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综述:混凝土3D打印技术的研究与发展

时间:2021-09-11 20:44 来源:南极熊 作者:admin 阅读:
极光尔沃
      导读:近年来,混凝土3D打印技术在土木建筑等领域取得了快速的发展和应用。混凝土作为当代建筑用量最大、范围最广、最经济的建筑材料,虽然只有不到 200 年的历史,却已成为当今世界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(3D-printing)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。


3D 建筑打印技术是“快速成型技术”(rapidprototy-ping,简称 RP)的一种,是以数字模型为基础,以胶凝材料、掺合料、添加剂、特种纤维、骨料为主制成的特殊“油墨”,运用计算机制图将建筑模型转化为三维设计图后,通过分层加工、叠加成型的方式逐层增加材料来将建筑物打印建造出来的技术。20 世纪 90 年代,美国学者Pegna最早将水泥基材料用于 3D 打印,通过砂浆逐层累积并利用蒸养快速固化的方式,打印出混凝土(砂浆)结构。经过近 30 年的发展,混凝土 3D 打印技术已能够完成混凝土制品和结构的打印,并打印低层房屋。


3D 打印混凝土基材材料的选取

1)      胶凝材料

目前,3D 打印混凝土胶凝材料主要是以无机材料为主,如硅酸盐水泥、干混砂浆、黏土类、专用石膏材料等,也有以环氧树脂为主要代表的有机材料。


由于 3D 打印建筑物中缺少钢筋骨架的支撑,结构构件需要达到较高的强度来承受外部荷载,Le等人选用硅酸盐水泥作为混凝土的胶凝材料,试验研究表明其层间抵抗弯矩、剪力的能力不足。单选用了普通硅酸盐水泥作为 3D 打印混凝土胶凝材料,不能达到 3D 打印混凝土所需要的各项性能。而孙建智等人实验室数据表明,可以通过掺加聚合物等乳液对硅酸盐水泥的性能进行改性,减少收缩,提高黏结性。

2)      骨料

骨料,是混凝土中占比最大的材料,3D 打印混凝土对骨料的要求比传统混凝土更高。强度高、密度小、颗粒形貌接近球型的骨料是最适合 3D 打印混凝土使用的,同时 3D 打印混凝土建筑是由一层一层的混凝土堆叠而成,每一层混凝土都比较薄,加上 3D 打印混凝土是通过喷嘴喷出成型,如骨料的粒径过大,喷嘴可能会被堵塞。但粒径过小,则包裹骨料表面所需的浆体量大,加之水化速率快,单位时间内释放的水化热也高,将会导致混凝土各项性能的恶化。


因此,根据喷嘴的大小选取合适的骨料粒径至关重要。同时,骨料的细度、颗粒级配、含泥量等指标也需严格把控。这些都是由 3D 打印混凝土的特殊性所决定。

3)      矿物掺合料

矿物掺合料有粉煤灰、硅粉、矿粉、陶瓷抛光砖粉等,其活性成分可大幅提高打印构件的强度及结构的致密度,提高材料的耐久性能及结构的使用寿命。对于 3D 打印混凝土的可建造性,早期强度的快速增长尤为重要,Tregger 等人的研究证实,在3D 打印混凝土中掺入纳米黏土,有利于提高混凝土的湿压强度(green strength,或者称“塑性强度”)。

4)      纤维材料

纤维材料可以明显提高打印混凝土的抗裂强度和最大载荷的弹性模量,也可以明显改善打印混凝土韧性和延性,还可以赋予 3D 打印混凝土更好的粘结性,增强打印层间的粘结强度,防止应力集中处裂纹的产生和扩展。Biranchi等人在研究中就通过掺加 0.25%纤维的方法调整了 3D 打印地聚合物砂浆的配合比,获得了较好的可建造性。


5)      外加剂

3D 打印混凝土建造技术的关键性问题是实现材料的凝结时间和强度的控制,如何才能解决这两个指标的精确控制,是保证 3D 打印混凝土施工连续性和安全性的保障。

混凝土常用的材料有减水剂、促凝剂、缓凝剂、早强剂、引气剂、增稠剂、保塑剂等化学外加剂,它们对混凝土的各项工作性能起到了明显的调节及改善作用。适当地将外加剂运用到 3D 打印混凝土中,会取得量小而功大的作用。对于特定的施工环境,还应按需选用外加剂,如在水下施工中可以采用水下抗分散剂(anti washing-out admixture)来提高混凝土在水中的性能稳定性。

3D 打印混凝土的性能评价指标

1)      可挤出性与流动性

合适的流动性是 3D 混凝土所需满足的最重要条件之一。由于 3D 打印混凝土要通过输送管道,经打印头挤出才能打印成型,若其流动度过大,则打印过程中打印材料无法堆积,打印无法继续。若流动度过小,则容易造成输送管道或者打印头堵塞,并且给打印设备的清洗造成困难。一般而言,传统混凝土施工中主要通过控制含水量来控制材料的流动性,但在 3D 打印过程中,较高的含水量会导致多种问题,如较大的孔隙含量、力学强度的下降、较高的变形率等。所以,为了更好的流动性而提高含水量的做法并不完全适用于 3D 打印混凝土的施工。


事实上,在大多数情况下,选用高效减水剂是保证力学强度的前提下提高流动性的重要方法。但是过高的流动性造成了建造性能的降低,Malaeb 等人通过研究提出聚羧酸盐减水剂的掺量不宜超过 1.1mL/365g(125g 水泥、80g 砂、160g细集料),流动速率控制在 1.1~1.2cm/s。

影响砂浆的可挤出性的因素:
l  砂的比例
l  纤维的添加量

因此,在 3D 打印建筑过程中,要注意打印材料的使用,以防止打印过程中的堵塞现象。而对于水泥基浆体良好的流动性能,可通过调节颗粒级配也能有效地改善材料的流动性和流变性,这主要是因为通过调整粉末的含量、粗骨料的含量等方法能使骨料的粒度分布更广,达到更高的填充密度性,从而产生更好的流动性。

2)      可建造性

可建造性是评估混凝土材料可打印性能的另一个关键参数,即材料在自重和上层压力作用下保持其挤出形状的能力以及沉积的新鲜材料在负载下抗变形能力。在 3D 打印混凝土过程中,由于该技术省去了模板,很容易出现打印层的层间缺陷或沉降。可建造性是衡量结构早期刚度的指标,良好的可建造性是3D 打印混凝土的基本要求。


除了提高骨料用量之外,矿物掺合料和外加剂的掺入也会对建造性做出积极的贡献。目前的多数研究中表明,可以通过调控流变性能,以此获得水泥基材料 3D 打印建造性。

3)      层间粘结强度

3D 打印混凝土施工过程中浆料是一层层堆积成整体的,浆料的力学性能不仅要支撑自己本身的重量,还要足以承受随后在其上层堆积的浆料重量。因此,考虑其施工工艺特点的前提下,3D 打印混凝土除了与常规混凝土一样对抗压强度有着较高要求以外,层间黏结强度是维持结构稳定的必要条件,这也是 3D 打印混凝土性能较为特殊的方面之一。


然而,混凝土打印层之间的剪应力和拉应力传递机制是比较复杂的,它们涉及不同相互作用力的组合,打印层可能在长丝之间以及层与层之间产生薄弱部位或冷缝,并可能在压、拉、弯等应力作用下沿这些缝进行力的传递,从而削弱构件的承载能力。对于 3D 混凝土材料而言,需在保证层间黏结牢固与自身强度发展速度能支撑自重之间找到平衡。

影响黏结强度的关键因素:
l  层间打印间隔时间;
l  层间表面的含水率;

4)      凝结时间

打印材料一方面需要较长的凝结时间以获得良好的流动性和挤出性,同时,还需要较短的凝结时间以获得足够的早期强度。因此,凝结时间也是3D 打印材料性能指标研究中的重要参数之一。

5)      力学性能

3D 打印混凝土作为建筑材料,其力学性能是实现实际建筑结构的重要保障。与浇注成型的混凝土材料不同,挤出式成型决定了 3D 打印混凝土特殊的力学性能各向异性。针对 3D 打印混凝土力学性能试验方法的研究尚在进行中,仍没有标准确立。不过,打印混凝土的抗压强度和抗弯强度的方向依赖性被认为是逐层 3D 打印流程的固有特征。

3D 打印混凝土深受打印形状、尺寸、路径等参数影响,呈现空间各向异性,其力学性能演变规律异于普通混凝土。

6)      耐久性

在 3D 打印建筑中,建筑结构的耐久性也需要得到保证。普通的硅酸盐水泥打印材料强度较低,抗渗、保温性能较差,需要掺合外加剂的混凝土或利用质量较好的水泥衬底来提高其性能,以满足打印材料的耐久性要求。但这会导致混凝土结构的安全性会大大降低,打印出来的建筑结构容易出现断裂、渗漏的问题,因此,有必要研制出具有良好防渗防冻性能的材料,以保证结构的耐久性。


根据Suvash等人的研究报告,采用水胶比在 0.23-0.41范围内,胶砂比在 0.63-0.73 范围内,打印材料一旦硬化,就能产生最好的打印效果和适用性。3D 打印混凝土的各向异性特性对当前的结构和耐久性设计方法以及当前的性能测试实践提出了挑战。现行的结构和耐久性设计规范认为混凝土是一种均质材料。对于 3D 打印的混凝土元素,这不再是这样的情况,由于分层的概念使其更具有多孔性、较弱的界面和各向异性行为。

混凝土 3D 打印技术的优势和不足

1)    优势

l  经济环保,无污染。3D 打印建筑材料可以对建筑垃圾、工业垃圾、尾矿等进行循环利用,在建筑过程中也几乎不会产生新的废料,筑造过程降低建筑粉尘污染,减少雾霾与噪音,实现建筑工地无害化生产。
l  工期短,效率高使用 3D 打印技术不需要传统施工队伍与材料,现在已完成的 3D 打印建筑成品中,一栋二层别墅建造速度提高几十倍,极大地提高了生产效率。
l  墙体自重轻。3D 打印建筑所打印出来的墙体是空心的,为保证其结构支撑性能在中间添加“Z”形支撑。中间可添加泡沫材料以达到保温隔热、降噪吸声的目的。相比钢筋混凝土实心墙体,3D 打印建筑的墙体要轻许多[54]。这些优点在如今提倡节能减排,绿色低碳的可持续发展的社会环境中是值得提倡和发展的。

2)    不足

随着 3D 打印技术的成熟和深入研究,3D打印技术很可能在未来近几十年甚至几年内从本质上颠覆传统建造技术,将建筑行业带入智能化,精细化,高速化时代,但是目前 3D 打印建筑技术目前依旧不够成熟,在多个方面都存在着问题,他们共同制约了该项技术在建筑领域运用与发展。

l  在打印材料方面,目前为止,各国所发展的3D 打印的核心材料各不相同,各有利弊,寻找具备抗压与抗拉性能的高强度材料是 3D 打印技术在建筑工程发展的关键。现有打印材料的强度、稳定性、安全性、实用性等性能指标不够理想。与传统的建造方式相比,3D 打印建造对建筑材料的要求更高,普通建筑材料已经不能满足建造要求,甚至还需要运用新的破碎工艺来提高所用骨料的精度和质量。除此之外,对于建筑材料之间的黏合剂的性能要求也需要有所提高[55]。
l  在打印设备方面,为了实现大体量建筑的设计和生产,必须要研发出专用的 3D 打印机。目前,国内外对于这种打印机的设计、制造及其工艺的发展都不成熟。打印机越大越难制造,其打印精度和打印速度也会越差,而且不适于高层的建筑。
l  在打印建筑限制方面,3D 打印施工技术的力学性能还处于研发试用的阶段,虽然目前可以应用于低层大面积建筑的施工,但对于常见的高层建筑来说,一次性 3D 打印是无法做到的,只能像装配式建筑那样,先打印预制件再拼装,这样就丧失了快速成型的优势。
l  在行业法规方面,作为一种新型技术,3D打印混凝土特殊的配合比设计和多样的施工工艺,导致了其标准与规程存在较大的困难。用3D 打印技术所生产的建筑,其防火性能、隔音性能、环保性能等目前还没有相应的行业标准。
l  其他方面,各向异性行为以及耐久问题等也是 3D 打印目前面临的主要挑战。

综上,严格的材料要求,打印设备的不成熟,工艺技术的难题,缺少相应行业规范和法规以及其他方面,这些都是混凝土 3D 打印技术现阶段面临的不可避免的问题。

应用与展望

随着技术的不断发展,3D 打印也已逐步应用于制造业的各个领域,包括日常生活用品、汽车行业、生物医疗航空航天模具制造等领域。它可以在野外建造军事碉堡,可以在低收入国家建造经济适用房,可以在月球或火星就地取材建造,也可以在模板难以制造、修复或修复时打印复杂的建筑。

此外,结合纳米技术和先进的材料合成技术,3D 打印混凝土技术更适合制作(超)高性能和智能/多功能混凝土,如活性粉末混凝土、纤维增强复合材料、聚合物改性混凝土、纳米工程胶凝复合材料、自敏感混凝土和自愈合混凝土。

混凝土 3D 打印技术不仅可以应用于常规情况下,也可以在突发情况下。本文特别指出在当今世界面临的新冠肺炎疫情下,混凝土 3D 打印技术的应用。在疫情防控期间,防疫测控方舱是外来人员进入工作区域的一道关卡,房屋设施的建造效率是应对此类紧急公共事件时的重要指标。建筑 3D 打印技术由于免去了建造过程中的模板工程,其建造效率较传统混凝土结构具有先天优势。在应对此次新冠肺炎疫情、甚至其他紧急公共卫生事件的过程中,3D 打印技术一是通过简化建造工序、提高建造效率,为更快建成可以使用的方舱医院提供技术支持;二是降低劳动人员密度,从而降低了施工人员被感染的风险。

新型冠状病毒的到来不仅让我们意识到微观病毒的可怕和生命的可贵,还认识到预制装配在建筑领域的实操性。在短短 15 天之内建成了火神山和雷神山两家医院,共计建筑面积达 109 000 ㎡,床位 2500 张,建造速度震惊中外。突发疫情发生时,3D 打印技术能够对医院等建筑进行合理设计,精准建模,模拟场地与建筑关系,及时调整设计不足,通过分制建筑构件提高制造速度,减少设计,结构,电气,暖气和给排水等之间的矛盾和错误。


随着建筑业的智能化、自动化、高度集成化,和材料、信息、控制技术的不断优化及资源大利用化,混凝土 3D 打印技术将推动建筑工业化的实现,未来发展平台将更加广阔。为了改善环境,使世界万物生存和谐,走可持续发展道路,3D 打印技术务必要引起重视。

3D打印混凝土材料是促进 3D 打印施工技术发展的重要基础,同时也是制约该技术发展的关键瓶颈。根据国内外的研究进展和应用现状,3D 打印混凝土材料将朝着绿色、轻质、高强等方向发展。在未来的研究和发展中,可加强 3D 打印设备的性能要求,提高 3D 打印的精准度。改善 3D 打印设备的尺寸局限性,适用于更高更大尺寸建筑物的建造。致力推进打印材料精细化性能标准。加大人才培养力度和基金投入。

此外,前文提到建筑3D打印领域目前尚缺乏专门的3D 打印混凝土的相关标准。但参照现行混凝土规范作为技术指导,对与 3D 打印混凝土而言显然是不够的,必须提出有针对性测试方法和性能指标。

BIM 技术(buildinginformation modeling)被称为建筑行业的发展新方向,是以软件技术模拟建筑真实属性,将建筑物信息化存储、传递的新概念。通过 BIM 技术,可以查询到建筑物全生命周期内的各个信息,如材料性能、几何形状、工程进度等。3D 打印的建模部分需要 BIM 核心建模软件的支持,BIM 建模软件又能通过 3D 打印技术分毫不差地 完 成数字化到实体化这一过程。所以寻找BIM-3D 技术在建筑行业的契合点,发挥双方的优势,也是一个重要的研究方向。


参考阅读:徐寅,李古,朱江. 混凝土3D打印技术的研究与发展[A]. 天津大学、天津市钢结构协会.第二十一届全国现代结构工程学术研讨会论文集[C].天津大学、天津市钢结构协会:全国现代结构工程学术研讨会学术委员会,2021:7.

(责任编辑:admin)

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