3D打印混凝土建筑及其混凝土材料現(xiàn)狀分析

  摘要

  近年來(lái)，3D打印技術(shù)作為一門(mén)新興技術(shù)得到了越來(lái)越多國(guó)家和地區(qū)的關(guān)注。它所涉及的領(lǐng)域也日益廣泛。從2013年起，3D打印技術(shù)被逐步引入進(jìn)建筑領(lǐng)域。文章首先對(duì)于3D打印在混凝土建筑中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，包括應(yīng)用實(shí)例、現(xiàn)有的3D打印設(shè)備、打印工藝。接著就3D打印在混凝土建筑中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，指出了其優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展所需要面對(duì)的幾點(diǎn)問(wèn)題。在文章的最后，對(duì)于3D打印在混凝土建筑的未來(lái)發(fā)展提出了自己的一些看法與意見(jiàn)，得出相關(guān)結(jié)論并進(jìn)行了展望。

  具有數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)性化、定制化特點(diǎn)的3D打印技術(shù)是一項(xiàng)非常具有發(fā)展前景的新興科技。經(jīng)過(guò)20余年的發(fā)展，憑借其制作精度高、制作周期短、制作材料多樣等特點(diǎn)，3D技術(shù)已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)在航空航天、醫(yī)療器材、汽車維修等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。其優(yōu)于傳統(tǒng)制造工藝的特點(diǎn)同樣可以推動(dòng)土木工程領(lǐng)域尤其是結(jié)構(gòu)工程的發(fā)展。

  2013年美國(guó)建成了世界上第一個(gè)3D打印建筑架構(gòu)。在荷蘭，UniverseArchitecture建筑設(shè)計(jì)事務(wù)所在2013年提出將以莫比烏斯環(huán)為原型利用3D打印技術(shù)建造LandscapeHouse。2014年4月，我國(guó)首批3D打印建筑在上海建成；2015年1月，在蘇州建成了3D打印別墅住宅。此外在山東青島等地，許多3D打印建筑的項(xiàng)目正在緊鑼密鼓的籌備當(dāng)中?？梢哉f(shuō)3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域內(nèi)正漸漸形成了一種迅猛發(fā)展的潮流。

  1.3D打印建筑現(xiàn)狀

  1.13D打印建筑設(shè)備

  現(xiàn)有的3D打印建筑的設(shè)備主要由一個(gè)龍門(mén)架在X方向上移動(dòng)，懸掛于龍門(mén)架上的打印噴頭在一定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行X、Y、Z三個(gè)方向上的打印，再由打印頭上部的懸掛桿完成較大尺度的Z方向運(yùn)動(dòng)。

  1.23D打印建筑工藝

  目前廣泛使用的3D打印技術(shù)是“輪廓工藝”。所需材料都是從噴嘴中擠出的，噴嘴會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)圖的指示，在指定地點(diǎn)噴出混凝土材料，就像在桌子上擠出一圈牙膏一樣。然后，噴嘴兩側(cè)附帶的刮鏟會(huì)自動(dòng)伸出，規(guī)整混凝土的形狀。這樣一層層的建筑材料砌上去就形成了外墻，再扣上屋頂，一座房子就建好了。輪廓工藝的特點(diǎn)在于它不需要使用模具，打印機(jī)打印出來(lái)的建筑物輪廓將成為建筑物的一部分，這樣大大提升了建筑效率。

  2.3D打印建筑優(yōu)點(diǎn)

  概括來(lái)說(shuō)，3D打印建筑有著以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

  2.1施工工期短，施工過(guò)程無(wú)污染

  當(dāng)前3D打印機(jī)可在24小時(shí)內(nèi)完成10棟200平方米的單層建筑，這個(gè)建筑速度是傳統(tǒng)建筑方式的數(shù)倍。在建筑過(guò)程中，采用的材料為新型混凝土材料，使得施工過(guò)程中的揚(yáng)塵、施工噪聲污染得到極大的改善。并且還減少了建筑材料、構(gòu)件的運(yùn)輸，使得建筑能耗大大降低。

  2.2可打印結(jié)構(gòu)復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)

  3D打印能夠生產(chǎn)出高度數(shù)字化的具有復(fù)雜三維內(nèi)部構(gòu)造的構(gòu)件。隨著實(shí)際工程需要和設(shè)計(jì)水平的提高，結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性大大提高，此時(shí)再運(yùn)用傳統(tǒng)制造工藝如消減制作方法生產(chǎn)出來(lái)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)件，將越來(lái)越難以實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)。相較之，3D打印技術(shù)發(fā)展可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的完整打印。此外，提高構(gòu)件延性方面也具有重要突破，比如抗震結(jié)構(gòu)中耗能構(gòu)件的打印。3D打印的應(yīng)用可以將外加勁肋替換為更利于美觀、空間利用的內(nèi)加勁肋剪切耗能連接，實(shí)現(xiàn)在高應(yīng)力部分的應(yīng)力減小，達(dá)到地震能量的耗散和減小主體結(jié)構(gòu)破壞的作用。

  2.3材料成本低

  與傳統(tǒng)的建筑相比，3D打印建筑一次成型，避免了返工和因尺寸差別而導(dǎo)致的材料切割所造成的浪費(fèi)，節(jié)約了大量材料成本和人工成本。

  3.3D打印建筑存在的問(wèn)題

  3.13D打印建筑用混凝土材料

  目前現(xiàn)有混凝土材料粘結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，通常初凝時(shí)間即達(dá)到六到十小時(shí)，而終凝時(shí)間更是長(zhǎng)達(dá)二十四小時(shí)左右。而對(duì)于3D打印混凝土建筑來(lái)說(shuō)，需要求材料在短時(shí)間內(nèi)便能快速凝結(jié)，現(xiàn)有的混凝土材料難以滿足這一要求。

  3D打印用混凝土需要有適宜的流動(dòng)性。若流動(dòng)性過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致在3D打印過(guò)程中材料無(wú)法堆疊，而流動(dòng)性過(guò)小，則會(huì)導(dǎo)致3D打印噴頭的堵塞。因此怎樣的流動(dòng)性較為合適，使得混凝土在從噴頭中噴出后即快速凝結(jié)，也是現(xiàn)在所存在的問(wèn)題之一。

  3D打印建筑用混凝土配制好后便立刻要能達(dá)到一定的強(qiáng)度，便于支撐繼續(xù)打??；之后強(qiáng)度也要滿足相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有的3D打印建筑用混凝土材料的強(qiáng)度上還有所欠缺，使得現(xiàn)有的3D打印建筑僅局限于1~2層的小型建筑。若想將3D打印技術(shù)應(yīng)用于中高層建筑或地震多發(fā)地區(qū)，則還需要進(jìn)行更多的嘗試。

  對(duì)于3D打印用混凝土材料上存在的問(wèn)題，可從現(xiàn)今廣泛運(yùn)用的建筑材料入手，選擇部分合適的膠凝材料、骨料作為試驗(yàn)對(duì)象，例如便于泵送的硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥。而添加劑則依據(jù)現(xiàn)今3D打印技術(shù)的研發(fā)成果定向選擇，不拘泥于傳統(tǒng)的添加劑。例如用于增強(qiáng)混凝土抗拉強(qiáng)度的玻璃纖維等添加劑。目前3D打印用混凝土的種類及組成材料主要為經(jīng)處理的天然石膏、破碎花崗巖等建筑垃圾、公司自主研發(fā)的用于特定機(jī)型的含纖維添加劑的混凝土。

  3.23D打印建筑相關(guān)配套

  除卻3D打印建筑所用材料上存在的問(wèn)題之外，3D打印建筑對(duì)于3D混凝土打印機(jī)、3D打印軟件等方面也提出了較高要求。

  3D混凝土打印機(jī)是3D打印混凝土建筑的主要設(shè)備，性能優(yōu)良的打印機(jī)能提高3D打印建筑的精度并使得打印效率得到提升。然而如今市場(chǎng)上還沒(méi)有量產(chǎn)的3D混凝土建筑打印機(jī)。沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)格的打印機(jī)便使得3D打印建筑不能得到大范圍的普及。

  3D打印軟件主要由建模軟件、切片軟件和三維行程控制軟件組成。其中，建模軟件可采用AutoCAD、3DMAX等支持STL格式文件的軟件。切片軟件將建模軟件生成的STL文件轉(zhuǎn)化為G代碼，這類軟件大多為開(kāi)源軟件。例如Cura、Slic3r等。三維行程控制軟件負(fù)責(zé)讀取G代碼，完成3D打印過(guò)程。然而在混凝土打印的鄰域里并不存在合適的開(kāi)源軟件，因此需要自主進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

  3.3打印質(zhì)量控制

  打印質(zhì)量指得是3D打印建筑的力學(xué)性質(zhì)、耐久性能。許多因素會(huì)影響到3D打印建筑的質(zhì)量，從而使得建筑質(zhì)量難以控制，例如材料自身問(wèn)題、設(shè)備打印速率、打印工藝等。

  材料自身的工作性能較差，導(dǎo)致下層混凝土已經(jīng)初凝，上層混凝土流動(dòng)度低，從而形成空隙，嚴(yán)重影響材料打印質(zhì)量。

  設(shè)備打印速率過(guò)快，下層混凝土強(qiáng)度未達(dá)到支撐強(qiáng)度，整個(gè)構(gòu)件會(huì)變形甚至坍塌；打印速率過(guò)慢，混凝土初凝后界面黏結(jié)強(qiáng)度低。

  在連續(xù)打印過(guò)程中，必須保持混凝土供應(yīng)的連續(xù)性；打印完成后的后期維護(hù)保養(yǎng)也會(huì)影響打印質(zhì)量

  4發(fā)展與展望

  3D打印建筑技術(shù)對(duì)環(huán)保、建筑業(yè)、商品混凝土行業(yè)帶來(lái)的改變是顯而易見(jiàn)的。如果我國(guó)的水泥行業(yè)按照現(xiàn)在的速度生產(chǎn)和發(fā)展下去，不僅會(huì)消耗大量的資源和能源，而且將給整個(gè)地球的環(huán)境增加不可想象的負(fù)擔(dān)，這與走可持續(xù)發(fā)展的道路是嚴(yán)重相悖的。3D打印建筑技術(shù)不僅可以更有效地利用混凝土材料，大大減少水泥需求量，更能夠大幅度提高建筑物服役壽命，此舉無(wú)疑又大大減少了建筑垃圾的產(chǎn)生，減少了重復(fù)建設(shè)。因此，研究探討出符合設(shè)計(jì)需求的新時(shí)期商品混凝土是十分必要的。

  首先，商品混凝土的原材料將會(huì)變得更加廣泛，比如膠凝材料可能采用特種水泥、樹(shù)脂、鎂質(zhì)膠凝材料等；粗細(xì)骨料的質(zhì)量要求會(huì)更高，以滿足3D打印的需要，有可能會(huì)采用新的破碎工藝制造出完全不同于現(xiàn)在的材料；外加劑可能會(huì)從根本上發(fā)生改變，其在混凝土體系中發(fā)揮的作用及作用機(jī)理也完全不同于現(xiàn)在。

  其次，在配合比設(shè)計(jì)方面，可能還需要有新的理論來(lái)支持。因?yàn)?D打印所需要的混凝土已經(jīng)不同于傳統(tǒng)的混凝土，混凝土各項(xiàng)性能發(fā)生了巨大變化，不是簡(jiǎn)單的水灰比、砂率等所能決定的了，其硬化、收縮性能發(fā)生根本性改變，目前的混凝土強(qiáng)度理論、耐久性能理論、水化作用理論等均不能適應(yīng)要求。為獲得更高的強(qiáng)度，更好的耐久性，更完美的拌合物性能，更快的硬化速度和性能，需要從新的角度去發(fā)現(xiàn)理論，新的配合比設(shè)計(jì)方法，建立新的計(jì)算模型，以及硬化理論模型、服役壽命預(yù)測(cè)模型等。

  可以預(yù)見(jiàn)在今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)3D打印仍然將被人們廣泛關(guān)注。由于看好3D打印技術(shù)所表現(xiàn)出來(lái)的廣闊的應(yīng)用前景，許多國(guó)家紛紛出臺(tái)本國(guó)的3D打印發(fā)展規(guī)劃，布局3D打印產(chǎn)業(yè)。3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用研究剛剛開(kāi)始，還存在許多亟待解決的問(wèn)題，比如適合3D打印的建筑材料的研究，是仍然使用混凝土還是開(kāi)發(fā)其他種類的建筑材料，如果使用混凝土，混凝土的工作性能、耐久性能則需要進(jìn)行專門(mén)的設(shè)計(jì)和評(píng)估。3D打印建筑還有很長(zhǎng)的路要走，但是毋庸置疑的是，3D打印建筑一定會(huì)成為未來(lái)世界的新標(biāo)桿。