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美国哥伦比亚大学土木工程与力学系专访 | 3D打印混凝土洞察(上篇)

美国哥伦比亚大学土木工程与力学系专访 | 3D打印混凝土洞察(上篇)

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Kawashima 教授简介



教育背景:

哥伦比亚大学     土木工程与工程力学     学士

西北大学         结构工程与材料         硕士

西北大学         结构工程与材料         博士


Shiho Kawashima教授专注于水泥和混凝土流变学的研究,尤其是开发表征技术以探究新拌水泥基系统的粘弹性特性,并进行用于改善各种建筑应用工艺的系统设计,她同时还对纳米复合材料和可持续基础设施材料有所研究。Shiho Kawashima凭借3D打印混凝土的课题在2017年获得了美国国家自然科学基金职业奖,她还在2015年入选了Forbes’ 30 under 30: Science。


她目前所在的专业组织有:美国混凝土协会会员(ACI)、美国陶瓷学会会员(ACerS)、美国土木工程师学会会员(ASCE)、工程力学研究所会员(EMI)。她目前也在担任美国陶瓷协会水泥分会秘书一职。


Kawashima 实验室


Shiho Kawashima教授的团队专门从事先进的水泥基系统的表征和开发,他们的主要兴趣之一是水泥的流变学和混凝土加工。在施工过程中,混凝土混合料在搅拌和泵送等过程中会经历很大范围的变形,但当混凝土基本处于静止状态时,其变形量会逐渐减小。他们的工作旨在通过实验探究,然后通过大范围的时间尺度和变形量的速率来模拟其线性和非线性粘弹性特性。


目前,Kawashima的实验室对基于挤出(Extrusion-based)系统的3D混凝土打印(3DCP)的应用非常感兴趣,其材料要求在泵送和打印过程中具有高流动性,但在沉积后立即快速硬化。他们还专注于结合了纳米材料的水泥基材料,以增强其在各种建筑应用中的新拌和硬化性能,以及减少碳足迹的替代水泥。


Robert A. W. Carleton Strength of Materials Laboratory



专访实录


本次我们以3D打印混凝土的性能、发展方向/前景以及其应用为主要问题进行了专访,Kawashima教授首先对其在3D打印混凝土方面的研究进行了介绍:



请简要介绍一下您的研究,尤其是在3D打印混凝土领域。


我的实验室始终致力于水泥和混凝土材料的研究。我本人一直对水泥流变学和混凝土加工较为感兴趣。从根本上讲,我在研究的是如何表征和控制新拌混凝土的流动性能以促进其在浇筑上的不同应用。


近期我们的工作重心一直在基于挤出系统的3D打印混凝土上,这种应用对混凝土的流变要求和挑战非常特殊。尽管3D打印技术具有很大的优势,但从材料的角度来看,由于缺乏模板也带来了新的挑战。不像通常的3D打印工艺,例如油墨,它在打印沉淀后会立即凝固,而水泥基(Cement-based)材料将仍然处于塑性状态。与普通的混凝土相比,通过喷嘴挤压出的新拌混凝土必须表现出非常特殊的、控制良好的固化行为。同时新拌混凝土必须能够在浇注期间或泵送过程中表现出足够的流动能力。实际上我们可以通过打印机系统或沉积系统运输材料,然后紧接着在沉积之后,其必须立即展现出足以支撑自身重量的结构,然后进行控制混凝土的凝结以进行后续层的操作。



总的来说,我的实验室对3D打印混凝土的材料方面非常感兴趣,我们不停地在尝试确定关键的流变参数,重要的参数以及成功实现基于挤出的3D混凝土打印所需的参数。除了要弄清楚这些参数以外,我们对相关的计量学也很感兴趣:比如如何测量这种材料的流动特性,以便可以对3D混凝土的打印进行测试。


此外,我们也正在开发不同的新的混合物作为3D打印混凝土外加剂,可以将其结合到混凝土中,以帮助3D打印混凝土平衡泵送过程中的流动能力,然后在沉积后包裹其结构重建。我们也在研究一些无机材料,例如纳米粘土以及一些天然聚合物,并开始将它们整合在一起,因为纳米粘土已经有效地展现了这些特性。


但是同样的,由于缺少模板,对3D混凝土打印的屈服应力和模量的流变要求非常高。因此,我们也正在研究不同的处理技术,通过屈服应力(通过流动开始)和模量(通过小振幅振荡剪切)的演化,分别计算无机和有机外加剂在结构重建动力学中的作用,获得胶体与水合作用的影响,以进一步提高其效果。


最后一个我想说的点就是,在传统的混凝土实践中,我的研究只对混凝土的某些动态特性感兴趣,但在3D打印混凝土方面,当混凝土仍处于新鲜状态时的粘弹特性(viscoelastic properties)突然间变成了我们的兴趣。由于没有模板,自由形式的混凝土构件表现出相对较大的暴露表面,新拌混凝土变得高度易受水蒸发的影响,这会阻碍水合作用,引起塑性收缩并最终损害最终印刷结构的性能,我必须研究粘度调节外加剂(viscosity modifying admixtures)对水传输性能的作用。因此,我们选择专注于表征新拌混凝土系统的这种学术特性,这是一个正在不断发展的领域。



目前对于3D打印混凝土质量提升的研究,业界大致的方法都有哪些?


我认为这仍然是研究中非常活跃的领域。介于已经存在有可以提升其质量的外加剂,因此人们基本上会试着掺入可能有效的各种外加剂。


同时,因为目前有足够多的有些类似于3D混凝土打印的应用。所以有一些研究人员也正在研究仅使用标准外加剂来实现所需的流动性,但与此同时,为了较快达到所需的硬度,也要实现非常低的水灰比。


但是从根本上说,要控制凝结,人们要依靠加快水化速率或水泥反应速率来加速硬化。由于混凝土是通过化学反应而凝结的,因此人们正在尝试控制凝结和控制凝结的时间,以便让挤出的混凝土随着印刷过程的进行而凝结。


除了材料方面的研究之外,研究人员在打印机方面的研究也有所发展。因此,他们引入的沉积系统会在沉积之前立即加速。这样,一旦材料放置到位,便可以很快硬化。


还有很多关于磁流变学(magneto rheology)的研究。这种方式通过使用磁性来促进混凝土的凝固,将磁性颗粒掺入混凝土中,然后施加磁场。然后,通过这种方式,我们也可以实现混凝土的快速凝固。


Magnetorheological fluid磁流变体


此外研究人员也对地聚合物(geopolymers)很感兴趣,这是一种越来越受欢迎的可持续系统。有些人认为其特性非常有利于3D混凝土打印,因为它已经是一个快速凝固的系统。


Geopolymer concrete


就目前的研究趋势而言,基本上我认为许多研究人员都在尝试加速3D打印混凝土的凝固并尝试以多种不同方式控制凝固。



对于复杂形状的建筑物/构件,使用3D打印进行直接建造还是通过3D打印模板进行预制构件的浇筑?您有什么看法?


我不知道我是否对此有一个好的答案。但是,事实上,我认为3D打印模具的想法真的很有趣。我认为对于3D混凝土打印的早期应用来说,在形状复杂的结构或结构构件方面的实践是十分正确的,而3D打印模具的使用相对于3D打印混凝土而言,在目前来看似乎更加现实。因为它可能是一种可以更快实施的技术。但是,我认为即使使用3D打印模具,也存在很多问题,这将取决于结构形状的复杂程度,有些模具的结构在倒入混凝土时很难均匀地填充它。所以这里还是有一个材料设计方面的问题。



而且,根据结构的规模,其本身正在承受相当高的应力,如果它是可成形的材料,那么静水压力(hydrostatic pressure)1就会很大。因此,模板本身的构造需要一些思考。3D打印模板在标准形状的浇铸方面也有同样的问题,在标准形状浇铸中,结构越大越复杂,成本就越高。我认为3D打印模板在这上面的问题就是,其潜在性越复杂,成本就越高,无论是材料还是设计方面。但是与3D混凝土打印直接相关的的事情是,它的优点在于,即使增加了复杂性,其成本也可以具有真正的独立性。


我认为3D混凝土打印正在发生的另一件事是,某些人正在使用3D混凝土打印来制造印模板。实际上这是在使用混凝土打印永久模板,然后进行浇筑,最终硬化后永久的成为混凝土结构的一部分。近年来建筑行业出现了一些不用脱模的永久模板,我所说的这种模板是通过3D打印由水泥基础制成的,最终将成为结构的一部分。





目前来说,制作3D打印混凝土模板的材料应该通常为塑料或者聚合物,但如此一来,施加到模板上的应力将成为一个问题,因为混凝土是一种非常重的材料。而且我不认为金属可以解决这个问题,研究人员还需要在模具所使用的材料上多做一些深入的探究。


关于3D打印模具制作混凝土构件和直接进行3D混凝土打印,我认为两者都会具有一定应用。但是,对于复杂的结构来说,模板的设计与制造,随后的浇铸和脱模等工作,这些都将具有挑战性。我有一位从事拓扑优化(topology optimization)工作的同事,他会处理非常复杂的结构。在一项实验上,他首先使用聚合物铸造了3D打印模具,并且是很小的规模,但是即使那样,仍然由于材料的密度而产生了很大的压力,因此他不得不对其进行固化并埋入沙子以抵消这些压力。而且,脱模过程是结构建造过程中的高度劳动密集型工作,这些因素都是在选择使用3D打印模具和3D打印混凝土时需要考虑的。



(注:静水压力是由均质流体作用于一个物体上的压力。这是一种全方位的力,并均匀地施向物体表面的各个部位。静水压力增大,会使受力物体的体积缩小,但不会改变其形状。)



(责任编辑:奚雅青)


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[责任编辑:Susan]

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