2026年11月4日星，韩国蔚山科学技术大学（UNIST）研究团队开发出一种用于3D打印混凝土早期强度实时监测的超声波检测方法。该技术只需要在打印结构的一侧布置传感装置，即可连续判断混凝土在打印后的强度增长情况，从而为“什么时候可以继续打印下一层”提供量化依据。未来，这一方法有望进一步与建筑3D打印设备联动，实现层间等待时间和打印速度的自动调节。相关研究以题为“Characterizing buildabilitydevelopment of early-age 3D printed concrete using guided waves”的论文发表于《Cement and Concrete Composites》。
对于混凝土3D打印而言，打印速度并不是越快越好。材料从喷嘴挤出后，需要在较短时间内获得足够的承载能力。如果下一层打印得过早，下方仍处于柔软状态的混凝土可能发生变形，甚至导致整个结构坍塌；但如果等待时间过长，又会降低打印效率，并可能影响层间结合质量。研究团队重点关注的是混凝土的早期强度（Green Strength），也就是材料尚未完全凝结硬化时所具备的承载能力。这一指标与3D打印混凝土的“可建造性（Buildability）”直接相关。当下层混凝土的Green Strength足够高时，才能承受后续不断增加的材料重量而不发生明显塑性变形。
常规超声波检测虽然可以实现无损测量，但通常需要在混凝土两侧分别安装传感器，或者将传感器提前埋入结构内部。对于刚刚挤出的软质混凝土而言，直接接触或夹持不仅操作困难，还可能改变打印层的原始形貌。
单侧非接触主体结构的导波监测方案
本研究在混凝土打印件一侧安装一块薄的亚克力波导板，并在板上固定两个压电传感器（PZT），一个负责发射超声波，另一个负责接收信号。
△( a) 实验测试装置；(b) 使用铝波导测得的代表性原始信号；(c) 使用丙烯酸波导在不同时长（最长 120 分钟）下测得的代表性原始信号。振幅均以 10 分钟时测得的信号峰值振幅进行归一化。
超声波首先沿着亚克力板传播。当新鲜混凝土还比较柔软时，传入混凝土内部的声波能量有限，因此接收端仍能获得较强信号。随着水泥不断水化、混凝土逐渐硬化，亚克力板与混凝土之间的机械耦合增强，越来越多的超声能量从波导板“泄漏”进入混凝土，导致接收端检测到的信号逐渐减弱。通过分析这种超声波衰减程度，研究人员便可以间接判断混凝土早期力学性能的发展情况。研究团队最初同时测试了铝板和亚克力板。结果发现，铝板中的信号随混凝土硬化变化并不明显，而亚克力板对早期强度变化更加敏感，因此最终选择亚克力作为波导材料。
超声信号与早期强度相关性超过0.93
为了验证方法是否可靠，研究人员设计了三种不同的混凝土配方，包括一种基准材料，以及分别加入不同长度纤维素微纤维的两种混合料。
△所用纤维素微纤维 (CMF) 的形态
测试结果显示，随着混凝土逐渐硬化，一种被称为S0模态的导波峰值振幅持续下降，而对应的相对衰减值不断增加。超声参数与Green Strength之间的决定系数R²均高于0.93；具体分析中，相关指标约为0.927～0.975。数值越接近1，说明两组数据之间的对应关系越强。系统还能够识别三种不同混凝土配方在早期结构形成速度上的差异，这意味着它未来不仅可以判断“材料硬没硬”，还可能用于不同打印材料的在线状态识别。
真实打印三层样件得到相同趋势
实验室浇筑试样获得较好结果之后，研究人员进一步制造了一个实际的三层3D打印混凝土样件。结果显示，打印件中的超声信号同样随着时间推移逐渐衰减，变化趋势与浇筑试样基本一致，说明这套监测方式具有进一步用于真实打印过程的潜力。
△图示为打印的三层试件的测试装置及其尺寸。图中显示了三种混合料（浇筑和3D打印）在打印后第一小时内的S0波衰减情况。
UNIST研究团队的最终目标，并不是单纯制造一台“混凝土硬度检测仪”，而是希望把这一方法加入3D打印设备的控制系统。例如，首先通过实验建立超声衰减值与Green Strength之间的对应关系，再计算下层结构需要承受多少上部材料重量，就可以设定一个目标强度。当传感器检测到下层混凝土已经达到这一阈值时，打印机便可以自动启动下一层沉积。反之，如果材料硬化速度比预期慢，系统则自动延长等待时间或降低打印速度。这样一来，建筑3D打印有望从目前较多依赖预先设定固定层间时间，转向根据材料真实状态进行动态闭环控制。
仍需走向实际建筑尺度
研究团队现阶段仅在小尺寸试样和三层打印构件上完成测试，距离实际建筑规模还有明显差距。未来仍需要研究传感器与大型打印结构之间的耦合方式，同时验证不同材料、结构尺寸、环境温度及湿度条件下的稳定性。下一步，团队计划进一步建立超声信号与早期强度之间更准确的定量模型，并将实时估算出的GreenStrength与上层材料产生的载荷进行比较，从而真正形成可用于打印过程控制的“可建造性判断标准”。
事实上，超声无损检测近年来正在成为3D打印混凝土质量控制的重要研究方向。UNIST相关团队还在研究利用导波、表面波以及其他超声技术检测层间缺陷、材料刚度变化和内部损伤，希望建立覆盖打印过程乃至服役阶段的无损监测体系。对于建筑3D打印而言，材料配方和打印设备解决的是“能不能打印”，而在线监测与闭环控制解决的则是“能不能稳定地打印”。此次UNIST提出的单侧超声检测方法，把混凝土内部不断变化的早期强度转化成可实时读取的声学信号。如果未来能够与打印机器人、材料挤出系统和数字模型进一步联动，3D打印建筑或许将不再依靠固定的经验等待时间，而是能够真正做到——材料准备好了，打印机再自动开始下一层。
来源：南极熊
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