研究3D 打印混凝土材料及混凝土建筑技術(shù)進(jìn)展

奚新新

（廣西華潤裝配式建筑有限公司，廣西南寧 530299）

在當(dāng)前的建筑施工過程中，受到各方面因素的影響，在實(shí)際工作過程中對技術(shù)有更高的要求，要注意的是合理采用現(xiàn)有的技術(shù)形式，提升建筑施工質(zhì)量。隨著建筑工程的不斷發(fā)展，混凝土的作用愈加凸顯，同時(shí)也帶來消極影響，例如能耗高、污染大等現(xiàn)象。在實(shí)際的施工中，必須適應(yīng)當(dāng)前綠色建筑行業(yè)的發(fā)展要求，在整個(gè)過程中注入新鮮血液，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的合理化應(yīng)用。3D 打印作為一項(xiàng)革命性的技術(shù)，廣泛的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中，對傳統(tǒng)的技術(shù)產(chǎn)生巨大沖擊，也成為改變未來的創(chuàng)造性技術(shù)形式。

1 3D 打印技術(shù)的研究進(jìn)展

根據(jù)美國材料和試驗(yàn)協(xié)會(huì)發(fā)布的對應(yīng)內(nèi)容，3D 打印是一種和傳統(tǒng)的制造工藝不同的技術(shù)形式，在實(shí)施中主要是以模型的三維數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，通過打印機(jī)噴嘴擠出材料，從而打印生成3D實(shí)體技術(shù)形式。在該技術(shù)中，涉及很多前沿類的技術(shù)，具備比較高的科技含量，在實(shí)施中與建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)以及材料科學(xué)等密切相關(guān)，在當(dāng)前的技術(shù)應(yīng)用過程中，必須注意的是有序地采取現(xiàn)有技術(shù)形式以實(shí)現(xiàn)升級。3D 打印技術(shù)形式包括、3D 建模、3D 分割、以及打印和噴涂等方面，其中3D 建模影響最大，直接決定3D 打印的效果[1]。3D 分割則是將模型分為一層層的薄皮，在這個(gè)階段里，分割的質(zhì)量影響最終打印效果。打印噴涂作為最后實(shí)現(xiàn)的手段，作用也至關(guān)重要。在實(shí)施中，可在表面進(jìn)行噴涂處理，近年來，經(jīng)過對3D 打印技術(shù)的不斷探索，在3D 技術(shù)的表面可以涂抹界面劑，而后在上面撒上一層材料，反復(fù)工作，從而能避免表面粗糙等現(xiàn)象。在后期處理中，傳統(tǒng)材料加工方式和現(xiàn)有的技術(shù)形式存在差異，其中3D 打印方式指的是在三維數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上形成的，通過3D 打印機(jī)逐層打印，不需要制造磨具，也不會(huì)在制造階段處理大量的材料。通過各個(gè)方面技術(shù)的合理采用，減少了其中復(fù)雜的環(huán)節(jié)，避免了復(fù)雜的鍛造工藝形式，在生產(chǎn)階段實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，節(jié)約了材料[4]。

3D 打印技術(shù)形式最初應(yīng)用是在19 世紀(jì)末的美國，在20 世紀(jì)80 年代得到了推廣和普及。經(jīng)過多年的技術(shù)創(chuàng)新，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其中生物醫(yī)療領(lǐng)域可以實(shí)現(xiàn)人造骨骼的研制航天航空領(lǐng)域也在逐漸的應(yīng)用3D 打印技術(shù)，該技術(shù)形式相對復(fù)雜，對尺寸要求比較高，針對性能比較特殊的零部件，可以實(shí)現(xiàn)直接制造。在精細(xì)制造領(lǐng)域，3D 打印技術(shù)也發(fā)揮出重要的作用，例如在珠寶、服裝和鞋類以及其他方面也有一定的作用，在個(gè)性化設(shè)計(jì)中，可以借助3D 打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)DIY 作品的制造和設(shè)計(jì)等。在實(shí)施中通過3D 打印在整個(gè)過程中的分析可知，技術(shù)的合理采用，能實(shí)現(xiàn)模具制造、電子信息獲取等[5]。

2 3D 打印混凝土建筑存在的問題

3D 打印建筑形式和傳統(tǒng)的建筑形式對比，特點(diǎn)是強(qiáng)度大、建筑形式比較自由，在建筑時(shí)間、環(huán)保等方面起到重要的作用。但該技術(shù)在應(yīng)用中干擾性比較多，需要正視其中的各種問題。

2.1 材料質(zhì)量問題

在3D 打印混凝土材料的應(yīng)用中，相比傳統(tǒng)的施工形式，3D打印對原材料的流變性和可塑性提出更高的要求。普通的水泥無法滿足3D 打印混凝土原材料的要求，需要更高性能的膠凝材料，骨料需采取新的破碎工藝，制造出產(chǎn)品粒徑更小，顆粒形態(tài)更接近圓形的骨料。外加劑在混凝土材料中可以保留現(xiàn)有的性能，同時(shí)解決了各層間的不銜接問題[6]。

2.2 設(shè)計(jì)精度存在問題

在建筑設(shè)計(jì)中，對具體的精度設(shè)計(jì)要求高，主要的目標(biāo)是要分毫不差地計(jì)算出精確度。但是在技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，受到其他方面因素的影響，可能會(huì)出現(xiàn)偏差，因此在工作過程中必須明確技術(shù)的類型，合理地進(jìn)行處理。當(dāng)前3D 打印混凝土的工藝形式不完善，快速成型的零件精度和表面質(zhì)量等無法滿足工程的要求，因此無法將其作為功能性的部件。

2.3 軟件設(shè)計(jì)問題

和傳統(tǒng)的施工形式相比，3D 打印混凝土形式實(shí)現(xiàn)的是降維制造，在整個(gè)階段，可以將三維模型轉(zhuǎn)化為二維模型，方便打印工作的實(shí)施。在后續(xù)工作過程中，要求以對應(yīng)的軟件為基礎(chǔ)，積極地完成對應(yīng)的工作，通過自動(dòng)化程序之后轉(zhuǎn)化為實(shí)物，該軟件本身的優(yōu)勢突出。在實(shí)際工作階段，通過軟件的合理設(shè)計(jì)之后，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型的自動(dòng)化處理。此外軟件的開發(fā)很重要，但是當(dāng)前沒有專業(yè)的軟件公司和3D 打印配套，缺少完整的產(chǎn)業(yè)鏈[7]。

2.4 機(jī)器設(shè)備問題

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，3D 打印設(shè)備也在更新?lián)Q代，最初價(jià)格比較高，到后期價(jià)格逐漸降低，通過技術(shù)形式的合理應(yīng)用后，走向大眾，在各個(gè)領(lǐng)域中得到推廣。但是現(xiàn)有的混凝土設(shè)備無法滿足環(huán)境的要求，在打印機(jī)的應(yīng)用中，部分機(jī)器僅滿足平面設(shè)計(jì)要求，對廣泛應(yīng)用的高層建筑無法實(shí)現(xiàn)打印處理。

3 3D 打印混凝土技術(shù)的概述

3D 打印混凝土技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的作用突出，在實(shí)際應(yīng)用中能將混凝土構(gòu)件借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3D 建模和分割生產(chǎn)。在實(shí)施中將配置好的混凝土拌合物通過擠出裝置，按照設(shè)定好的程序進(jìn)行處理，通過機(jī)械控制的方式，由噴嘴擠出之后打印，最終可以得到混凝土構(gòu)件。3D 打印技術(shù)本身可靠性高，成型的過程中不需要提供支撐，該方式屬于新型的混凝土無模成型技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是不需要重復(fù)的振搗，噴射處理。美國宇航與南加州大學(xué)合作研究了輪廓工藝3D 打印技術(shù)形式，通過合理化的采用之后，能節(jié)約成本，為綠色制造奠定基礎(chǔ)。在當(dāng)前的施工中，通過各項(xiàng)技術(shù)的合理采用，使用玻璃纖維增強(qiáng)石膏、玻璃纖維增強(qiáng)砂漿等材料，通過各項(xiàng)技術(shù)的合理采用，能滿足當(dāng)前的施工要求。3D 打印混凝土技術(shù)不需要內(nèi)置結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，對比其他類型的大理石等物質(zhì)，該技術(shù)硬度更高，各項(xiàng)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的技術(shù)形式。因此在整個(gè)階段需要實(shí)現(xiàn)混凝土技術(shù)的合理應(yīng)用，不斷地適應(yīng)3D 打印技術(shù)的需求[8]。

為了可以滿足3D 打印建筑的設(shè)計(jì)要求，對于材料拌合物有一定的要求，需要了解混凝土的組成，例如普通硅酸鹽水泥在強(qiáng)度和凝結(jié)時(shí)間等方面不能達(dá)到3D 技術(shù)的要求，在具體的管理過程當(dāng)中，需要注意的是改變水泥中的礦物組成以及細(xì)度等。在實(shí)施階段，硫酸鹽水泥以及鋁鹽改性硅酸鹽水泥可以獲得更快的凝結(jié)時(shí)間和更好的強(qiáng)度。此外3D 打印形式是通過噴嘴實(shí)現(xiàn)的，噴嘴的大小決定混凝土拌和物配置的顆粒大小。在實(shí)際階段需要找到合適粒徑的骨料，如果過大或者過小都會(huì)影響到整體技術(shù)的應(yīng)用效果。在配置的混凝土中，新型的3D 打印技術(shù)形式和傳統(tǒng)的混凝土材料不同，各項(xiàng)性能出現(xiàn)了不同程度的變化，混凝土性能。并不是傳統(tǒng)的水膠比和砂率等決定的，主要的基本性能出現(xiàn)變化。從當(dāng)前混凝土的理論數(shù)據(jù)資料分析可知，強(qiáng)度和耐久性以及水化作用等如果無法滿足3D 打印混凝土的要求，會(huì)產(chǎn)生不良的影響，另外外加劑的作用也不可忽視。3D 打印混凝土的技術(shù)形式自身具備比較好的流變性，在空氣中迅速凝結(jié)，能避免出現(xiàn)流變的現(xiàn)象。此外骨料的最大粒徑會(huì)變得小，外貌接近于圓形，在整體技術(shù)應(yīng)用中，級配形式相對復(fù)雜，最終必須解決各層間的膠結(jié)問題。

干混砂漿也稱為是干粉砂漿、干拌砂漿，指的是將水泥、砂以及礦物混合料按照一定的比例，在專業(yè)化生產(chǎn)管理背景下進(jìn)行實(shí)施，本質(zhì)上屬于顆粒或者粉狀的混合物。在實(shí)際應(yīng)用中，以干粉包或者散裝的形式運(yùn)輸?shù)焦さ噩F(xiàn)場，按照一定的比例拌和之后，直接應(yīng)用。隨著3D 打印技術(shù)的合理化應(yīng)用，其中干混砂漿脫出目前普通砂漿的內(nèi)涵，作為復(fù)合材料的一種，在實(shí)際應(yīng)用中，需要提供建筑結(jié)構(gòu)主體服務(wù)。在3D 打印建筑中，干混砂漿作為一種可行性高的材料，在實(shí)際應(yīng)用中，與打印混凝土不同的是，打印干混砂漿通常使用粘結(jié)沉淀成型的方法進(jìn)行打印。粘結(jié)沉淀成型原理是按照CAD 模型數(shù)據(jù)通過機(jī)械控制將膠水打印在每層砂石粉上的設(shè)計(jì)區(qū)域，反應(yīng)硬化后清除多余部分，得到打印的物體，應(yīng)用優(yōu)勢明顯。

4 結(jié)語

近些年來隨著結(jié)構(gòu)形式的不斷升級，在后續(xù)工作中必須注意的是明確技術(shù)的類型，通過各方面的有序應(yīng)用后，能起到實(shí)現(xiàn)合理應(yīng)用的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)混凝土的充分利用，降低水泥的用量，減少建筑垃圾的產(chǎn)生，同時(shí)也減少了傳統(tǒng)混凝土建筑施工的隱患。