兩種纖維對(duì)在Z軸和X軸方向的抗彎強(qiáng)度提高效果有限(如圖3(d)和3(e)所示)，可能原因是加入纖維的同時(shí)一定程度上引入了空氣，使得材料體系的致密性降低，進(jìn)而影響了其力學(xué)性能。此外，在相同纖維摻量的條件下，聚丙烯纖維在兩個(gè)方向上的抗彎強(qiáng)度增強(qiáng)效果比聚乙烯醇纖維摻入的混凝土更好。最近，該研究團(tuán)隊(duì)將仿生學(xué)理念引入到對(duì)3D打印混凝土力學(xué)性能的研究中。在最近發(fā)表的一篇文章中，他們研究了不同打印樣式對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響。在龍蝦角質(zhì)層中發(fā)現(xiàn)的Bouligand螺旋結(jié)構(gòu)啟發(fā)下[27]，設(shè)計(jì)了不同的打印樣式[28]。結(jié)果表明，與單一方向的打印樣式相比，變換層與層之間的相對(duì)打印角度可提高Z軸方向的抗彎強(qiáng)度。在螺旋角為10°～30°的情況下，打印出的試樣中發(fā)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(xiàng)性能。

圖3 (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(duì)Z方向抗彎強(qiáng)度的影響；(c)6 mm鋼纖維不同體積摻量對(duì)3D打印混凝土內(nèi)部孔隙率的影響；不同體積摻量的聚乙烯醇纖維和聚丙烯纖維對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響：(d)沿Z方向，(e)沿X方向(圖(b)和(c)基于文獻(xiàn)[25]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重制，圖(d)和(e)基于文獻(xiàn)[26]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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 斯威本科技大學(xué)近期研究

斯威本科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的側(cè)重點(diǎn)主要是3D打印纖維增強(qiáng)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(rèn)為更適合用于擠出式3D打印混凝土中[29]。Al-Qutaifi等[30]研究了打印間隔時(shí)間對(duì)纖維增強(qiáng)地聚物混凝土抗彎強(qiáng)度和層間粘合力的影響。結(jié)果顯示，由于減少時(shí)間間隔所導(dǎo)致的層間粘聚力的增強(qiáng)可以有效提高抗彎強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)引入纖維會(huì)影響各堆積層之間的粘結(jié)力，原因主要是隨機(jī)分散的纖維可能并不僅完整存在于某一層打印混凝土中，而是介于兩層之間，這就可能會(huì)導(dǎo)致表面不平整，進(jìn)而阻礙層與層之間的完整粘結(jié)。Nematollahi等[31]研究了不同聚丙烯纖維體積摻量對(duì)新拌和硬化后的3D打印地聚物混凝土的作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，增加聚丙烯纖維的摻量可能會(huì)對(duì)層間粘合力產(chǎn)生一定負(fù)面影響，但同時(shí)可以使打印出的條狀材料更好地保持相應(yīng)形狀。當(dāng)纖維體積摻量增加到0.75%～1.00%時(shí)，出現(xiàn)了3D打印地聚物混凝土的應(yīng)變強(qiáng)化行為。這一現(xiàn)象可以用來解釋相較于不摻纖維或者摻量較少的情況下，其斷裂能得以顯著增強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

Bong等[29]研究了如何優(yōu)化在室溫環(huán)境下養(yǎng)護(hù)的3D打印地聚物材料。研究發(fā)現(xiàn)，包括不同種類的氫氧根(HS)和硅酸根(SS)堿性激發(fā)劑，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。結(jié)果證明，激發(fā)劑以Na+為主時(shí)制備的地聚物比以K+為主時(shí)制備的相應(yīng)膠凝材料工作性更好，原因是前者的流體屈服應(yīng)力較低。同時(shí)，在相同SS/HS的比例下，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(duì)應(yīng)模數(shù)為2.00的更好。此外，無論SS種類或SS/HS比例如何，激發(fā)劑以Na+為主時(shí)制備的地聚物具有更高的抗壓強(qiáng)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。

2.3 未來研究挑戰(zhàn)和機(jī)遇

盡管當(dāng)前針對(duì)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。以下簡(jiǎn)要列出：

(1)除了添加纖維以外，在如何與混凝土擠出流程中同步實(shí)現(xiàn)增韌強(qiáng)化這一方面需要更多的研究。目前報(bào)道過的新方式包括置于打印層之間的鐵絲網(wǎng)[32]和嵌入式鋼筋強(qiáng)化[33]，以及同步于擠出過程的拉出型細(xì)鐵絲[34]。

(2)盡管3D打印混凝土相較于傳統(tǒng)混凝土澆筑方式的所謂優(yōu)勢(shì)在于可以適應(yīng)復(fù)雜設(shè)計(jì)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。拓?fù)鋬?yōu)化是一種數(shù)學(xué)方法，已在優(yōu)化材料外觀布局方面得到廣泛使用。最近，在3D打印混凝土的數(shù)值模擬階段已引入拓?fù)鋬?yōu)化方法，目的在于優(yōu)化打印出的結(jié)構(gòu)。然而，將此方法直接應(yīng)用于混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定困難，原因在于其未能考慮材料的非線性行為(比如混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度之間的顯著差異)。

(3)3D打印混凝土不同層之間的粘結(jié)力主要通過抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度進(jìn)行表征。當(dāng)前大部分研究集中于抗拉強(qiáng)度，對(duì)于抗剪強(qiáng)度的研究還相對(duì)不足。

(4)關(guān)于3D打印混凝土對(duì)環(huán)境的影響和經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)還不夠。例如，與傳統(tǒng)意義上的混凝土結(jié)構(gòu)相比，其全壽命周期評(píng)估等相關(guān)研究十分有限。因此有必要對(duì)3D打印混凝土結(jié)構(gòu)和建筑樓宇的可持續(xù)性進(jìn)行更加全面的理解和認(rèn)識(shí)。

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(jī)遇。以下就兩個(gè)方面簡(jiǎn)要列出：

(1)微觀表征技術(shù)的應(yīng)用：不可否認(rèn)的是，當(dāng)前對(duì)于此項(xiàng)技術(shù)的研究重點(diǎn)仍舊偏向于宏觀力學(xué)性能分析，而對(duì)微觀尺度的研究則能為宏觀性能提供具體材料層面的理論支持。例如，擠出型混凝土層間的粘結(jié)度會(huì)由于孔隙的產(chǎn)生而受到影響，因此有必要對(duì)打印樣品內(nèi)部的孔隙進(jìn)行分析研究。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的Chen等[35]和南非斯泰倫博斯大學(xué)的Kruger等[18]率先運(yùn)用X射線計(jì)算機(jī)斷層成像對(duì)該研究問題進(jìn)行了探索。后者的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，打印出的混凝土結(jié)構(gòu)中層間的孔隙主要為橢球形，其長(zhǎng)軸沿著噴嘴移動(dòng)方向。這些孔隙可以使內(nèi)部應(yīng)力分布發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)微裂痕的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。可見，通過微觀層面的分析將會(huì)進(jìn)一步加深和完善對(duì)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(duì)于擠出型3D打印混凝土，其主要研究重點(diǎn)為流變性(rheology)、可建造性(buildability)、力學(xué)性能的各向異性(mechanical anisotropy)以及層間粘結(jié)性(interlayer adhesion)?？紤]到打印結(jié)構(gòu)與建筑本身的服役時(shí)限和環(huán)境，有必要對(duì)其材料結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行細(xì)致研究。例如，位于法國的XtreeE公司已完成對(duì)人工珊瑚礁的混凝土3D打印，該結(jié)構(gòu)被放置于地中海中以應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的珊瑚礁危機(jī)[36]。然而由于海水中大量存在的氯離子、硫酸根等會(huì)對(duì)硅酸鹽混凝土產(chǎn)生破壞作用，因此需要對(duì)3D打印混凝土的耐久性進(jìn)行量化評(píng)估，以便比較不同3D打印混凝土的耐久性，最終實(shí)現(xiàn)3D打印混凝土耐久性的預(yù)測(cè)和提升。

3 結(jié) 論

本文對(duì)兩所澳大利亞高校(包括RMIT大學(xué)和斯威本科技大學(xué))在3D打印混凝土方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹，主要包括相應(yīng)打印設(shè)備、研究方向以及近期發(fā)表的研究成果等三個(gè)方面。

RMIT大學(xué)側(cè)重于研究纖維摻量對(duì)3D打印混凝土力學(xué)性能的影響，其研究發(fā)現(xiàn)纖維尺寸、材料種類和摻量均可對(duì)打印出的混凝土的抗折強(qiáng)度和延展性提升產(chǎn)生影響。此外，研究團(tuán)隊(duì)也發(fā)現(xiàn)可通過引入仿生學(xué)概念來提高3D打印混凝土的不同性能。

斯威本科技大學(xué)則重點(diǎn)研究3D打印地聚物混凝土的性能表現(xiàn)，其研究顯示有必要通過優(yōu)化堿激發(fā)劑來提高新拌以及硬化后3D打印混凝土的力學(xué)性能。同時(shí)，他們?cè)诶w維增強(qiáng)打印混凝土方面的研究與RMIT大學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為相近。

最后討論了3D打印混凝土技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。一方面，該技術(shù)在如何同步實(shí)現(xiàn)增韌強(qiáng)化、運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化材料布局、表征層間粘結(jié)(抗剪強(qiáng)度)性能以及評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境影響等方面仍舊存在一些挑戰(zhàn)；另一方面，在運(yùn)用微觀技術(shù)表征3D打印混凝土性能和采用不同量化手段反映材料耐久性等方面可以展開廣泛深入的研究。