1.3D打印在建筑技術(shù)中的發(fā)展

3D 打印(3D ?printing)技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計、汽車、航空航天、醫(yī)療、軍工以及其他領(lǐng)域都有應(yīng)用，該技術(shù)同樣引發(fā)了建筑業(yè)追捧的熱潮。3D打印建筑技術(shù)與傳統(tǒng)建筑相比，其優(yōu)勢在于：速度快，不需要使用模板，可以大幅節(jié)約成本;不需要數(shù)量龐大的建筑工人，大大提高了生產(chǎn)效率;可以非常容易地打印出其他方式很難建造的高成本曲線建筑;具有低碳、綠色、環(huán)保的特點。3D打印建筑技術(shù)可能改變建筑業(yè)的發(fā)展方向，對環(huán)保、建筑業(yè)、預(yù)拌混凝土行業(yè)帶來的改變是顯而易見。

2012年1月，美國航天局(NASA)出資與美國南加州大學(xué)合作，最新研發(fā)出“輪廓工藝”3d打印技術(shù)。2013年1月，荷蘭設(shè)計師Janjaap ?Ruijssenaars計劃采用3D打印技術(shù)建造仿莫比烏斯環(huán)的3D打印房屋.2013年1月，歐洲航天局已著手同建筑公司Forster+Parterners聯(lián)手研發(fā)在月球打印一座空間站的項目。計劃利用月球現(xiàn)成的土壤及其他材料通過3D打印技術(shù)將其制成建筑材料，進而完成空間站的建設(shè)。2013年2月，英國設(shè)計師Softkill ?Design正著手使用3D打印技術(shù)以纖維尼龍為結(jié)構(gòu)材料建造大批量民用住房。2013年3月，荷蘭公司DAS的建筑師建造了打印機，號稱將建造“第一”的3D打印運河屋。2014年1月，實現(xiàn)了3D打印運河屋組件的實際三維打印，預(yù)計將用三年時間完成組裝。2013年1月，中國上海盈創(chuàng)公司利用高標(biāo)號水泥和玻璃纖維復(fù)合制造了首批3D打印建筑，引發(fā)國內(nèi)外多方關(guān)注。2015年2月，它又在蘇州工業(yè)園區(qū)展示3D打印了一棟面積1100平米的別墅和一棟6層居民樓。

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2.建筑3d打印材料研究現(xiàn)狀

目前3D打印材料主要分成四種類型，塑料，金屬，陶瓷，蠟等。這些3D打印材料具有成本差異大并且有特定應(yīng)用的需求。塑料材料的應(yīng)用，如消費者印刷和幾個行業(yè)，消費者產(chǎn)品的制造用途。金屬在高端行業(yè)，如航空航天與國防，汽車，醫(yī)療及牙科等;陶瓷使用在家居裝飾用途;蠟等用在藝術(shù)和雕塑等領(lǐng)域。在這4種材料中，最有可能在建筑3D打印中的應(yīng)用的是第一種塑料類有機材料的。但是如果利用光聚合物，ABS，PLA，尼龍等熱塑性材料添加纖維后制成，這些有機材料在高溫下熔融狀態(tài)下進行打印，逐層沉積固化，容易發(fā)生氧化分解等化學(xué)反應(yīng)，制備和施工過程放出難聞的有毒氣體，對環(huán)境和人體造成危害;此外，有機材料對打印條件要求高，成本高，力學(xué)性能差，用有機材料成型的建筑宜居性差，一定程度上限制了建筑3D打印技術(shù)的應(yīng)用。

現(xiàn)有的一般混凝土材料凝結(jié)時間長，通常的初凝時間6-10h，終凝時間24小時左右，不能滿足3D打印過程中材料在短時間內(nèi)快速凝結(jié)的性能要求;且一般呈流動性，無法滿足3D打印過程中的豎直堆積性能，所以無法作為3D打印材料使用。本文研究提供了一種適合建筑3D打印使用的水泥基復(fù)合材料，解決現(xiàn)有技術(shù)中用于3D打印技術(shù)的材料多為有機材料的問題;還解決現(xiàn)有普通水泥基材料凝結(jié)時間長且一般呈流動性、沒有觸變性能、不適用于3D打印過程的技術(shù)問題。

3.建筑3D打印材料關(guān)鍵技術(shù)及力學(xué)性能研究

3.1水泥基建筑3D打印使用原材料

(1)水泥：河北唐山北極熊42.5R快硬硫鋁酸鹽水泥，性能參數(shù)見表3.1。

表3.1 水泥化學(xué)成分表

3.2 水泥的物理力學(xué)性能

(2)減水劑:聚羧酸PC減水劑。減少拌合用水量、提高材料的強度。

(3)細骨料：20-40目、40-70目機制尾礦砂。3D打印材料中使用尾礦砂，能夠有效的降低材料成本，同時也減少了工業(yè)固廢對環(huán)境的污染、具有一定的節(jié)能環(huán)保作用。

(4)3D打印材料的關(guān)鍵技術(shù)主要是材料的凝結(jié)時間和強度的控制，這兩個指標(biāo)的精確控制才能保證建筑3D打印的連續(xù)性和安全性。本研究從多種促凝劑、緩凝劑中實驗選擇可用的外加劑。其中選用早強劑:碳酸鋰(J1)、氫氧化鋰(J2)硫酸鈉(J3)。選用緩凝劑：硼酸(H1),葡萄糖酸鈉(H2)，酒石酸(H3)，檸檬酸(H4)，四硼酸鈉(H5),三聚磷酸鈉(H6)

(5)自制復(fù)合體積穩(wěn)定劑(VS)。保證材料粘結(jié)性好，穩(wěn)定性強，具有良好的出泵形態(tài)保持能力和粘結(jié)性能，打印的建筑物具有良好的形態(tài)和體積穩(wěn)定。復(fù)合外加劑包括：觸變劑、纖維素醚、纖維復(fù)合而成。

3.2 水泥基3D打印材料凝結(jié)時間控制關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1水泥快速凝結(jié)外加劑的選用

快硬硫鋁酸鹽水泥比普通硅酸鹽的凝結(jié)速度更快和早期強度更高，但在3D打印材料實際應(yīng)用當(dāng)中需要更快的凝結(jié)速度，更高的早期強度。促凝劑能夠在水泥水化過程中起催化劑的作用，它能夠促使C3A和無水硫鋁酸鈣的迅速水化形成大量鈣礬石，迅速縮短水泥的凝結(jié)時間。所以本文選用J1、J2、J3促凝劑，研究促凝劑對快硬硫鋁酸鹽水泥的影響，確定適用于SAC水泥的促凝劑。

圖3.1 不同促凝劑對R-SAC凝結(jié)時間的影響

從圖3.1可以看出其中，J1對硫鋁酸鹽水泥的促凝效果很明顯，在0.01%摻量時就有明顯的促凝效果，將凝結(jié)時間縮短一半;在摻量0.05%時可以將初凝時間縮短到9分鐘，當(dāng)摻量到0.3%時初凝時間為5分鐘。J2為強堿，它對R-SAC的凝結(jié)時間的影響比J1、J3更為強烈，當(dāng)J2摻量為0.01%時，就可以將凝結(jié)時間縮短到9分鐘，達到同J1摻0.05%時的效果。而J3作為普通硅酸鹽水泥常用的早強促凝劑其對快硬硫鋁酸鹽水泥的促凝效果不好。所以從實驗結(jié)果來看，促凝劑對硫鋁酸鹽水泥的促凝效果J1、J2的促凝效果明顯，J3不明顯。通過對不同種促凝劑對R-SAC凝結(jié)時間和強度性能的影響試驗，結(jié)果表明J1作為R-SAC的促凝劑。

3.2.2水泥緩凝外加劑的選用

快硬硫鋁酸鹽水泥雖然有早期強度高，微膨脹等優(yōu)點，但由于其水化速度很快，在實際使用過程中，往往需要一定的工作時間，特別在夏季高溫環(huán)境中，所以必須配合使用合適的緩凝劑來控制施工時間。緩凝劑能吸附于水泥顆粒表面，并形成一層難溶的薄膜，對水泥顆粒的水化起屏障作用，延緩了水泥和漿體結(jié)構(gòu)的迅速形成，降低水泥的水化速度，使水泥的迅速凝結(jié)和強度的增幅較為平緩，能夠使3D打印材料的凝結(jié)時間更加穩(wěn)定、容易控制。

本文選用了6種常用緩凝劑，測試了其對快硬硫鋁酸鹽水泥凝結(jié)時間以及強度的影響(圖3.2，圖3.3)。試圖尋找適合快硬硫鋁酸鹽水泥的專用緩凝劑。

圖3.2 H1、H2和H3緩凝劑對R-SAC凝結(jié)時間的影響

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圖3.3 H4，H5和H6緩凝劑對R-SAC凝結(jié)時間的影響

從圖3.2和圖3.3可以看出不同緩凝劑對R-SAC的凝結(jié)時間的影響程度有H1>H2>H3>H5>H6趨勢，H4會造成R-SAC凝結(jié)時間異常。H1的緩凝效果隨著添加量增加，凝結(jié)時間大幅延長，不利于控制，這就給實際使用中造成一定風(fēng)險。當(dāng)H2為普通硅酸鹽水泥常用的緩凝劑，對R-SAC也起到很好的緩凝作用，能夠作為硫鋁酸鹽水泥適用的緩凝劑。H3作為緩凝劑加入后，在0.05%摻量時有輕微促凝效果，在摻量0.1%到0.3%時緩凝效果顯現(xiàn)，趨勢同H2接近。H4也是普通硅酸鹽水泥常用的緩凝劑，在加入R-SAC中對凝結(jié)時間的影響不穩(wěn)定，不適合作為R-SAC的緩凝劑使用。H5隨著摻量的提高緩凝效果逐漸體現(xiàn)，在0.1%到0.3%摻量的變化下，初凝時間由28分鐘延長到109分鐘，終凝時間由49分鐘延長到148分鐘，其緩凝效果比H1更穩(wěn)定，是可以用來作為R-SAC的緩凝劑。H6用做R-SAC的緩凝劑時可能會出現(xiàn)促凝效果，不建議采用H6作為R-SAC的緩凝劑。

3.2.3 3D打印材料凝結(jié)時間復(fù)合調(diào)凝劑

硫鋁酸鹽水泥的凝結(jié)時間的調(diào)節(jié)在實際生產(chǎn)和工程應(yīng)用中建議使用促凝劑、緩凝劑復(fù)配調(diào)節(jié)的原則。根據(jù)實驗選用促凝劑碳酸鋰和緩凝劑無水硼砂、葡萄糖酸鈉、酒石酸復(fù)合使用能夠有效的調(diào)節(jié)硫鋁酸鹽水泥的凝結(jié)時間。

本研究通過大量的試驗總結(jié)出了在不同的環(huán)境溫度下能夠有效的調(diào)節(jié)硫鋁酸鹽水泥系列材料的復(fù)合調(diào)凝劑JH，根據(jù)此規(guī)律對緩凝劑的摻量進行微調(diào)能夠制備出凝結(jié)時間10min~1h任控制的硫鋁酸鹽水泥基的建筑3D打印材料。

表3.3 不同環(huán)境溫度下調(diào)凝劑配比

3.3 3D打印材料的制備及力學(xué)性能研究

本研究3D打印材料利用硫鋁酸鹽水泥和水淬礦渣粉復(fù)合膠凝材料為主要基質(zhì)，添加工業(yè)尾礦機制砂，同時添加減水劑、凝結(jié)時間復(fù)合調(diào)凝劑、復(fù)合體積穩(wěn)定劑等化學(xué)外加劑改善材料的性能，使其滿足3D打印工藝的技術(shù)要求。表3.4為3D打印材料的基本配比。

表3.4 3D打印材料基本配合比

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表3.5 3D打印材料復(fù)合調(diào)凝劑配比

本文主要是研究3D打印材料的凝結(jié)時間控制技術(shù)以及對材料力學(xué)性能的影響。所以主要以3種不同的復(fù)合調(diào)凝劑為變化對象，研究3D打印材料的凝結(jié)時間和抗壓強度的變化規(guī)律。表3.5為3種復(fù)合調(diào)凝劑的配比。按表3.4制備3D打印材料，測試材料的凝結(jié)時間和抗壓強度;實驗數(shù)據(jù)如表3.6。

由表3.6可以看出，在三個不同的環(huán)境溫度下，通過調(diào)節(jié)復(fù)合調(diào)凝劑中促凝劑和緩凝劑的組成，能夠?qū)崿F(xiàn)材料凝結(jié)時間在10min-60min內(nèi)靈活控制，并調(diào)整范圍大。能夠滿足在不同季節(jié)和環(huán)境下的3D打印工程的進行。這種3D打印材料具有很高的早期強度和快速凝結(jié)功能，2h的抗壓強度內(nèi)即可達到10～20MPa;3天后抗壓強度為40～50MPa，28天后抗壓強度為60MPa左右的高強度，能夠滿足3D打印建筑的承重墻，柱的強度要求，也能使打印的構(gòu)件具有好的力學(xué)性能。

圖 3.4 3D打印材料的打印成型過程

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圖3.5 3D打印結(jié)構(gòu)試件

本3D打印材料原材料成本低，對環(huán)境和人體無害，材料粘結(jié)性好，穩(wěn)定性強，具有良好的出泵形態(tài)保持能力和粘結(jié)性能，打印的建筑物具有良好的形態(tài)和體積穩(wěn)定，能滿足建筑3D打印施工連續(xù)性和建筑強度的要求，打印成型的建筑、構(gòu)件在短時間內(nèi)即具有移動及裝配使用性能，在建筑3D打印中有廣泛的應(yīng)用前景，能極大地促進了3D打印技術(shù)的應(yīng)用推廣。

4 結(jié)論

(1)建筑3D打印材料用硫鋁酸鹽水泥作為膠凝材料，能夠克服普通波特蘭水泥基材料凝結(jié)時間長，早期強度低等缺點。制備的3D打印材料具有很高的早期強度，其2h抗壓強度在10-20MPa，28d抗壓強度能達到50-60MPa。

(2)在不同的施工溫度下，調(diào)整促凝劑J1和緩凝劑H2, ?H3，H5比例能夠配制適用于這種建筑3D打印材料的復(fù)合調(diào)凝劑，并按施工要求將材料的凝結(jié)時間在20min-60min之間靈活控制。

(3)R-SAC水泥基3D打印材料通過不同功能外加劑的調(diào)節(jié)，它的工作性能、形態(tài)穩(wěn)定性和強度能夠滿足建筑3D打印連續(xù)性和結(jié)構(gòu)的安全性。

(4)本水泥基3D打印材料原材料取材方便，能夠應(yīng)用大量工業(yè)廢料，成本低，制備和施工過程不釋放有毒氣體，對環(huán)境和人體無害，它能夠促凝建筑3D打印技術(shù)的推廣應(yīng)用。

來源：中國建筑技術(shù)中心

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