3D打印混凝土材料及混凝土建筑技术进展

1、3D打印混凝土材料及混凝土建筑技术进展单 位：请输入单位 姓 名：请输入姓名 完成日期：2021年10月22日3D打印混凝土材料及混凝土建筑技术进展摘要：3D打印是近年来开展起来的高新技术,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打印技术进展的根底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开展现状,讨论了 3D打印混凝土当前所面临的问题,并又t 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Progress of 3D Print of Concrete Materia

2、ls and Concrete Construction TechnologyAbstract: 3D printing technology is a high-tech that has developed in recent year , which has got great success in the machine-building industry , materials , construction and so on.The paper is divided into three parts about 3D printing concrete technology .Fi

3、rstly,based on the introduction of general progress on 3D printing technology , this paper focus on the traditional construction technology of concrete materials and development status of 3D printing concrete technology with materials and constructiontechnology . Secondly , the paper discusses the c

4、urrent problems of 3D print concrete . Finally , it proposes the future of 3D printing concrete .Key words: 3D printing; 3D printing concrete; 3D printingdry-mixed mortar; construction technology1引言当代建筑用量最大、范围最广、最经济的建筑材料-混凝土的开展虽然只有不到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,为人类社会的开展与前进做出了不可取代的奉献.然而随着工程建 设的不断加快,

5、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,严重阻碍了其开展.为适应绿色制造开展需求,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打印为根底的3D打印混凝土技术作为一种新型技术, 必将成为混凝土开展史上的重大转折点.本文以3D打印技术为出发点,介绍传统混凝土的施工工艺以及3D打印混凝土及砂浆的开展与技术进展,并在对3D打印混凝土技术的熟悉的根底上,进一步研究其存在的问题,并对其未来的开展趋势提出了观点.2 3D打印技术进展根据美国材料与试验协会ASTM3D打印技术

6、委员会F42委员会公 布的定义,3D打印是一种与减材制造和等材制造等传统的制造技术迥然 不同的,以模型的三维数据为根底,通过打印机喷嘴挤出材料,逐层打 印增加材料来生成3D实体的技术,因此又称为添加制造 AMI, Additive Manufacturing 1.其包含诸多方面的前沿技术知识,具有很高的科 技含量,例如：建模技术、机电限制技术、信息技术、材料科学等.目 前,轮 廓工艺2、D-Shape 3、打印混凝土 4作为三大增材制造 工艺在公共领域尤其在建筑领域具有很好的前景.3D 打印技术主要包括3D建模、3D分割、打印喷涂和后期处理等四 局部组成.3D建模是3D打印的根底,3D建模质量

7、的好坏决定了 3D打印 的优劣；3D分割是将模型切成一层层的薄皮,此过程是由计算机的软件 实现；打印喷涂是将成型材料逐层的喷涂或熔结到三维空间中,最近几 年较普遍认同的是先喷一层胶水,然后再在上面撒一层材料,如此反复；后期处理是指在打印完成后一般都会有毛刺或者粗糙的外表,此时需要 进行后期处理.由此可以看出与传统材料加工方法截然相反,3D打印是基于三维数据,然后通过3D打印机逐层打印,这样就不必事先制造模具, 不必在制造过程中去处理大量的材料,也不必通过复杂的锻造工艺,最 终在生产上实现结构优化、节约材料和节省能源.3D打印技术起源于19世纪末的美国,于20世纪80年代得到实现与开展. 起初由

8、于其昂贵的价格,技术的不成熟等,并没有得到推广普及.但经 过30多年的开展,3D打印技术也逐渐成熟,且价格也大幅下降.目前3D打印作为“第三次工业革命的重要生产工具,正在成为一种迅猛开展 的潮流,广泛应用到各个研究领域,如生物医疗领域已使用3D打印技术成功地研制出了人造骨骼等人体组织器官,对生物医学技术的开展具有 重大的作用；航天航空领域利用3D打印技术制造现状复杂、尺寸微细、 性能特殊的零部件、机构直接制造,实现精细制造；在个性化领域中,3D打印技术可应用于 珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意 DIY作品的设计和制造等,除此之外, 3D打印技术还在模具制造、电子信息领域、汽车制造领域具有广泛应用.

9、3传统混凝土材料与施工技术混凝土是当代最大宗的、用量最大的土建材料,在当代城市化进程不断 加快的中国扮演的角色也愈加重要.混凝土的强度性能和耐久性与施工 技术有着密切的关系.根据ASTMC125I凝土和混凝土骨料有关术语的标准定义和ACI116委员会水泥和混凝土工艺学的术语规定,混凝土是 主要由胶结介质和埋在其中的骨粒颗粒或碎片所组成的复合材料.与整个所期望的使用年限相比,混凝土的施工所耗时间是可以忽略 的,但在这段时间内却要经过许多施工操作.这些操作工序不仅受到材 料性能的影响,同时也对材料的使用性能产生作用.一般来说,混凝土材料施工主要包括混凝土的浇灌、捣实、抹面、养护和脱模等过程.混凝土

10、是在水平方向上以一致的厚度分层铺筑的,所以在浇筑的过 程中要保持足够快的浇注速度,以确 保在铺筑新的一层时,紧靠下面的 一层仍处于塑性形态,预防产生冷接头、流纹以及两层交界的薄弱面；捣 实是使混凝土充填模板并围绕埋入的部件和钢筋模制成型,以除去其中的空隙和空气的过程.振动是最普通的用来捣实混凝土的方法.振动时 必须迅速把振动器插入拌合物中,然后缓慢地上下移动,这样有助于空 气的逸出；抹面是混凝土保证外表的平整和密实的有效方法之一,尤其 在混凝土路面、地板等平板面工程；养护对混凝土的强度和耐久性有着 重要的影响.养护目的有两个,一个是在到达要求强度水平的期间内, 预防水分损失以及限制混凝土的温度

11、；另一是基于密封外表预防混凝土 水分损失.对于路面或者地面可用水淹没进行养护；其它结构可喷水或 者喷雾,或者是用水将麻袋或棉布浸湿,然后覆盖混凝土保湿养护；对于快速凝结的建筑,可使用防水养护纸、聚乙烯薄膜或者成膜养护剂等；脱模一般是混凝土施工的最后一道工序.脱模时必须等到混凝土强度足 以承当固定荷载和强制结构载荷所产生的应力,同时混凝土还应有一定 的硬度,以便在拆模或者其它操作时,外表不致受到损害.很多时候在 脱模之后还会养护一定时间.了解传统混凝土材料及其施工技术对于发展如3D打印混凝土的新技术是不可或缺的重要根底.4 3D打印混凝土材料与工艺4.1 3D打印混凝土材料3D打印混凝土技术是将

12、3D打印技术与商品混凝土领域的技术相结合 而产生的新型应用技术,其主要原理是将混凝土构件利用计算机进行3D建模和分割生产三维信息,然后将配制好的混凝土拌合物通过挤出装置, 根据设定好的程序,通过机械限制,由喷嘴挤出进行打印,最后得到混 凝土构件.3D打印混凝土技术在实际施工打印过程中,由于其具有较高 的可塑性,在成型过程中的无需支撑,是一种新型的混凝土无模成型技术,具有以下两个优点6:既有自密实混凝土的无需振捣的优点,也 有喷射混凝土便于制造繁杂构件的优点.美国宇航局NASA与美国南加州大学合作研发出“轮廓工艺3D打印技术,在24小时内打印出大约232 m2的两层楼房如图2,大大节 约建筑时间

13、和建筑本钱,为绿色制造翻开了一扇大门7.目前玻璃纤维增强石膏、玻璃纤维增强砂浆等均可用于 3D打印建筑的无机胶凝基材. 例如上海盈创装饰设计工程所生产GPR 玻璃纤维增强石膏、FRP玻璃钢异性家具如图3所示等8.3D 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 图3 G PR(a)与FRP(b)工为满足3D打印建筑的需求,混凝土拌合物必须到达特定的要求.以 下从混凝土的组成进行分析.首先

14、,普通硅酸盐水泥在强度,凝结时间 等方面可能无法到达3D打印的要求,需在此根底上做进一步的研究.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,并且必须找到最适宜的骨料粒径大小.骨料粒径过大, 堵塞喷嘴；粒径过小,包裹骨料所需浆体的比外表积大,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适宜的配合比,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

15、大的变化,不 能由传统的水胶比、砂率等所能决定,其根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,适宜的凝固时间,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预防由于 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

16、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研究说明：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升 打印混凝土的品质.在此根底上,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 打印完成局部的完整性,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

17、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.4.2 3D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开展和深入,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Janjaap Ruijssenaars 与意大利创造家Enrico Dini D-Shape 3D打印机创造人 一同合作利用3D打印技术建造一栋名为“L

18、andscape House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限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局部,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,不可预防地导致层级堆积效应,出 现外表粗糙,横向条纹明显的现象 如

19、图5.图5 3D 打印成品外表12图6 轮廓工艺成品表利用轮廓工艺的 3D打印混凝土可在打印过程中减少外表粗糙等现 象如图6,减少了后期的外表平整的工作；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；止匕外,打印设计中可以通过对内部系统的填充来提升打印 建筑的结构性能.5 3D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 功能性添加剂根据一定比例,在专业生产厂于枯燥状态下均匀拌制、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

20、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效劳和辅助效劳的一体 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根据 CAD真型数据通过机械限制将胶水打印在每层砂石粉上的设计区域,反响硬化后去除多余局部,得到打印的物体.3D打印干混砂浆可以改善构

21、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 牢固和平安,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.6 3D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,不可预防地存在以下问题 ：(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

22、的骨料,外加剂在混凝土 中不仅要保存已有的性能,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 混凝土工艺开展还不完善,快速成型的零件的精度及外表质量大多不能 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

23、换为实物,所以软件是3D打印的重要局部,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.随着技术的开展3D打印设备在快速开展,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群众, 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.止匕外,3D打印混凝土与传统混凝土相比,发生很大变化,需

24、要重新 建立一套施工工艺和平安标准举措等.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 1015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,符合当今绿色开展的主题 ；(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,到达最正确效果；也需要不断开展对3D打

25、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开展；更需要不断地对轮廓工艺进行完善,以实现精细施工和外表细致化的要求,使打印 向精细化产品开展.参考文献1李小丽,马剑雄,李萍等.3D打印技术及应用趋势J.自动化仪表,2021, 35(1):1-5 .2 Khoshnevis B , Hwang D, Yao K , etal . Mega-scale fabrication by contour crafting J . International journal of Industrial and System Engineering , 2006, 1(3): 301-

26、3203 Enrico D . "D-Shape, : / d-shape .4 Lim S, Le T, Webster Jetal . Fabricating construction components using layer manufacturing technology A . in: Global Innovation in Construction Conference C. UK : 2021 13-165 王灿才.3D打印的开展现状分析J.丝网印刷,2021,(9) : 39-43.6 Le T T , Austin S A , Lim Set al . Mix design and fresh properties for high-performance printing concrete J. Materialsand Structures , 2021, (45):1221-12327 “轮廓工艺3D打印技术J.机械工程师,2021(3).8 盈创SR C(GR C)、盈恒石、GR G产品被评为绿色建筑材料及部品件推 荐产品OU . 2021-01-15 : / yhbm / newshow.aspx id = 39.9 Le TT, Austin SA, Lim Set al . Hardedpropert