这位“和泥人”让混凝土3D打印产品“站”起来

  在中国建筑材料科学研究总院有限公司混凝土科学与工程技术研究所混凝土3D打印技术中心门前，立着一个以中国酒器爵和西方高脚酒杯为主体的雕塑，名为“对话”，混凝土材质让这一作品充满现代工业的质感。

  设计者用一行小字诠释“对话”的涵义：“以旧砼为体，融3D新技，二百年水泥焕生机。”这是一个用混凝土3D打印技术创作的雕塑。3D打印机将混凝土一圈圈整齐地堆叠在一起，最终形成这似乎能穿越古今、和时代对话的作品。

  王振地是这个研究所的“当家人”，因为每日与混凝土打交道，他笑称自己是“和泥人”。日前，北京市朝阳区公布2023年“最美科技工作人员”，王振地是19位当选者中的一位。他带领团队建设了混凝土3D打印技术中心，在不断的实践中，他们为3D打印混凝土自动配筋（钢筋）的国际难题提供了中国解决方案。

  记者采访时，混凝土3D打印技术中心的地上还留着水泥的痕迹，实验台上覆着薄薄的水泥灰，展示台上并排放着一大一小两台设备，设备的底部，小颗粒状的混凝土清晰可见。这两台设备是实验室自主开发的第一代和第二代混凝土3D打印机，它们实现了混凝土3D打印，并制作出实验室的初代3D打印混凝土作品。

  实验室的正中央是第三代混凝土3D打印机，单从体积上来看，它与前两代相比有了质的飞越，性能也更强大，“对话”雕塑便是其杰作。此外，实验室的年轻研究者们还用混凝土3D打印技术打印出了水幕墙面、收容流浪小动物的喵坞等作品。

  王振地：我们现在正在研发的是低碳混凝土，我们也称其为第三代混凝土。这一个项目2018年底立项，2020年底有了试验成果。

  第一代混凝土，大家主要关注混凝土的强度，比如说用混凝土建造的房子结不结实。第二代混凝土以吴中伟院士提出的高性能混凝土为标志，着重关注混凝土的强度和耐久性。我们大家都认为，第三代混凝土的设计关注重点是强度+耐久性+减碳，之所以要开展这一研究是因为水泥行业减排压力巨大，1吨水泥约排放1吨二氧化碳。我们要综合全面地考虑建材行业的减排措施，不只是水泥，混凝土也应该贡献一部分减排力量。

  混凝土的主要组分包括水泥、水、砂子、石子以及化学功能材料。在传统的混凝土制作流程与工艺中，要实现低碳，主要是减法，比如通过能源和燃料替代等方式降低水泥在生产的全部过程中的碳排放。但是第三代混凝土运用的是加法，我们让混凝土的每一种组分都吸收一定的二氧化碳，最终固化在混凝土中，以此达到碳捕集和碳吸收的目标。也就是说，在混凝土制作的过程中，不仅要“节流”，还得“开源”，双管甚至多管齐下实现“双碳”目标。

  第三代混凝土还处于研究阶段，未来我们大家都希望它具有普适性，能够适用于房屋、桥梁、隧道等领域。我们对第三代混凝土充满信心。

  王振地：建筑行业是劳动密集型产业，普遍观点认为其科技含量低、附加值低。目前，建筑行业已然浮现招不到或者很难招到产业工人的情况，而混凝土3D打印技术契合当前建筑行业少人化作业的趋势。

  另外，3D打印最大的优势是个性化定制。比如建造一座风格独特的混凝土雕塑，只需要一张图纸，一台3D打印机就能轻松实现，相对于传统的混凝土成型技术来说，这是一个巨大的飞跃。

  此外，从技术层面来看，公众一致认为传统的建筑行业技术上的含金量不高，混凝土3D打印技术将赋予这个行业更多的科技力量。

  王振地：3D打印技术出现于上世纪四五十年代，这项技术与混凝土的结合走了比较漫长的道路。普通混凝土打印出来后，根本“站”不起来。近年来，基于3D打印技术和外加剂应用技术的发展，打印出来的混凝土可以完整地保持形状，不会产生太大的变形。

  为了让3D打印混凝土“站”起来，最重要的一项工作是做好混凝土的组分调控，就好比用面粉制作面包，面粉、水、盐、糖等原材料的比例要合理、适当，这样才可以制作出口味好、外形好的面包。

  当然，混凝土3D打印除了保持产品“站”得住，还要“站”得稳。打印机在工作中是一层一层往上打印，这就需要下层不变形，并且强度能够支撑得住上部的重量。

  王振地：在3D打印连续配筋（钢筋）的技术中，我研发出集合订书针式、射钉式和垂直插筋式的自动配筋工艺。经配筋验证，3D制品的抗弯拉承载力获得突破性提高，有助于推动混凝土3D打印的整体性和实用性，为混凝土3D打印自动配筋的国际难题提供了中国解决方案。

  此外，改进型“十字交叉法”，解決了3D打印混凝土界面结合强度评价难题，并被制定为建材行业标准。针对材料组成设计，我们给出了3D打印水泥基材料的设计和组成调控原则，建立了混凝土可打印范围相图、指导材料的设计等。

  王振地：深圳有一个公园，里面的园林景观是打印的，目前国内外已经有了很多这样的案例。同时，我们还能够正常的看到用3D打印技术建造的房子和桥梁，但主要是以应用示范为主。

  王振地：前几天我们组织了一个国际会议，国内外的专家学者就这样的一个问题进行了深入分析，讨论后大家认为主要有三个原因。第一是3D打印混凝土如何配钢筋依然是个难题。比如，我们要建造一栋房子或一个园林景观，其中就会用到钢筋，这是个关乎安全的主要的因素。目前，混凝土3D打印技术连续配钢筋的问题依然不能很好地解决，这是阻碍技术落地的原因之一。

  第二个原因是混凝土3D打印技术是新事物，面临着没有设计标准、没有评价标准、没有验收标准等问题。也就是说，如果我们用混凝土3D打印技术造出一栋建筑物，它完全属于“三无”产品。

  除此之外，混凝土3D打印还面临应用场景不明确的问题。如果它用于住宅建造，那么其造价在现阶段来讲将高于传统的建房造价。因此对于用户来说，失去了为混凝土3D打印“买单”的动机。用户端需求不旺盛，再加上标准缺失、应用场景不明确等，导致混凝土3D打印落地应用缓慢。

  王振地：这里我想要着重表达一个观点，公众可能被网络上那些抓人眼球的3D打印房屋的视频带偏了，混凝土3D打印并不一定要用来盖房子，它有其适合的应用场景。混凝土3D打印不是“包打天下”，也不是“包治百病”的灵丹。

  混凝土3D打印的应用场景是什么？我认为目前能应用于园林景观、游乐园卡通人物造型等个性化的雕塑或建筑物。换句话说，如果这一建筑物要先定制价格昂贵或者建造周期长的模具，而且数量很少，我们就可以用混凝土3D打印技术，它不需要模板，只需要一张图纸和一台打印机就能够实现任务。