剑桥大学的研究人员与企业合作，开发了第一个用于国家高速公路项目的3D打印混凝土基础设施构件。

该构件是一种被称为“头墙”的挡土墙，它已经安装在康沃尔郡的A30高速公路上。挡土墙结构中嵌入了传感器，能够提供实时信息，包括温度、应变和压力在内的实测数据。这堵“数字孪生”墙能够帮助发现并纠正潜在的故障。

通常，这类挡土墙结构是用预制混凝土制成的，形状受限，需要模板和大量钢筋加固。但是通过使用3D打印技术，该团队设计和构建了一个曲线中空墙，无需模板和钢筋加固。这堵墙的强度不来自于钢筋，而是来自其自身的几何形状。

这堵墙用了一个小时的时间就打印完成，大约有2米高、3.5米宽。它是在Gloucestershire的先进工程公司Versarien总部，通过机械臂混凝土3D打印机打印的。使用3D打印技术制造墙体，显著节省了成本、材料和碳排放。

过去6年里，剑桥大学阿比尔·阿尔-塔巴教授在工程系一直致力于开发新的传感器技术，并研究现有商业传感器的有效性，以从基础设施中获取更高质量的信息。她的团队还开发了各种“智能”自愈混凝土。在这个项目中，他们提供了测量打印过程中温度的传感器。持续监测3D打印墙体不同层次的温度变化，以检测潜在的热点、温度梯度或异常。温度数据将与相应的热成像剖面相关联，以了解3D打印墙体的热行为。

阿尔-塔巴教授说：“由于3D打印需要一种极快凝固的水泥，也会产生大量热量。我们将传感器嵌入墙体，以在施工过程中测量温度，并且现在我们正在现场收集它们的数据。”

除了温度，这些传感器还测量相对湿度、压力、应变、电阻率和电化学电位。这些测量数据为传感器的可靠性、稳健性、准确性和寿命提供宝贵的见解。

该项目还使用了LiDAR系统来扫描3D打印墙体，以创建一个3D点云并生成墙体的数字孪生。

阿尔-塔巴教授说：“让墙体数字化意味着它可以自我表达。我们可以利用传感器更好地理解这些3D打印结构，并加速它们在工业中的应用。”

剑桥团队开发了一种称为PZT（压电陶瓷铅酸锆酸钛）传感器的类型，该传感器测量电-机械阻抗响应，并监测这些测量值随时间的变化，以便检测任何可能的损伤。这些智能传感器可以展示3D打印砂浆随着时间的变硬情况，同时监测主体结构的健康状况。

在3D打印过程中，有8个PZT传感器嵌入在墙体的不同位置，以捕获施工过程和现场安装后的负荷和应变情况。

该团队由智能材料、自动化与机器人技术和数据科学专家组成，还开发了一套专门的无线数据采集系统。这使得可以从剑桥远程收集嵌入传感器的多频电-机械响应数据。

阿尔-塔巴教授说：“这个项目将成为一个活生生的实验室，在其使用寿命内产生宝贵的数据。传感器数据和数字孪生将帮助基础设施专业人员更好地了解如何使用和调整3D打印技术，以便为战略道路网络打印更大型、更复杂的水泥基材料。”

剑桥团队的工作是“持久材料计划”和“未来数字道路”计划的一部分。这项研究得到了英国研究与创新（UKRI）的组成部分——工程与物理科学研究委员会（EPSRC）和欧盟的部分资助。