全面解析3D打印混凝土技術 將成行業(yè)發(fā)展新方向

    近年來，作為“第三次工業(yè)革命”標志性技術的3D打印技術引領時代潮流，快速進入到各個研究領域，從工業(yè)設計、航空航天到醫(yī)療等各大領域均已出現3D打印的足跡，這對傳統(tǒng)的社會生產將產生巨大的沖擊，成為改變未來世界的創(chuàng)造性科技。同樣，3D打印技術與混凝土技術相結合的3D打印混凝土技術，是混凝土行業(yè)發(fā)展的一大機遇，3D打印混凝土技術將成為混凝土行業(yè)發(fā)展的一個重要方向。
　　混凝土材料是當今社會最為重要的土木工程材料之一，為人類社會的發(fā)展與建設做出了不可估量的貢獻，而隨著社會科學技術的發(fā)展，混凝土在生產應用過程中的高能耗、高污染等問題逐漸凸顯，成為制約混凝土材料發(fā)展的一大阻力。為適應社會可持續(xù)發(fā)展的需要，混凝土本身性能逐漸向高強度、高性能等方向發(fā)展，同時，新技術的出現也為混凝土的可持續(xù)發(fā)展提供了新的方向。
　　3D打印混凝土技術
　　3D打印混凝土技術是在3D打印技術的基礎上發(fā)展起來的應用于混凝土施工的新技術，其主要工作原理是將配置好的混凝土漿體通過擠出裝置，在三維軟件的控制下，按照預先設置好的打印程序，由噴嘴擠出進行打印，最終得到設計的混凝土構件。3D打印混凝土技術在打印過程中，無需傳統(tǒng)混凝土成型過程中的支模過程，是一種最新的混凝土無模成型技術。2012年，英國拉夫堡大學的研究者研發(fā)出新型的混凝土3D打印技術，3D打印機械在計算機軟件的控制下，使用具有高度可控制擠壓性的水泥基漿體材料，完成精確定位混凝土面板和墻體中孔洞的打印，實現了超復雜的大尺寸建筑構件的設計制作，為外形獨特的混凝土建筑打開了一扇大門。
　　1.3D打印混凝土
　　隨著3D打印混凝土技術的出現，普通混凝土已無法滿足其技術的需要，對混凝土的性能提出了進一步的要求，分別體現在對新拌混凝土的施工性能和硬化混凝土的力學性能及耐久性，英國拉夫堡大學的T.T.Le等人對此進行了相關的研究。對于新拌的混凝土漿體，為滿足3D打印的要求，必須達到特定的性能要求。首先是可擠出性，在3D打印混凝土技術中，混凝土漿體通過擠出裝置前端的噴嘴擠出進行打印，因此配置漿體中顆粒大小要由噴嘴口的大小決定，并需嚴格控制，杜絕大顆粒集料的出現，在打印過程中不致堵塞，以保證漿體順利擠出。
　　其次，混凝土漿體要具有較好的粘聚性，一方面，較好的粘聚性可以保證混凝土在通過噴嘴擠出的過程中，不會因漿體自身性能的原因出現間斷，避免打印遺漏；另一方面，3D打印是由層層累加而得到最終的產品，因此，層與層之間的結合屬于3D打印混凝土的薄弱環(huán)節(jié)，是影響硬化性能的重要因素，而較好的粘聚性可以在最大程度上削弱打印層負面的影響。最后，可擠出性和粘聚性盡可以保證前期的打印和硬化后的性能，卻難以保證打印的全程可以順利進行。在3D混凝土打印的過程中，必須要求已打印完成的部分狀態(tài)保持良好，不會出現坍塌、傾斜等中斷打印施工的現象，這就對混凝土漿體的可建造性提出了要求。
　　3D打印混凝土技術同樣會對硬化混凝土的性能產生較大影響。在打印過程中，混凝土呈條狀擠出成型，條與條之間的粘結問題是決定硬化打印混凝土孔結構的重要因素，較差的粘聚性會導致打印混凝土結構內部出現大而多的孔隙，亦必將對混凝土的耐久性有重大影響；對強度而言，使用打印技術會造成混凝土強度的損失，導致打印混凝土的強度低于同種配比的模成型混凝土，同時，打印也會使混凝土的強度出現各項異性的特點，強度的高低由打印的方向所決定；此外，水中養(yǎng)護對打印混凝土的性能也有較大的影響，這一點在其他研究者的研究中也得到證實，主要原因在于水中養(yǎng)護會對打印混凝土的微觀結構有一定的改善作用，填充打印混凝土在打印過程中造成的孔隙，從而改善打印混凝土的各項性能。
　　2.3D打印混凝土的施工
　　隨著3D打印混凝土出現在研究者的視野中，3D打印建筑也隨之產生。意大利研究者EnricoDini發(fā)明了世界首臺大型建筑3D打印機，這臺打印機的底部有數百個噴嘴，可噴射出鎂質黏合物，在黏合物上噴撒砂子可逐漸鑄成石質固體，通過一層層地黏合物和砂子結合，最終形成石質建筑物，并成功使用建筑材料打印出高4米的建筑物。在此基礎上，他與荷蘭建筑師JanjaapRuijssenaars一同合作，欲用此3D建筑打印機打印建設一座“莫比烏斯環(huán)”狀的建筑物，用以參加歐洲的3D打印比賽，這是3D打印混凝土技術在建筑行業(yè)的大膽實踐。近日，上海青浦出現一批3D打印房屋，其研發(fā)者馬義和使用回收的建筑垃圾與玻璃纖維作為打印原料，采用自行設計的組裝打印機械在24小時內完成了10幢200平方米建筑的“打印”，但其使用的材料與結構的承載力、耐久性仍值得考慮。
　　之前荷蘭的一家建筑企業(yè)也已著手進行一棟大樓的打印，其施工主要是通過將3D打印機打印出來的預制件像積木一樣壘起來，以此來完成打印。在3D打印混凝土的打印過程中，是混凝土條層層堆積的過程，不可避免地會在打印構件的表面上出現臺階效應，其表面粗糙不平，不僅影響美觀，還可能導致精度的誤差，從圖6中可以明顯看出，打印的構件表面存在橫向的條紋，層次較為明顯，表面平整度有待美化。而為了處理這類問題，通常使用兩種方法：一是縮小打印噴嘴的口徑，降低臺階的高度，這種方法會降低打印的速度，影響施工效率，同時并不能保證表面達到理想的平整度；二是在成型后進行后續(xù)抹平處理，此方法需進行重復工作，費時費力。為解決3D打印建筑施工過程中的這些問題，美國南加州大學的BehrokhKhoshnevis教授提出輪廓建筑工藝(ContourCrafting)。輪廓建筑工藝是使用3D打印技術進行建筑建造的一種工藝，包括輪廓打印系統(tǒng)(Extrusionsystem)和內部填充系統(tǒng)(Fillingsystem)兩部分，其原理是先進行外部輪廓的打印，之后向內部填充材料，形成混凝土構件。
　　輪廓建筑工藝最大的特點是：在噴嘴上加入泥刀，泥刀保證在打印建筑的同時可以進行表面的平整，很好地解決3D打印表面不平整的問題。此外，輪廓建筑工藝可以在3D打印建筑的同時，實現混凝土構件中配筋，還可以進一步嘗試高層建筑的打印建設。以3D打印技術為基礎，加入泥刀的輪廓建筑工藝具有較多的優(yōu)點，一方面在打印的同時進行建筑物表面的平整，提高了打印建筑表面的光滑度與精確度，避免重復施工；同時，還可以加大每層打印的厚度，提高建筑物的建造效率，可在24小時內打印完成一棟2500平方英尺的房子。此外，打印設計中填充系統(tǒng)的存在，可以根據需要進行內部材料的填充，在很大程度上提高打印建筑的結構性能。
　　3.3D打印混凝土存在的問題
　　目前的3D打印混凝土技術正處于研發(fā)試用階段，對于其性能與應用均處于探索階段，因此，不可避免地會存在一些問題。
　　(1)原材料的問題。3D打印混凝土相對于傳統(tǒng)的模成型混凝土對原料的要求更為苛刻，普通水泥可能無法同時滿足建筑性能與打印技術的要求，粗細骨料的質量要求會更高，甚至要采用新的破碎工藝制度，而對于外加劑在混凝土體系中發(fā)揮的作用及作用機理也可能會發(fā)生改變。
　　(2)配合比理論的問題。3D打印混凝土技術對混凝土的粘聚性、擠出性和可建造性等新拌性能提出了特殊的要求，同時，打印過程對混凝土的后期硬化性能會產生較大影響，這并不是可以簡單地依據水灰比、砂率等參數的調整而可以滿足的。依據現有的混凝土配合比理論配制的混凝土是否可以較好地滿足3D打印的工作性要求、達到打印硬化后力學性能與耐久性指標的要求仍有待確定，這就需要從新的角度去提出新的理論，以更好適應于3D打印混凝土技術。
　　(3)軟件的問題。與傳統(tǒng)混凝土施工不同的是，3D打印混凝土需要先完成電腦上模型的構造，再通過自動化程序使之轉換為實物，因此，設計軟件成為3D打印混凝土技術準備階段的重要組成部分，而如何實現軟件與現實之間的轉換成為打印混凝土發(fā)展不可或缺的步驟。
　　(4)成型高度的問題。目前的3D打印混凝土技術所使用機械的能力仍處于平面擴展階段，可適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，只能通過先打印預制件、再進行組裝的方式來實現，同時，要將幾十層的建筑物打印出來，需要設計出巨型的3D打印機，解決大型建筑物結構強度問題，以及建筑物中鋼筋的打印問題。此外，3D打印混凝土在生產流程、安全措施等方面均會產生較大的改變，都會造成或多或少的問題，這些均有待研究者進一步的研究與發(fā)現。
　　3D打印混凝土展望
　　隨著科技的發(fā)展，愿意從事一線體力勞動的人員越來越少，作為勞動力密集的混凝土建筑行業(yè)將迎來一次巨大的挑戰(zhàn)，而結合了3D打印技術的3D打印混凝土技術的出現，無疑是一大福音，具有十分廣闊的發(fā)展前景。3D打印混凝土技術在建造過程中取消了支模拆模的繁瑣程序，在很大程度上簡化了施工的過程，使得施工速率可以提高到10倍以上，而且還可以實現混凝土的充分利用，降低水泥的使用量，更可以提高建筑物的服役壽命，降低建筑垃圾的產生，減少重復建設，同時，3D打印機械僅需要數名技術人員的控制，減少了施工人員的數量，正符合當今社會的發(fā)展趨勢。此外，3D打印混凝土技術可以實現各種形狀建筑的打印，對環(huán)境的要求較小，可將其應用于外太空的探索，迅速完成太空基地的建設。
　　目前，3D打印混凝土技術處于發(fā)展起步階段，為實現3D打印混凝土技術應用的普遍化，需要針對其存在的問題進行關鍵技術的解決。未來3D打印混凝土技術的研究發(fā)展可以從如下方面進行：
　　(1)混凝土材料的研究。雖然英國拉夫堡大學的T.T.Le等人對3D打印混凝土進行了部分的研究，提出了一些3D打印混凝土所需要具備的性能，但主要是基于現階段對3D打印混凝土技術初步的認識，缺乏較為系統(tǒng)、理論、深入的研究。而要使3D打印混凝土技術可以快速地發(fā)展，則必須對混凝土的原材料、配制理論進行系統(tǒng)深入的研究，因此，新的混凝土配合比理論和新的原材料要求都需要根據性能需求來完善，這也將是3D打印混凝土技術發(fā)展過程中的主要研究課題。
　　(2)配套軟硬件的研究。3D打印混凝土技術是電腦軟件與打印機械協同合作的過程，如何將電腦中的三維模型通過軟件控制的打印裝置將之變?yōu)閷嵨?，更好地與自動化過程相結合，并使之達到最佳效果，這將是一個長期的過程。
　　(3)打印工藝的研究。如何合理地安排打印的方向次序、控制打印噴頭的全方位爬升等都是決定打印效率的重要因素，也是今后研究中需要注意的方面。同時，目前的3D建筑打印工藝可實現的打印高度受到較大的限制，而社會的發(fā)展卻使混凝土建筑逐漸向高聳方向發(fā)展，這就需要新的打印工藝以實現高層打印與向高層發(fā)展所要解決的結構強度。（來源：中國智能制造網）