混凝土3D打印技术发展

1、。混凝土三维打印技术的发展3D打印混凝土材料与混凝土建筑技术进步3D打印是近年来发展起来的高新技术。它在机械制造和其他行业取得了巨大成功，在材料和建筑等领域也有所发展。在介绍一般3D打印技术发展的基础上，着重阐述了混凝土材料的传统施工技术、3D打印混凝土技术的发展现状、国内外3D打印混凝土的材料和施工技术，探讨了3D打印混凝土目前面临的问题，并对3D打印混凝土的未来前景进行了展望。1.介绍混凝土是当代建筑中用量最大、范围最广、最经济的建筑材料，虽然它的发展只有不到200年的历史，但它已经成为当代社会使用量最大的建筑工程材料，为人类社会的发展和进步做出了不可替代的贡献。然而，随着工程建设的不断加

2、快，混凝土生产和应用中高能耗、高污染的弊端逐渐显现，严重阻碍了其发展。为了满足绿色制造发展的需求，混凝土需要不断注入新鲜血液。3D打印作为第三次工业革命的重要标志，已经广泛应用于各个研究领域。它对传统的社会生产产生了巨大的影响，并成为改变未来的创造性技术。基于3D打印的3D打印混凝土技术作为一项新技术，必将成为混凝土发展史上的一个重大转折点。基于3D打印技术，介绍了传统混凝土的施工技术、3D打印混凝土及砂浆的发展及技术进步，在了解3D打印混凝土技术的基础上，进一步研究了其存在的问题，并对其未来发展趋势提出了看法。2.3D打印技术的发展根据美国材料试验学会3D打印技术委员会(F42委员会)发布的

3、定义，3D打印是一种与传统制造技术(如减法制造和同等材料制造)截然不同的技术。基于模型的三维数据，通过打印机喷嘴挤压材料并逐层打印附加材料来生成3D实体。因此，它也被称为附加制造。它包含许多方面的尖端技术知识，具有很高的科技含量，如：建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学等。目前，轮廓技术、D形技术和印刷混凝土是三种主要的添加材料制造技术，在公共领域，尤其是建筑领域有着良好的应用前景。3D打印技术主要包括3D建模、3D分割、打印和喷涂以及后处理，如图1所示。3D建模是3D打印的基础。3D建模的质量决定了3D打印的质量。3D分割是将模型切割成几层薄薄的皮肤。这个过程是由计算机软件实现的。印刷

4、喷涂是将成型材料一层一层地喷涂或融合成一个三维空间。近年来，人们普遍认为先喷一层胶，然后再喷一层材料，这样就重复了这个过程。后处理是指印刷完成后的毛刺或粗糙表面，需要进行后处理。由此可见，与传统的材料加工方法相反，3D打印是基于3D数据，然后通过3D打印机逐层打印，因此不需要预先制造模具，在制造过程中处理大量的材料，最终通过复杂的锻造工艺实现生产中的结构优化、材料节约和能源节约。图1 3D打印流程3D打印技术起源于19世纪末的美国，在20世纪80年代得到实现和发展。起初，由于价格高，技术不成熟，它没有普及。然而，经过30多年的发展，3D打印技术已经逐渐成熟，其价格也大幅下降。目前，3D打印作为

5、“第三次工业革命的重要生产工具”，正成为一种快速发展的趋势，并广泛应用于各个研究领域。例如，3D打印技术已经成功地应用于生物医学领域来开发人造骨骼和其他人体组织和器官，这在生物医学技术的发展中起着重要的作用。在航空航天领域，3D打印技术用于直接制造现状复杂、尺寸精细、性能特殊的零件和机构，从而实现精细制造。在个性化领域，3D打印技术可以应用于珠宝、服装、鞋类、玩具、创意DIY作品等的设计和制造。此外，3D打印技术还广泛应用于模具制造、电子信息和汽车制造等领域。3.传统混凝土材料与施工技术混凝土是当代最大、最常用的民用建筑材料，在城市化进程不断加快的中国发挥着越来越重要的作用。混凝土的强度和耐久

6、性与施工工艺密切相关。根据ASTMC125(混凝土和混凝土骨料相关术语的标准定义)和ACI116委员会(水泥和混凝土技术术语)，混凝土是一种复合材料，主要由胶结介质和嵌入其中的骨颗粒或碎片组成。与整个预期使用寿命相比，混凝土的施工时间可以忽略不计，但在这段时间内，它必须经历许多施工操作。这些操作程序不仅受材料性能的影响，还会影响材料的使用性能。一般来说，混凝土材料的施工主要包括混凝土浇筑、捣固、抹灰、养护和脱模。混凝土在水平方向上以相同的厚度分层铺设，因此在浇筑过程中应保持足够快的浇筑速度，以确保在铺设新的一层时，紧接着的下一层仍为塑性形式，以避免冷缝、流线和两层交界处的薄弱表面；捣固是一个过

7、程，在这个过程中，混凝土被填充到模板中，并在预埋件和钢筋周围成型，以去除其中的空隙和空气。振动是捣固混凝土最常用的方法。振动时，振动器必须快速插入混合物中，然后缓慢上下移动，这有助于空气的排出。抹灰是保证混凝土表面光滑密实的有效方法之一，特别是在混凝土路面、地板等平面工程中。养护对混凝土的强度和耐久性有重要影响。固化有两个目的。一是在达到要求的强度水平时，防止失水并控制混凝土的温度。二是基于密封面防止混凝土失水。路面或地面可被水淹没进行维护；其他结构可以喷水或喷雾，或者麻袋或棉布可以用水浸泡，然后用混凝土覆盖保湿和养护。对于快速凝固的建筑物，可以使用防水固化纸、聚乙烯薄膜或成膜固化剂。脱模通常

8、是混凝土施工的最后一道工序。脱模必须等到混凝土强度足以承受固定荷载和受迫结构荷载引起的应力，同时混凝土还应具有一定的硬度，以便在脱模或其他操作过程中表面不会被损坏。大多数情况下，脱模后它会固化一段时间。了解传统混凝土材料及其施工技术是开发3D打印混凝土等新技术不可或缺的重要基础。4.3D打印混凝土材料与技术4.1 3D打印混凝土材料3D打印混凝土技术是3D打印技术与商品混凝土领域技术相结合的一项新的应用技术。其主要原理是由计算机对混凝土构件进行三维建模和分割，以产生三维信息。然后将配制好的混凝土混合料通过挤压设备挤压，通过机械控制，按照设定的程序通过喷嘴印刷。最后，得到混凝土构件。在实际的建筑

9、印刷过程中，3D打印混凝土技术由于其可塑性高，在成型过程中不需要支撑，是一种新型的无模混凝土成型技术。它有以下两个优点：具有自密实混凝土不振动的优点，喷射混凝土便于制造复杂构件。美国宇航局和南加州大学联合开发了“轮廓工艺”3D打印技术，在24小时内打印出约232平方米的两层建筑(如图2所示)，大大节省了施工时间和成本，为绿色制造打开了大门。目前，玻璃纤维增强石膏、玻璃纤维增强砂浆等可作为3D打印建筑的无机胶结基材。例如，上海英创装饰设计工程有限公司生产的玻璃钢(玻璃钢石膏)和玻璃钢(玻璃钢外国家具)(如图3所示)图2“配置过程”图3地质雷达图(a)和玻璃钢图(b)3D打印混凝土施工后，建筑物不

10、需要内置钢结构加固，但其纹理与大理石等材料相似，强度高于传统混凝土。由此不难看出，普通水泥混凝土难以满足其技术要求，因此对混凝土性能提出了更高的要求，以满足3D打印施工技术的需求。为了满足3D打印建筑的要求，混凝土混合料必须满足特定的要求。下面的分析是从混凝土的成分进行的。首先，普通硅酸盐水泥在强度和凝结时间方面可能不符合3D打印的要求，需要在此基础上进一步研究。例如，改变水泥成分中的矿物成分、熟料的细度等。例如，硫铝酸盐水泥或铝酸盐改性硅酸盐水泥用于获得更快的凝结时间和更好的早期强度。其次，通过喷嘴实现3D打印。喷嘴的尺寸决定了混凝土混合料制备中的颗粒尺寸，必须找到最合适的骨料颗粒尺寸。骨料

11、粒径过大，堵塞喷嘴；如果粒径过小，包裹骨料所需的浆体比表面积大，浆体大，水化速度快，单位时间水化热高，会导致混凝土各种性能的劣化。第三，配制的混凝土混合料应具有合适的配合比。由于用作3D打印原料的新型混凝土不同于传统混凝土，其各种性能发生了很大变化，不能由传统的水胶比和砂率决定。它的基本属性已经发生了很大的变化。目前，混凝土的相关理论，如强度、耐久性、水化等。不能很好地满足3D打印混凝土的要求。为了获得印刷混凝土的理想条件，如强度高、耐久性好、拌和性能好、凝结时间合适、和易性、泵送性和施工性好，有必要从一个新的角度完善这一理论。最后，外加剂是现代混凝土的重要组成部分之一，是混凝土改性的重要方法

12、和技术。3D印刷混凝土必须具有更好的流变性能，以便于挤出，并且能够在空气中快速凝结，以防止印刷混凝土的结构由于自身重力而受损。骨料的最大粒径将变小，其形状将更接近圆形，从而导致级配变得更加复杂。最后，需要解决各层之间的冷凝问题，这需要新的添加剂来解决。从材料流变学的角度来看，3D打印混凝土应具有较高的塑性粘度和较低的极限剪应力，从而具有良好的塑性而无流动性，同时应具有较快的凝结时间和较高的早期强度。此外，还应考虑配合比对印刷混凝土收缩的影响以及孔隙结构对印刷混凝土的影响。例如，Le等人的研究表明，33，360的低水胶比和粉煤灰比有助于减少印刷过程中的收缩。小孔结构可以提高印刷混凝土的质量。在此

13、基础上，印刷混凝土的可浇注性和可挤出性受到混凝土的可加工性和凝固时间的影响。在3D混凝土的印刷过程中，还必须保证印刷部分的完整性，不会因3D混凝土的重力因素而出现塌陷、倾斜等变形现象。这就要求3D混凝土具有良好的塑性，凝固时间短，早期强度高，并能承受印刷过程中自身的重量和动荷载，从而不影响下一层的印刷胶结。4.2 3D印刷混凝土和3D印刷建筑的施工随着3D打印具体技术的不断发展和深化，3D打印架构也得到应用。目前，第一批3D印刷厂(如图4所示)已经在中国上海青浦出现。他们主要使用高级水泥、建筑废料和玻璃纤维作为印刷原料。该项目不是传统的3D打印，而是通过手工组装3D打印机现场打印的房屋结构层来

14、完成的。在不久的将来，荷兰建筑师JanjaapRuijssenaars将与意大利发明家Enrico Dini(D-Shape 3D打印机的发明者)合作，利用3D打印技术建造一座名为“景观屋”的建筑。这些都是3D打印架构的重大突破，将3D打印架构技术付诸实践。图4上海青浦3D印刷厂轮廓技术作为一种新型的施工技术，极大地提高了3D打印混凝土的实用性。轮廓技术是一种建筑技术，通过计算机控制的喷嘴一层一层地挤压材料。轮廓技术是一种混合技术，主要包括两部分：外轮廓和内轮廓。通过挤压成型形成外轮廓，然后通过挤压铸造或注射填充内轮廓。内芯填充结构增强的挤压模型系统。作为该技术的一个关键特征，泥刀用于平滑和精

15、确调节每层的外表面和顶面，解决了在实际建造过程中，3D打印建筑层层叠放，不可避免地导致层堆叠效应，表面粗糙和明显的横向条纹(如图5所示)。图5成品表面的3D打印使用轮廓技术的3D打印混凝土可以减少打印过程中的表面粗糙度和其他现象(如图6所示)，并减少表面平整的后期工作。由于轮廓技术可以建造单曲率和双曲率的建筑，因此可以实现建筑的个性化。同时，轮廓技术有利于精确施工。此外，印刷建筑的结构性能可以通过在印刷设计中填充内部系统来改善。图6轮廓加工成品表面5、3D打印建筑干混砂浆材料及工艺干混砂浆又称干粉砂浆和干混砂浆。它是将水泥、砂、矿物掺合料和功能性添加剂在专业生产厂中以一定比例在干燥状态下均匀混

16、合而成的一种颗粒状或粉状混合物。然后以干粉包装或散装的形式运输到施工现场，按规定比例与水混合后即可直接使用。干混砂浆因其使用方便灵活而受到工程界的青睐，近年来得到了广泛应用。随着3D打印技术的出现，干混砂浆也将脱离目前普通砂浆的内涵。作为一种复合材料，其生产方式将同时服务于建筑结构的主体和辅助服务。在3D打印建筑中，干混砂浆将被广泛用作打印机的“墨水”。3D打印建筑干混砂浆对材料的要求与打印混凝土相似，都要求有良好的塑性和其他性能。与印刷混凝土不同，印刷干混砂浆通常是通过粘结沉淀成型来印刷的。粘合剂沉淀成型的原理是根据CAD模型数据，通过机械控制，在每层砂石粉的设计区域印刷胶水，并去除反应硬化

17、后的多余部分，得到印刷物(如图7所示)。3D打印干混砂浆可以提高构件的相关性能。例如，3D印刷干混砂浆板将具有互锁设计，这将更加牢固和安全。采用3D打印仿生技术设计的结构具有有效缩短工期、降低风险、防止脱落等优点。图7粘结沉淀成型成品6.3D打印混凝土建筑存在的问题尽管与传统建筑相比，3D打印建筑具有强度高、建筑形式自由、建造时间短、环保节能等突出优势。然而，作为目前处于研发试验阶段的新技术，不可避免地存在以下问题：(1)原材料问题。与传统混凝土施工技术相比，3D打印混凝土对原材料的流变性和塑性有更高的要求。普通水泥可能无法同时满足建筑性能和印刷技术的要求。骨料可采用新的粉碎工艺生产粒径更小、颗粒形状更接近圆形的骨料。外加剂既要保持混凝土的原有性能，又要解决层间的完美结合问题。(2)准确性问题。建筑设计不是一个笑话。它的完成需要精确。然而，在建筑设计模型中应用3D打印技术时，应该注意3D打印技术是否会出现偏差，并做好预防工作。由于3D打印混凝土技术发展不完善，快速成型零件的精度和表面质量不能满足工程应用的要