ECC將在建筑3D打印中發揮更大作用

——訪美國密歇根大學教授李志輝

2019-12-13 13:58:40

  ■本報記者 袁嵐 吳躍

  這是一個陽光明媚的上午,在第二屆建筑3D打印國際會議召開期間,《中國建材報》記者采訪了前來參加會議的美國密歇根大學教授李志輝(VictorC.Li)。

  李志輝是愛笑的,在整個采訪過程中,他爽朗的笑聲一直感染著記者。他用通俗易懂又不乏幽默的語言,向專業一竅不通的記者講解著高延性水泥基復合材料(ECC)的特性和應用情況,以及未來的發展方向。記者仿佛是在與一位和藹可親的鄰居聊天喝茶,而并非是采訪行業內頂尖的學者、ECC發明人。李志輝現任密歇根大學JamesR.Rice杰出大學講席教授和土木工程系E.B.Wylie學院講席教授,同時也是美國土木工程師學會、美國機械工程師學會、世界創新論壇和美國混凝土學會高級會員,主要研究方向為新型多功能建筑材料、提高基礎設施工程可持續性和可靠性。2016年,他曾獲得建筑行業理事會頒發的國際創新獎和RILEM終身成就獎。

  采訪是在笑聲中開始的。

  李志輝的開場白十分有趣。他說:“今天的采訪,我很緊張,因為我的普通話講得很不好,有些詞語不能用中文準確地表達清楚,我只能用英文來表述了,這樣會讓你們很為難,真是不好意思。”

  英文“小白”的記者笑著說:“您的普通話講得很好,雖然帶有一點點粵語腔調,但比起英文,我們還是聽得懂的。”采訪逐漸進入主題:“我們查閱了一些資料,發現ECC有許多不同的中文定義,您認為哪一個最為準確?它有什么樣的特性?”

  李志輝說:“高延性水泥基復合材料是ECC最準確的中文名稱。混凝土是工程建設中用量較大的建筑材料,它的使用已有200余年的歷史,人們一直在不斷地對其進行改良,但混凝土依然存在抗拉強度低、韌性差、易開裂等問題。與普通混凝土相比,ECC具有優異的抗拉、抗彎和抗剪性能,還具有金屬般的韌性,其延伸率是普通混凝土的幾百倍,俗稱‘可彎曲混凝土’。這種材料可通過大變形來耗能,進而提高結構的抗震性能,它還可提高基礎設施的可靠性,延長建筑的使用壽命。目前,ECC在日本的高層建筑中應用廣泛。已建成的高層建筑最高可達60層,ECC用于制作抗震耗能連梁。此外,ECC在橋梁、隧道等的建設及修復中也有使用,可以提高結構耐久性及延長使用壽命。”

  李志輝總結說,ECC的研究主要有三方面目標:其一是提高材料延性和可靠性;其二是提高結構耐久性,減少修復工作;其三是提高材料和結構的可持續性,建立建筑與自然環境的和諧關系,這正是他目前的研究重心。全球氣候變暖主要是由人類活動導致的二氧化碳等溫室氣體排放增多而引起的,如今已引起世界各國科研人員的關注。而混凝土行業屬于高碳排放行業。目前,他正在開展碳捕捉方面的研究,利用ECC吸收大氣中原有的或工廠排放的二氧化碳,將它變成ECC的生產原材料。這項工作還處于研究階段,預期一年內實現試應用。

  在談到ECC在建筑3D打印中的應用時,李志輝說:“10月13日,我來到河北工業大學,在現場親眼見到了利用混凝土3D打印技術建造的仿古趙州橋,把目前最前沿的建造技術與一座古老的橋梁結合在一起,是非常有意義的工作。河北工業大學副校長馬國偉及其團隊只用一年就完成了仿古趙州橋的打印,是十分了不起的。它的落成是一個里程碑,標志著3D打印技術應用到建筑中已不再是一個想法,建筑3D打印技術必將成為土木工程領域未來的方展方向。”

  據了解,混凝土3D打印是一種將水泥基復合材料逐層堆疊的新型增材制造技術,3D打印是無模快速建造過程,可以在沒有模板支撐的前提下,自由靈活地快速建造異型混凝土結構。在建筑設計方面,設計方案更加自由靈動,適合建造異型的、定制化的建筑和結構構件。相比傳統的施工建造,3D打印可節省90%以上的模板與支撐,節省約1/3的建筑材料和2/3的人工,高度自動化的打印過程可大大提高建造效率,是推動裝配式建筑與智能建造發展的革新技術。因其無模化、自動化、快速化和靈活化的建造優勢在建筑、橋梁、基礎設施等領域迅速興起,可推進建筑行業向綠色化、工業化、智能化方向發展。

  李志輝認為,雖然建筑3D打印技術有很多優點,但仍然存在一些難題。3D打印是通過擠出方式將混凝土一層一層疊加打印出來的,很難在打印過程中植入鋼筋。混凝土是脆性材料,如果不加入鋼筋,混凝土很容易斷裂,構件承載力低,而且會出現耐久性和可靠性差等問題。采用具有高延性的ECC作為3D打印材料,能夠提高構件的承載力,實現無筋建造。

  李志輝指出,目前,建筑3D打印技術還處于初級階段,需要科研、設計、施工等相關人員的共同配合。在實現建筑3D打印技術工業化的過程中,建筑材料研究是關鍵。如同普通打印機的油墨,材料科研人員就是要將ECC變成建筑物3D打印的“油墨”。目前,美國、歐洲一些著名大學,以及國內的東南大學、同濟大學等都在研究將ECC應用于3D打印。

  李志輝說:“近年來,我與國內的合作十分廣泛,和清華大學、同濟大學、東南大學等都有技術交流與合作。而且,我的許多中國學生畢業后回到了國內,也都在進行ECC的研究與應用。國內的建筑市場十分廣闊,ECC應用潛力巨大。”

  李志輝向記者補充,ECC是一個多功能、系列化的材料。它可在高延性的基礎上,實現自愈合、自感應、光催化等諸多功能,可以說,ECC的發展空間是非常廣闊的。在應用過程中,ECC標準的制定是非常重要的環節。目前,河北工業大學教授周健帶領團隊完成了國內第一個建材行業標準JC/T2461-2018《高延性纖維增強水泥基復合材料力學性能試驗方法》的制定,已經于2018年4月30日發布,2018年9月1日開始實施,這對ECC的標準化和規范化及其應用意義重大。

  最后,李志輝向記者表達了感謝:“ECC是一種新型建筑材料,只有讓更多的人認識和了解它,才能推動它的工程應用。我曾接受過CBS晚間新聞、CNN、Discovery頻道、建筑實錄和福布斯雜志等媒體的采訪,向大眾介紹ECC特性及用途。很感謝《中國建材報》對ECC的關注,這將會讓更多的人知道ECC,推動ECC在基礎設施中的應用,充分發揮它的優勢,解決現有建筑行業的問題。”

  責編:張文齋 審核:王怡潔


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