3D打印混凝土建筑及其混凝土材料现状分析

近年来,3D打印技术作为一门新兴技术得到了越来越多国家和地区的关注。它所涉及的领域也日益广泛。从2013年起,3D打印技术被逐步引入进建筑领域,我们首先对于3D打印在混凝土建筑中的应用进行了介绍,包括应用实例、现有的3D打印设备、打印工艺。接着就3D打印在混凝土建筑中的应用现状进行分析,指出了其优点及发展所需要面对的几点问题。在最后,对于3D打印在混凝土建筑的未来发展提出了自己的一些看法与意见,得出相关结论并进行了展望。

具有数字化、网络化、个性化、定制化特点的3D打印技术是一项非常具有发展前景的新兴科技。经过20余年的发展,凭借其制作精度高、制作周期短、制作材料多样等特点,3D技术已经成功实现在航空航天、医疗器材、汽车维修等多个领域的应用。其优于传统制造工艺的特点同样可以推动土木工程领域尤其是结构工程的发展。

2013年美国建成了世界上第一个3D打印建筑架构。在荷兰,UniverseArchitecture建筑设计事务所在2013年提出将以莫比乌斯环为原型利用3D打印技术建造LandscapeHouse。2014年4月,我国首批3D打印建筑在上海建成;2015年1月,在苏州建成了3D打印别墅住宅。此外在山东青岛等地,许多3D打印建筑的项目正在紧锣密鼓的筹备当中。可以说3D打印技术在建筑领域内正渐渐形成了一种迅猛发展的潮流。

1.3D打印建筑现状

1.13D打印建筑设备

现有的3D打印建筑的设备主要由一个龙门架在X方向上移动,悬挂于龙门架上的打印喷头在一定区域内进行X、Y、Z三个方向上的打印,再由打印头上部的悬挂杆完成较大尺度的Z方向运动。

1.23D打印建筑工艺

目前广泛使用的3D打印技术是“轮廓工艺”。所需材料都是从喷嘴中挤出的,喷嘴会根据设计图的指示,在指定地点喷出混凝土材料,就像在桌子上挤出一圈牙膏一样。然后,喷嘴两侧附带的刮铲会自动伸出,规整混凝土的形状。这样一层层的建筑材料砌上去就形成了外墙,再扣上屋顶,一座房子就建好了。轮廓工艺的特点在于它不需要使用模具,打印机打印出来的建筑物轮廓将成为建筑物的一部分,这样大大提升了建筑效率。

2.3D打印建筑优点

概括来说,3D打印建筑有着以下几个优点:

2.1施工工期短,施工过程无污染

当前3d打印机可在24小时内完成10栋200平方米的单层建筑,这个建筑速度是传统建筑方式的数倍。在建筑过程中,采用的材料为新型混凝土材料,使得施工过程中的扬尘、施工噪声污染得到极大的改善。并且还减少了建筑材料、构件的运输,使得建筑能耗大大降低。

2.2可打印结构复杂的节点

3D打印能够生产出高度数字化的具有复杂三维内部构造的构件。随着实际工程需要和设计水平的提高,结构节点的复杂性大大提高,此时再运用传统制造工艺如消减制作方法生产出来的节点构件,将越来越难以实现高标准。相较之,3D打印技术发展可以实现复杂节点的完整打印。此外,提高构件延性方面也具有重要突破,比如抗震结构中耗能构件的打印。3D打印的应用可以将外加劲肋替换为更利于美观、空间利用的内加劲肋剪切耗能连接,实现在高应力部分的应力减小,达到地震能量的耗散和减小主体结构破坏的作用。

2.3材料成本低

与传统的建筑相比,3D打印建筑一次成型,避免了返工和因尺寸差别而导致的材料切割所造成的浪费,节约了大量材料成本和人工成本。

3.3D打印建筑存在的问题

3.13D打印建筑用混凝土材料

目前现有混凝土材料粘结时间长,通常初凝时间即达到六到十小时,而终凝时间更是长达二十四小时左右。而对于3D打印混凝土建筑来说,需要求材料在短时间内便能快速凝结,现有的混凝土材料难以满足这一要求。

3D打印用混凝土需要有适宜的流动性。若流动性过大,则会导致在3D打印过程中材料无法堆叠,而流动性过小,则会导致3D打印喷头的堵塞。因此怎样的流动性较为合适,使得混凝土在从喷头中喷出后即快速凝结,也是现在所存在的问题之一。

3D打印建筑用混凝土配制好后便立刻要能达到一定的强度,便于支撑继续打印;之后强度也要满足相应的国家标准。现有的3D打印建筑用混凝土材料的强度上还有所欠缺,使得现有的3D打印建筑仅局限于1~2层的小型建筑。若想将3D打印技术应用于中高层建筑或地震多发地区,则还需要进行更多的尝试。

对于3D打印用混凝土材料上存在的问题,可从现今广泛运用的建筑材料入手,选择部分合适的胶凝材料、骨料作为试验对象,例如便于泵送的硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥。而添加剂则依据现今3D打印技术的研发成果定向选择,不拘泥于传统的添加剂。例如用于增强混凝土抗拉强度的玻璃纤维等添加剂。目前3D打印用混凝土的种类及组成材料主要为经处理的天然石膏、破碎花岗岩等建筑垃圾、公司自主研发的用于特定机型的含纤维添加剂的混凝土。

3.23D打印建筑相关配套

除却3D打印建筑所用材料上存在的问题之外,3D打印建筑对于3D混凝土打印机、3D打印软件等方面也提出了较高要求。

3D混凝土打印机是3D打印混凝土建筑的主要设备,性能优良的打印机能提高3D打印建筑的精度并使得打印效率得到提升。然而如今市场上还没有量产的3D混凝土建筑打印机。没有统一规格的打印机便使得3D打印建筑不能得到大范围的普及。

3D打印软件主要由建模软件、切片软件和三维行程控制软件组成。其中,建模软件可采用AutoCAD、3DMAX等支持STL格式文件的软件。切片软件将建模软件生成的STL文件转化为G代码,这类软件大多为开源软件。例如Cura、Slic3r等。三维行程控制软件负责读取G代码,完成3D打印过程。然而在混凝土打印的邻域里并不存在合适的开源软件,因此需要自主进行开发。

3.3打印质量控制

打印质量指得是3D打印建筑的力学性质、耐久性能。许多因素会影响到3D打印建筑的质量,从而使得建筑质量难以控制,例如材料自身问题、设备打印速率、打印工艺等。

材料自身的工作性能较差,导致下层混凝土已经初凝,上层混凝土流动度低,从而形成空隙,严重影响材料打印质量。

设备打印速率过快,下层混凝土强度未达到支撑强度,整个构件会变形甚至坍塌;打印速率过慢,混凝土初凝后界面黏结强度低。

在连续打印过程中,必须保持混凝土供应的连续性;打印完成后的后期维护保养也会影响打印质量

4发展与展望

3D打印建筑技术对环保、建筑业、商品混凝土行业带来的改变是显而易见的。如果我国的水泥行业按照现在的速度生产和发展下去,不仅会消耗大量的资源和能源,而且将给整个地球的环境增加不可想象的负担,这与走可持续发展的道路是严重相悖的。3D打印建筑技术不仅可以更有效地利用混凝土材料,大大减少水泥需求量,更能够大幅度提高建筑物服役寿命,此举无疑又大大减少了建筑垃圾的产生,减少了重复建设。因此,研究探讨出符合设计需求的新时期商品混凝土是十分必要的。

首先,商品混凝土的原材料将会变得更加广泛,比如胶凝材料可能采用特种水泥、树脂、镁质胶凝材料等;粗细骨料的质量要求会更高,以满足3D打印的需要,有可能会采用新的破碎工艺制造出完全不同于现在的材料;外加剂可能会从根本上发生改变,其在混凝土体系中发挥的作用及作用机理也完全不同于现在。

其次,在配合比设计方面,可能还需要有新的理论来支持。因为3D打印所需要的混凝土已经不同于传统的混凝土,混凝土各项性能发生了巨大变化,不是简单的水灰比、砂率等所能决定的了,其硬化、收缩性能发生根本性改变,目前的混凝土强度理论、耐久性能理论、水化作用理论等均不能适应要求。为获得更高的强度,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,需要从新的角度去发现理论,新的配合比设计方法,建立新的计算模型,以及硬化理论模型、服役寿命预测模型等。

可以预见在今后很长一段时间内3D打印仍然将被人们广泛关注。由于看好3D打印技术所表现出来的广阔的应用前景,许多国家纷纷出台本国的3D打印发展规划,布局3D打印产业。3D打印技术在建筑领域的应用研究刚刚开始,还存在许多亟待解决的问题,比如适合3D打印的建筑材料的研究,是仍然使用混凝土还是开发其他种类的建筑材料,如果使用混凝土,混凝土的工作性能、耐久性能则需要进行专门的设计和评估。3D打印建筑还有很长的路要走,但是毋庸置疑的是,3D打印建筑一定会成为未来世界的新标杆,请关注南极熊3d打印网。