02月23日ccpa外加劑應(yīng)用技術(shù)分會 3d打印混凝土材料及混凝土建筑技術(shù)進(jìn)展

1、3D打印混凝土材料及混凝土建筑技術(shù)進(jìn)展CCPA外加劑應(yīng)用技術(shù)分會2017/2/23一、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)代社會使用量巨大的建筑工程材料，為人類社會的發(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，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，對傳統(tǒng)社會生產(chǎn)產(chǎn)生巨大沖擊，成為改變未來的創(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

2、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3D打印混凝土技術(shù)的認(rèn)識的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究其存在的問題，并對其未來的發(fā)展趨勢提出了觀點(diǎn)。二、3D打印技術(shù)進(jìn)展根據(jù)美國材料與試驗(yàn)協(xié)會（ASTM）3D打印技術(shù)委員會（F42委員會）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)，通過打印機(jī)噴嘴擠出材料，逐層打印增加材料來生成3D實(shí)體的技術(shù)，因此又稱為添加制造（AM，Additive Manufacturing）。其包含諸多方面的前沿技術(shù)知識，具有很高的科技含量，例如:建模技術(shù)

3、、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

4、于三維數(shù)據(jù)，然后通過3D打印機(jī)逐層打印，這樣就不必事先制造模具，不必在制造過程中去處理大量的材料，也不必通過復(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，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，并沒有得到推廣普及。但經(jīng)過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

5、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)語的標(biāo)準(zhǔn)定義）和ACI116委員會（水泥和混凝土工藝學(xué)的術(shù)語）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粒或碎片所組成的復(fù)合材

6、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)也對材料的使用性能產(chǎn)生作用。一般來說，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)和脫模等過程?；炷潦窃谒椒较蛏弦砸恢碌暮穸确謱愉佒?，所以在澆筑的過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程。振動是最普通的用來搗實(shí)混凝土的方法。振動時(shí)必須迅速把振動器插入拌合物中，然后緩慢地上下移

7、動，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。對于路面或者地面可用水淹沒進(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?；蛘咂?/p>

8、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擠出裝置，按照設(shè)定好的程序，通過機(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)際施工打印過程中，由于其具有較高的可塑性，在成型過程中的無需支撐，是一種新型的混凝土無模成型技術(shù)，具有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)

9、:既有自密實(shí)混凝土的無需振搗的優(yōu)點(diǎn)，也有噴射混凝土便于制造繁雜構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn)。美國宇航局（NASA）與美國南加州大學(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打印建筑的無機(jī)膠凝基材。例如上海盈創(chuàng)裝飾設(shè)計(jì)工程所生產(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

10、。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，因此對混凝土性能提出來更高的要求，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打印是通過噴嘴來實(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。骨料粒徑過大，堵塞噴嘴；粒徑過小，包裹骨料所需漿體的比表面積

11、大，漿體多，水化速率快，單位時(shí)間水化熱高，將會導(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

12、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變得更小以及其形貌更接近圓形，從而導(dǎo)致級配也將變的更加復(fù)雜，最終還需要解決各層之間凝結(jié)問題，這就需要新型外加劑來解決。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)該考慮配合比對于打印混凝土的收縮率的影響以及孔隙結(jié)構(gòu)對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

13、擠出性受到混凝土的和易性和凝結(jié)時(shí)間的影響。在3D混凝土打印過程中還必須保證打印完成部分的完整性，不會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程中的動載荷，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，而是通過人工現(xiàn)場組裝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，由荷蘭建筑師Ja

14、njaapRuijssenaars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，通過擠壓成型形成外部輪廓，再通過擠壓澆筑或注入來填充內(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

15、解決了在實(shí)際建筑過程中，由于3D打印建筑是層層堆積的過程，不可避免地導(dǎo)致層級堆積效應(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)中可以通過對內(nèi)部系統(tǒng)的填充來提高打印建筑的結(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

16、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，近年來得到了越來越廣泛的應(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)通過機(jī)械控制將膠水打印

17、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。圖7 粘結(jié)沉淀成型成品六、3D打印混凝土建筑存在的問題 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。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題：（1）原材料的問題。與傳統(tǒng)的混凝土施工工藝相比，3D打印混凝土對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

18、已無法同時(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缺的結(jié)合問題。（2）精度的問題。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，在通過自動化程序使之轉(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)。軟件的開發(fā)是至關(guān)重要的。目前，我國