浅析3D混凝土打印技术在受环境制约的地下管线工程中的应用

浅析3D混凝土打印技术在受环境制约的地下管线工程中的应用

Summary：目前我国市政基础设施工程地下管线施工，普遍采用现场加工、预制管件装配等工艺方法，遇到受环境制约或危险性较大的分部分项工程等情况，由于地质条件和周围复杂的环境，存在施工灵活性差、安全系数低、经济成本高等问题。与传统的作业方式比较，3D混凝土打印技术可在复杂环境中高效率的完成施工作业，极大降低施工安全风险，解决了传统施工工艺在危大工程中低效率、高风险的困境，在节约成本、安全防护、工期进度等方面均会取得显著成效。Keys：3D混凝土打印技术、危险性较大工程、地下管线工程3D混凝土打印技术已在比利时、德国、丹麦、迪拜、伦敦等多个国家和地区的建筑领域中实际应用，我国2021年在深圳市宝安区福海街道使用3D混凝土打印技术打造一个总面积5000多平方米的景观广场。其中，3D混凝土打印技术在现场直接完成人行铺地、雕塑、挡土墙等建造，这是3D混凝土打印技术首次在市政工程建设的实际应用，该技术采用建筑垃圾、工业垃圾以及水泥、钢屑、纤维等作为原料，成型后具有很好的抗压性，随着3D混凝土打印技术日趋成熟，未来将在市政基础设施领域得到广泛应用。一、受环境制约的工程施工现状在市政基础设施地下管线施工中，如遇到基坑开挖深度超过5m（含5m）的基坑（槽），或基坑虽未超过5m，但地质条件和周围环境复杂、地下水位在坑底以上等情况，或施工作业面较窄、地质特殊无法使用常规作业方法时，常需要针对现场实际情况编制专项施工方案、组织专家对专项方案进行论证，投入大量人工、材料、机械才能完成施工作业，即增加经济成本，又随时需要堤防安全风险。二、3D混凝土打印技术在特殊环境中的优势（一）适应性强面对特殊的施工环境，例如在同一区域，地下管位已被燃气、热力、强弱电、国防通讯等管线交叉布满，无法新增雨污管道，或危大分部分项工程，3D混凝土打印技术以混凝土为原材料，通过机械臂，可以灵活的进入各种弯曲、狭窄等人工无法开展作业的空间进行操作，可根据现场情况量身定制，完成各类复杂几何形状、细节特点的管道构配件。（二）安全性高在工程建设中，常因施工企业没有严格落实安全管理措施、施工人员自身安全防护意识薄弱、对复杂特殊的施工环境没有明确的认知、使用不合格的建筑材料和防护设备等原因，埋下安全隐患，甚至发生安全事故。3D混凝土打印技术，全程由电脑程序后台操控，人工参与少，避免边坡坍塌、高空坠落等风险的出现，安全事故大幅减少，且用于建筑施工的安全措施费显著降低。（三）人工使用少随着我国人口逐渐老龄化，愿意从事工程建设的劳动工人越来越少，在工程建设中减少人力的使用势在必行，3D混凝土打印技术的出现，将原本需要投入大量施工人员才能完成的项目，转变为仅需几名技术人员操作设备，就能够更好的完成，不仅有利于推进我国建筑领域的更新迭代，更是对建筑业持续健康发展具有重大和深远的意义。（四）施工效率高、节约成本

传统的地下管线施工，工序复杂、工种多样，施工周期长，投入设备多，使用3D混凝土打印技术，能够极大的提高施工效率，在工期较紧、抢险救灾等情况下，更有明显的成效。与传统施工中资源消耗高、复杂环境措施费高、隐藏返工成本，3D混凝土打印技术，实现无模板逐层成型，数字化技术实现高精度施工，避免返工造成的人工、材料的浪费，在降本增效方面有显著的优势。（五）环保3D打印混凝土的原材料可以使用建筑垃圾、工业垃圾、尾矿等，在施工时不会产生新的废料，同时有效避免了构配件加工过程中的粉尘污染、水污染、碳排放，改善了建筑施工对生态环境的影响，杜绝了废料排放和施工噪音。使用3D混凝土打印技术，即可确保施工人员的安全，降低劳动力投入和劳动强度，又有利于缩短工期，减少物资浪费和能源消耗，减少扬尘污染与噪音，实现建筑工地绿色作业。三、3D混凝土打印技术尚存在的缺陷目前，3D打印混凝土胶凝材料主要是以无机材料为主，混凝土抗压性能良好，抗拉性能却较差，一旦拉应力超过抗拉强度，极易出现裂缝，因此打印材料需增加抗拉纤维，增加材料韧性，防止出现构件的脆性破坏。另外，3D打印混凝土还应具有较快的初凝时间和较高的初凝强度，由于打印过程中上层材料的堆积会对下层材料形成压力，如果下层材料在短时间内没有形成足够的强度，就会在压力作用下变形。3D打印混凝土的配合比较传统混凝土更高，使用高强度、低密度的近球型骨料，添加硅粉、矿粉、陶瓷抛光砖粉等矿物掺和料提高打印构件的强度，增加纤维材料提高抗裂强度和韧性、延性，增强打印层间的粘结力，通过促凝剂、早强剂、保塑剂等化学外加剂实现的凝结时间、强度的调节。随着3D混凝土打印技术的广泛应用，仍需研发具有良好抗拉、抗裂性能以及较快的初凝时间、较高的初凝强度的混凝土原材料，不断提高3D打印的成品构筑物强度、稳定性、安全性、耐久性等性能指标。四、结束语

钢筋混凝土技术仅用了100多年就让世界发生了翻天覆地的变化，3D混凝土打印技术高效率、低成本、灵活性高、降低作业风险、环保等优势，必将引领一个新的时代。在我国建筑业日渐智能化、自动化，材料、技术不断优化的情况下，3D混凝土打印技术顺应行业发展，是建筑业更新换代的有力支撑，是产业革命的有力保障，随着科研的不断发展，结合先进的材料合成技术，3D混凝土打印技术的应用领域也会日新月异，使其在大体量、大规模的桥梁、隧道、地铁中应用成为可能，推动建筑业的新变革。Reference：[1]刘厚才，莫健华，刘海涛，三维打印快速成形技术及其应用[J].机械科学与技术