单 位：请 输 入 单位 姓 名：请 输 入 姓 名 完成日期：2016年7月10日3D打印混凝土材料及混凝土建筑技术进展 3D 打印混凝土材料及混凝土建筑技术进展 摘要: 3D 打印是近年来发展起来的高新技术，已在机械制造等行业取得很大成功，在材料和建筑等领域也有所发展。本文在介绍通用3D 打印技术进展的基础上，着重阐述了混凝土材料的传统施工工艺、国内外 3D 打印混凝土技术与其材料和施工工艺的发展现状，讨论了3D打印混凝土当前所面临的问题，并对 3D 打印混凝土提出了未来展望。关键词: 3D打印;3D 打印混凝土;3D打印干混砂浆;施工工艺Progress of 3D Print of Concrete Materials andConcrete Construction TechnologyAbstract: 3D printing technology is a high-tech that has developed in recent year，which has got great success in the machine-building industry，materials，construction and so on.The paper is divided into three parts about 3D printing concrete technology .Firstly，based on the introduction of general progress on 3D printing technology，this paper focus on the traditional construction technology of concrete materials and development status of 3D printing concrete technology with materials and construction technologySecondly，the paper discusses the current problems of 3D print concreteFinally，it proposes the future of 3D printing concreteKey words: 3D printing; 3D printing concrete; 3D printingdry-mixed mortar; construction technology1 引言 当代建筑用量最大、范围最广、最经济的建筑材料-混凝土的发展虽然只有不到200年的历史，却已成为当代社会使用量巨大的建筑工程材料，为人类社会的发展与前进做出了不可取代的贡献。然而随着工程建设的不断加快，混凝土在生产应用方面的高能耗、高污染的弊端也逐渐显露出来，严重阻碍了其发展。为适应绿色制造发展需求，混凝土需要不断地注入新鲜的血液。3D打印作为第三次工业革命的重要标志，广泛应用于各个研究领域，对传统社会生产产生巨大冲击，成为改变未来的创造性技术。以 3D打印为基础的 3D打印混凝土技术作为一种新型技术，必将成为混凝土发展史上的重大转折点。本文以 3D 打印技术为出发点，介绍传统混凝土的施工工艺以及 3D 打印混凝土及砂浆的发展与技术进展，并在对3D打印混凝土技术的认识的基础上，进一步研究其存在的问题，并对其未来的发展趋势提出了观点。2 3D 打印技术进展 根据美国材料与试验协会(ASTM)3D打印技术委员会(F42委员会)公布的定义，3D打印是一种与减材制造和等材制造等传统的制造技术迥然不同的，以模型的三维数据为基础，通过打印机喷嘴挤出材料，逐层打印增加材料来生成3D实体的技术，因此又称为添加制造(AM，Additive Manufacturing)1。其包含诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量，例如: 建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学等。目前，轮 廓工艺2、D-Shape3、打印混凝土4作为三大增材制造工艺在公共领域尤其在建筑领域具有很好的前景。 3D打印技术主要包括3D建模、3D分割、打印喷涂和后期处理等四部分组成。3D建模是3D打印的基础，3D建模质量的好坏决定了3D打印的优劣; 3D分割是将模型切成一层层的薄皮，此过程是由计算机的软件实现; 打印喷涂是将成型材料逐层的喷涂或熔结到三维空间中，最近几年较普遍认同的是先喷一层胶水，然后再在上面撒一层材料，如此反复; 后期处理是指在打印完成后一般都会有毛刺或者粗糙的表面，此时需要进行后期处理。由此可以看出与传统材料加工方法截然相反，3D打印是基于三维数据，然后通过3D打印机逐层打印，这样就不必事先制造模具，不必在制造过程中去处理大量的材料，也不必通过复杂的锻造工艺，最终在生产上实现结构优化、节约材料和节省能源。3D打印技术起源于19世纪末的美国，于20世纪80年代得到实现与发展。起初由于其昂贵的价格，技术的不成熟等，并没有得到推广普及。但经过30多年的发展，3D打印技术也逐渐成熟，且价格也大幅下降。目前3D打印作为“第三次工业革命的重要生产工具”，正在成为一种迅猛发展的潮流，广泛应用到各个研究领域，如生物医疗领域已使用3D打印技术成功地研制出了人造骨骼等人体组织器官，对生物医学技术的发展具有重 大的作用; 航天航空领域利用3D打印技术制造现状复杂、尺寸微细、性能特殊的零部件、机构直接制造，实现精细制造; 在个性化领域中，3D打印技术可应用于珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY作品的设计和制造等，除此之外，3D打印技术还在模具制造、电子信息领域、汽车制造领域具有广泛应用。3 传统混凝土材料与施工技术混凝土是当代最大宗的、用量最大的土建材料，在当代城市化进程不断加快的中国扮演的角色也愈加重要。混凝土的强度性能和耐久性与施工技术有着密切的关系。根据ASTMC125(混凝土和混凝土骨料有关术语的标准定义)和ACI116委员会(水泥和混凝土工艺学的术语)规定，混凝土是主要由胶结介质和埋在其中的骨粒颗粒或碎片所组成的复合材料。 与整个所期望的使用年限相比，混凝土的施工所耗时间是可以忽略的，但在这段时间内却要经过许多施工操作。这些操作工序不仅受到材料性能的影响，同时也对材料的使用性能产生作用。一般来说，混凝土材料施工主要包括混凝土的浇灌、捣实、抹面、养护和脱模等过程。 混凝土是在水平方向上以一致的厚度分层铺筑的，所以在浇筑的过程中要保持足够快的浇注速度，以确 保在铺筑新的一层时，紧靠下面的一层仍处于塑性形态，避免产生冷接头、流纹以及两层交界的薄弱面; 捣实 是使混凝土充填模板并围绕埋入的部件和钢筋模制成型，以除去其中的空隙和空气的过程。振动是最普通的用来捣实混凝土的方法。振动时必须迅速把振动器插入拌合物中，然后缓慢地上下移动，这样有助于空气 的逸出; 抹面是混凝土确保表面的平整和密实的有效方法之一，尤其在混凝土路面、地板等平板面工程; 养护对混凝土的强度和耐久性有着重要的影响。养护目的有两个，一个是在到达要求强度水平的期间内，防止水分损失以及控制混凝土的温度; 另一是基于密封表面防止混凝土水分损失。对于路面或者地面可用水淹没进行养护; 其它结构可喷水或者喷雾，或者是用水将麻袋或棉布浸湿，然后覆盖混凝土保湿养护; 对于快速凝结的建筑，可使用防水养护纸、聚乙烯薄膜或者成膜养护剂等; 脱模一般是混凝土施工的最后一道工序。脱模时必须等到混凝土强度足以承担固定荷载和强制结构载荷所产生的应力，同时混凝土还应有一定的硬度，以便在拆模或者其它操作时，表面不致受到损害。很多时候在脱模之后还会养护一定时间。了解传统混凝土材料及其施工技术对于发展如3D打印混凝土的新技术是不可或缺的重要基础。4 3D打印混凝土材料与工艺4.1 3D打印混凝土材料 3D打印混凝土技术是将3D打印技术与商品混凝土领域的技术相结合而产生的新型应用技术，其主要原理是将混凝土构件利用计算机进行3D 建模和分割生产三维信息，然后将配制好的混凝土拌合物通过挤出装置，按照设定好的程序，通过机械控制，由喷嘴挤出进行打印，最后得到混凝土构件。3D 打印混凝土技术在实际施工打印过程中，由于其具有较高的可塑性，在成型过程中的无需支撑，是一种新型的混凝土无模成型技术，具有以下两个优点6: 既有自密实混凝土的无需振捣的优点，也有喷射混凝土便于制造繁杂构件的优点。 美国宇航局(NASA)与美国南加州大学合作研发出“轮廓工艺”3D 打印技术，在24小时内打印出大约232 m2 的两层楼房(如图2)，大大节约建筑时间和建筑成本，为绿色制造打开了一扇大门7。目前玻璃纤维增强石膏、玻璃纤维增强砂浆等均可用于3D打印建筑的无机胶凝基材。例如上海盈创装饰设计工程有限公司所生产GP(玻璃纤维增强石膏)、FP(玻璃钢异性家具)(如图3所示)等8。 3D打印混凝土建造完毕后建筑虽然不需要内置布置钢结构进行加固质，但其质地类似于大理石等物质，较传统混凝土具有更高的强度。由此不难看出，普通水泥混凝土已经很难满足其技术要求，因此对混凝土性能提出来更高的要求，以适应3D打印建筑技术的需要。 图2 轮廓工艺6 图3 GP(a) 与 FP(b) 7 为满足3D打印建筑的需求，混凝土拌合物必须达到特定的要求。以下从混凝土的组成进行分析。首先，普通硅酸盐水泥在强度，凝结时间等方面可能无法达到3D打印的要求，需在此基础上做进一步的研究。如改变水泥组成中的矿物组成、熟料的细度等。如采用硫铝酸盐水泥或者铝酸盐改性硅酸盐水泥等获得更快的凝结时间和更好的早期强度等。其次，3D打印是通过喷嘴来实现的。喷嘴的大小决定了混凝土拌合物配制中的颗粒大小，并且必须找到最合适的骨料粒径大小。骨料粒径过大，堵塞喷嘴; 粒径过小，包裹骨料所需浆体的比表面积大，浆体多，水化速率快，单位时间水化热高，将会导致混凝土各项性能的恶化。再次，配制的混凝土拌合物要有合适的配合比，由于作为满足3D打印的原料新型混凝土已经不同于传统的混凝土，其各项性能发生了很大的变化，不能由传统的水胶比、砂率等所能决定，其基本性能发生巨大改变。目前与混凝土相关的理论，如强度、耐久性、水化作用等，均不能很好的满足3D打印混凝土的要求。为使打印混凝土获得理想的状态，如高强度，好耐久性，良好的拌合性能，合适的凝固时间，良好的工作性、可泵性和可建筑性，需要从新的角度去完善理论。最后，外加剂是现代混凝土必不可少的组分之一，是混凝土改性的一种重要方法和技术。3D 打印混凝土必须具备更好的流变性以便于挤出且能在空气中迅速凝结防止由于自身重力破坏打印混凝土的结构，并且骨料的最大粒径会变得更小以及其形貌更接近圆形，从而导致级配也将变的更加复杂，最终还需要解决各层之间凝结问题，这就需要新型外加剂来解决。从材料流变学的角度考虑，3D打印混凝土应该具有较高的塑性粘度、较低的极限剪切应力，如此它不具有流淌性却具有好的可塑性，同时应有较快的凝结时间和较高的早期强度。除此之外，还应该考虑配合比对于打印混凝土的收缩率的影响以及孔隙结构对于打印混凝土的影响。例如，Le等9研究表明: 低的水胶比和粉煤灰比例有助于降低打印过程的收缩率; 小的孔隙结构可以提高打印混凝土的品质。在此基础上，打印混凝土的可浇筑性和挤出性受到混凝土的和易性和凝结时间的影响。在3D混凝土打印过程中还必须保证打印完成部分的完整性，不会由于自身的重力因素而出现塌落，倾斜等变形现象，这就