3D打印混凝土材料及混凝土建筑技術(shù)進(jìn)展

  一、當(dāng)代建筑用量最大、范圍最廣、最經(jīng)濟(jì)的建筑材料-混凝土的發(fā)展雖然只有不到200年的歷史，卻已成為當(dāng)代社會(huì)使用量巨大的建筑工程材料，為人類社會(huì)的發(fā)展與前進(jìn)做出了不可取代的貢獻(xiàn)。然而隨著工程建設(shè)的不斷加快，混凝土在生產(chǎn)應(yīng)用方面的高能耗、高污染的弊端也逐漸顯露出來(lái)，嚴(yán)重阻礙了其發(fā)展。為適應(yīng)綠色制造發(fā)展需求，混凝土需要不斷地注入新鮮的血液。3D打印作為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志，廣泛應(yīng)用于各個(gè)研究領(lǐng)域，對(duì)傳統(tǒng)社會(huì)生產(chǎn)產(chǎn)生巨大沖擊，成為改變未來(lái)的創(chuàng)造性技術(shù)。以3D打印為基礎(chǔ)的3D打印混凝土技術(shù)作為一種新型技術(shù)，必將成為混凝土發(fā)展史上的重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

  本文以3D打印技術(shù)為出發(fā)點(diǎn)，介紹傳統(tǒng)混凝土的施工工藝以及3D打印混凝土及砂漿的發(fā)展與技術(shù)進(jìn)展，并在對(duì)3D打印混凝土技術(shù)的認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究其存在的問(wèn)題，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)提出了觀點(diǎn)。

  二、3D打印技術(shù)進(jìn)展

  根據(jù)美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)3D打印技術(shù)委員會(huì)(F42委員會(huì))公布的定義，3D打印是一種與減材制造和等材制造等傳統(tǒng)的制造技術(shù)迥然不同的，以模型的三維數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)打印機(jī)噴嘴擠出材料，逐層打印增加材料來(lái)生成3D實(shí)體的技術(shù)，因此又稱為添加制造(AM，AdditiveManufacturing)。其包含諸多方面的前沿技術(shù)知識(shí)，具有很高的科技含量，例如:建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)等。目前，輪廓工藝、D-Shape、打印混凝土作為三大增材制造工藝在公共領(lǐng)域尤其在建筑領(lǐng)域具有很好的前景。3D打印技術(shù)主要包括3D建模、3D分割、打印噴涂和后期處理等四部分組成，如圖1所示。3D建模是3D打印的基礎(chǔ)，3D建模質(zhì)量的好壞決定了3D打印的優(yōu)劣;3D分割是將模型切成一層層的薄皮，此過(guò)程是由計(jì)算機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn);打印噴涂是將成型材料逐層的噴涂或熔結(jié)到三維空間中，最近幾年較普遍認(rèn)同的是先噴一層膠水，然后再在上面撒一層材料，如此反復(fù);后期處理是指在打印完成后一般都會(huì)有毛刺或者粗糙的表面，此時(shí)需要進(jìn)行后期處理。由此可以看出與傳統(tǒng)材料加工方法截然相反，3D打印是基于三維數(shù)據(jù)，然后通過(guò)3D打印機(jī)逐層打印，這樣就不必事先制造模具，不必在制造過(guò)程中去處理大量的材料，也不必通過(guò)復(fù)雜的鍛造工藝，最終在生產(chǎn)上實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、節(jié)約材料和節(jié)省能源。

圖1 3D打印流程

  3D打印技術(shù)起源于19世紀(jì)末的美國(guó)，于20世紀(jì)80年代得到實(shí)現(xiàn)與發(fā)展。起初由于其昂貴的價(jià)格，技術(shù)的不成熟等，并沒(méi)有得到推廣普及。但經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，3D打印技術(shù)也逐漸成熟，且價(jià)格也大幅下降。目前3D打印作為“第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”，正在成為一種迅猛發(fā)展的潮流，廣泛應(yīng)用到各個(gè)研究領(lǐng)域，如生物醫(yī)療領(lǐng)域已使用3D打印技術(shù)成功地研制出了人造骨骼等人體組織器官，對(duì)生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展具有重大的作用;航天航空領(lǐng)域利用3D打印技術(shù)制造現(xiàn)狀復(fù)雜、尺寸微細(xì)、性能特殊的零部件、機(jī)構(gòu)直接制造，實(shí)現(xiàn)精細(xì)制造;在個(gè)性化領(lǐng)域中，3D打印技術(shù)可應(yīng)用于珠寶、服飾、鞋類、玩具、創(chuàng)意DIY作品的設(shè)計(jì)和制造等，除此之外，3D打印技術(shù)還在模具制造、電子信息領(lǐng)域、汽車制造領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

  三、傳統(tǒng)混凝土材料與施工技術(shù)

  混凝土是當(dāng)代最大宗的、用量最大的土建材料，在當(dāng)代城市化進(jìn)程不斷加快的中國(guó)扮演的角色也愈加重要?；炷恋膹?qiáng)度性能和耐久性與施工技術(shù)有著密切的關(guān)系。根據(jù)ASTMC125(混凝土和混凝土骨料有關(guān)術(shù)語(yǔ)的標(biāo)準(zhǔn)定義)和ACI116委員會(huì)(水泥和混凝土工藝學(xué)的術(shù)語(yǔ))規(guī)定，混凝土是主要由膠結(jié)介質(zhì)和埋在其中的骨粒顆?；蛩槠M成的復(fù)合材料。

  與整個(gè)所期望的使用年限相比，混凝土的施工所耗時(shí)間是可以忽略的，但在這段時(shí)間內(nèi)卻要經(jīng)過(guò)許多施工操作。這些操作工序不僅受到材料性能的影響，同時(shí)也對(duì)材料的使用性能產(chǎn)生作用。一般來(lái)說(shuō)，混凝土材料施工主要包括混凝土的澆灌、搗實(shí)、抹面、養(yǎng)護(hù)和脫模等過(guò)程。

  混凝土是在水平方向上以一致的厚度分層鋪筑的，所以在澆筑的過(guò)程中要保持足夠快的澆注速度，以確保在鋪筑新的一層時(shí)，緊靠下面的一層仍處于塑性形態(tài)，避免產(chǎn)生冷接頭、流紋以及兩層交界的薄弱面;搗實(shí)是使混凝土充填模板并圍繞埋入的部件和鋼筋模制成型，以除去其中的空隙和空氣的過(guò)程。振動(dòng)是最普通的用來(lái)?yè)v實(shí)混凝土的方法。振動(dòng)時(shí)必須迅速把振動(dòng)器插入拌合物中，然后緩慢地上下移動(dòng)，這樣有助于空氣的逸出;抹面是混凝土確保表面的平整和密實(shí)的有效方法之一，尤其在混凝土路面、地板等平板面工程;養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土的強(qiáng)度和耐久性有著重要的影響。養(yǎng)護(hù)目的有兩個(gè)，一個(gè)是在到達(dá)要求強(qiáng)度水平的期間內(nèi)，防止水分損失以及控制混凝土的溫度;另一是基于密封表面防止混凝土水分損失。對(duì)于路面或者地面可用水淹沒(méi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù);其它結(jié)構(gòu)可噴水或者噴霧，或者是用水將麻袋或棉布浸濕，然后覆蓋混凝土保濕養(yǎng)護(hù);對(duì)于快速凝結(jié)的建筑，可使用防水養(yǎng)護(hù)紙、聚乙烯薄膜或者成膜養(yǎng)護(hù)劑等;脫模一般是混凝土施工的最后一道工序。脫模時(shí)必須等到混凝土強(qiáng)度足以承擔(dān)固定荷載和強(qiáng)制結(jié)構(gòu)載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力，同時(shí)混凝土還應(yīng)有一定的硬度，以便在拆模或者其它操作時(shí)，表面不致受到損害。很多時(shí)候在脫模之后還會(huì)養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間。了解傳統(tǒng)混凝土材料及其施工技術(shù)對(duì)于發(fā)展如3D打印混凝土的新技術(shù)是不可或缺的重要基礎(chǔ)。

  四、3D打印混凝土材料與工藝

  4.1 3D打印混凝土材料

  3D打印混凝土技術(shù)是將3D打印技術(shù)與商品混凝土領(lǐng)域的技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的新型應(yīng)用技術(shù)，其主要原理是將混凝土構(gòu)件利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行3D建模和分割生產(chǎn)三維信息，然后將配制好的混凝土拌合物通過(guò)擠出裝置，按照設(shè)定好的程序，通過(guò)機(jī)械控制，由噴嘴擠出進(jìn)行打印，最后得到混凝土構(gòu)件。3D打印混凝土技術(shù)在實(shí)際施工打印過(guò)程中，由于其具有較高的可塑性，在成型過(guò)程中的無(wú)需支撐，是一種新型的混凝土無(wú)模成型技術(shù)，具有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):既有自密實(shí)混凝土的無(wú)需振搗的優(yōu)點(diǎn)，也有噴射混凝土便于制造繁雜構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn)。

  美國(guó)宇航局(NASA)與美國(guó)南加州大學(xué)合作研發(fā)出“輪廓工藝”3D打印技術(shù)，在24小時(shí)內(nèi)打印出大約232m2的兩層樓房(如圖2)，大大節(jié)約建筑時(shí)間和建筑成本，為綠色制造打開(kāi)了一扇大門。目前玻璃纖維增強(qiáng)石膏、玻璃纖維增強(qiáng)砂漿等均可用于3D打印建筑的無(wú)機(jī)膠凝基材。例如上海盈創(chuàng)裝飾設(shè)計(jì)工程有限公司所生產(chǎn)GPR(玻璃纖維增強(qiáng)石膏)、FRP(玻璃鋼異性家具)(如圖3所示)等。

圖2 “輪廓工藝”

圖3 GPR(a)與FRP(b)

  3D打印混凝土建造完畢后建筑雖然不需要內(nèi)置布置鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固質(zhì)，但其質(zhì)地類似于大理石等物質(zhì)，較傳統(tǒng)混凝土具有更高的強(qiáng)度。由此不難看出，普通水泥混凝土已經(jīng)很難滿足其技術(shù)要求，因此對(duì)混凝土性能提出來(lái)更高的要求，以適應(yīng)3D打印建筑技術(shù)的需要。

  為滿足3D打印建筑的需求，混凝土拌合物必須達(dá)到特定的要求。以下從混凝土的組成進(jìn)行分析。首先，普通硅酸鹽水泥在強(qiáng)度，凝結(jié)時(shí)間等方面可能無(wú)法達(dá)到3D打印的要求，需在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的研究。如改變水泥組成中的礦物組成、熟料的細(xì)度等。如采用硫鋁酸鹽水泥或者鋁酸鹽改性硅酸鹽水泥等獲得更快的凝結(jié)時(shí)間和更好的早期強(qiáng)度等。其次，3D打印是通過(guò)噴嘴來(lái)實(shí)現(xiàn)的。噴嘴的大小決定了混凝土拌合物配制中的顆粒大小，并且必須找到最合適的骨料粒徑大小。骨料粒徑過(guò)大，堵塞噴嘴;粒徑過(guò)小，包裹骨料所需漿體的比表面積大，漿體多，水化速率快，單位時(shí)間水化熱高，將會(huì)導(dǎo)致混凝土各項(xiàng)性能的惡化。再次，配制的混凝土拌合物要有合適的配合比，由于作為滿足3D打印的原料新型混凝土已經(jīng)不同于傳統(tǒng)的混凝土，其各項(xiàng)性能發(fā)生了很大的變化，不能由傳統(tǒng)的水膠比、砂率等所能決定，其基本性能發(fā)生巨大改變。目前與混凝土相關(guān)的理論，如強(qiáng)度、耐久性、水化作用等，均不能很好的滿足3D打印混凝土的要求。為使打印混凝土獲得理想的狀態(tài)，如高強(qiáng)度，好耐久性，良好的拌合性能，合適的凝固時(shí)間，良好的工作性、可泵性和可建筑性，需要從新的角度去完善理論。最后，外加劑是現(xiàn)代混凝土必不可少的組分之一，是混凝土改性的一種重要方法和技術(shù)。3D打印混凝土必須具備更好的流變性以便于擠出且能在空氣中迅速凝結(jié)防止由于自身重力破壞打印混凝土的結(jié)構(gòu)，并且骨料的最大粒徑會(huì)變得更小以及其形貌更接近圓形，從而導(dǎo)致級(jí)配也將變的更加復(fù)雜，最終還需要解決各層之間凝結(jié)問(wèn)題，這就需要新型外加劑來(lái)解決。從材料流變學(xué)的角度考慮，3D打印混凝土應(yīng)該具有較高的塑性粘度、較低的極限剪切應(yīng)力，如此它不具有流淌性卻具有好的可塑性，同時(shí)應(yīng)有較快的凝結(jié)時(shí)間和較高的早期強(qiáng)度。

  除此之外，還應(yīng)該考慮配合比對(duì)于打印混凝土的收縮率的影響以及孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)于打印混凝土的影響。例如，Le等研究表明:低的水膠比和粉煤灰比例有助于降低打印過(guò)程的收縮率;小的孔隙結(jié)構(gòu)可以提高打印混凝土的品質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，打印混凝土的可澆筑性和擠出性受到混凝土的和易性和凝結(jié)時(shí)間的影響。在3D混凝土打印過(guò)程中還必須保證打印完成部分的完整性，不會(huì)由于自身的重力因素而出現(xiàn)塌落，傾斜等變形現(xiàn)象，這就要求其具有良好的可塑性，凝固時(shí)間短，早期強(qiáng)度高，能夠承受自身重量和打印過(guò)程中的動(dòng)載荷，使下一層打印膠結(jié)不受影響。

  4.2 3D打印混凝土的施工和3D打印建筑

  隨著3D打印混凝土技術(shù)的不斷發(fā)展和深入，3D打印建筑也應(yīng)用而生。目前，在中國(guó)上海青浦出現(xiàn)了了第一批3D打印房屋(如圖4)，其主要以高標(biāo)號(hào)水泥、建筑垃圾和玻璃纖維為打印原料，并且此次工程并非傳統(tǒng)的3D打印，而是通過(guò)人工現(xiàn)場(chǎng)組裝3D打印機(jī)打印出的一層層的房屋結(jié)構(gòu)而完成的。在不久將來(lái)，由荷蘭建筑師JanjaapRuijssenaars與意大利發(fā)明家EnricoDini(D-Shape3D打印機(jī)發(fā)明人)一同合作利用3D打印技術(shù)建造一棟名為“LandscapeHouse”的建筑。這些是3D打印建筑的巨大突破，將3D打印建筑技術(shù)實(shí)際化。

圖4 上海青浦3D打印房屋

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  輪廓工藝作為新型的施工工藝很好地提升了3D打印混凝土的實(shí)用化。輪廓工藝是一項(xiàng)通過(guò)電腦控制的噴嘴按層擠出材料的建筑技術(shù)。輪廓工藝是一項(xiàng)混合技術(shù)，主要包括外部輪廓和內(nèi)部輪廓兩部分，通過(guò)擠壓成型形成外部輪廓，再通過(guò)擠壓澆筑或注入來(lái)填充內(nèi)。填充內(nèi)核的作為結(jié)構(gòu)加固的擠壓模型系統(tǒng)。泥刀作為此項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵特點(diǎn)，用于抹平和精確規(guī)整每一層的外表和頂面，這就解決了在實(shí)際建筑過(guò)程中，由于3D打印建筑是層層堆積的過(guò)程，不可避免地導(dǎo)致層級(jí)堆積效應(yīng)，出現(xiàn)表面粗糙，橫向條紋明顯的現(xiàn)象(如圖5)。

圖5 3D打印成品表面

  利用輪廓工藝的3D打印混凝土可在打印過(guò)程中減少表面粗糙等現(xiàn)象(如圖6)，減少了后期的表面平整的工作;由于輪廓技術(shù)能夠建造出單曲率和雙曲率的建筑，可以實(shí)現(xiàn)建筑的個(gè)性化;同時(shí)輪廓技術(shù)有利于進(jìn)行精確建造;此外，打印設(shè)計(jì)中可以通過(guò)對(duì)內(nèi)部系統(tǒng)的填充來(lái)提高打印建筑的結(jié)構(gòu)性能。

圖6 輪廓工藝成品表面

  五、3D打印建筑干混砂漿材料與工藝

  干混砂漿又稱干粉砂漿、干拌砂漿，它是將水泥、砂、礦物摻合料及功能性添加劑按照一定比例，在專業(yè)生產(chǎn)廠于干燥狀態(tài)下均勻拌制、混合成的一種顆?；蚍蹱畹幕旌衔铮缓笠愿煞郯b或散裝的形式運(yùn)至工地，按規(guī)定比例加水拌和后即可直接使用的干粉砂漿材料。干混砂漿由于其使用的方便性、靈活性等而受到工程界的青睞，近年來(lái)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

  隨著3D打印技術(shù)出現(xiàn)，干混砂漿也將脫出目前普通砂漿的內(nèi)涵，作為復(fù)合材料其生產(chǎn)方式將同時(shí)向?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)主體服務(wù)和輔助服務(wù)的一體化道路。在3D打印建筑中，干混砂漿將廣泛地作為打印機(jī)的“墨水”。3D打印建筑干混砂漿對(duì)于材料的要求同打印混凝土的要求相類似，都要求其具有良好的可塑性等性能。與打印混凝土不同的是，打印干混砂漿通常使用粘結(jié)沉淀成型的方法進(jìn)行打印。粘結(jié)沉淀成型原理是按照CAD模型數(shù)據(jù)通過(guò)機(jī)械控制將膠水打印在每層砂石粉上的設(shè)計(jì)區(qū)域，反應(yīng)硬化后清除多余部分，得到打印的物體(如圖7)。3D打印干混砂漿可以改善構(gòu)件的相關(guān)性能。例如:3D打印干混砂漿的板材將具有互相扣接設(shè)計(jì)，會(huì)更牢固和安全，利用3D打印仿生技術(shù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)具有可以有效的縮短施工周期、降低風(fēng)險(xiǎn)、不易脫落等優(yōu)勢(shì)。

圖7 粘結(jié)沉淀成型成品

  六、3D打印混凝土建筑存在的問(wèn)題

  3D打印建筑雖然相比傳統(tǒng)建筑具有強(qiáng)度高、建筑形式自由、在建筑時(shí)間、環(huán)保性、節(jié)能等幾大突出的優(yōu)勢(shì)。但作為一種目前正處于研發(fā)試用階段的新型技術(shù)，不可避免地存在以下問(wèn)題:

    (1)原材料的問(wèn)題。與傳統(tǒng)的混凝土施工工藝相比，3D打印混凝土對(duì)原材料的流變性和可塑性提出了更高的要求。普通水泥可能已無(wú)法同時(shí)滿足建筑性能與打印技術(shù)的要求，骨料有可能會(huì)采用新的破碎工藝以制造出的粒徑更小，顆粒形貌更接近圓形的骨料，外加劑在混凝土中不僅要保留已有的性能，還要解決各層之間如何完美無(wú)缺的結(jié)合問(wèn)題。

    (2)精度的問(wèn)題。建筑設(shè)計(jì)非同兒戲，它的完成實(shí)現(xiàn)需要分毫不差的精確度，但是3D打印技術(shù)是否會(huì)出現(xiàn)偏差，以及應(yīng)該做好預(yù)防工作是3D打印技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)模型應(yīng)用中應(yīng)該注意的問(wèn)題。由于3D打印混凝土工藝發(fā)展還不完善，快速成型的零件的精度及表面質(zhì)量大多不能滿足工程使用的要求，不能作為功能性部件，只能做原型使用。

  (3)軟件的問(wèn)題。與傳統(tǒng)混凝土施工不同的是，3D打印混凝土是降維制造，需要將3維模型轉(zhuǎn)化為2維模型以方便打印工作的進(jìn)行，因此需要相關(guān)軟件在電腦上完成相關(guān)的工作，在通過(guò)自動(dòng)化程序使之轉(zhuǎn)換為實(shí)物，所以軟件是3D打印的重要部分，是將模型數(shù)據(jù)化的重要環(huán)節(jié)。軟件的開(kāi)發(fā)是至關(guān)重要的。目前，我國(guó)還沒(méi)有專業(yè)的軟件公司與3D打印相配套，形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

  (4)打印設(shè)備的問(wèn)題。隨著技術(shù)的發(fā)展3D打印設(shè)備在快速發(fā)展，一臺(tái)3D打印設(shè)備價(jià)格從最初的幾十萬(wàn)美元到現(xiàn)在的幾千美元，再到我國(guó)五千多人民幣的價(jià)格。3D打印設(shè)備在不斷地走向大眾，走進(jìn)各個(gè)領(lǐng)域。然而，目前的3D打印混凝土設(shè)備還不能夠完全滿足其應(yīng)用環(huán)境的特殊性的要求。例如，目前使用的打印設(shè)備只能滿足平面擴(kuò)展階段，可用于低層大面積建筑的建設(shè)，而對(duì)于廣泛使用的高層建筑還無(wú)法進(jìn)行打印。

    此外，3D打印混凝土與傳統(tǒng)混凝土相比，發(fā)生很大變化，需要重新建立一套施工工藝和安全規(guī)范措施等。

  七、結(jié)論與展望

  (1)傳統(tǒng)建筑技術(shù)會(huì)產(chǎn)生很高比例的建筑垃圾。據(jù)預(yù)測(cè)，中國(guó)每年20億m2以上的工程建設(shè)將持續(xù)10～15年，同時(shí)每年會(huì)產(chǎn)生約6億t的建筑垃圾。而3D打印混凝土技術(shù)在建筑過(guò)程中由于支模拆模的繁瑣程序的取消，實(shí)現(xiàn)了混凝土的充分利用，降低了水泥用量，降低了建筑垃圾的產(chǎn)生，符合當(dāng)今綠色發(fā)展的主題;

  (2)3D打印混凝土及砂漿作為一種新型技術(shù)，需要不斷地對(duì)原材料的選擇，配合比設(shè)計(jì)和配制理論，外加劑的使用等方面進(jìn)行深入的研究，以此完善其性能的要求;需要不斷地對(duì)配套軟件的研究，以使3D打印更加自動(dòng)化，達(dá)到最佳效果;也需要不斷發(fā)展對(duì)3D打印機(jī)械的研究，以實(shí)現(xiàn)高層打印，使打印建筑在高層建筑方向得到更好地發(fā)展;更需要不斷地對(duì)輪廓工藝進(jìn)行完善，以實(shí)現(xiàn)精細(xì)施工和表面細(xì)致化的要求，使打印向精細(xì)化產(chǎn)品發(fā)展。