混凝土3D打印技术发展

混凝土安全技术交底 混凝土 3D 打印技术发展 --------3D 打印混凝土材料及混凝土建筑技术进展 3D 打印是近年来发展起来的高新技术，已在机械制造等行业取得很大成功，在材 料和建筑等领域也有所发展。本文在介绍通用3D 打印技术进展的基础上，着重阐述了 混凝土材料的传统施工工艺、国内外 3D 打印混凝土技术与其材料和施工工艺的发展现 状，讨论了 3D 打印混凝土当前所面临的问题，并对 3D 打印混凝土提出了未来展望。 1、引言 当代建筑用量最大、 范围最广、 最经济的建筑材料-混凝土的发展虽然只有不到 200 年的历史， 却已成为当代社会使用量巨大的建筑工程材料， 为人类社会的发展与前进做 出了不可取代的贡献。 然而随着工程建设的不断加快， 混凝土在生产应用方面的高能耗、 高污染的弊端也逐渐显露出来， 严重阻碍了其发展。为适应绿色制造发展需求， 混凝土 需要不断地注入新鲜的血液。3D 打印作为第三次工业革命的重要标志，广泛应用于各 个研究领域，对传统社会生产产生巨大冲击，成为改变未来的创造性技术。以3D 打印 页脚内容1 混凝土安全技术交底 为基础的 3D 打印混凝土技术作为一种新型技术，必将成为混凝土发展史上的重大转折 点。 本文以 3D 打印技术为出发点，介绍传统混凝土的施工工艺以及3D 打印混凝土及 砂浆的发展与技术进展，并在对3D 打印混凝土技术的认识的基础上，进一步研究其存 在的问题，并对其未来的发展趋势提出了观点。 2、3D 打印技术进展 根据美国材料与试验协会(ASTM)3D 打印技术委员会(F42 委员会)公布的定义，3D 打印是一种与减材制造和等材制造等传统的制造技术迥然不同的， 以模型的三维数据为 基础，通过打印机喷嘴挤出材料，逐层打印增加材料来生成3D 实体的技术，因此又称 为添加制造(AM，AdditiveManufacturing)。其包含诸多方面的前沿技术知识，具有很高 的科技含量，例如:建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学等。目前，轮廓工 艺、D-Shape、打印混凝土作为三大增材制造工艺在公共领域尤其在建筑领域具有很好 的前景。3D 打印技术主要包括 3D 建模、3D 分割、打印喷涂和后期处理等四部分组成， 页脚内容2 混凝土安全技术交底 如图 1 所示。3D 建模是 3D 打印的基础，3D 建模质量的好坏决定了 3D 打印的优劣;3D 分割是将模型切成一层层的薄皮，此过程是由计算机的软件实现;打印喷涂是将成型材 料逐层的喷涂或熔结到三维空间中， 最近几年较普遍认同的是先喷一层胶水， 然后再在 上面撒一层材料，如此反复;后期处理是指在打印完成后一般都会有毛刺或者粗糙的表 面，此时需要进行后期处理。由此可以看出与传统材料加工方法截然相反，3D 打印是 基于三维数据，然后通过3D 打印机逐层打印，这样就不必事先制造模具，不必在制造 过程中去处理大量的材料，也不必通过复杂的锻造工艺，最终在生产上实现结构优化、 节约材料和节省能源。 图图 1 3D1 3D打印流程打印流程 3D 打印技术起源于 19 世纪末的美国， 于 20 世纪 80 年代得到实现与发展。 起初由 于其昂贵的价格，技术的不成熟等，并没有得到推广普及。但经过30 多年的发展，3D 页脚内容3 混凝土安全技术交底 打印技术也逐渐成熟，且价格也大幅下降。目前3D 打印作为“第三次工业革命的重要 生产工具”，正在成为一种迅猛发展的潮流，广泛应用到各个研究领域，如生物医疗领 域已使用 3D 打印技术成功地研制出了人造骨骼等人体组织器官， 对生物医学技术的发 展具有重大的作用;航天航空领域利用 3D 打印技术制造现状复杂、 尺寸微细、 性能特殊 的零部件、 机构直接制造， 实现精细制造;在个性化领域中， 3D 打印技术可应用于珠宝、 服饰、鞋类、玩具、创意 DIY 作品的设计和制造等，除此之外，3D 打印技术还在模具 制造、电子信息领域、汽车制造领域具有广泛应用。 3、传统混凝土材料与施工技术 混凝土是当代最大宗的、 用量最大的土建材料， 在当代城市化进程不断加快的中国 扮演的角色也愈加重要。 混凝土的强度性能和耐久性与施工技术有着密切的关系。 根据 ASTMC125(混凝土和混凝土骨料有关术语的标准定义)和ACI116委员会(水泥和混凝土工 艺学的术语)规定，混凝土是主要由胶结介质和埋在其中的骨粒颗粒或碎片所组成的复 合材料。 页脚内容4 混凝土安全技术交底 与整个所期望的使用年限相比， 混凝土的施工所耗时间是可以忽略的， 但在这段时 间内却要经过许多施工操作。 这些操作工序不仅受到材料性能的影响， 同时也对材料的 使用性能产生作用。一般来说，混凝土材料施工主要包括混凝土的浇灌、捣实、抹面、 养护和脱模等过程。 混凝土是在水平方向上以一致的厚度分层铺筑的， 所以在浇筑的过程中要保持足够 快的浇注速度，以确保在铺筑新的一层时， 紧靠下面的一层仍处于塑性形态， 避免产生 冷接头、流纹以及两层交界的薄弱面;捣实是使混凝土充填模板并围绕埋入的部件和钢 筋模制成型， 以除去其中的空隙和空气的过程。 振动是最普通的用来捣实混凝土的方法。 振动时必须迅速把振动器插入拌合物中， 然后缓慢地上下移动， 这样有助于空气的逸出; 抹面是混凝土确保表面的平整和密实的有效方法之一， 尤其在混凝土路面、 地板等平板 面工程;养护对混凝土的强度和耐久性有着重要的影响。养护目的有两个，一个是在到 达要求强度水平的期间内，防止水分损失以及控制混凝土的温度;另一是基于密封表面 防止混凝土水分损失。对于路面或者地面可用水淹没进行养护;其它结构可喷水或者喷 雾，或者是用水将麻袋或棉布浸湿，然后覆盖混凝土保湿养护;对于快速凝结的建筑， 可使用防水养护纸、聚乙烯薄膜或者成膜养护剂等;脱模一般是混凝土施工的最后一道 工序。 脱模时必须等到混凝土强度足以承担固定荷载和强制结构载荷所产生的应力， 同 时混凝土还应有一定的硬度，以便在拆模或者其它操作时， 表面不致受到损害。很多时 候在脱模之后还会养护一定时间。了解传统混凝土材料及其施工技术对于发展如3D 打 印混凝土的新技术是不可或缺的重要基础。 页脚内容5 混凝土安全技术交底 4、3D 打印混凝土材料与工艺 4.1 3D4.1 3D 打印混凝土材料打印混凝土材料 3D 打印混凝土技术是将 3D 打印技术与商品混凝土领域的技术相结合而产生的新 型应用技术， 其主要原理是将混凝土构件利用计算机进行3D建模和分割生产三维信息， 然后将配制好的混凝土拌合物通过挤出装置， 按照设定好的程序，通过机械控制，由喷 嘴挤出进行打印，最后得到混凝土构件。3D 打印混凝土技术在实际施工打印过程中， 由于其具有较高的可塑性， 在成型过程中的无需支撑， 是一种新型的混凝土无模成型技 术，具有以下两个优点:既有自密实混凝土的无需振捣的优点，也有喷射混凝土便于制 造繁杂构件的优点。 美国宇航局(NASA)与美国南加州大学合作研发出“轮廓工艺”3D 打印技术，在 24 小时内打印出大约 232m2 的两层楼房(如图 2)，大大节约建筑时间和建筑成本，为绿色 制造打开了一扇大门。目前玻璃纤维增强石膏、玻璃纤维增强砂浆等均