史慶軒 霍 建 武喜凱 陶 毅

(1.西部綠色建筑國家重點實驗室, 西安 710055; 2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院, 西安 710055)

0 引 言

生土作為一種天然建筑材料,因其具有取材方便、造價低廉、熱工性能好、可重復(fù)使用、無污染等優(yōu)點,一直被廣泛應(yīng)用于世界各地,形成各具特色和風(fēng)格的生土建筑。我國生土建筑應(yīng)用較多,從古代留存的烽火臺、墓葬和古城遺址等,到近現(xiàn)代的福建客家土樓、西北黃土高原上的窯洞,特別是我國村鎮(zhèn)大量采用的夯土建筑和土坯建筑。但由于生土強度低、耐久性不足以及建造工藝獨特等,制約了生土建筑的進一步發(fā)展。

3D打印技術(shù)是適應(yīng)數(shù)字化和智能化而出現(xiàn)的一種新型施工工藝,可極大地提高建造效率、減少原材料的損耗。目前3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用主要針對混凝土和其他水泥基材料。為契合低碳、綠色和智能建造的發(fā)展理念,3D打印生土建筑具有潛在的優(yōu)勢,且還可通過就地取材減少運輸和施工過程中的碳排放[1-3]。Alhumayani等采用標(biāo)準生命周期評估法,針對生土和混凝土材料,分析了傳統(tǒng)和3D打印等建造方式對環(huán)境的影響,認為3D打印生土建筑對環(huán)境綜合影響最小,傳統(tǒng)混凝土建筑對環(huán)境綜合影響最大[4]。

3D打印生土建筑技術(shù)的發(fā)展較晚。1997年,美國學(xué)者Joseph Pegna首先提出3D打印建筑的設(shè)想[5];2010年后,對3D打印生土建筑的配合比設(shè)計和材料性能等方面展開研究,并逐步應(yīng)用于建筑領(lǐng)域[6]。從3D打印生土材料的制備、可打印性能和力學(xué)性能等方面對3D打印生土建筑技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進行綜述,為進一步開展相關(guān)研究和技術(shù)推廣提供參考。

1 3D打印生土材料的制備技術(shù)

1.1 原材料的組成

為改善生土材料的性能,國內(nèi)外對生土進行了大量的改性研究。如在生土中添加石灰、礦渣、石膏、粉煤灰等礦物摻合料來提高生土的致密度、耐久性和力學(xué)性能[7-8];或在生土中添加稻草、麥秸、聚乙烯纖維等來提高生土建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能[9-10]。

為使生土材料在打印時能順利擠出,Perrot等在研究3D打印生土材料時,采用塑性指數(shù)為21、液限為48%、塑限為27%、含水率為45%、最大粒徑為1 mm的生土顆粒,此時最大粒徑與噴嘴尺寸的比值在1/10左右,具有良好的可擠出性[11]。Curth等采用最大粒徑為2～3 mm的生土,添加稻草的最大長度為60 mm,通過3D打印研究了傾斜打印、多位置打印、逐漸改變層高打印等新工藝的特點[12]。Gomaa等采用15%～25%的黏土、75%～85%的砂土、粉土,添加長度為30～50 mm的稻草,通過單軸抗壓試驗研究了3D打印生土用于建造低層建筑的可行性,發(fā)現(xiàn)較長的稻草纖維會造成擠壓系統(tǒng)內(nèi)部的堵塞[13]。黃俊杰在研究3D打印黏土材料的流變性和力學(xué)性能時,采用不均勻系數(shù)為57、液限為30.9%、塑限為14.1%、塑性指數(shù)為16.8、最大粒徑小于噴嘴尺寸1/10的顆粒,并通過X射線對黏土進行化學(xué)成分分析,發(fā)現(xiàn)其主要由氧化鈣、氧化鋁和二氧化硅組成[14]。Ferretti等采用由30%的黏土、40%的粉土和30%砂土組成的生土,添加具有穩(wěn)定作用的石灰基黏合劑,其成分為25%～50%的水硬石灰和20%～25%的熟石灰,另外摻加不小于0.1%的聚丙烯纖維、最大尺寸為2 mm的稻殼以及粒徑不大于0.6 mm的砂土,通過3D打印技術(shù)研究了生土墻片的力學(xué)性能[15-16]。

綜合已有研究,3D打印生土建筑中常采用最大粒徑與噴嘴尺寸的比值在1/10左右的顆粒,植物纖維的最大長度小于60 mm的打印材料。而土的成分、物理和化學(xué)性質(zhì)對打印效果同樣影響很大,需要進一步研究形成可量化指標(biāo)。常見3D打印生土原材料的組成見表1。由表可知,通過添加化學(xué)外加劑、纖維的種類和摻量、用水量可對3D打印生土材料的性能進行優(yōu)化。

表1 3D打印生土原材料的組成Table 1 Material composition of 3D printing raw soil

1.2 流變性

為滿足3D打印生土材料泵送、擠出以及擠出成型后形狀穩(wěn)定性的要求,通常在3D打印生土中添加礦物質(zhì)、化學(xué)外加劑或通過改變3D打印生土材料的含水率與顆粒級配等來改善生土的流變性。生土的流變性一般通過流變試驗、跳桌試驗或坍落度試驗等測試。

黃俊杰采用流變試驗研究在3D打印生土中添加不同含量的水泥和稻草纖維對流變性能的影響[14],表明屈服應(yīng)力和塑性黏度隨著水泥和稻草纖維含量的增加而增加,并采用Bingham模型通過擬合得出了屈服應(yīng)力和塑性黏度與水泥和稻草纖維摻量的經(jīng)驗公式;同時,通過跳桌試驗發(fā)現(xiàn)隨著水泥與稻草纖維含量的增加流動度逐漸下降,其在128.75～169.90 mm范圍時滿足打印要求。朱旻等通過流變試驗研究了3D打印生土材料的流變性[23],結(jié)果表明添加水后的生土材料為Bingham流體,并通過式(1)計算出生土材料的動態(tài)屈服應(yīng)力和塑性黏度;同時打印發(fā)現(xiàn),當(dāng)含水率為34%時,流變性與可建造性最優(yōu),為46%時,塑性黏度最低,可建造性較差。

(1)

式中:T為扭矩;ω為圓筒轉(zhuǎn)速;L和R1分別為探針長度和半徑;R2為流變儀外筒壁半徑;η為塑性黏度;τv為動態(tài)屈服應(yīng)力。

Rodiftsis等采用跳桌試驗來表征不同配合比下生土材料的流動性,發(fā)現(xiàn)不摻加外加物時,流動度在79～101 mm范圍內(nèi)滿足打印需求[20]。Kontovourkis等通過打印不同稠度的生土基材料,發(fā)現(xiàn)稠度較低的生土流動性很高,但會產(chǎn)生較大的變形[24]。Perrot等通過流變試驗測量添加海藻酸鹽的生土材料屈服應(yīng)力,發(fā)現(xiàn)當(dāng)含水率從40%提高到45%時,屈服應(yīng)力從2.2 kPa減小到1.5 kPa,可實現(xiàn)生土材料流變性能的優(yōu)化[11]。Karl等通過流變試驗研究分散劑對火星土模擬泥漿的剪切應(yīng)力和表觀黏度的影響,結(jié)果表明泥漿的流變性與可交換陽離子(Mg2+、Ca2+、Na2+)有關(guān),并提出蒙脫石鈉和硫酸鎂的相互作用可提高火星生土泥漿的穩(wěn)定性[25]。Revelo等研究不同添加劑對3D打印高嶺土流變性能的影響,發(fā)現(xiàn)添加粉煤灰的生土材料流變性最好,其球形顆粒形狀便于流動且具有較好的幾何形狀,提高了穩(wěn)定性[26]。

1.3 收縮開裂

生土材料在干燥后易出現(xiàn)收縮開裂,原因在于材料多為細顆粒,其較大的比表面積需要更多的用水量。通過優(yōu)化生土材料和打印工藝可抑制收縮開裂。Mohamed等研究了含水率對3D打印生土建筑穩(wěn)定性和收縮性的影響[27],結(jié)果表明當(dāng)含水率為25%時,打印試件的最大高度為600 mm、收縮率為2%,且無開裂跡象,如圖1a所示。Serdar等通過擠出試驗研究了不同配合比以及在打印層間加入纖維對3D打印生土建筑收縮開裂的影響,發(fā)現(xiàn)減少黏土含量可降低打印試件的收縮率,而纖維起到連接開裂試件的作用,但不會阻止收縮[28]。Figueiredo等在3D打印陶瓷的研究中,發(fā)現(xiàn)打印試件的收縮變形主要有打印試件底層與地面之間產(chǎn)生的摩擦變形和質(zhì)量分布不均勻引起的變形,質(zhì)量較少的部分,材料阻止脫水的作用力小,收縮變形大,如圖1b所示[29]。Izard等通過研究打印路線對3D打印生土建筑的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)打印路線為長度超過160 mm的直線時,打印條帶會在一個方向上收縮從而開裂;當(dāng)打印路線為曲線時,打印條帶會在兩個方向上收縮但不會開裂;因此可采用160 mm的直線和25 mm的曲線相互連接,打印試件會產(chǎn)生收縮但不開裂,如圖2所示[30]。Ferretti等對比現(xiàn)澆與3D打印生土的收縮變形,發(fā)現(xiàn)3D打印生土試件在硬化階段的收縮變形是沿著所有方向等百分比變化,其收縮率為2.76%,而現(xiàn)澆試件為2.44%,兩者相差較小,意味著擠壓過程不會顯著改變打印材料的收縮行為[16]。

a—干燥收縮; b—收縮變形。圖1 打印試件的收縮[27,29]Fig.1 Shrinkage of the printed specimen

圖2 打印路徑[30] mmFig.2 Print path

2 3D打印生土建筑的可建造性

2.1 可擠出性

可擠出性是指3D打印生土材料能夠均勻連續(xù)地從打印噴嘴中擠出的性能,常采用擠出試驗來評估其可擠出性。朱旻等通過擠出試驗觀察打印試件的成型精度,研究含水率對3D打印黏土漿體可擠出性能的影響,表明最佳含水率為34%[23]。Youssef等使用注射器擠出生土長條,觀察長條是否連續(xù)和尺寸變化來評價生土材料的可擠出性,如圖3a所示[22]。Serdar等采用擠出試驗研究了不同配合比下生土材料的可擠出性[28],結(jié)果表明粒徑較大時無法擠出或者擠出不連續(xù),如圖3b、3c所示;稻草纖維的加入會降低打印材料的可擠出性,并發(fā)現(xiàn)圓角邊噴嘴擠出的生土長條更加平滑均勻,無明顯的裂紋。

除擠出試驗外,Cruz等使用Pfefferkorn方法評價3D打印陶土的可擠出性,該試驗基于一塊自由下落板,沖擊一個初始高度為40 mm、直徑為33 mm的圓柱體,通過改變材料的含水量并進行重復(fù)沖擊,得出含水量和高度變化之間的關(guān)系;研究還發(fā)現(xiàn),當(dāng)Pfefferkorn塑性指數(shù)為35%時,陶土的可擠出性好,如圖3d所示[31]。

a—擠出試驗[22]; b—手動打印機; c—擠出試驗[28]; d—Pfefferkorn方法。圖3 3D打印生土材料可擠出性評估[22,28,31]Fig.3 Evaluation of extrudability of 3Dprinting raw soil materials

2.2 打印工藝參數(shù)

噴嘴形狀和尺寸、噴嘴移動速度、材料擠出速度、打印路徑等工藝參數(shù)對3D打印生土建筑的成型精度影響顯著,目前廣泛使用的噴嘴形狀為圓形、橢圓形和矩形。Perrot等發(fā)現(xiàn)圓形噴嘴打印的生土試件,其層間存在明顯孔洞,而矩形噴嘴所打印的試件孔洞較少,抗壓強度較高[11]。Serdar等通過擠出試驗研究了不同噴嘴形式對打印試件的影響,表明U形、三角形、多孔形噴嘴可打印不同孔隙率的梯度密度生土建筑,既減少原材料的使用,又提高建筑的熱工性能,不同噴嘴形式的優(yōu)缺點如表2所示[28]。

表2 噴嘴形式Table 2 Nozzle forms

噴嘴尺寸為打印精度和打印速度的重要影響因素。Kontovourkis等發(fā)現(xiàn)根據(jù)打印噴嘴的尺寸可計算出打印試件的材料用量,且尺寸越大,擠出材料越多,建造所用時間越短[32]。Farrokhsiar研究了噴嘴直徑與噴嘴高度(噴嘴到打印表面的距離)之間的關(guān)系對打印效果的影響,見表3[33]。Gomaa等通過擠出試驗研究了含水率、擠壓速度、噴嘴高度對3D打印生土材料的流變性影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴嘴直徑略大于噴嘴高度時,打印的生土條帶表面密實平整,可承受后續(xù)打印條帶的重力且不發(fā)生較大變形[1]。

噴嘴移動速度和材料擠出速度對3D打印有重要的影響。Gomaa等通過擠出試驗研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)生土材料的擠出速度為噴嘴移動速度的105%～110%時,所引發(fā)的“撞擊效應(yīng)”使打印路徑變得更加一致和密集,從而獲得更高的強度,并建立了基于噴嘴高度和噴嘴尺寸估算實際打印路徑寬度的計算式(2),其中膨脹系數(shù)隨噴嘴高度與噴嘴直徑的比值增大而線性減小[17]。

實際打印路徑寬度=噴嘴尺寸×膨脹系數(shù)

(2)

Wang等采用恒定擠出速度研究了噴嘴移動速度對擠出層的影響[34],發(fā)現(xiàn)隨著噴嘴移動速度的降低,擠出生土長條的質(zhì)量也會降低,如圖4所示。

圖4 單層擠壓試驗[34]Fig.4 Single-layer extrusion experiment

Wi等通過三維掃描技術(shù)量化3D打印生土建筑的打印質(zhì)量[35],發(fā)現(xiàn)在較低的打印速度(30 mm/s)和較高的擠出速度(0.38 mL/s)下,所打印的試件精度最高。Izard等通過擠出試驗研究在不同打印路徑下,打印速度與打印精度之間的關(guān)系[30],結(jié)果表明對于直線型打印路徑,打印速度在20 mm·s-1以下時打印精度良好,而對于曲線型打印路徑,建議將打印速度控制在10～15 mm/s范圍以內(nèi)。Gürsoy研究噴嘴高度和材料擠出速度對打印成型精度的影響[36],結(jié)果表明:隨著噴嘴高度的增加,變形更加明顯,而提高材料擠出速度會導(dǎo)致在噴嘴上堆積生土。Farrokhsiar也研究了噴嘴移動速度與材料擠出速度之間的關(guān)系對打印結(jié)果的影響[33],結(jié)果見表3。

此外,打印路徑對打印精度也影響很大。WASP通過在墻體內(nèi)部打印蜂窩狀的構(gòu)造,既提高可建造性,又形成空隙,起到改善墻體的熱傳導(dǎo)和隔音性能,并節(jié)約了材料[6]。Shi等研究了打印工藝對3D打印生土建筑的影響[37],發(fā)現(xiàn)在噴嘴拉力和材料自重的作用下打印生土壁會逐漸往內(nèi)拉,導(dǎo)致打印層的不對中而打印失敗,為糾正偏差,需要在打印路徑中加入一個適當(dāng)?shù)姆聪颦h(huán)動作,如圖5所示。Farrokhsiar通過打印不同角度的生土構(gòu)件[33],發(fā)現(xiàn)隨著角度的降低,打印精度從高到低;同時,增加目標(biāo)點數(shù)和拐角處適當(dāng)延遲可實現(xiàn)打印精度的提升,延長打印的第一條線,可把最初擠出質(zhì)量不好的打印條帶排除在外。

表3 打印工藝參數(shù)Table 3 Printing process parameters

a—打印第一步; b—打印第二步,未加反向環(huán); c—打印第三步,未加反向環(huán); d—打印第二步,加反向環(huán); e—打印第三步,加反向環(huán)。圖5 反向環(huán)機構(gòu)[37]Fig.5 Reverse circulation mechanism

2.3 可建造性

可建造性是指打印材料在無模板支撐的情況下能打印的最大高度,且在這個高度內(nèi)打印構(gòu)件無明顯的變形或坍塌。影響可建造性的主要因素有生土材料的流變性能、打印工藝等。Wi等打印一個每層厚度2 mm、寬度5 mm的20層空心圓柱體試件,通過觀察打印后試件變形程度、表面粗糙度來評估生土材料的可建造性[35]。朱旻等打印一個每層厚度1 mm的30層生土試件,為量化表征生土材料的可建造性,其相對偏差Ds計算如式(3),Ds越小,生土材料的可建造性越好;同時,進一步研究含水率、噴嘴移動速度和打印層高對可建造性的影響[23],發(fā)現(xiàn)含水率為34%時可建造性最優(yōu),而較大的噴嘴移動速度和打印層高會產(chǎn)生嚴重的變形,降低可建造性。

(3)

式中:Ds為相對偏差;L、W、H分別為試件實際測量的長度、寬度和高度;L0、W0、H0分別為試件的理論長度、寬度和高度。

此外,Youssef等通過圓錐貫入儀試驗評價不同配合比下生土材料的可建造性[22],發(fā)現(xiàn)當(dāng)圓錐貫入儀測量值為14 mm時,生土材料不可打印。Kontovourkis等通過打印不同懸垂角度的生土空心試件,觀察結(jié)構(gòu)是否變形或坍塌來評估生土材料的可建造性[32]。在打印試件內(nèi)部填充支撐材料可用于提高可建造性,如Gomaa等在墻體內(nèi)部采用蛇形的打印路徑以優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能,從而得到580 mm的最大打印高度[17]。Perrot等通過在土中添加海藻酸鹽聚合物調(diào)節(jié)材料的凝結(jié)硬化[11],發(fā)現(xiàn)海藻酸鹽可以更快地提高材料強度,使其快凝快硬,從而提高可建造性。同樣在土中添加熟石灰與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng),可快速凝結(jié)硬化。并且3D打印技術(shù)不需要模板支撐,打印的建筑可快速風(fēng)干凝結(jié)硬化,提高可建造性。

綜上所述,目前對于3D打印生土材料可建造性的評價大多以試驗為主,而缺少理論預(yù)測研究,有必要通過理論研究建立材料的失效準則,以預(yù)測可建造性的優(yōu)劣,并通過試驗來驗證,建立一個標(biāo)準化的衡量方法。

3 3D打印生土硬化后的力學(xué)性能研究

3.1 抗壓強度

對3D打印試件進行力學(xué)試驗時,3D打印混凝土與3D打印生土的試件制備有較大差異。3D打印混凝土通常對打印試件進行切割和拋光處理,從而得到光滑的標(biāo)準試件;而3D打印生土通常采用原狀打印試件進行試驗。Gomaa等采用原狀3D打印生土圓柱體進行抗壓試驗,并在加載臺上涂潤滑油以減少摩擦,如圖6a所示[13]。Ferretti等對3D打印生土試件進行抗壓試驗時,僅對打印試件表面進行簡單的手工打磨,去除表面多余材料以保證荷載分布均勻,如圖6b所示[16]。在3D打印試件的養(yǎng)護和齡期方面,Perrot等將3D打印生土試件保存在溫度為20 ℃、相對濕度為50%的環(huán)境中[11]。朱旻等將3D打印黏土試件放在20 ℃的環(huán)境下風(fēng)干24～72 h[23]。黃俊杰將3D打印生土試件放在20 ℃的環(huán)境下風(fēng)干24 h,測量3,7,17,28 d的抗壓強度,如圖6c所示[14]。

a—圓柱狀試件[13]; b—蜂窩狀試件[16]; c—矩形試件[14]。圖6 3D打印生土試件的制備Fig.6 Preparation of 3D printing raw soil specimens

綜合已有研究,將3D打印生土試件的尺寸和加載速率整理于表4。由表可知,目前對3D打印生土試件尺寸和加載速率等方面無統(tǒng)一規(guī)定。

表4 抗壓強度試驗中試塊尺寸及加載速率選取Table 4 Selection of test block size and loadingrate in compressive strength test

對于3D打印生土建筑的抗壓強度研究,主要涉及材料組成和打印工藝。Perrot等在生土中添加海藻酸鹽聚合物,發(fā)現(xiàn)打印材料具備更高的早期強度,減少試件的變形;同時,垂直于打印方向施加荷載,測得抗壓強度為1.7 MPa,與傳統(tǒng)生土建筑基本一致[11]。Youssef等對添加氫氧化鈉和減水劑的3D打印生土試件進行抗壓強度試驗[22],表明在144 kN/min的加載速率下,最大抗壓強度為20 MPa。Alothman等發(fā)現(xiàn)在生土中添加纖維可以提高打印生土建筑的剛度,減小變形[38]。噴嘴形狀、噴嘴移動速度、材料擠出速度和打印路徑等對3D打印生土試件的強度也有較大的影響,但目前缺乏相關(guān)試驗研究[9,14,20]。

此外,Gomaa等通過單軸抗壓試驗,測得3D打印生土試件的抗壓強度[13],發(fā)現(xiàn)試件表現(xiàn)出準脆性響應(yīng),屬于剪切破壞;同時與傳統(tǒng)生土試件相比,打印試件抗壓強度沒有下降。黃俊杰采用抗壓試驗研究不同水泥和稻草纖維摻量下3D打印生土試件的破壞形態(tài)[14],發(fā)現(xiàn)不摻加稻草的試件會產(chǎn)生貫穿的縱向裂縫,有明顯的脆性破壞特征;而隨著稻草纖維摻量的增加,其網(wǎng)格化約束使試件不存在明顯的薄弱面,裂縫主要集中于試件的邊角,未出現(xiàn)整體破壞現(xiàn)象,表現(xiàn)為塑性破壞特征,其受壓破壞形態(tài)如圖7所示。同時,研究打印生土試件抗壓強度的各向異性,發(fā)現(xiàn)稻草摻量為3%時各向異性指數(shù)最小。

a—無稻草; b—1%稻草含量; c—3%稻草含量; d—5%稻草含量。圖7 試件受壓破壞形態(tài)[14]Fig.7 Failure states of specimens

Ferretti等通過單軸抗壓試驗研究現(xiàn)澆和3D打印試件的受壓破壞形態(tài)以及抗壓強度的各向異性[15-16],結(jié)果表明打印試件的破壞由邊緣向內(nèi)部擴展,與現(xiàn)澆試件的破壞形態(tài)類似均為錐形破壞;兩者差別在于,打印試件內(nèi)部的蜂窩結(jié)構(gòu)阻止了裂縫向內(nèi)部擴展,使其破壞后仍保持一定的承載能力,其破壞形態(tài)如圖8所示;同時,對比應(yīng)力-應(yīng)變曲線,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)澆試件的破壞屬于脆性破壞,而打印試件的擠壓過程賦予打印材料特殊的力學(xué)性能,使其介于脆性材料和塑性材料之間,極限應(yīng)力約為峰值應(yīng)力的53%,如圖9a所示;進一步對打印試件抗壓強度各向異性進行研究,分析軸向應(yīng)力分別與軸向應(yīng)變和水平應(yīng)變之間的曲線關(guān)系,發(fā)現(xiàn)軸向應(yīng)變有滯回效應(yīng)且表現(xiàn)出彈塑性特征,而水平應(yīng)變沒有滯回效應(yīng)且表現(xiàn)為塑性特征,如圖9所示。

a—加載前; b—加載后; c—剝落后; d—現(xiàn)澆試件加載后。圖8 試件受壓破壞形態(tài)[15-16]Fig.8 Failure states of specimens

a—打印試件的軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變;b—打印試件的軸向應(yīng)力-水平應(yīng)變。圖9 受壓試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線[16]Fig.9 Stress-strain curves of specimens under compression

3.2 層間黏結(jié)強度

3D打印逐層堆疊的施工工藝使層間易形成薄弱面,選擇合適的打印設(shè)備、打印工藝和打印材料可彌補層間黏結(jié)強度低的缺陷。Perrot等發(fā)現(xiàn)使用圓形噴嘴打印的試件中間會產(chǎn)生孔洞,而矩形噴嘴打印的試件良好,如圖10a、10b所示[11]。Matiz等發(fā)現(xiàn)紋理噴嘴可以提高層間黏結(jié)強度,但其打印精度卻受到影響,需進一步優(yōu)化兩者之間的關(guān)系,如圖10c所示[39]。Serdar等發(fā)現(xiàn)3D打印生土建筑的層間黏結(jié)強度很大程度上取決于邊界曲面和材質(zhì)混合,并且擠出角度和噴嘴也影響著層間黏結(jié)強度,當(dāng)擠出角度垂直于打印表面時層間黏結(jié)強度最大[28]。Shi等發(fā)現(xiàn)較小尺寸噴嘴所打印的生土試件,其層間黏結(jié)性較差,可在打印層上形成額外的接觸點以增強層間黏結(jié)[37]。Hamard等發(fā)現(xiàn)土壤的組成對打印試件黏結(jié)性能有顯著影響,并認為由15%～25%的黏土和75%～85%的砂土、粉土組成的生土最優(yōu)[2]。層間時間間隔對層間黏結(jié)強度同樣影響顯著。然而,目前對于3D打印生土建筑的層間黏結(jié)性能研究相對不足,有必要進一步開展針對性研究。

a—圓形噴嘴[11]; b—矩形噴嘴[11]; c—紋理噴嘴[39]。圖10 不同噴嘴打印Fig.10 Printing with different nozzles

Ferretti等通過抗壓試驗研究3D打印生土建筑破壞的兩種臨界狀態(tài)[16]:一是打印外殼與內(nèi)部填充物之間的破壞,二是層間黏結(jié)強度差導(dǎo)致的破壞。對第二種臨界狀態(tài),此試件各打印層之間有良好的內(nèi)聚性,其破壞形成一個與打印層相交的滑動面,且各打印層之間無明顯不連續(xù)現(xiàn)象,強度與現(xiàn)澆試件相當(dāng)。Wang等通過抗彎試驗研究加載方向、噴嘴直徑和養(yǎng)護條件對3D打印生土試件黏結(jié)強度的影響,發(fā)現(xiàn)垂直于打印方向加載時,裂縫會產(chǎn)生在加載區(qū)域周圍,而沿打印方向加載時,試件在層間黏結(jié)處失效,試件加載和破壞特征如圖11所示[34];同時,通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn)層間黏結(jié)處始終是試件的薄弱部分,尤其當(dāng)層間存在彎矩時;進一步研究發(fā)現(xiàn),層間黏結(jié)強度很大程度上取決于噴嘴的原始尺寸,而風(fēng)干過程可以提高黏結(jié)強度。

a—加載; b—垂直于打印方向產(chǎn)生的裂紋;c—沿打印方向產(chǎn)生的裂紋。圖11 黏結(jié)試驗[34]Fig.11 Bonding test

4 3D打印生土與混凝土材料的異同以及工程應(yīng)用

3D打印生土與3D打印混凝土兩者相同之處在于其打印參數(shù)與流動性相近,通過跳桌試驗測得直徑在129～170 mm范圍內(nèi)流變性較好,最大粒徑與噴嘴直徑的比值不大于1/10。而不同之處在于3D打印生土是以黏土為膠結(jié)材料,3D打印混凝土以水泥或其他輔助膠凝材料為膠結(jié)材料,造成了強度、收縮和凝結(jié)時間的差異。

相比傳統(tǒng)施工技術(shù),3D打印生土建筑技術(shù)優(yōu)勢明顯,有較好的應(yīng)用前景。目前代表性的應(yīng)用實例有:加泰羅尼亞高級建筑研究所(IAAC)于2017年在巴塞羅那打印的一座大型生土展館(圖12a)[40];意大利3D打印機制造商WASP在2018年花費10 d打印的一座厚度為400 mm、建筑面積為30 m2的生土房屋,其材料總成本為900歐元(圖12b)[6];并于2021年在迪拜打印的一座生土商店(圖12c)[41];Mario Cucinella建筑師事務(wù)所和WASP公司花費200 h,打印的一座60 m2的生土房屋,其中共打印了350層,每層高度為12 mm(圖12d)[42]。

除現(xiàn)場打印外,生土建筑還可在工廠打印后現(xiàn)場組裝。2017年,香港大學(xué)采用2 000塊生土磚組裝了一座類似榫卯結(jié)構(gòu)的扭曲塔樓,其中每一塊形式和尺寸不同的生土磚都由生土打印而成(圖12e)[43]。IAAC通過打印55個模塊,組裝一個長為2 850 mm、厚為350 mm的墻,其中每一個模塊都經(jīng)過參數(shù)設(shè)計從而打印不同形狀,實現(xiàn)對太陽輻射、氣流和結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化(圖12f)[44]。

a—生土展館[40]; b—生土房屋[6]; c—生土商店[41];d—生土房屋[42]; e—扭曲塔樓[43]; f—生土墻[44]。圖12 3D打印生土應(yīng)用實例Fig.12 Application examples of 3D printing raw soil

5 結(jié)論與展望

1)現(xiàn)階段關(guān)于3D打印生土建筑工藝參數(shù)的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)噴嘴移動速度小于材料擠出速度、噴嘴高度小于噴嘴直徑時打印效果較好。此外,各個影響因素相互耦合作用下對打印試件性能的影響,還需要系統(tǒng)性的研究。

2)對于3D打印生土材料工作性能的研究多集中在材料的流變性和可建造性測試方面,發(fā)現(xiàn)跳桌流動度在129～170 mm時流變性與可建造性較好。同時不同研究人員所使用的流變儀與流變性能表征方法也各不相同,造成試驗結(jié)果的規(guī)律性和可比性很差,缺乏統(tǒng)一評價標(biāo)準。有必要針對3D打印生土材料的流變性、可擠出性和可建造性等建立統(tǒng)一的評價標(biāo)準,進一步明確流變性能與可擠出性和可建造性之間的關(guān)系。

3)目前國內(nèi)外對3D打印生土建筑的力學(xué)研究主要為抗壓強度,大致在0.8～2.4 MPa范圍內(nèi),其抗壓強度相對較低,開裂問題明顯,有必要對其進行改性研究。而對抗折強度和層間黏結(jié)強度的研究很少。試驗方法、試件尺寸、養(yǎng)護方式等缺乏統(tǒng)一標(biāo)準,導(dǎo)致各個試驗結(jié)論差異較大。有必要制定3D打印生土力學(xué)性能的試驗規(guī)范。

4)我國地震發(fā)生范圍廣、頻率高、強度大,而3D打印生土建筑本身所具備的特殊構(gòu)造在地震所引發(fā)的特殊荷載作用下能否保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有待進行系統(tǒng)研究。