3D打印混凝土材料及混凝土建筑技术进展Word下载.docx

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3D打印是近年来发展起来的高新技术，已在机械制造等行业取得很大成功，在材料和建筑等领域也有所发展。

本文在介绍通用3D打印技术进展的基础上，着重阐述了混凝土材料的传统施工工艺、国内外3D打印混凝土技术与其材料和施工工艺的发展现状，讨论了3D打印混凝土当前所面临的问题，并对3D打印混凝土提出了未来展望。

关键词:

3D打印;

3D打印混凝土;

3D打印干混砂浆;

施工工艺

Progressof3DPrintofConcreteMaterialsand

ConcreteConstructionTechnology

Abstract:

3Dprintingtechnologyisahigh-techthathasdevelopedinrecentyear，whichhasgotgreatsuccessinthemachine-buildingindustry，materials，constructionandsoon.Thepaperisdividedintothreepartsabout3Dprintingconcretetechnology.Firstly，basedontheintroductionofgeneralprogresson3Dprintingtechnology，thispaperfocusonthetraditionalconstructiontechnologyofconcretematerialsanddevelopmentstatusof3Dprintingconcretetechnologywithmaterialsandconstructiontechnology．Secondly，thepaperdiscussesthecurrentproblemsof3Dprintconcrete．Finally，itproposesthefutureof3Dprintingconcrete．

Keywords:

3Dprinting;

3Dprintingconcrete;

3Dprintingdry-mixedmortar;

constructiontechnology

1引言

当代建筑用量最大、范围最广、最经济的建筑材料-混凝土的发展虽然只有不到200年的历史，却已成为当代社会使用量巨大的建筑工程材料，为人类社会的发展与前进做出了不可取代的贡献。

然而随着工程建设的不断加快，混凝土在生产应用方面的高能耗、高污染的弊端也逐渐显露出来，严重阻碍了其发展。

为适应绿色制造发展需求，混凝土需要不断地注入新鲜的血液。

3D打印作为第三次工业革命的重要标志，广泛应用于各个研究领域，对传统社会生产产生巨大冲击，成为改变未来的创造性技术。

以3D打印为基础的3D打印混凝土技术作为一种新型技术，必将成为混凝土发展史上的重大转折点。

3D打印混凝土建造完毕后建筑虽然不需要内置布置钢结构进行加固质，但其质地类似于大理石等物质，较传统混凝土具有更高的强度。

由此不难看出，普通水泥混凝土已经很难满足其技术要求，因此对混凝土性能提出来更高的要求，以适应3D打印建筑技术的需要。

图2轮廓工艺［6］图3GPＲ（a）与FＲP（b）［7］

为满足3D打印建筑的需求，混凝土拌合物必须达到特定的要求。

以下从混凝土的组成进行分析。

首先，普通硅酸盐水泥在强度，凝结时间等方面可能无法达到3D打印的要求，需在此基础上做进一步的研究。

如改变水泥组成中的矿物组成、熟料的细度等。

如采用硫铝酸盐水泥或者铝酸盐改性硅酸盐水泥等获得更快的凝结时间和更好的早期强度等。

其次，3D打印是通过喷嘴来实现的。

喷嘴的大小决定了混凝土拌合物配制中的颗粒大小，并且必须找到最合适的骨料粒径大小。

骨料粒径过大，堵塞喷嘴;

粒径过小，包裹骨料所需浆体的比表面积大，浆体多，水化速率快，单位时间水化热高，将会导致混凝土各项性能的恶化。

再次，配制的混凝土拌合物要有合适的配合比，由于作为满足3D打印的原料新型混凝土已经不同于传统的混凝土，其各项性能发生了很大的变化，不能由传统的水胶比、砂率等所能决定，其基本性能发生巨大改变。

目前与混凝土相关的理论，如强度、耐久性、水化作用等，均不能很好的满足3D打印混凝土的要求。

为使打印混凝土获得理想的状态，如高强度，好耐久性，良好的拌合性能，合适的凝固时间，良好的工作性、可泵性和可建筑性，需要从新的角度去完善理论。

最后，外加剂是现代混凝土必不可少的组分之一，是混凝土改性的一种重要方法和技术。

3D打印混凝土必须具备更好的流变性以便于挤出且能在空气中迅速凝结防止由于自身重力破坏打印混凝土的结构，并且骨料的最大粒径会变得更小以及其形貌更接近圆形，从而导致级配也将变的更加复杂，最终还需要解决各层之间凝结问题，这就需要新型外加剂来解决。

从材料流变学的角度考虑，3D打印混凝土应该具有较高的塑性粘度、较低的极限剪切应力，如此它不具有流淌性却具有好的可塑性，同时应有较快的凝结时间和较高的早期强度。

除此之外，还应该考虑配合比对于打印混凝土的收缩率的影响以及孔隙结构对于打印混凝土的影响。

例如，Le等［9］研究表明:

低的水胶比和粉煤灰比例有助于降低打印过程的收缩率;

小的孔隙结构可以提高打印混凝土的品质。

在此基础上，打印混凝土的可浇筑性和挤出性受到混凝土的和易性和凝结时间的影响。

在3D混凝土打印过程中还必须保证打印完成部分的完整性，不会由于自身的重力因素而出现塌落，倾斜等变形现象，这就要求其具有良好的可塑性，凝固时间短，早期强度高，能够承受自身重量和打印过程中的动载荷，使下一层打印胶结不受影响。

4.23D打印混凝土的施工和3D打印建筑

随着3D打印混凝土技术的不断发展和深入，3D打印建筑也应用而生。

目前，在中国上海青浦出现了第一批3D打印房屋（如图4）［10］，其主要以高标号水泥、建筑垃圾和玻璃纤维为打印原料，并且此次工程并非传统的3D打印，而是通过人工现场组装3D打印机打印出的一层层的房屋结构而完成的。

在不久将来，由荷兰建筑师JanjaapＲuijssenaars与意大利发明家EnricoDini（D-Shape3D打印机发明人）一同合作利用3D打印技术建造一栋名为“LandscapeHouse”的建筑［11］。

这些是3D打印建筑的巨大突破，将3D打印建筑技术实际化。

图4上海青浦3D打印房屋

轮廓工艺作为新型的施工工艺很好地提升了3D打印混凝土的实用化。

轮廓工艺是一项通过电脑控制的喷嘴按层挤出材料的建筑技术。

轮廓工艺是一项混合技术，主要包括外部轮廓和内部轮廓两部分，通过挤压成型形成外部轮廓，再通过挤压浇筑或注入来填充内。

填充内核的作为结构加固的挤压模型系统［12］。

泥刀作为此项技术的关键特点，用于抹平和精确规整每一层的外表和顶面，这就解决了在实际建筑过程中，由于3D打印建筑是层层堆积的过程，不可避免地导致层级堆积效应，出现表面粗糙，横向条纹明显的现象（如图5）。

图53D打印成品表面［12］图6轮廓工艺成品表［12］

利用轮廓工艺的3D打印混凝土可在打印过程中减少表面粗糙等现象（如图6），减少了后期的表面平整的工作;

由于轮廓技术能够建造出单曲率和双曲率的建筑，可以实现建筑的个性化;

同时轮廓技术有利于进精确建造;

此外，打印设计中可以通过对内部系统的填充来提高打印建筑的结构性能。

53D打印建筑干混砂浆材料与工艺

干混砂浆又称干粉砂浆、干拌砂浆，它是将水泥、砂、矿物掺合料及功能性添加剂按照一定比例，在专业生产厂于干燥状态下均匀拌制、混合成的一种颗粒或粉状的混合物，然后以干粉包装或散装的形式运至工地，按规定比例加水拌和后即可直接使用的干粉砂浆材料。

干混砂浆由于其使用的方便性、灵活性等而受到工程界的青睐，近年来得到了越来越广泛的应用。

随着3D打印技术出现，干混砂浆也将脱出目前普通砂浆的内涵，作为复合材料其生产方式将同时向为建筑结构主体服务和辅助服务的一体化道路［13］。

在3D打印建筑中，干混砂浆将广泛地作为打印机的“墨水”。

3D打印建筑干混砂浆对于材料的要求同打印混凝土的要求相类似，都要求其具有良好的可塑性等性能。

与打印混凝土不同的是，打印干混砂浆通常使用粘结沉淀成型的方法进行打印。

粘结沉淀成型原理是按照CAD模型数据通过机械控制将胶水打印在每层砂石粉上的设计区域，反应硬化后清除多余部分，得到打印的物体。

3D打印干混砂浆可以改善构件的相关性能。

例如:

3D打印干混砂浆的板材将具有互相扣接设计，会更牢固和安全，利用3D打印仿生技术设计的结构具有可以有效的缩短施工周期、降低风险、不易脱落等优势。

63D打印混凝土建筑存在的问题

3D打印建筑虽然相比传统建筑具有强度高、建筑形式自由、在建筑时间、环保性、节能等几大突出的优势。

但作为一种目前正处于研发试用阶段的新型技术，不可避免地存在以下问题:

（1）原材料的问题［14］。

与传统的混凝土施工工艺相比，3D打印混凝土对原材料的流变性和可塑性提出了更高的要求。

普通水泥可能已无法同时满足建筑性能与打印技术的要求，骨料有可能会采用新的破碎工艺以制造出的粒径更小，颗粒形貌更接近圆形的骨料，外加剂在混凝土中不仅要保留已有的性能，还要解决各层之间如何完美无缺的结合问题。

（2）精度的问题［15］。

建筑设计非同儿戏，它的完成实现需要分毫不差的精确度，但是3D打印技术是否会出现偏差，以及应该做好预防工作是3D打印技术在建筑设计模型应用中应该注意的问题。

由于3D打印混凝土工艺发展还不完善，快速成型的零件的精度及表面质量大多不能满足工程使用的要求，不能作为功能性部件，只能做原型使用。

（3）软件的问题［16］。

与传统混凝土施工不同的是，3D打印混凝土是降维制造，需要将3维模型转化为2维模型以方便打印工作的进行，因此需要相关软件在电脑上完成相关的工作，在通过自动化程序使之转换为实物，所以软件是3D打印的重要部分，是将模型数据化的重要环节。

软件的开发是至关重要的。

目前，我国还没有专业的软件公司与3D打印相配套，形成完整的产业链。

（4）打印设备的问题。

随着技术的发展3D打印设备在快速发展，一台3D打印设备价格从最初的几十万美元到现在的几千美元，再到我国五千多人民币的价格。

3D打印设备在不断地走向大众，走进各个领域。

然而，目前的3D打印混凝土设备还不能够完全满足其应用环境的特殊性的要求。

例如，目前使用的打印设备只能满足平面扩展阶段，可用于低层大面积建筑的建设，而对于广泛使用的高层建筑还无法进行打印。

此外，3D打印混凝土与传统混凝土相比，发生很大变化，需要重新建立一套施工工艺和安全规范措施等。

7结论与展望

（1）传统建筑技术会产生很高比例的建筑垃圾。

据预测，中国每年20亿m2以上的工程建设将持续10～15年，同时每年会产生约6亿t的建筑垃圾［17］。

而3D打印混凝土技术在建筑过程中由于支模拆模的繁琐程序的取消，实现了混凝土的充分利用，降低了水泥用量，降低了建筑垃圾的产生，符合当今绿色发展的主题;

（2）3D打印混凝土及砂浆作为一种新型技术，需要不断地对原材料的选择，配合比设计和配制理论，外加剂的使用等方面进行深入的研究，以此完善其性能的要求;

需要不断地对配套软件的研究，以使3D打印更加自动化，达到最佳效果;

也需要不断发展对3D打印机械的研究，以实现高层打印，使打印建筑在高层建筑方向得到更好地发展;

更