3D打印建筑結(jié)構(gòu)材料的性能研究

蘇達(dá)

(中鐵二十四局集團有限公司，上海 200071)

3D打印建筑結(jié)構(gòu)材料的性能研究

蘇達(dá)

(中鐵二十四局集團有限公司，上海 200071)

3D打印技術(shù)引領(lǐng)了諸多行業(yè)生產(chǎn)工藝的變革，研究人員對在房屋建造中使用3D打印技術(shù)取得了顯著的成績。對3D打印建筑技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的研究表明，此項技術(shù)代表了行業(yè)的發(fā)展方向，但現(xiàn)有的技術(shù)仍需提升，并進(jìn)一步加強對實際應(yīng)用的論證。

3D打印建筑；原材料；試驗；墻體

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.010

1 引言

3D打印技術(shù)自問世以來，迅速改變了諸多行業(yè)的生產(chǎn)工藝，達(dá)到了傳統(tǒng)工藝難以實現(xiàn)的生產(chǎn)效果。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造領(lǐng)域，產(chǎn)品成本很大程度上源于標(biāo)準(zhǔn)模具，并通過標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)模化的生產(chǎn)來分?jǐn)偂?D打印技術(shù)可使單一產(chǎn)品的成本與其生產(chǎn)數(shù)量無關(guān)，并能進(jìn)行產(chǎn)品的個性化和定制化生產(chǎn)，從而達(dá)到先進(jìn)的生產(chǎn)制造水平。目前，3D打印技術(shù)的優(yōu)勢集中體現(xiàn)在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域，3D打印機以粉末狀塑料或金屬為原料，采用數(shù)字建模和逐層打印的方法，滿足各種常規(guī)或異形模型及原型的生產(chǎn)制造需求，打印出實物模型。傳統(tǒng)打印機完成的是二維平面打印，而3D打印機完成的是三維立體打印，打印出的是實物模型。

2014年3月，10套3D打印簡易房屋在中國上海青浦區(qū)張江高新區(qū)面世，2015年1月，3D打印兩層別墅和6層住宅樓在中國江蘇蘇州工業(yè)園區(qū)面世，在隨后的時間里，一些3D打印的建筑物相繼出現(xiàn)，世界其他國家的研究人員也相繼發(fā)布計劃使用3D打印技術(shù)進(jìn)行房屋建造的消息，在全球范圍內(nèi)中國的馬義和首先嘗試了在建筑領(lǐng)域使用3D打印技術(shù)[1]。隨著3D打印簡易房屋、別墅和住宅樓信息的發(fā)布，3D打印建筑引發(fā)了社會各界的廣泛熱議和專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的探究。

2 3D打印建筑的基本施工工藝

3D打印建筑技術(shù)是以信息集成技術(shù)與制造技術(shù)深度融合為特征的智能制造模式，實現(xiàn)了制造從等材、減材到增材的重大轉(zhuǎn)變。已有3D打印建筑建造的基本過程為，工廠車間內(nèi)3D打印機連續(xù)的打印出建筑物的墻體，對部分體積過大的墻體進(jìn)行切割作業(yè)，分段運出車間。房屋的基礎(chǔ)、梁、樓板和柱等使用傳統(tǒng)工藝建造，3D打印墻體運抵房屋建造施工現(xiàn)場后進(jìn)行吊裝，并對打印出的墻體進(jìn)行局部澆筑，對各建筑構(gòu)件進(jìn)行焊接等作業(yè)，完成房屋建造。總體分析，現(xiàn)階段的3D打印建筑是使用3D打印新型墻體材料和傳統(tǒng)建筑構(gòu)件建造的裝配式建筑，并且此類建筑中僅有墻體是3D打印機打印。

3 3D打印墻體的生產(chǎn)制造工藝與原材料

3D打印墻體的生產(chǎn)制造機械被稱為“3D打印機”。如圖1所示，該打印機按照“行車”的原理制造，用機械組件代替了

傳統(tǒng)行車的纜繩，該組件集合了供料系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)，可按照計算機的預(yù)設(shè)程序上下左右移動。在材料供應(yīng)穩(wěn)定的條件下，整套機械的運行僅需1名操作手進(jìn)行開機和關(guān)機作業(yè)。整套機械猶如一個放大數(shù)10倍的噴墨打印機，在三維空間內(nèi)按預(yù)設(shè)的軌跡完成機械“送出物”的層層堆疊，形成結(jié)構(gòu)物，因此，將該套機械稱為3D打印機。

圖1 3D打印機

無論是平面打印機還是3D打印機，其主要功能在于將機械送出物在平面或空間內(nèi)進(jìn)行布置，并利用送出物的性質(zhì)，得到預(yù)期的結(jié)構(gòu)物。如果平面打印機的送出物被稱為墨，那么不妨將墻體3D打印機的送出物也稱為“墨”。

墻體3D打印機的墨主要由水泥、砂子、玻璃纖維、水和鋼筋等組成，其中不存在傳統(tǒng)意義上的粗骨料，類似于傳統(tǒng)的砂漿材料。玻璃纖維主要是短玻璃纖維，其作用原理相當(dāng)于加筋原理。如圖2所示，墻體3D打印機的墨像是被擠出的牙膏。為了能使墨快速形成強度，并在連續(xù)堆疊的情況下控制水泥和沙子混合物的塌落度，短玻璃纖維可使混合物的黏稠度提高，有效控制混合物的物理狀態(tài)，類似于速凝劑、增稠劑等外加劑也應(yīng)該是必須的。根據(jù)實物測算，3D打印出的墨在塌落結(jié)束并形成強度后，平均寬度為30mm，平均厚度為18mm。

圖2 3D打印墻體

水泥與玻璃纖維混合使用的原理符合玻璃纖維增強水泥（GRC）制品的生產(chǎn)制造原理?？紤]到硅酸鹽水泥中熟料礦物中的C3S（即3CaO·SiO2）、f-CaO水化時析出的Ca(OH)2與玻璃纖維中SiO2發(fā)生反應(yīng)，破壞了纖維的硅氧骨架，使玻璃纖維變細(xì)變脆，逐漸失去強度，影響了此類產(chǎn)品的壽命。為提高此類制品的耐久性，還需要采取兩項措施:（1）從玻璃纖維方面著手，改變玻璃纖維成分，提高其抗堿侵蝕的性能，或在玻璃纖維表面覆蓋涂層，使玻璃纖維與Ca(OH)2隔離；（2）采用堿度較低的水泥，如使用硫酸鹽水泥代替硅酸鹽水泥[2]。在實際生產(chǎn)過程中耐堿玻璃纖維被應(yīng)用。

傳統(tǒng)房屋墻體的基本功能對用于生產(chǎn)墻體的3D打印生產(chǎn)工藝與原料提出了極高的要求，計算機系統(tǒng)控制下的供料系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)可以有效地保證3D打印墻體用料的標(biāo)準(zhǔn)，并實現(xiàn)了無人化的操作。由此分析，墻體3D打印有著嚴(yán)格用料、節(jié)省人工、尺寸準(zhǔn)確等優(yōu)勢，同時鑒于3D打印墻體無需傳統(tǒng)模板，可有效控制建筑材料的浪費，提高建筑的裝配率，因此墻體3D打印又具備了先進(jìn)制造的特征。

4 3D打印墻體的性能優(yōu)勢與提升空間

圖3 4m跨度的300mm×500mm3D打印梁的抗彎破壞

圖4 3D打印柱偏壓實驗

墻體是房屋的重要組成部分，必須滿足結(jié)構(gòu)、保溫與節(jié)能、抗震、隔音等方面的要求。如果3D打印墻體以實際應(yīng)用為目標(biāo)，那么此類墻體必須滿足上述基本要求。如圖3、圖4和圖5所示，同濟大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院對3D打印梁、柱和墻體進(jìn)行了測試，并于2014年12月14日出具的《3D打印建筑結(jié)構(gòu)材料性能測試總結(jié)報告》[3]顯示，3D打印材料強度等級相

當(dāng)于C20，早期強度較高，后期強度增長乏力，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28d后強度基本不增長；打印的方向不影響打印材料的抗壓強度；在長徑比搭配合理的纖維材料作用下，打印材料的抗折、劈拉強度和軸心抗壓強度均比較優(yōu)秀，達(dá)到高等級水平；打印材料的靜彈性模量值為1.5×104MPa，與28d齡期抗壓強度相似的砂漿相比，其彈性模量為砂漿的50%；打印材料的吸水率為3.7%，遠(yuǎn)低于一般的水泥基材料，據(jù)分析打印材料的配方中含有增稠劑，增強了打印材料空隙的封閉性，在常壓條件下水分不易進(jìn)入內(nèi)部，因此打印材料吸水率偏低；打印材料與C20等級的普通混凝土的耐久性能基本持平，抗?jié)B標(biāo)號P6，抗凍標(biāo)號D150；打印材料不能抵抗氯離子的滲入，其抗氯離子滲透值達(dá)到2000C以上，遠(yuǎn)低于耐久性混凝土；打印材料60d碳化數(shù)據(jù)大于8mm，按照結(jié)構(gòu)材料的使用壽命要求，該指標(biāo)偏大，與配方中的原材料組成有關(guān)，若考慮僅僅是C20等級的材料，該指標(biāo)可以接受。

圖5 200mm×900mm×700mm的3D打印剪力墻在軸壓比為0.2條件下抗剪破壞模式

3D打印梁抗彎抗剪性能試驗結(jié)果顯示，3D打印梁的抗彎、抗剪破壞模式與現(xiàn)澆混凝土梁相同；3D打印梁的抗彎承載力、抗剪承載力均高于整澆梁；對于撓度，現(xiàn)有撓度計算公式對3D打印梁撓度估算誤差較大；3D打印梁表面的裂縫會沿著模板薄弱截面發(fā)展；內(nèi)部混凝土的裂縫數(shù)量少于模板表面的裂縫數(shù)量。

3D打印柱偏壓試驗結(jié)果顯示，3D打印柱在小偏心和大偏心受壓時，均是模板先破壞；3D打印柱在偏壓作用下的承載力比相同偏心距下的普通鋼筋混凝土柱降低10%～20%，原因可能是3D打印柱的施工接縫降低了試件整體性，同時3D打印模板不能有效約束內(nèi)部混凝土的變形。

3D打印剪力墻抗剪承載力試驗結(jié)果：高度比較大的高剪力墻易發(fā)生彎曲破壞；高度比較小的低剪力墻易發(fā)生剪切破壞；3D打印墻體由于特殊結(jié)構(gòu)形式，相較于等截面的混凝土剪力墻，其開裂時間明顯滯后，開裂荷載更高；等截面的3D剪力墻構(gòu)件和整澆混凝土剪力墻承載力極限值比較接近。

根據(jù)上述試驗數(shù)據(jù)分析，結(jié)合房屋建造對結(jié)構(gòu)材料技術(shù)指標(biāo)的要求，3D打印梁、柱和墻暫不適宜作為房屋結(jié)構(gòu)材料被使用。根據(jù)墻體的受力特點，房屋墻體可劃分為承重墻、自承重墻、圍護(hù)墻和隔墻。考慮到3D打印材料形成強度后的尺寸，以及房屋建造對得房率的要求，3D打印墻體不適宜作為隔墻被使用。根據(jù)3D打印墻體現(xiàn)有的技術(shù)指標(biāo)，同時考慮3D打印建筑技術(shù)優(yōu)勢，其作為圍護(hù)墻被應(yīng)用于房屋建筑中是一個發(fā)展方向。由于在已有的試驗數(shù)據(jù)中未曾體現(xiàn)3D打印材料的耐火性、抗震性等重要技術(shù)指標(biāo)，因此3D打印墻體在房屋建造中的最終應(yīng)用有待論證。

5 結(jié)語

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在世界范圍內(nèi)孕育興起，各國紛紛搶占未來產(chǎn)業(yè)制高點，發(fā)達(dá)國家加緊實施“再工業(yè)化”，我國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、提質(zhì)增效迫在眉睫?！吨袊圃?025》是中國版的“工業(yè)4.0”規(guī)劃?！吨袊圃?025》圍繞創(chuàng)新驅(qū)動、智能轉(zhuǎn)型、綠色發(fā)展，將在國際合作中進(jìn)一步提升中國制造業(yè)水平。以信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合為特征的智能制造模式，正在引發(fā)整個制造業(yè)的深刻變革。3D打印是制造業(yè)有代表性的顛覆性技術(shù)，實現(xiàn)了制造從等材、減材到增材的重大轉(zhuǎn)變，改變了傳統(tǒng)制造的理念和模式，具有重大價值。

3D打印建筑技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀表明，此項技術(shù)實現(xiàn)了在建筑材料研究中的突破，做到了在世界范圍內(nèi)的首創(chuàng)，以實例驗證了技術(shù)的價值和可行性，需要給予高度的肯定。從理論研究到應(yīng)用研究還需要做大量的工作，其中，包括材料綜合性能的改進(jìn)、技術(shù)產(chǎn)品化和實際應(yīng)用價值的全面論證、完整技術(shù)體系的建立、產(chǎn)品檢測與標(biāo)準(zhǔn)建立的推動等。3D打印建筑技術(shù)的研究成果已為此項技術(shù)的發(fā)展打下了一個良好的開局，科技的發(fā)展、生產(chǎn)的需求等因素在為此項技術(shù)提出嚴(yán)格要求的同時，也正為其發(fā)展?fàn)I造一個更適宜的環(huán)境。

【1】蔣萌，李云輝，蘇達(dá).3D打印建筑——建筑業(yè)的一場革命[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2015，331（11）:32-37.

【2】許紅升，楊小平，蘇素芹，等.堿性環(huán)境條件下玻璃纖維的侵蝕性研究[J].腐蝕與防護(hù)，2006，27（3）：130-135.

【3】王中平，周鐘鳴.3D打印建筑結(jié)構(gòu)材料性能測試總結(jié)報告[R].同濟大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2014.

Performance Study onStructuralMaterials for3DPrintingTechnologyforBuildings

SUDa
(ChinaRailway24thBureauGroup.,Shanghai200071,China)

3D printing technology is leading changes in many industries'manufacturing processes,researchers have made remarkable achievementsbyusing3Dprintingtechnologyforbuildings.Thedevelopmentstatusanalysisof3Dprintingtechnologyforbuildingsshows that it is guiding the direction of industry.But existing technology still needs further improvement and strong argument for its practical application.

3Dprintingtechnologyforbuildings;materials;experiment;wall

TU502

A

1007-9467（2016）07-0052-03

2016-02-02

蘇達(dá)（1985～），男，山東肥城人，工程師，從事建筑工業(yè)化研究，（電子信箱）rsuda@126.com。