3D打印材料以及在建筑行業(yè)應用

司洋洋　張月月

[摘要]本文重點論述3D打印材料在建筑領域研究與應用。受益于計算機操控以及快速成型技術的日漸發(fā)展成熟，3D打印建筑以及材料技術發(fā)展已經在國內外開展相關研究的國家出現(xiàn)并得到關注。本文在對3D打印材料和其在建筑行業(yè)的應用方面進行探討，闡述3D打印建筑工藝、材料性能等前沿問題的分析研究，對3D打印材料與鋼筋混凝土的相容性比較進行探討。

[關鍵詞]3D打印建筑；材料性能；材料固化；相容性比較

13D打印材料

現(xiàn)階段3D打印技術采用的建筑材料還不成熟。在上海青浦建設的3D打印建筑實現(xiàn)了廢棄建筑材料再利用，將廢棄的建筑材料研磨成顆粒，再加混凝土、纖維材料以及粘合劑等，制造出類似牙膏狀的打印油墨，從而打印出建筑。國外研究人員利用了纖維砂漿、增強混凝土類、混凝粘土材料，這些種類的材料利用到3D打印的相關課題研究中。也有創(chuàng)新的利用樹脂及塑料粘合劑等材料進行打印。

2打印建筑材料的性能

2.1強度方面

建筑能建造何種高度取決于建筑材料的強度以及抗震等方面的因素，同時還應考慮建筑物所承受的荷載?？紤]到建筑材料的強度，國內外相關課題的項目建筑實則只有1～2層。實際上所用材料的抗壓強度達到2-3.5MPa，3D打印的建筑物就能夠成型，成型后的建筑可用于參展要求以及臨時的用途。

在發(fā)達國家，住宅建筑的高度需求普遍為1～2層建筑，國內的大部分地區(qū)，住宅建筑需求量最多的仍然是多層和高層建筑物。但要使打印材料能滿足多層甚至小高層建筑，同時需滿足7度及以上地震烈度地區(qū)設防的結構抗震設計，3D打印材料得到的建筑物的抗壓強度至少為20.0MPa才能滿足基本要求，打印材料的抗壓強度應達到30.0MPa或者更高要求才能滿足高層建筑物的地震烈度設防地區(qū)的建筑結構安全要求。

2.2建筑節(jié)能方面

我國實行建筑節(jié)能的基本國策，上海青浦的3D打印建筑利用廢棄建材用到打印材料中，正是建筑節(jié)能方面的體現(xiàn)。3D打印建筑技術的產業(yè)化方向進行探討，實際上3D打印建筑是多種材料以及新型功能的總和，通過一次3D打印成型并用到建筑物中。通過打印材料的多樣性，一噴頭附帶多種材料或多噴頭同時工作進行交替打印，得到多種材料雙噴頭的多樣化3D打印技術。這樣的多樣化的打印技術適用于體現(xiàn)節(jié)能減排的保溫復合墻體，同時可以用建筑裝飾與建筑結構的一體化多功能打印。由于我國實行建筑節(jié)能的基本國策，所以將建筑節(jié)能、保溫隔熱技術應用在3D打印建筑技術的總成的研究實驗中十分合適。

2.3抗震方面

要使得建筑安全可靠，結構抗震問題同樣是重中之重和建筑結構方面的難題。確保3D打印建筑的抗震性能最好的方法是鋼筋混凝土結構，鋼混結構的抗震性能有目共睹。在布置完橫向鋼筋、箍筋等構造鋼筋后，通過3D施工打印出具有鋼筋混凝土結構的梁、樓板、柱等結構構件?，F(xiàn)階段比較可行的施工方法是纖維增強混凝土或者鋼筋混凝土，與3D打印建筑材料相互結合的思路，是一個有價值的研究方向。

2.4經濟性方面

從3D打印設備到建筑材料無不要體現(xiàn)經濟性原則。打印設備成本已經從幾十萬美元降低到五千美元，同時3D打印材料具有價廉、實用的特點。建筑物需要滿足實用性的前提，而且打印材料需要滿足結構性能的性能，同時還需達到經濟性的要求?，F(xiàn)階段鋼筋混凝土建筑物的造價并不低廉，而且?guī)淼母呶廴?、高能源消耗。樹脂類材料其作?D打印中最為經濟、合理的膠粘劑，能夠改善材料的粘結性能同時使得材料達到凝結固化的效果，能夠調整打印材料的硬化時間和速度。打印過程中主要的建筑材料依次為：混凝土、石灰、砂子、石膏、粘土等材料。應該將3D打印建筑材料與現(xiàn)澆鋼筋混凝土材料、輕型鋼結構等技術的結合，控制和降低施工的綜合造價，滿足工程可行性的經濟要求。

33D打印材料與鋼筋混凝土的相容性比較

3.1成型對比

鋼筋混凝土成型是基于屬性混凝土的澆筑概念，為保證混凝土的密實成型常采用振搗液化的原理，通過混凝土材料的砌筑成型。與此不同的是3D打印建筑技術基礎是像油墨一樣印刷材料，打印材料依托本身的黏性，通過一層層的累積形成層狀粘合構件。

3.2結構力學對比

混凝土與鋼筋形成鋼筋混凝土后，結構設計中需考慮自重載荷和設計使用載荷，還需抵抗地震載荷等動載荷的安全儲備。如何利用3D打印技術并且結合鋼筋混凝土結構，形成框架結構、剪力墻結構、框架剪力墻結構等，這些結構特點都對提升3D打印建筑抗震性能有益處。

4打印建筑材料固化

相比于混凝土材料的凝結硬化時間，3D打印建筑材料的固化時間和速度同樣重要。施工所處的溫度和濕度對打印材料的固化的時間和速度的影響尤為明顯。除了冬季以外的季節(jié)，將施工溫度控制在15-25℃范圍內，可有利于打印建筑材料固化。溫度在4-15℃可加入速凝類外加劑以確保能夠及固化：溫度過高是應該適當延緩固化速度以滿足打印的工藝施工要求：當施工在負溫條件下，打印施工需在保溫養(yǎng)護的條件下進行，必要時可直接停工調整施工方案。

5結語

3D打印建筑一種新起的技術手段，不難預見到未來幾十年內3D打印建筑依舊是一個廣泛關注研究領域。3D打印技術應用于建筑領域的研究還遠不夠完善，還存在諸多需要解決的課題，最需解決的3D打印的建筑材料的性能提升。如果仍然使用混凝土作為打印材料，混凝土的配合比例、抗壓強度、耐久性等方面研究仍需完善。endprint