3D打印混凝土材料及混凝土建筑技術進展

當代建筑用量最大、范圍最廣、最經(jīng)濟的建筑材料-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)展與前進做出了不可取代的貢獻。然而隨著工程建設的不斷加快，混凝土在生產(chǎn)應用方面的高能耗、高污染的弊端也逐漸顯露出來，嚴重阻礙了其發(fā)展。為適應綠色制造發(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)革命的重要標志，廣泛應用于各個研究領域，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。以3D打印為基礎的3D打印混凝土技術作為一種新型技術，必將成為混凝土發(fā)展史上的重大轉(zhuǎn)折點。

本文以3D打印技術為出發(fā)點，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)展與技術進展，并在對3D打印混凝土技術的認識的基礎上，進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。

根據(jù)美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)3D打印技術委員會(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)的制造技術迥然不同的，以模型的三維數(shù)據(jù)為基礎，通過打印機噴嘴擠出材料，逐層打印增加材料來生成3D實體的技術，因此又稱為添加制造(AM，AdditiveManufacturing)。其包含諸多方面的前沿技術知識，具有很高的科技含量，例如:建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學等。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域尤其在建筑領域具有很好的前景。3D打印技術主要包括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，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，此過程是由計算機的軟件實現(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，最近幾年較普遍認同的是先噴一層膠水，然后再在上面撒一層材料，如此反復;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，此時需要進行后期處理。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3D打印機逐層打印，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，也不必通過復雜的鍛造工藝，最終在生產(chǎn)上實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、節(jié)約材料和節(jié)省能源。

3D打印技術起源于19世紀末的美國，于20世紀80年代得到實現(xiàn)與發(fā)展。起初由于其昂貴的價格，技術的不成熟等，并沒有得到推廣普及。但經(jīng)過30多年的發(fā)展，3D打印技術也逐漸成熟，且價格也大幅下降。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，廣泛應用到各個研究領域，如生物醫(yī)療領域已使用3D打印技術成功地研制出了人造骨骼等人體組織器官，對生物醫(yī)學技術的發(fā)展具有重大的作用;航天航空領域利用3D打印技術制造現(xiàn)狀復雜、尺寸微細、性能特殊的零部件、機構(gòu)直接制造，實現(xiàn)精細制造;在個性化領域中，3D打印技術可應用于珠寶、服飾、鞋類、玩具、創(chuàng)意DIY作品的設計和制造等，除此之外，3D打印技術還在模具制造、電子信息領域、汽車制造領域具有廣泛應用。

混凝土是當代最大宗的、用量最大的土建材料，在當代城市化進程不斷加快的中國扮演的角色也愈加重要。混凝土的強度性能和耐久性與施工技術有著密切的關系。根據(jù)ASTMC125(混凝土和混凝土骨料有關術語的標準定義)和ACI116委員會(水泥和混凝土工藝學的術語)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?；蛩槠M成的復合材料。

與整個所期望的使用年限相比，混凝土的施工所耗時間是可以忽略的，但在這段時間內(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、抹面、養(yǎng)護和脫模等過程。

混凝土是在水平方向上以一致的厚度分層鋪筑的，所以在澆筑的過程中要保持足夠快的澆注速度，以確保在鋪筑新的一層時，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混凝土的方法。振動時必須迅速把振動器插入拌合物中，然后緩慢地上下移動，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)護對混凝土的強度和耐久性有著重要的影響。養(yǎng)護目的有兩個，一個是在到達要求強度水平的期間內(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行養(yǎng)護;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;對于快速凝結(jié)的建筑，可使用防水養(yǎng)護紙、聚乙烯薄膜或者成膜養(yǎng)護劑等;脫模一般是混凝土施工的最后一道工序。脫模時必須等到混凝土強度足以承擔固定荷載和強制結(jié)構(gòu)載荷所產(chǎn)生的應力，同時混凝土還應有一定的硬度，以便在拆模或者其它操作時，表面不致受到損害。很多時候在脫模之后還會養(yǎng)護一定時間。了解傳統(tǒng)混凝土材料及其施工技術對于發(fā)展如3D打印混凝土的新技術是不可或缺的重要基礎。

4.1 3D打印混凝土材料

3D打印混凝土技術是將3D打印技術與商品混凝土領域的技術相結(jié)合而產(chǎn)生的新型應用技術，其主要原理是將混凝土構(gòu)件利用計算機進行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，按照設定好的程序，通過機械控制，由噴嘴擠出進行打印，最后得到混凝土構(gòu)件。3D打印混凝土技術在實際施工打印過程中，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，具有以下兩個優(yōu)點:既有自密實混凝土的無需振搗的優(yōu)點，也有噴射混凝土便于制造繁雜構(gòu)件的優(yōu)點。

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

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度。由此不難看出，普通水泥混凝土已經(jīng)很難滿足其技術要求，因此對混凝土性能提出來更高的要求，以適應3D打印建筑技術的需要。
為滿足3D打印建筑的需求，混凝土拌合物必須達到特定的要求。以下從混凝土的組成進行分析。首先，普通硅酸鹽水泥在強度，凝結(jié)時間等方面可能無法達到3D打印的要求，需在此基礎上做進一步的研究。如改變水泥組成中的礦物組成、熟料的細度等。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)時間和更好的早期強度等。其次，3D打印是通過噴嘴來實現(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大，漿體多，水化速率快，單位時間水化熱高，將會導致混凝土各項性能的惡化。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。目前與混凝土相關的理論，如強度、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)，如高強度，好耐久性，良好的拌合性能，合適的凝固時間，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。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變得更小以及其形貌更接近圓形，從而導致級配也將變的更加復雜，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。從材料流變學的角度考慮，3D打印混凝土應該具有較高的塑性粘度、較低的極限剪切應力，如此它不具有流淌性卻具有好的可塑性，同時應有較快的凝結(jié)時間和較高的早期強度。

除此之外，還應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，凝固時間短，早期強度高，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打印混凝土技術的不斷發(fā)展和深入，3D打印建筑也應用而生。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JanjaapRuijssenaars與意大利發(fā)明家EnricoDini(D-Shape3D打印機發(fā)明人)一同合作利用3D打印技術建造一棟名為“LandscapeHouse”的建筑。這些是3D打印建筑的巨大突破，將3D打印建筑技術實際化。

輪廓工藝作為新型的施工工藝很好地提升了3D打印混凝土的實用化。輪廓工藝是一項通過電腦控制的噴嘴按層擠出材料的建筑技術。輪廓工藝是一項混合技術，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)。泥刀作為此項技術的關鍵特點，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，不可避免地導致層級堆積效應，出現(xiàn)表面粗糙，橫向條紋明顯的現(xiàn)象(如圖5)。

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;由于輪廓技術能夠建造出單曲率和雙曲率的建筑，可以實現(xiàn)建筑的個性化;同時輪廓技術有利于進行精確建造;此外，打印設計中可以通過對內(nèi)部系統(tǒng)的填充來提高打印建筑的結(jié)構(gòu)性能。

5、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、混合成的一種顆粒或粉狀的混合物，然后以干粉包裝或散裝的形式運至工地，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用。

隨著3D打印技術出現(xiàn)，干混砂漿也將脫出目前普通砂漿的內(nèi)涵，作為復合材料其生產(chǎn)方式將同時向為建筑結(jié)構(gòu)主體服務和輔助服務的一體化道路。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)通過機械控制將膠水打印在每層砂石粉上的設計區(qū)域，反應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)件的相關性能。例如:3D打印干混砂漿的板材將具有互相扣接設計，會更牢固和安全，利用3D打印仿生技術設計的結(jié)構(gòu)具有可以有效的縮短施工周期、降低風險、不易脫落等優(yōu)勢。

6、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)建筑具有強度高、建筑形式自由、在建筑時間、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，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。普通水泥可能已無法同時滿足建筑性能與打印技術的要求，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。建筑設計非同兒戲，它的完成實現(xiàn)需要分毫不差的精確度，但是3D打印技術是否會出現(xiàn)偏差，以及應該做好預防工作是3D打印技術在建筑設計模型應用中應該注意的問題。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行，因此需要相關軟件在電腦上完成相關的工作，在通過自動化程序使之轉(zhuǎn)換為實物，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)是至關重要的。目前，我國還沒有專業(yè)的軟件公司與3D打印相配套，形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

(4)打印設備的問題。隨著技術的發(fā)展3D打印設備在快速發(fā)展，一臺3D打印設備價格從最初的幾十萬美元到現(xiàn)在的幾千美元，再到我國五千多人民幣的價格。3D打印設備在不斷地走向大眾，走進各個領域。然而，目前的3D打印混凝土設備還不能夠完全滿足其應用環(huán)境的特殊性的要求。例如，目前使用的打印設備只能滿足平面擴展階段，可用于低層大面積建筑的建設，而對于廣泛使用的高層建筑還無法進行打印。

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。

(1)傳統(tǒng)建筑技術會產(chǎn)生很高比例的建筑垃圾。據(jù)預測，中國每年20億m2以上的工程建設將持續(xù)10～15年，同時每年會產(chǎn)生約6億t的建筑垃圾。而3D打印混凝土技術在建筑過程中由于支模拆模的繁瑣程序的取消，實現(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，需要不斷地對原材料的選擇，配合比設計和配制理論，外加劑的使用等方面進行深入的研究，以此完善其性能的要求;需要不斷地對配套軟件的研究，以使3D打印更加自動化，達到最佳效果;也需要不斷發(fā)展對3D打印機械的研究，以實現(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;更需要不斷地對輪廓工藝進行完善，以實現(xiàn)精細施工和表面細致化的要求，使打印向精細化產(chǎn)品發(fā)展。

文章摘自微信公眾號“中國混凝土網(wǎng)”，作者：張大旺、王棟民，如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問題，請及時聯(lián)系，我們將盡快處理。