新型建筑材料 课件 第13章 混凝土3D打印技术

第十三章

混凝土3D打印技术新型工程材料2026/1/242第十三章混凝土3D打印技术1234概述混凝土3D打印原理3D打印混凝土材料混凝土3D打印装备混凝土3D打印建造工艺CONTENTS52026/1/243第十三章混凝土3D打印技术1234概述混凝土3D打印原理3D打印混凝土材料混凝土3D打印装备混凝土3D打印建造工艺CONTENTS52026/1/24413.1概述

3D打印技术是一种基于数字模型文件的快速成型的新型制造技术，能够通过计算机控制和逐层打印将蓝图转化为实物。这种“去模化”的增材制造技术对许多金属和非金属材料及制品行业都是颠覆性的。随着水泥基3D打印混凝土新型材料的研发，混凝土3D打印技术为建筑领域和土工工程领域的施工提供了数字化、免模板、无人化的新型解决方案，从而大大提高了效率，减少了成本同时，也为复杂设计的建筑的未来建造工艺开辟了新的可能。2026/1/245第十三章混凝土3D打印技术1234概述混凝土3D打印原理3D打印混凝土材料混凝土3D打印装备混凝土3D打印建造工艺CONTENTS52026/1/24613.2混凝土3D打印原理

13.2.13D打印的概念

3D打印也称为增材制造，是一种通过逐层堆积材料来创建物体的制造技术。与传统的减材制造技术相比，3D打印是按照数字模型直接制造复杂形状的物体，无需传统加工方法中的模具或者切割过程3D打印技术根据不同的工作原理和应用材料，大致可以分为以下几种主要类型：（1）FDM（熔融沉积成型）（2）FFF（熔丝制造成型）（3）SLS（激光烧结成型）（4）SLA（光固化立体成型）（5）CLIP（连续液体提取成型）2026/1/24713.2混凝土3D打印原理

13.2.2混凝土3D打印的基本原理

混凝土3D打印技术是一种采用挤出堆叠工艺实现混凝土免模板成型的建造技术，是将混凝土材料应用于3D打印建造构筑物过程。现在这项技术已经能够建造包括原位3D打印建筑和装配式3D打印建筑在内的不同类型建筑物。混凝土3D打印基本原理涉及以下几个步骤：（1）数字建模：（2）切片处理（3）层叠打印（4）固化过程2026/1/24813.2混凝土3D打印原理13.2.3混凝土3D打印技术进展混凝土3D打印在维护墙体方面提供了快速响应的解决方案，不仅用于新型镂空墙体的建造，还可用于维护墙体、隔音声屏障墙体的打印。由于3D打印在设计和制造上的灵活性，可以根据需要打印出不同形状和尺寸的墙体元素，从而使维护工作更加高效和经济。这些应用展示了混凝土3D打印技术在建筑领域的多样性和广阔前景。图13-27自行车桥梁装配完成

图13-28上海混凝土3D打印步行桥

图13-29河北工业大学3D打印赵州桥2026/1/249第十三章混凝土3D打印技术1234概述混凝土3D打印原理3D打印混凝土材料混凝土3D打印装备混凝土3D打印建造工艺CONTENTS52026/1/241013.33D打印混凝土材料13.33D打印混凝土材料3D打印混凝土材料技术是建筑3D打印领域的核心，开发适用于建筑3D打印过程的高性能的3D打印混凝土材料对于技术的应用落地至关重要。3D打印混凝土是一种使用特殊配方的混凝土或者砂浆材料，它们通常包括水泥、骨料、纤维以及多种添加剂组成。利用这些添加剂调节材料的流动性、触变性、凝结硬化时间、强度和耐久性特性，使其适合通过打印头的挤出布料成型。与传统的混凝土相比，3D打印混凝土材料通常具有更好的触变性、较短的凝结时间，以便于通过3D打印机的挤出头逐层堆积。这种免模板的灵活性使的设计和建造更自由，实现较为复杂的几何形状和结构。

2026/1/241113.33D打印混凝土材料13.3.1原材料及作用机理1.水泥及胶凝材料：

水泥作为混凝土的胶凝材料，水泥在混凝土硬化过程中发挥着关键作用，与水反应生成水化硅酸钙胶凝体，将骨料粘结在一起。在3D打印混凝土领域，硅酸盐水泥基混凝土以其成熟的技术、广泛的应用背景和优化的性能特性，为构建复杂和定制化的建筑结构提供了坚实的基础，同时也在不断适应新的制造技术和环境要求。

2.骨料骨料分为细骨料（砂子）和粗骨料（石子），作为3D打印混凝土的骨架材料，骨料填充了水泥基质中的空隙，增加了混凝土的强度和稳定性。在3D打印混凝土中，骨料种类、粒径和级配不仅影响混凝土的基本物理和力学性能，还影响着打印混凝土的打印工作性和最终结构打印质量。

2026/1/241213.33D打印混凝土材料

3D打印混凝土的骨料通常来自以下的原材料来源。（1）天然骨料，来自河流、湖泊或海洋。天然沙的粒径、形状和纹理因来源而异，这些特性会影响混凝土的工作性和层间粘结。（2）人造砂石，由破碎的岩石、矿渣或其他工业材料制成。人造砂可以通过控制生产过程来调整其粒径和形状，从而满足特定的3D打印需求。（3）回收材料，如破碎的混凝土或砖石。使用这些回收材料不仅有助于资源的循环利用，还能降低环境影响。（4）轻质骨料，如膨胀珍珠岩、聚苯颗粒、轻质细陶粒等，这些轻质骨料可用于制造重量更轻、保温性能更好的3D打印混凝土。

2026/1/241313.33D打印混凝土材料合适的浆体与骨料比例可以带来以下好处：（1）提高打印性能：适当的比例确保混凝土具有足够的流动性，便于通过3D打印机的挤出系统。同时，它也需要有足够的稠度，以保持每一层的形状并支撑上面的层。（2）增强结构强度：适量的浆体可以有效地包裹骨料粒子，提高混凝土的整体密实性和强度。（3）改善耐久性：合理的比例有助于减少混凝土中的孔隙率，提高其抗渗透性和耐久性。这对于提高混凝土结构的长期性能和耐候性至关重要。（4）优化成本效益：正确的比例还有助于优化材料的使用，减少浪费，提高经济效益。

2026/1/241413.33D打印混凝土材料3.掺合料硅灰，作为一种高活性的硅酸盐材料，能显著提升3D打印混凝土的流变性能、触变性、力学强度和耐久性，也能提高3D打印混凝土的抗渗透性和耐化学侵蚀方面性能。它的细微粒度有助于优化混凝土的微观结构，提高打印层间的粘结力。粉煤灰，作为工业副产品，含有丰富的硅酸盐和铝酸盐，能够通过火山灰反应与水泥水化产物反应，生成更多的水化硅酸钙，从而提高混凝土的后期强度和耐久性。它还能改善混凝土的工作性和流动性，降低水泥用量，有助于减少3D打印混凝土的成本和环境影响。2026/1/241513.33D打印混凝土材料4.外加剂

在3D打印混凝土中，外加剂的应用对提高打印效率、增强结构性能和优化材料特性起着至关重要的作用。外加剂的种类繁多，包括减水剂、缓凝剂、速凝剂、触变剂、纤维增强材料和其他功能性添加剂，每种都有其独特的作用和优势。3D打印混凝土中普遍添加一定量的纤维增强材料，如钢纤维、玻璃纤维或合成纤维等，纤维的加入能够提升打印构件的结构强度和韧性，减少裂缝的发生，同时提高层与层之间的粘结力。通过合理选择外加剂和使用外加剂，可以显著改3D打印混凝土材料的流变性、力学性能、结构性能，其是3D打印混凝土中必不可少的组份。2026/1/241613.33D打印混凝土材料

13.3.2打印混凝土的关键性能1.3D打印混凝土的可打印性

可打印性是混凝土3D打印的关键，主要包括可挤出性、可建造性和开放时间。良好的可打印性能可以保证混凝土在打印过程中具有适当的流动性和可塑性，以确保打印结构的支撑成型和质量稳定性。如图13-30所示显示不同状态材料的可打印性差异。

图13-303D打印混凝土的可挤出性评价2026/1/241713.33D打印混凝土材料2.3D打印混凝土凝结时间3D打印混凝土技术中的胶凝体系调凝技术是打印混凝土成功的关键。控制凝结时间可以保证混凝土在打印过程中能保持足够的可塑性，同时又能够在打印完成后迅速硬化，提高打印效率和结构稳定性。不同的胶凝材料体系采用不同的调凝技术，以下是一些主要的胶凝体系和其对应的调凝技术：（1）普通硅酸盐水泥基材料凝结时间优化与调整（2）硫铝酸盐水泥基材料体系的凝结时间优化和调整（3）碱激发地质聚合物的凝结时间优化和调整2026/1/241813.33D打印混凝土材料13.4.3配合比及设计方法3D打印混凝土配合比的设计方法通常包括以下几个步骤：（1）确定打印混凝土的强度等级和性能要求：根据打印结构的使用环境和承载要求，确定混凝土的额强度等级和其他性能要求。（2）选择适当的水泥和骨料：根据3D打印混凝土的性能要求和打印工艺特点，选择适合的水泥和骨料种类和粒径、级配等。（3）确定水灰比和掺合料掺量：根据混凝土的流动性要求和硬化时间控制，确定适当的水灰比和掺量掺量。（4）进行3D混凝土配合比优化：通过性能测试和打印模拟实验，优化混凝土的配合比，以实现最佳的打印效果和结构性能。2026/1/2419第十三章混凝土3D打印技术1234概述混凝土3D打印原理混凝土3D打印技术进展混凝土3D打印装备混凝土3D打印建造工艺CONTENTS52026/1/242013.4混凝土3D打印装备13.4.1混凝土3D打印机的硬件形式混凝土3D打印设备的关键组成有：（1）打印头/挤出机：如螺旋挤出机、活塞挤出机和螺杆泵，用于挤出混凝土材料。（2）混凝土供应系统：包括搅拌器和输送泵，确保连续稳定的材料供应。（3）运动控制系统：包括笛卡尔坐标系统、极坐标系统和门型架移动系统，控制打印头按预定路径移动。（4）数字控制和软件：将设计模型转换为打印指令的计算机辅助制造软件和控制固件。。2026/1/242113.4混凝土3D打印装备13.4.2打印头

打印头是按照预定的路径和层次逐层负责挤出混凝土的关键组件。目前建筑3D打印机上常见的混凝土3D打印头有三种类型：单组分螺旋挤出打印头、双组份混合挤出打印头和螺杆泵直接挤出式打印头。1.单组分螺旋挤出打印头：这种类型的打印头使用单一类型的混凝土材料。它通过一个螺旋机构来挤出混凝土，通常用于处理具有一定流动性的混凝土。2.双组份混合挤出打印头这种打印头能够同时处理两种不同的材料，通常是混凝土和硬化剂或催化剂它在打印过程中混合这两种组分，提供更多的控制和调整硬化过程的灵活性2026/1/242213.4混凝土3D打印装备13.4.2打印头

3.螺杆泵直接挤出式打印头使用螺杆泵来直接挤出混凝土，提供了更高的挤出压力和精确的流量控制。这种打印头适用于一笔画简单路径模型的打印成型，对较高粘度的混凝土直接挤出成型较其他两种效果好。每种类型的打印头都有其特定的优势和应用领域，这些打印头的设计确保了在3D打印过程中混凝土的均匀和连续流动，同时也支持不同类型的混凝土。选择适当的打印头类型取决于打印任务的具体要求，包括所需的精度、速度、混凝土的性质等因素。此外，打印头的设计还需考虑易于维护和清洁，以保证长期高效运行。13.5.3打印切片控制软件在3D打印的全过程中，切片软件发挥着至关重要的作用。其主要任务是将数字化的3D模型转换为打印机可解读的层叠路径。2026/1/242313.4混凝土3D打印装备以下是3D打印切片控制软件的主要功能和特点：1.设计与模型创建2.切片过程3.路径规划和打印参数设置4.材料和打印头的控制5.模拟和预览6.生成G-Code

最终，软件将切片后的模型转换为G-Code，这是控制3D打印机动作的指令集。

3D打印切片控制软件对于打印质量、效率和准确性至关重要，尤其是在复杂的混凝土3D打印项目中，它能够确保设计准确地转化为实际打印的结构。建筑3D打印模型的制备和处理是一个涉及多个步骤和多种技术的流程。从最初的设计概念，到3D打印机的实际操作，每一步都要确保最高的精度和效率，从而使得建筑3D打印项目能够成功实施。2026/1/2424第十三章混凝土3D打印技术1234概述混凝土3D打印原理3D打印混凝土材料混凝土3D打印装备混凝土3D打印建造工艺CONTENTS52026/1/242513.5混凝土3D打印建造工艺13.5混凝土3D打印建造工艺

目前3D打印建筑的发展确实主要体现在两种方式上：现场原位打印建筑和3D打印构件的装配式建筑。表13-4两种技术方案的比较特点原位3D打印建筑装配式3D打印建筑建造位置在建筑最终位置直接打印在工厂预制部件后运输到施工现场打印机和打印工艺大型移动3D打印机，适应现场条件标准或定制3D打印机，依赖于模块化设计时间效率施工速度快，减少了传统建筑方法的时间打印部件时间取决于工厂生产效率，现场组装迅速成本效益长期可能更节省成本，减少人工和材料浪费初始投资高，但预制可降低现场施工成本2026/1/242613.5混凝土3D打印建造工艺13.5.1原位3D打印建造工艺两台打印机协同原位3D打印建造的工艺步骤如下：（1）打印机进场前需要完成建筑地面下基础部分施工，并整平第一层建筑的地面和打印机安装的基础。（2）由于打印墙体的量很大，建议采用2台打印机协同打印施工，根据打印的布置方案，放线测量定位打印机位置，进行2台打印机的安装。（3）根据打印方案，打印机1从打印区域A至D逐个分区打印，打印机2从E至D方向分区打印，直至整个楼层完成打印。（4）完成打印第一层后，根据设计图支模板+浇筑混凝土楼板，楼板混凝土养护3-7天。（5）楼板养护结束后，打印机1进行第二层建筑墙体的从A至D区域的打印。（6）当整个建筑打印完成后，将墙体分块未打印的墙体豁口的缺少部分，利用预先打印准备好的小块打印墙体吊装拼装，将整体建筑补充完整。2026/1/242713.5混凝土3D打印建造工艺13.5.23D打印预制装配式建造工艺

3D打印预制装配式建造工艺是将混凝土3D打印技术与传统的预制装配式建造工艺相结合，通过在工厂中预先打印构件，然后将其运输到现场进行组装，实现建筑结构的快速建造。

以全球第一座利用3D打印建造完成的沙特阿拉伯清真寺项目为例，建筑面积56m2，采用某型号3台龙门式工业级混凝土3D打印机，有效打印的尺寸：12m×6m×3.5m，打印材料采用C30强度等级打印混凝土，项目墙体3D构件打印总用时为400h。图13-47清真寺建筑设计正面图

图13-48整体建筑设计效果图2026/1/242813.5混凝土3D打印建造工艺项目采用3D打印预制墙体构件，装配式建造工艺，具体工艺步骤如下：（1）基础和结构梁柱框架的施工工艺，按照结构设计图纸，采用传统钢筋混凝土工艺实施。（2）建筑打印墙体的三维建模，在根据合理的打印尺寸和安装尺寸进行三维模型的分块并进行编号。（3）按照预设编号，采用3D打印工艺生产二次结构墙体构件，待现场完成构件的养护后进行吊装施工。（4）打印的墙体进行3~7