在中國建筑材料科學研究總院有限公司（以下簡稱“中國建材總院”）混凝土科學與工程研究所混凝土3D打印技術中心門前，豎立著一個名為“對話”的混凝土雕塑作品。它由混凝土3D打印技術制作而成，融合了中國傳統酒器——爵和現代高腳酒杯兩種形象。設計者這樣解釋其內涵：“以舊混凝土為體，融3D新技，水泥這種有200多年歷史的建筑材料煥發了新生機。”
近年來，中國建材總院在3D打印領域接連取得創新成果。在2024年舉行的第49屆日內瓦國際發明展上，中國建材總院團隊自主研發的“基于3D打印混凝土的自動縱向配筋技術”獲得金獎。
突破縱向配筋技術
近年來，隨著綠色化、自動化成為建筑行業重要發展趨勢，混凝土3D打印技術也成為備受追捧的新型建筑技術。
混凝土3D打印技術的兩大優勢是自動化和個性化。在自動化施工方面，混凝土3D打印技術不需要使用過多人力資源，只需借助機器和混凝土材料，便可按照預先設計好的方案進行自動化施工，大大減少作業人員，提升施工安全性。在個性化方面，3D打印也被稱為“柔性鑄造”技術，借助高自由度、高靈活性的機器和材料，其不僅能夠實現無模成型，還具有高精度等優勢，尤其適合建造部分造型獨特的小型建筑物。
雖然混凝土3D打印技術潛力巨大，但在大型建筑的推廣應用過程中，“軟骨病”是其面臨的一大難題。“大型混凝土建筑，想要扛得住、立得牢，通常要在混凝土里植入鋼筋，讓建筑有‘筋骨’。”中國建材總院混凝土科學與工程研究所所長王振地說，如果按照傳統配筋技術，在混凝土中直接插入鋼筋，鋼筋柱便會阻礙3D打印頭的運動，使其無法按照原有設計路線進行打印。要想在混凝土3D打印技術中實現自動配筋很困難，這也是國際上普遍面臨的一個難題。
為了破解“軟骨病”難題，作為國內較早開展混凝土3D打印技術研究的單位之一，中國建材總院混凝土科學與工程研究所研究團隊深入開展技術攻關，在混凝土3D打印層間縱向配筋技術上取得突破。
“國外此前的自動配筋技術，多是平行于打印界面的層間橫向配筋技術，就像是把鋼筋‘躺著’放了進去，這種配筋方式對于建筑物垂直方向的力學性能幾乎沒有改變。研究團隊開發的層間縱向配筋技術，則是將鋼筋‘立著’插入混凝土中，顯著增強了混凝土3D打印建筑的抗拉伸和抗剪切能力。”王振地介紹，瞄準層間縱向自動配筋技術，團隊研發出一整套自動配筋方法和配套設備。
這套設備包括打印裝置和配筋裝置。在打印裝置正常擠出混凝土材料的同時，配筋裝置將鋼筋切短，并可以根據不同建筑的具體結構需求，將短鋼筋加工成n形。隨后，配筋裝置將加工好的鋼筋插入擠出的混凝土界面中，保證至少穿透兩層。這兩個裝置同時獨立運行，有效避免了傳統手工配筋對打印頭行進的阻礙，大大提高了混凝土3D打印配筋效率。
實驗結果顯示，使用該技術的混凝土3D打印建筑的力學性能有了顯著提高，抗彎強度提高了275%，為混凝土3D打印技術大范圍推廣應用奠定了良好基礎。
標準體系仍待完善
隨著自動配筋技術、可打印混凝土材料、強度評價方法等不斷完善，混凝土3D打印技術不斷拓展新應用場景。例如，深圳國際會展中心附近坐落著全國首個3D打印景觀廣場，其中的景觀建筑物均采用混凝土3D打印方式制造。
王振地認為，當前，混凝土3D打印技術并非一定要用來蓋房子。其當下有更加合適的應用場景，如可以用于園林景觀、游樂園卡通人物造型等個性化雕塑或建筑物。他也坦言，混凝土3D打印技術仍然是新事物，在設計標準、評價標準、驗收標準等方面仍然存在不少空白，在推廣中面臨一定阻礙。
目前，中國建材總院等單位正逐步推動混凝土3D打印標準評價體系不斷完善，行業和協會團體標準的立項數量正逐步增加。例如，針對傳統直拉和三點彎曲方法在評價3D打印混凝土界面結合強度時存在的難題，王振地團隊提出了改進型“十字交叉法”。這一方法使施加的壓應力在界面處變為拉應力，解決了3D打印混凝土界面結合強度評價難題，被納入為我國建材行業標準，為行業發展作出了貢獻。
王振地呼吁更多科研單位、專家學者等參與到混凝土3D打印相關標準的研究制定中，為行業發展奠定技術基礎。
