《Journal of Building Engineering》：A Slip-Form-Inspired Method to 3D Print Ready-Mix Concrete with 25 mm Aggregates around Pre-Tied Rebar
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Masoud Forsat|M. Tyler Ley|James A. Beckstrom•一种受滑模施工启发的混凝土3D打印方法，用于加固建筑•可打印含有最大25毫米粗骨料的预拌混凝土•一种可与现有建筑设备相连的通用型混凝土3D打印机•可直接在预先绑扎好的钢筋周围打印混凝土引言
Masoud Forsat|M. Tyler Ley|James A. Beckstrom
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一种受滑模施工启发的混凝土3D打印方法，用于加固建筑
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可打印含有最大25毫米粗骨料的预拌混凝土
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一种可与现有建筑设备相连的通用型混凝土3D打印机
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可直接在预先绑扎好的钢筋周围打印混凝土
引言
混凝土3D打印技术通过从喷嘴逐层挤出砂浆来构建结构[1]。这类结构通常具有空心腔体，先在其中放入钢筋，再灌注混凝土以完成结构建造。这种方式无需模板即可完成结构施工[2]、[3]。
人们认为混凝土3D打印技术能够缩短施工时间、降低成本并减少劳动力需求[4]、[5]、[6]，但实际应用中并不总能见到这些优势[7]、[8]。此外，该技术还存在诸多问题，比如通常需要现场搅拌砂浆[9]，打印层之间的结合力较弱且易出现裂缝[10]、[11]。混凝土3D打印机也需要体积固定的专用设备，而且打印出的结构仅包含横向加固筋[13]。
目前，针对3D打印混凝土的加固设计尚未形成统一标准，其能否满足机械性能和建筑使用要求也尚不确定[14]。许多研究致力于通过各种加固手段提升结构的强度。最常见的加固方法是在混凝土中插入钢筋或其他加固材料[15]。不过Bos等人[16]发现，在3D打印混凝土结构中直接加入钢缆会导致混凝土与钢缆之间出现粘结失效。尽管人们采用了多种方式对打印层进行加固，包括纤维加固[17]、[18]、预置或后置加固[13]、[19]以及层内加固[20]，但真正采用传统加固网格的方法仍然很少。
有中国学者提出了一种可进行大规模3D打印的技术，该技术同时具备纵向和横向加固功能。这种技术要求在打印混凝土层之前先预置加固材料，然后通过预置加固材料两侧的喷嘴逐层灌注混凝土[21]。虽然这种方法可以实现纵向和横向加固，但每层的打印高度十分有限。此外，打印前还需要为打印机准备基础。Marchment等人[12]则提出了一种新的方法，即利用钢网同时实现打印和加固。每层中的加固筋会在层间相互重叠，从而形成连续的加固结构。实验结果表明，这种重叠式钢网加固效果良好。不过，仍需对该技术制成的结构进行更大规模的测试。
近年来虽然已有许多大规模的现场混凝土3D打印技术得到应用，但如何为3D打印混凝土提供有效加固依然是个重大挑战，关于在3D打印中应用传统加固材料的研 究也相对较少。此外，这些技术使用的骨料尺寸都不超过15毫米（0.6英寸），因此所使用的混凝土仍与传统的浇筑混凝土有很大差异。
为克服这些局限，混凝土3D打印技术应借鉴成熟的混凝土施工方法。滑模施工就是其中一种方法，它能够在保证结构形状稳定的同时实现传统混凝土的连续浇筑。滑模施工广泛应用于路面、墙体和粮仓建设[22]、[23]、[24]。这是一种连续浇筑混凝土的方法，新鲜混凝土被倒入移动的模板中，同时在混凝土流出模板时需具备足够的刚度和形状稳定性[25]、[26]。这种施工方法使用流动性较低的混凝土混合物，将混凝土压入移动的模具中。混凝土在设计上需能在离开移动模板后保持形状。虽然滑模施工难以实现复杂或定制化的结构形状[27]、[28]，但它有望解决混凝土3D打印中的许多问题，比如在钢筋周围浇筑混凝土以及使用传统混凝土。
本研究提出了一种受滑模施工启发的新型混凝土3D打印方法，该技术可使用现有的建筑设备在钢筋周围打印混凝土。此外，这种打印机使用的还是常规预拌混凝土，其骨料直径可达25毫米。该打印机的打印高度可在200毫米到400毫米（8英寸到16英寸）之间调节，宽度则在100毫米到300毫米（4英寸到12英寸）之间可调。本研究采用的技术也被称作箱式螺旋钻法（BAM）混凝土3D打印技术。为了实现混凝土3D打印，BAM技术采用了由螺旋钻驱动的挤出喷嘴来供给混凝土的专用打印箱。虽然该机器采用与传统混凝土3D打印相同的逐层沉积技术，但无需任何数字模型或图纸来控制机器运转、喷嘴移动或混凝土的挤出过程。实际上，这些参数的控制方式与滑模施工类似，操作人员需要手动调整机器的移动和挤出速度。因此，BAM不应被视为完全自动化的混凝土3D打印系统。该设备曾在14小时内打印出一座6米×9米（20英尺×30英尺）、墙高2.44米（8英尺）的建筑。
这种方法解决了传统混凝土3D打印技术存在的诸多问题，比如能够使用含有大颗粒骨料的传统混凝土，更大的打印层有助于增加层间接触面积，可通过使用低水胶比的混合料来减少裂缝，无需专用设备，还能在预先绑扎好的钢筋周围进行打印。本文介绍了这一技术，阐述了其研发过程，并通过一个实际案例展示了其在建筑中的应用效果。
章节节选
设备概述
本研究使用的设备被称为箱式螺旋钻法（BAM）混凝土3D打印系统，如图1a所示，它被安装在车辆上。BAM技术通过由螺旋钻驱动的挤出喷嘴为专用打印箱供料，从而实现混凝土3D打印。该系统配有通用接口，可安装在诸如滑移装载机、推土机或挖掘机之类的现有建筑设备上。虽然也可以与起重机配合使用，但本研究的重点是地面安装式的车辆。
水泥基材料
本研究使用了符合ASTM C595标准的波特兰石灰石水泥。在所有混合料中，有20%的水泥被符合ASTM C618标准的C类粉煤灰替代。这些水泥基材料的规格如表1所示。
骨料
打印该建筑时使用了当地开采的碎石灰石和天然砂。这些骨料的尺寸、比重和吸水率如表2所示，骨料级配信息则列在附录中。
建筑施工
为展示这款3D打印机的实用性，研究人员在俄克拉荷马州立大学校园内建造了一座6米×9米（20英尺×30英尺）、单层结构的储存建筑，其墙体高度为2.4米（8英尺）。该建筑的建造遵循ACI 318标准，为这项技术的实际应用提供了示范。
实际应用意义
BAM技术采用受滑模施工启发的3D打印方式，有效解决了基于砂浆的混凝土3D打印技术存在的诸多问题。这大大降低了墙体建设的时间和成本。由于BAM技术可以使用常规建筑设备，成本更低，且所用的混合料更为环保，可通过预拌混凝土获得，因此具有广泛应用的潜力。随着建筑行业劳动力日益短缺，像BAM这样的解决方案将变得至关重要。
结论
本研究提出了一种名为箱式螺旋钻法（BAM）的新型混凝土3D打印技术，这是一种受滑模施工启发的逐层混凝土浇筑/打印技术。该技术可使用含有最大25毫米（1.0英寸）骨料的预拌混凝土在钢筋周围进行打印。BAM技术介于手工操作的滑模施工和完全自动化的混凝土3D打印之间。该打印机设计为可安装在常见的建筑设备上。
作者贡献说明
Masoud Forsat： 文章撰写——审稿与编辑、文章撰写——初稿撰写、结果验证、项目管理、研究实施、正式分析、数据整理。M. Tyler Ley： 监督指导、项目管理、方法设计、概念构思。James A. Beckstrom： 结果验证、监督指导、项目管理、方法设计、研究实施、概念构思。
数据可用性
如有必要，相关数据和支撑材料可向通讯作者索取。
利益冲突声明
? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。
致谢
作者们要感谢Uddin博士提出的宝贵意见，同时也感谢Dolese Bros. Co.公司为该项目提供混凝土支持。Coleman Krout、Jagger Coulson、Jace Busteed、Behzad Tahmouresi和Kyler Finley也为项目的实施付出了大量的体力劳动。
