王振地：讓混凝土3D打印產(chǎn)品“站”起來

王振地在實驗室觀察混凝土的微結構。新京報記者 吳婷婷 攝

(資料圖)

在中國建筑材料科學研究總院有限公司混凝土科學與工程技術研究所混凝土3D打印技術中心門前，立著一個以中國酒器爵和西方高腳酒杯為主體的雕塑，名為“對話”，混凝土材質(zhì)讓這一作品充滿現(xiàn)代工業(yè)的質(zhì)感。

設計者用一行小字詮釋“對話”的涵義：“以舊砼為體，融3D新技，二百年水泥煥生機。”這是一個用混凝土3D打印技術創(chuàng)作的雕塑。3D打印機將混凝土一圈圈整齊地堆疊在一起，最終形成這似乎能穿越古今、和時代對話的作品。

王振地是這個研究所的“當家人”，因為每日與混凝土打交道，他笑稱自己是“和泥人”。日前，北京市朝陽區(qū)公布2023年“最美科技工作者”，王振地是19位當選者中的一位。他帶領團隊建設了混凝土3D打印技術中心，在不斷的實踐中，他們?yōu)?D打印混凝土自動配筋（鋼筋）的國際難題提供了中國解決方案。

記者采訪時，混凝土3D打印技術中心的展示臺上并排放著一大一小兩臺設備，是實驗室自主開發(fā)的第一代和第二代混凝土3D打印機，它們實現(xiàn)了混凝土3D打印，并制作出實驗室的初代3D打印混凝土作品。

實驗室的正中央是第三代混凝土3D打印機，單從體積上來看，它與前兩代相比有了質(zhì)的飛越，性能也更加強大，“對話”雕塑便是其杰作。

■ 對話

第三代混凝土關注重點是減碳

新京報：你和團隊正在開展的重點研究是什么？

王振地：我們現(xiàn)在正在研發(fā)的是低碳混凝土，我們也稱其為第三代混凝土。這個項目2018年底立項，2020年底有了試驗成果。

第一代混凝土，大家主要關注混凝土的強度。第二代混凝土重點關注混凝土的強度和耐久性。第三代混凝土的設計關注重點是強度+耐久性+減碳。之所以要開展這一研究是因為水泥行業(yè)減排壓力巨大，我們要綜合全面地考慮建材行業(yè)的減排措施，不只是水泥，混凝土也應該貢獻一部分減排力量。

在傳統(tǒng)的混凝土制作工藝中，要實現(xiàn)低碳，主要是減法，比如通過能源和燃料替代等方式降低水泥在生產(chǎn)過程中的碳排放。但是第三代混凝土運用的是加法，我們讓混凝土的每一種組分都吸收一定的二氧化碳，最終固化在混凝土中，以此達到碳捕集和碳吸收的目標。

也就是說，在混凝土制作過程中，不僅要“節(jié)流”，還得“開源”，雙管甚至多管齊下實現(xiàn)“雙碳”目標。

第三代混凝土還處于研究階段，未來我們希望它具有普適性，可以用于房屋、橋梁、隧道等領域。我們對第三代混凝土充滿信心。

新京報：為什么要研究混凝土3D打印技術？

王振地：建筑行業(yè)是勞動密集型產(chǎn)業(yè)，普遍觀點認為其科技含量低、附加值低。目前，建筑行業(yè)已經(jīng)出現(xiàn)招不到或者很難招到產(chǎn)業(yè)工人的情況，而混凝土3D打印技術契合當前建筑行業(yè)少人化作業(yè)的趨勢。

另外，3D打印最大的優(yōu)勢是個性化定制。比如建造一座風格獨特的混凝土雕塑，只需要一張圖紙，一臺3D打印機就可以實現(xiàn)，相對于傳統(tǒng)的混凝土成型技術來說，這是一個巨大的飛躍。

此外，從技術層面來看，公眾普遍認為傳統(tǒng)的建筑行業(yè)技術含量不高，混凝土3D打印技術將賦予這個行業(yè)更多的科技力量。

為混凝土3D打印自動配筋國際難題提供中國方案

新京報：3D打印技術如何與混凝土結合？

王振地：3D打印技術出現(xiàn)于上世紀四五十年代，這項技術與混凝土的結合走了比較漫長的道路。普通混凝土打印出來后，根本“站”不起來。近年來，基于3D打印技術和外加劑應用技術的發(fā)展，打印出來的混凝土可以完整地保持形狀，不會產(chǎn)生太大的變形。

為了讓3D打印混凝土“站”起來，最重要的一項工作是做好混凝土的組分調(diào)控，就好比用面粉制作面包，面粉、水、鹽、糖等原材料的比例要合理、適當，這樣才能制作出口味好、外形好的面包。當然，混凝土3D打印除了保持產(chǎn)品“站”得住，還要“站”得穩(wěn)。打印機在工作中是一層一層往上打印，這就需要下層不變形，并且強度能夠支撐得住上部的重量。

新京報：混凝土3D打印技術中心取得了哪些成果？

王振地：在3D打印連續(xù)配筋（鋼筋）的技術中，我研發(fā)出集合訂書針式、射釘式和垂直插筋式的自動配筋工藝。經(jīng)配筋驗證，3D制品的抗彎拉承載力獲得突破性提高，有助于推動混凝土3D打印的整體性和實用性，為混凝土3D打印自動配筋的國際難題提供了中國解決方案。

此外，改進型“十字交叉法”，解決了3D打印混凝土界面結合強度評價難題，并被制定為建材行業(yè)標準。針對材料組成設計，我們給出了3D打印水泥基材料的設計和組成調(diào)控原則，建立了混凝土可打印范圍相圖、指導材料的設計等。

混凝土3D打印技術并非可用于所有領域

新京報：總體來看，混凝土3D打印技術現(xiàn)在有沒有應用場景？

王振地：深圳有一個公園，里面的園林景觀是打印的，目前國內(nèi)外已經(jīng)有了很多這樣的案例。同時，我們還可以看到用3D打印技術建造的房子和橋梁，但主要是以應用示范為主。

新京報：混凝土3D打印技術的實際應用并不廣，原因是什么？

王振地：前幾天我們組織了一個國際會議，國內(nèi)外的專家學者就這個問題進行了深入分析。主要是3D打印混凝土如何配鋼筋依然是個難題。比如，我們要建造一棟房子或一個園林景觀，其中就會用到鋼筋。目前，混凝土3D打印技術連續(xù)配鋼筋的問題依然不能很好地解決，這是阻礙技術落地的原因之一。

其次，混凝土3D打印技術是新事物，面臨著沒有設計標準、沒有評價標準、沒有驗收標準等問題。

除此之外，混凝土3D打印還面臨應用場景不明確的問題。如果它用于房屋建造，那么其造價在現(xiàn)階段來講將高于傳統(tǒng)的建房造價。因此對于用戶來說，失去了為混凝土3D打印“買單”的動機。

新京報：你認為公眾什么時候可以真正住上混凝土3D打印的房子，使用上3D打印的橋梁？

王振地：這里我想要著重表達一個觀點，公眾可能被網(wǎng)絡上那些抓人眼球的3D打印房屋的視頻帶偏了，混凝土3D打印并不一定要用來蓋房子，它有其適合的應用場景?；炷?D打印不是“包打天下”，也不是“包治百病”的靈丹。

混凝土3D打印的應用場景是什么？我認為目前可以應用于園林景觀、游樂園卡通人物造型等個性化的雕塑或建筑物。換句話說，如果這一建筑物需要先定制價格昂貴或者建造周期長的模具，而且數(shù)量很少，我們就可以用混凝土3D打印技術，它不需要模板，只需要一張圖紙和一臺打印機就可以完成任務。

新京報記者 吳婷婷

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