3D打印生土建筑技術(shù)研究進(jìn)展*

史慶軒 霍 建 武喜凱 陶 毅

(1.西部綠色建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jià)低廉、熱工性能好、可重復(fù)使用、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),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(guó)生土建筑應(yīng)用較多,從古代留存的烽火臺(tái)、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(guó)村鎮(zhèn)大量采用的夯土建筑和土坯建筑。但由于生土強(qiáng)度低、耐久性不足以及建造工藝獨(dú)特等,制約了生土建筑的進(jìn)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(duì)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(shì),且還可通過(guò)就地取材減少運(yùn)輸和施工過(guò)程中的碳排放[1-3]。Alhumayani等采用標(biāo)準(zhǔn)生命周期評(píng)估法,針對(duì)生土和混凝土材料,分析了傳統(tǒng)和3D打印等建造方式對(duì)環(huán)境的影響,認(rèn)為3D打印生土建筑對(duì)環(huán)境綜合影響最小,傳統(tǒng)混凝土建筑對(duì)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(guó)學(xué)者Joseph Pegna首先提出3D打印建筑的設(shè)想[5];2010年后,對(duì)3D打印生土建筑的配合比設(shè)計(jì)和材料性能等方面展開(kāi)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(duì)3D打印生土建筑技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述,為進(jìn)一步開(kāi)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(guó)內(nèi)外對(duì)生土進(jìn)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(lái)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(lái)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(shí)能順利擠出,Perrot等在研究3D打印生土材料時(shí),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(shí)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(zhǎng)度為60 mm,通過(guò)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(diǎn)[12]。Gomaa等采用15%～25%的黏土、75%～85%的砂土、粉土,添加長(zhǎng)度為30～50 mm的稻草,通過(guò)單軸抗壓試驗(yàn)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(zhǎng)的稻草纖維會(huì)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(shí),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(guò)X射線(xiàn)對(duì)黏土進(jìn)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(guò)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(zhǎng)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(duì)打印效果同樣影響很大,需要進(jìn)一步研究形成可量化指標(biāo)。常見(jiàn)3D打印生土原材料的組成見(jiàn)表1。由表可知,通過(guò)添加化學(xué)外加劑、纖維的種類(lèi)和摻量、用水量可對(duì)3D打印生土材料的性能進(jìn)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(mǎn)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(guò)改變3D打印生土材料的含水率與顆粒級(jí)配等來(lái)改善生土的流變性。生土的流變性一般通過(guò)流變?cè)囼?yàn)、跳桌試驗(yàn)或坍落度試驗(yàn)等測(cè)試。

黃俊杰采用流變?cè)囼?yàn)研究在3D打印生土中添加不同含量的水泥和稻草纖維對(duì)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(guò)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(yàn)公式;同時(shí),通過(guò)跳桌試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著水泥與稻草纖維含量的增加流動(dòng)度逐漸下降,其在128.75～169.90 mm范圍時(shí)滿(mǎn)足打印要求。朱旻等通過(guò)流變?cè)囼?yàn)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(guò)式(1)計(jì)算出生土材料的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和塑性黏度;同時(shí)打印發(fā)現(xiàn),當(dāng)含水率為34%時(shí),流變性與可建造性最優(yōu),為46%時(shí),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(zhǎng)度和半徑;R2為流變儀外筒壁半徑;η為塑性黏度;τv為動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力。

Rodiftsis等采用跳桌試驗(yàn)來(lái)表征不同配合比下生土材料的流動(dòng)性,發(fā)現(xiàn)不摻加外加物時(shí),流動(dòng)度在79～101 mm范圍內(nèi)滿(mǎn)足打印需求[20]。Kontovourkis等通過(guò)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(dòng)性很高,但會(huì)產(chǎn)生較大的變形[24]。Perrot等通過(guò)流變?cè)囼?yàn)測(cè)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(shí),屈服應(yīng)力從2.2 kPa減小到1.5 kPa,可實(shí)現(xiàn)生土材料流變性能的優(yōu)化[11]。Karl等通過(guò)流變?cè)囼?yàn)研究分散劑對(duì)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(yáng)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(duì)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(dòng)且具有較好的幾何形狀,提高了穩(wěn)定性[26]。

1.3 收縮開(kāi)裂

生土材料在干燥后易出現(xiàn)收縮開(kāi)裂,原因在于材料多為細(xì)顆粒,其較大的比表面積需要更多的用水量。通過(guò)優(yōu)化生土材料和打印工藝可抑制收縮開(kāi)裂。Mohamed等研究了含水率對(duì)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(shí),打印試件的最大高度為600 mm、收縮率為2%,且無(wú)開(kāi)裂跡象,如圖1a所示。Serdar等通過(guò)擠出試驗(yàn)研究了不同配合比以及在打印層間加入纖維對(duì)3D打印生土建筑收縮開(kāi)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(kāi)裂試件的作用,但不會(huì)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(guò)研究打印路線(xiàn)對(duì)3D打印生土建筑的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)打印路線(xiàn)為長(zhǎng)度超過(guò)160 mm的直線(xiàn)時(shí),打印條帶會(huì)在一個(gè)方向上收縮從而開(kāi)裂;當(dāng)打印路線(xiàn)為曲線(xiàn)時(shí),打印條帶會(huì)在兩個(gè)方向上收縮但不會(huì)開(kāi)裂;因此可采用160 mm的直線(xiàn)和25 mm的曲線(xiàn)相互連接,打印試件會(huì)產(chǎn)生收縮但不開(kāi)裂,如圖2所示[30]。Ferretti等對(duì)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(guò)程不會(huì)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(yàn)來(lái)評(píng)估其可擠出性。朱旻等通過(guò)擠出試驗(yàn)觀察打印試件的成型精度,研究含水率對(duì)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(zhǎng)條,觀察長(zhǎng)條是否連續(xù)和尺寸變化來(lái)評(píng)價(jià)生土材料的可擠出性,如圖3a所示[22]。Serdar等采用擠出試驗(yàn)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(shí)無(wú)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(huì)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(zhǎng)條更加平滑均勻,無(wú)明顯的裂紋。

除擠出試驗(yàn)外,Cruz等使用Pfefferkorn方法評(píng)價(jià)3D打印陶土的可擠出性,該試驗(yàn)基于一塊自由下落板,沖擊一個(gè)初始高度為40 mm、直徑為33 mm的圓柱體,通過(guò)改變材料的含水量并進(jìn)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(shí),陶土的可擠出性好,如圖3d所示[31]。

a—擠出試驗(yàn)[22]; b—手動(dòng)打印機(jī); c—擠出試驗(yàn)[28]; d—Pfefferkorn方法。圖3 3D打印生土材料可擠出性評(píng)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(dòng)速度、材料擠出速度、打印路徑等工藝參數(shù)對(duì)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(qiáng)度較高[11]。Serdar等通過(guò)擠出試驗(yàn)研究了不同噴嘴形式對(duì)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(diǎn)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(jì)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(shí)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(duì)打印效果的影響,見(jiàn)表3[33]。Gomaa等通過(guò)擠出試驗(yàn)研究了含水率、擠壓速度、噴嘴高度對(duì)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(shí),打印的生土條帶表面密實(shí)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(dòng)速度和材料擠出速度對(duì)3D打印有重要的影響。Gomaa等通過(guò)擠出試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)生土材料的擠出速度為噴嘴移動(dòng)速度的105%～110%時(shí),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(qiáng)度,并建立了基于噴嘴高度和噴嘴尺寸估算實(shí)際打印路徑寬度的計(jì)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(xiàn)性減小[17]。

實(shí)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(dòng)速度對(duì)擠出層的影響[34],發(fā)現(xiàn)隨著噴嘴移動(dòng)速度的降低,擠出生土長(zhǎng)條的質(zhì)量也會(huì)降低,如圖4所示。

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

Wi等通過(guò)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(guò)擠出試驗(yàn)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(duì)于直線(xiàn)型打印路徑,打印速度在20 mm·s-1以下時(shí)打印精度良好,而對(duì)于曲線(xiàn)型打印路徑,建議將打印速度控制在10～15 mm/s范圍以?xún)?nèi)。Gürsoy研究噴嘴高度和材料擠出速度對(duì)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(huì)導(dǎo)致在噴嘴上堆積生土。Farrokhsiar也研究了噴嘴移動(dòng)速度與材料擠出速度之間的關(guān)系對(duì)打印結(jié)果的影響[33],結(jié)果見(jiàn)表3。

此外,打印路徑對(duì)打印精度也影響很大。WASP通過(guò)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(duì)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(huì)逐漸往內(nèi)拉,導(dǎo)致打印層的不對(duì)中而打印失敗,為糾正偏差,需要在打印路徑中加入一個(gè)適當(dāng)?shù)姆聪颦h(huán)動(dòng)作,如圖5所示。Farrokhsiar通過(guò)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(shí),增加目標(biāo)點(diǎn)數(shù)和拐角處適當(dāng)延遲可實(shí)現(xiàn)打印精度的提升,延長(zhǎng)打印的第一條線(xiàn),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(jī)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(wú)模板支撐的情況下能打印的最大高度,且在這個(gè)高度內(nèi)打印構(gòu)件無(wú)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(gè)每層厚度2 mm、寬度5 mm的20層空心圓柱體試件,通過(guò)觀察打印后試件變形程度、表面粗糙度來(lái)評(píng)估生土材料的可建造性[35]。朱旻等打印一個(gè)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(duì)偏差Ds計(jì)算如式(3),Ds越小,生土材料的可建造性越好;同時(shí),進(jìn)一步研究含水率、噴嘴移動(dòng)速度和打印層高對(duì)可建造性的影響[23],發(fā)現(xiàn)含水率為34%時(shí)可建造性最優(yōu),而較大的噴嘴移動(dòng)速度和打印層高會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的變形,降低可建造性。

(3)

式中:Ds為相對(duì)偏差;L、W、H分別為試件實(shí)際測(cè)量的長(zhǎng)度、寬度和高度;L0、W0、H0分別為試件的理論長(zhǎng)度、寬度和高度。

此外,Youssef等通過(guò)圓錐貫入儀試驗(yàn)評(píng)價(jià)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(cè)量值為14 mm時(shí),生土材料不可打印。Kontovourkis等通過(guò)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(lái)評(píng)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?xún)?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(guò)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(qiáng)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(duì)于3D打印生土材料可建造性的評(píng)價(jià)大多以試驗(yàn)為主,而缺少理論預(yù)測(cè)研究,有必要通過(guò)理論研究建立材料的失效準(zhǔn)則,以預(yù)測(cè)可建造性的優(yōu)劣,并通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證,建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度

對(duì)3D打印試件進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)時(shí),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(duì)打印試件進(jìn)行切割和拋光處理,從而得到光滑的標(biāo)準(zhǔn)試件;而3D打印生土通常采用原狀打印試件進(jìn)行試驗(yàn)。Gomaa等采用原狀3D打印生土圓柱體進(jìn)行抗壓試驗(yàn),并在加載臺(tái)上涂潤(rùn)滑油以減少摩擦,如圖6a所示[13]。Ferretti等對(duì)3D打印生土試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn)時(shí),僅對(duì)打印試件表面進(jìn)行簡(jiǎn)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(hù)和齡期方面,Perrot等將3D打印生土試件保存在溫度為20 ℃、相對(duì)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(cè)量3,7,17,28 d的抗壓強(qiáng)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(duì)3D打印生土試件尺寸和加載速率等方面無(wú)統(tǒng)一規(guī)定。

表4 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)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(duì)于3D打印生土建筑的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度,減少試件的變形;同時(shí),垂直于打印方向施加荷載,測(cè)得抗壓強(qiáng)度為1.7 MPa,與傳統(tǒng)生土建筑基本一致[11]。Youssef等對(duì)添加氫氧化鈉和減水劑的3D打印生土試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)[22],表明在144 kN/min的加載速率下,最大抗壓強(qiáng)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(dòng)速度、材料擠出速度和打印路徑等對(duì)3D打印生土試件的強(qiáng)度也有較大的影響,但目前缺乏相關(guān)試驗(yàn)研究[9,14,20]。

此外,Gomaa等通過(guò)單軸抗壓試驗(yàn),測(cè)得3D打印生土試件的抗壓強(qiáng)度[13],發(fā)現(xiàn)試件表現(xiàn)出準(zhǔn)脆性響應(yīng),屬于剪切破壞;同時(shí)與傳統(tǒng)生土試件相比,打印試件抗壓強(qiáng)度沒(méi)有下降。黃俊杰采用抗壓試驗(yàn)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(huì)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(shí),研究打印生土試件抗壓強(qiáng)度的各向異性,發(fā)現(xiàn)稻草摻量為3%時(shí)各向異性指數(shù)最小。

a—無(wú)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(guò)單軸抗壓試驗(yàn)研究現(xiàn)澆和3D打印試件的受壓破壞形態(tài)以及抗壓強(qiáng)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(kuò)展,與現(xiàn)澆試件的破壞形態(tài)類(lèi)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(kuò)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(shí),對(duì)比應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn),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(guò)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(jìn)一步對(duì)打印試件抗壓強(qiáng)度各向異性進(jìn)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(xiàn)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(méi)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—?jiǎng)兟浜? 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(xiàn)[16]Fig.9 Stress-strain curves of specimens under compression

3.2 層間黏結(jié)強(qiáng)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(bǔ)層間黏結(jié)強(qiáng)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(huì)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(qiáng)度,但其打印精度卻受到影響,需進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)度,當(dāng)擠出角度垂直于打印表面時(shí)層間黏結(jié)強(qiáng)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(diǎn)以增強(qiáng)層間黏結(jié)[37]。Hamard等發(fā)現(xiàn)土壤的組成對(duì)打印試件黏結(jié)性能有顯著影響,并認(rèn)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(shí)間間隔對(duì)層間黏結(jié)強(qiáng)度同樣影響顯著。然而,目前對(duì)于3D打印生土建筑的層間黏結(jié)性能研究相對(duì)不足,有必要進(jìn)一步開(kāi)展針對(duì)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(guò)抗壓試驗(yàn)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(qiáng)度差導(dǎo)致的破壞。對(duì)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(gè)與打印層相交的滑動(dòng)面,且各打印層之間無(wú)明顯不連續(xù)現(xiàn)象,強(qiáng)度與現(xiàn)澆試件相當(dāng)。Wang等通過(guò)抗彎試驗(yàn)研究加載方向、噴嘴直徑和養(yǎng)護(hù)條件對(duì)3D打印生土試件黏結(jié)強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)垂直于打印方向加載時(shí),裂縫會(huì)產(chǎn)生在加載區(qū)域周?chē)?而沿打印方向加載時(shí),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(shí),通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)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(shí);進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),層間黏結(jié)強(qiáng)度很大程度上取決于噴嘴的原始尺寸,而風(fēng)干過(guò)程可以提高黏結(jié)強(qiáng)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(yàn)[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(dòng)性相近,通過(guò)跳桌試驗(yàn)測(cè)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(qiáng)度、收縮和凝結(jié)時(shí)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(shì)明顯,有較好的應(yīng)用前景。目前代表性的應(yīng)用實(shí)例有:加泰羅尼亞高級(jí)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(jī)制造商WASP在2018年花費(fèi)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(fèi)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(chǎng)打印外,生土建筑還可在工廠打印后現(xiàn)場(chǎng)組裝。2017年,香港大學(xué)采用2 000塊生土磚組裝了一座類(lèi)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(guò)打印55個(gè)模塊,組裝一個(gè)長(zhǎng)為2 850 mm、厚為350 mm的墻,其中每一個(gè)模塊都經(jīng)過(guò)參數(shù)設(shè)計(jì)從而打印不同形狀,實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)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(shí)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(dòng)速度小于材料擠出速度、噴嘴高度小于噴嘴直徑時(shí)打印效果較好。此外,各個(gè)影響因素相互耦合作用下對(duì)打印試件性能的影響,還需要系統(tǒng)性的研究。

2)對(duì)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(cè)試方面,發(fā)現(xiàn)跳桌流動(dòng)度在129～170 mm時(shí)流變性與可建造性較好。同時(shí)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(yàn)結(jié)果的規(guī)律性和可比性很差,缺乏統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。有必要針對(duì)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)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(guó)內(nèi)外對(duì)3D打印生土建筑的力學(xué)研究主要為抗壓強(qiáng)度,大致在0.8～2.4 MPa范圍內(nèi),其抗壓強(qiáng)度相對(duì)較低,開(kāi)裂問(wèn)題明顯,有必要對(duì)其進(jìn)行改性研究。而對(duì)抗折強(qiáng)度和層間黏結(jié)強(qiáng)度的研究很少。試驗(yàn)方法、試件尺寸、養(yǎng)護(hù)方式等缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致各個(gè)試驗(yàn)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(yàn)規(guī)范。

4)我國(guó)地震發(fā)生范圍廣、頻率高、強(qiáng)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(jìn)行系統(tǒng)研究。