中国混凝土技术及应用的最新发展

演讲人：张亚梅，东南大学

简介：中国建筑业在过去几十年不断发展。本次演讲将简要介绍超高性能混凝土在南京长江五桥及典型装饰工程中的应用，以及港珠澳大桥预制巨型沉管的应用。然后，我们将总结3D混凝土打印技术及其在中国的应用。最后，我们将分享混凝土中固体废物的最新利用，以实现混凝土行业的可持续发展。

https://www.youtube.com/watch?v=1InJ-EbRrWo&t=448s

引言

山藏教授是东南大学材料科学与工程学院的教授，她同时也是我不无骄傲地说，不列颠哥伦比亚大学的附属教授。所以我们非常骄傲能有山藏作为我们不列颠哥伦比亚大学的附属教授。她还是南京智能增材制造研究所的主任，并且是Wholesome集团在3D混凝土打印方面的官方学术合作伙伴。

作为增材制造领域的知名专家，张博士还担任《水泥与混凝土复合材料杂志》的编委会成员。

山藏教授，谢谢你的友好介绍，也谢谢你邀请我分享我们关于3D打印混凝土的研究。

接下来我将讨论我团队在3D打印混凝土方面的进展以及其应用，特别是在中国的情况。首先，我将简要介绍ACI中国分会。

关于CSI中国分会

ACI中国分会成立于2002年，总部设在香港。现在我们共有111名成员。现任主席是同济大学的顾宪林教授。ACI中国分会的使命是发扬ACI的宗旨，即促进教育、技术实践、科学研究，并通过收集、整理和发布相关信息来改进混凝土结构和产品的设计、施工、使用及耐久性。

CSI中国活动

我们在中国举办了许多活动，例如，我们组织了ACI在中国的认证，即混凝土实验室测试技术员一级认证。此外，我们每年还参加ACI领导力培训，并代表中国参加ACI春季大会。两年前，我们成立了ACI同济学生分会，因此我们也能在中国组织一些学术会议和交流。以下是一些展示活动的照片。

现在我想进入我关于3D打印混凝土的演讲。在中国，我们现在面临建筑行业劳动力短缺的问题，因此我们需要使用先进技术，例如3D打印技术在这个行业。

众所周知，与传统的混凝土相比，3D打印混凝土技术有许多优势。最典型的是，3D打印混凝土技术不需要模板。现在使用这项技术，我们的设计师在设计时会非常灵活，它还能节省劳动力，是的，它有很多优势，比如施工安全、施工效率高、成本低和低碳足迹。

对于3D打印混凝土技术，由于其空间打印技术，对材料的要求与传统材料有很大不同，尤其是这些新鲜属性。因此，对于3D打印，我们需要先将材料泵送到容器中，然后通过模型挤出，挤出后需要良好的可建造性。

因此，对于混合设计或3D打印混凝土，首先要设计出具有良好可打印性的新鲜混凝土。这是非常基本的要求，但现在由于这种特殊的技术，对所用材料有限制，特别是缺乏粗骨料。目前打印的混凝土项目主要使用砂浆，而不是带有粗骨料的混凝土。

是的，我们在我的团队中对这种空间技术的混合设计进行了一些研究。到目前为止，我们可以从许多文献中发现，实际上没有设计，或者许多研究都是基于他们在实验室中的经验，通过试错测试，但这对发展这项技术不利。以下是一些关于当前CTBC研究的统计数据，他们使用不同的材料，如硅粉、飞灰、膨润土等来调整3D打印混凝土的打印性能。

但是，如果你想更好地推广这项技术，我们需要一些其他模型，特别是理论模型对我们使用这项技术会更好，因此我们可以找到一些流变模型，例如这里展示的这三个模型。对于这些模型，砂浆被视为由骨料和浆体组成的两相材料。

从这个方程中我们可以看到，骨料和浆体之间建立了定量关系，更重要的是，这个模型独立于我们使用的具体原材料，我们只是使用例如骨料的状态和浆体的流变特性。在我的团队中，我们尝试使用过剩浆体理论来进行混合设计，因为对于3D打印混凝土，包裹骨料的浆体厚度是一个关键参数，它决定了混凝土的流动性和可挤出性。

过剩浆体理论中的过剩浆体层厚度是一个非常重要的参数，它不仅能反映体积分数，还能反映骨料的形状和粒径分布。因此，我们使用这种方法来设计可3D打印的混凝土。

我们使用不同的混合物，你可以看到不同的材料来制备混凝土，但如果我们能设计出过剩浆体厚度并了解浆体的流动性，你可以看到，设计出的打印砂浆或混凝土的属性具有非常相似的可打印性，当然也有非常相似的流变特性。

这是我们想用来预测屈服静应力的关系，因为稳态屈服应力是决定3D打印混凝土可建造性的一个非常重要的参数。我们发现了屈服应力与砂浆和浆体应力比率之间的指数关系，这种关系可用于设计混凝土的混合物。

此外，它还开发了改进的成本模型来更好地预测砂浆的屈服应力，因为只有当砂浆的屈服应力处于某个特定范围时，这种混凝土才能被打印。但在一些实验室中，他们没有流变仪来测试流变特性，所以我们试图找到材料屈服应力与流动性的关系，你知道测试新鲜混凝土的流动性非常容易，我们也发现了很好的关系，这将使我们很容易使用这种关系来设计可3D打印的混凝土。

接下来，我想介绍带有粗骨料的可3D打印混凝土。从一些已发表的论文和我们的经验来看，这里有一些暴露在空气中一两年的元素，我们可以发现一些裂缝，因此开裂现在是一个问题，因为我们主要使用砂浆，所以使用带有粗骨料的混凝土来打印混凝土非常必要。

原因很简单，我将直接进入我们的研究，在我们的实验室中，我们已经打印了带有粗骨料的混凝土。粗骨料的最大直径仍然不太大，大约为5到10毫米。这是我们实验室中的打印。

从这张图片中你可以看到，没有明显的分层界面或层间缺陷，这意味着这种混凝土的打印是成功的。对于带有粗骨料的混凝土，浆体与骨料的比例是一个非常关键的问题，它决定了打印细丝的可打印性和稳定性。例如，在左侧你可以看到，当浆体与骨料的比例过高时，它的状态不稳定，不是我们想要的。但当比例合适时，我们想要的3D打印混凝土非常成功。

我们还研究了粗骨料与总骨料的比例，因此我们可以看到，当粗骨料含量过高时，会发现缺陷，这不太令人满意，但在适当的粗骨料体积下，我们可以得到非常好的3D打印混凝土表面。

机械性能

这里是一些带有粗骨料的3D打印混凝土的机械性能，我们将其与浇筑混凝土进行了比较。我们从已发表的论文中发现，一些研究假设带有粗骨料的3D打印混凝土的强度通常小于浇筑混凝土，但在我们的调查中，我们发现当我们使用粗骨料时，3D打印混凝土的机械性能更高，这是因为打印参数的兼容性使3D打印混凝土的流变特性得以优化。

对于3D打印混凝土，在浇筑后没有保护或模板，这意味着环境将极大地影响混凝土的性能。我们在不同的条件下调查了混凝土领域，例如潮湿、干燥和有风。

典型结果

这里有一些典型结果，我们发现，与浇筑样本相比，3D打印混凝土更容易受到干燥和风的影响，这对我们来说非常重要，因为一些项目是在现场完成的，这意味着混凝土的硬化性能可能不如预期。

早期养护条件

我们发现了机械性能与内部相对湿度之间的关系，结果是早期养护条件对3D打印混凝土的强度发展非常重要，而对于现场3D打印来说，早期养护往往不可用。原因在于，3D打印混凝土有更多连通的孔隙，这实际上影响了机械性能。

现在让我们转向这项技术的应用。

应用

到目前为止，3D打印混凝土有许多应用，我不会详细介绍这些项目。

应用方法

现在有不同的应用方法，现场3D打印和在工厂中制造3D打印元素。这两种技术之间的区别，我想强调的是，对于现场3D打印，打印过程会受到风、温度和湿度的影响，因此现场养护是一个问题。但对于制造技术，打印质量可以在工厂中得到保证。

我只想向你展示一个典型的3D打印制造建筑的应用，这是我们在南京的建筑。这是我们团队与田纳西大学洪友居团队合作的关于热传递的计算。墙体是在现场3D打印和制造的，我们考虑了室内和室外的热传递，并比较了两种典型建筑之间的热传递，这是一个3D打印墙体系统，这是一个用于比较的传统混凝土砌块墙体系统。

比较

我们比较了夏季墙体表面在外的温度，你可以看到表面温度比传统的要低得多。这是建筑的墙体热通量，我们可以看到这个3D打印墙体系统的热通量比对应的传统系统低近70%。这里是过程，这是工厂中的3D打印元素和现场施工，这是我们完成的最终建筑，我们有三栋这样的建筑。

其他应用

我们还有一些其他应用，使用在工厂中制造的3D打印元素在现场使用。这里有一些典型的图片，一些我们已经完成的项目，以及这项技术的其他用途。在中国，我们还有一些其他由不同团队完成的项目，我想提到的是，这很有趣，因为你可以看到使用了垂直钢网加固，然后使用一种特殊模型从钢网两侧喷射混凝土。

Mimik Jojo桥

这是顾教授团队的作品，这是一座Mimik Jojo桥。这座桥建在他们的校园内，主要结构元素是通过在3D打印的永久模板中浇筑混凝土生产的，然后在永久模板内浇筑混凝土。

国家建筑技术中心大楼

另一个建筑是中国国家建筑技术中心的大楼。墙体是在现场打印的，但你可以看到加固和一些管道，然后浇筑混凝土。但梁、柱和地板是浇筑混凝土，而不是3D打印混凝土。

三台3D打印机

这是来自清华大学魏教授团队的最新作品，他们使用了三台3D打印机，这些机器人安装在升降平台上。对于这座建筑，没有使用任何钢筋加固，屋顶也是打印的，但在打印后安装。

挑战

最后，我想谈谈这项技术的挑战。第一个挑战是3D打印混凝土的混合设计，因为当前常规混凝土的混合设计不适用于3D打印混凝土，因为可打印性是设计3D可打印混凝土的首要关注点。同时，我们还需要在设计混凝土时考虑强度、变形和耐久性。

另一个挑战是关于带有粗骨料的3D打印，我们首先需要开发一些打印系统，因为打印粗骨料混凝土的系统可能与打印砂浆的系统略有不同，还需要一些合适的打印技术，以及对带有粗骨料的打印混凝土进行有利的表面处理。

另一个问题是关于3D打印混凝土的加固，现在已经有一些技术，但到目前为止，这些加固技术并不是很令人满意，因为加固可能会干扰3D打印的进度。所以也许我们需要开发一些独立于传统加固的新结构，或者开发一些新的加固方法，可以协调3D打印混凝土和加固的布局，以达到这项技术的高效率。

一个重要的问题是需要技术的标准，因为当我们想推广应用时，总是需要标准。我们需要开发测试方法、设计规范和质量验收标准，以适用于3D打印混凝土元素和结构。

我想这就是我想要分享的全部内容，感谢你的关注。

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