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3D打印混凝土建筑及其混凝土材料現狀分析

  • 喬星宇 李韻通 潘寧
  • 2016-09-19 10:11
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  • 混凝土,

摘要:文章首先對于3D打印在混凝土建筑中的應用進行了介紹,包括應用實例、現有的3D打印設備、打印工藝。接著就3D打印在混凝土建筑中的應用現狀進行分析,指出了其優點及發展所需要面對的幾點問題。在文章的最后,對于3D打印在混凝土建筑的未來發展提出了自己的一些看法與意見,得出相關結論并進行了展望。

摘要

近年來,3D打印技術作為一門新興技術得到了越來越多國家和地區的關注。它所涉及的領域也日益廣泛。從2013年起,3D打印技術被逐步引入進建筑領域。文章首先對于3D打印在混凝土建筑中的應用進行了介紹,包括應用實例、現有的3D打印設備、打印工藝。接著就3D打印在混凝土建筑中的應用現狀進行分析,指出了其優點及發展所需要面對的幾點問題。在文章的最后,對于3D打印在混凝土建筑的未來發展提出了自己的一些看法與意見,得出相關結論并進行了展望。

具有數字化、網絡化、個性化、定制化特點的3D打印技術是一項非常具有發展前景的新興科技。經過20余年的發展,憑借其制作精度高、制作周期短、制作材料多樣等特點,3D技術已經成功實現在航空航天、醫療器材、汽車維修等多個領域的應用。其優于傳統制造工藝的特點同樣可以推動土木工程領域尤其是結構工程的發展。

2013年美國建成了世界上第一個3D打印建筑架構。在荷蘭,UniverseArchitecture建筑設計事務所在2013年提出將以莫比烏斯環為原型利用3D打印技術建造LandscapeHouse。2014年4月,我國首批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打印建筑的項目正在緊鑼密鼓的籌備當中。可以說3D打印技術在建筑領域內正漸漸形成了一種迅猛發展的潮流。

 3D打印建筑現狀

1.1 3D打印建筑設備

現有的3D打印建筑的設備主要由一個龍門架在X方向上移動,懸掛于龍門架上的打印噴頭在一定區域內進行X、Y、Z三個方向上的打印,再由打印頭上部的懸掛桿完成較大尺度的Z方向運動。

1.2 3D打印建筑工藝

目前廣泛使用的3D打印技術是“輪廓工藝”。所需材料都是從噴嘴中擠出的,噴嘴會根據設計圖的指示,在指定地點噴出混凝土材料,就像在桌子上擠出一圈牙膏一樣。然后,噴嘴兩側附帶的刮鏟會自動伸出,規整混凝土的形狀。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。輪廓工藝的特點在于它不需要使用模具,打印機打印出來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。

二 3D打印建筑優點

概括來說,3D打印建筑有著以下幾個優點:

2.1 施工工期短,施工過程無污染

當前3D打印機可在24小時內完成10棟200平方米的單層建筑,這個建筑速度是傳統建筑方式的數倍。在建筑過程中,采用的材料為新型混凝土材料,使得施工過程中的揚塵、施工噪聲污染得到極大的改善。并且還減少了建筑材料、構件的運輸,使得建筑能耗大大降低。

2.2 可打印結構復雜的節點

3D打印能夠生產出高度數字化的具有復雜三維內部構造的構件。隨著實際工程需要和設計水平的提高,結構節點的復雜性大大提高,此時再運用傳統制造工藝如消減制作方法生產出來的節點構件,將越來越難以實現高標準。相較之,3D打印技術發展可以實現復雜節點的完整打印。此外,提高構件延性方面也具有重要突破,比如抗震結構中耗能構件的打印。3D打印的應用可以將外加勁肋替換為更利于美觀、空間利用的內加勁肋剪切耗能連接,實現在高應力部分的應力減小,達到地震能量的耗散和減小主體結構破壞的作用。

2.3 材料成本低

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

三 3D打印建筑存在的問題

3.1 3D打印建筑用混凝土材料

目前現有混凝土材料粘結時間長,通常初凝時間即達到六到十小時,而終凝時間更是長達二十四小時左右。而對于3D打印混凝土建筑來說,需要求材料在短時間內便能快速凝結,現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性。若流動性過大,則會導致在3D打印過程中材料無法堆疊,而流動性過小,則會導致3D打印噴頭的堵塞。因此怎樣的流動性較為合適,使得混凝土在從噴頭中噴出后即快速凝結,也是現在所存在的問題之一。

3D打印建筑用混凝土配制好后便立刻要能達到一定的強度,便于支撐繼續打印;之后強度也要滿足相應的國家標準。現有的3D打印建筑用混凝土材料的強度上還有所欠缺,使得現有的3D打印建筑僅局限于1~2層的小型建筑。若想將3D打印技術應用于中高層建筑或地震多發地區,則還需要進行更多的嘗試。

對于3D打印用混凝土材料上存在的問題,可從現今廣泛運用的建筑材料入手,選擇部分合適的膠凝材料、骨料作為試驗對象,例如便于泵送的硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥。而添加劑則依據現今3D打印技術的研發成果定向選擇,不拘泥于傳統的添加劑。例如用于增強混凝土抗拉強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處理的天然石膏、破碎花崗巖等建筑垃圾、公司自主研發的用于特定機型的含纖維添加劑的混凝土。

3.2 3D打印建筑相關配套

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

3D混凝土打印機是3D打印混凝土建筑的主要設備,性能優良的打印機能提高3D打印建筑的精度并使得打印效率得到提升。然而如今市場上還沒有量產的3D混凝土建筑打印機。沒有統一規格的打印機便使得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文件轉化為G代碼,這類軟件大多為開源軟件。例如Cura、Slic3r等。三維行程控制軟件負責讀取G代碼,完成3D打印過程。然而在混凝土打印的鄰域里并不存在合適的開源軟件,因此需要自主進行開發。

3.3 打印質量控制

打印質量指得是3D打印建筑的力學性質、耐久性能。許多因素會影響到3D打印建筑的質量,從而使得建筑質量難以控制,例如材料自身問題、設備打印速率、打印工藝等。

材料自身的工作性能較差,導致下層混凝土已經初凝,上層混凝土流動度低,從而形成空隙,嚴重影響材料打印質量。

設備打印速率過快,下層混凝土強度未達到支撐強度,整個構件會變形甚至坍塌;打印速率過慢,混凝土初凝后界面黏結強度低。

在連續打印過程中,必須保持混凝土供應的連續性;打印完成后的后期維護保養也會影響打印質量

四 發展與展望

3D打印建筑技術對環保、建筑業、商品混凝土行業帶來的改變是顯而易見的。如果我國的水泥行業按照現在的速度生產和發展下去,不僅會消耗大量的資源和能源,而且將給整個地球的環境增加不可想象的負擔,這與走可持續發展的道路是嚴重相悖的。3D打印建筑技術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,此舉無疑又大大減少了建筑垃圾的產生,減少了重復建設。因此,研究探討出符合設計需求的新時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變得更加廣泛,比如膠凝材料可能采用特種水泥、樹脂、鎂質膠凝材料等;粗細骨料的質量要求會更高,以滿足3D打印的需要,有可能會采用新的破碎工藝制造出完全不同于現在的材料;外加劑可能會從根本上發生改變,其在混凝土體系中發揮的作用及作用機理也完全不同于現在。

其次,在配合比設計方面,可能還需要有新的理論來支持。因為3D打印所需要的混凝土已經不同于傳統的混凝土,混凝土各項性能發生了巨大變化,不是簡單的水灰比、砂率等所能決定的了,其硬化、收縮性能發生根本性改變,目前的混凝土強度理論、耐久性能理論、水化作用理論等均不能適應要求。為獲得更高的強度,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現理論,新的配合比設計方法,建立新的計算模型,以及硬化理論模型、服役壽命預測模型等。

可以預見在今后很長一段時間內3D打印仍然將被人們廣泛關注。由于看好3D打印技術所表現出來的廣闊的應用前景,許多國家紛紛出臺本國的3D打印發展規劃,布局3D打印產業。3D打印技術在建筑領域的應用研究剛剛開始,還存在許多亟待解決的問題,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發其他種類的建筑材料,如果使用混凝土,混凝土的工作性能、耐久性能則需要進行專門的設計和評估。3D打印建筑還有很長的路要走,但是毋庸置疑的是,3D打印建筑一定會成為未來世界的新標桿。

本文為上海市大學生創新項目,發表于《建材發展導向:下》2016, 14(3)。

作者:喬星宇,李韻通,潘寧。


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