3d打印混凝土材料及混凝土建筑技術(shù)進展(編輯修改稿)
2025-06-11 03:59 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 的優(yōu)點。 美國宇航局(NASA)與美國南加州大學(xué)合作研發(fā)出“輪廓工藝”3D 打印技術(shù)，在24小時內(nèi)打印出大約232 m2 的兩層樓房(如圖2)，大大節(jié)約建筑時間和建筑成本，為綠色制造打開了一扇大門［7］。目前玻璃纖維增強石膏、玻璃纖維增強砂漿等均可用于3D打印建筑的無機膠凝基材。例如上海盈創(chuàng)裝飾設(shè)計工程有限公司所生產(chǎn)GPＲ(玻璃纖維增強石膏)、FＲP(玻璃鋼異性家具)(如圖3所示)等［8］。 3D打印混凝土建造完畢后建筑雖然不需要內(nèi)置布置鋼結(jié)構(gòu)進行加固質(zhì)，但其質(zhì)地類似于大理石等物質(zhì)，較傳統(tǒng)混凝土具有更高的強度。由此不難看出，普通水泥混凝土已經(jīng)很難滿足其技術(shù)要求，因此對混凝土性能提出來更高的要求，以適應(yīng)3D打印建筑技術(shù)的需要。 圖2 輪廓工藝［6］ 圖3 GPＲ(a) 與 FＲP(b) ［7］ 為滿足3D打印建筑的需求，混凝土拌合物必須達到特定的要求。以下從混凝土的組成進行分析。首先，普通硅酸鹽水泥在強度，凝結(jié)時間等方面可能無法達到3D打印的要求，需在此基礎(chǔ)上做進一步的研究。如改變水泥組成中的礦物組成、熟料的細(xì)度等。如采用硫鋁酸鹽水泥或者鋁酸鹽改性硅酸鹽水泥等獲得更快的凝結(jié)時間和更好的早期強度等。其次，3D打印是通過噴嘴來實現(xiàn)的。噴嘴的大小決定了混凝土拌合物配制中的顆粒大小，并且必須找到最合適的骨料粒徑大小。骨料粒徑過大，堵塞噴嘴。 粒徑過小，包裹骨料所需漿體的比表面積大，漿體多，水化速率快，單位時間水化熱高，將會導(dǎo)致混凝土各項性能的惡化。再次，配制的混凝土拌合物要有合適的配合比，由于作為滿足3D打印的原料新型混凝土已經(jīng)不同于傳統(tǒng)的混凝土，其各項性能發(fā)生了很大的變化，不能由傳統(tǒng)的水膠比、砂率等所能決定，其基本性能發(fā)生巨大改變。目前與混凝土相關(guān)的理論，如強度、耐久性、水化作用等，均不能很好的滿足3D打印混凝土的要求。為使打印混凝土獲得理想的狀態(tài)，如高強度，好耐久性，良好的拌合性能，合適的凝固時間，良好的工作性、可泵性和可建筑性，需要從新的角度去完善理論。最后，外加劑是現(xiàn)代混凝土必不可少的組分之一，是混凝土改性的一種重要方法和技術(shù)。3D 打印混凝土必須具備更好的流變性以便于擠出且能在空氣中迅速凝結(jié)防止由于自身重力破壞打印混凝土的結(jié)構(gòu)，并且骨料的最大粒徑會變得更小以及其形貌更接近圓形，從而導(dǎo)致級配也將變的更加復(fù)雜，最終還需要解決各層之間凝結(jié)問題，這就需要新型外加劑來解決。從材料流變學(xué)的角度考慮，3D打印混凝土應(yīng)該具有較高的塑性粘度、較低的極限剪切應(yīng)力，如此它不具有流淌性卻具有好的可塑性，同時應(yīng)有較快的凝結(jié)時間和較高的早期強度。除此之外，還應(yīng)該考慮配合比對于打印混凝土的收縮率的影響以及孔隙結(jié)構(gòu)對于打印混凝土的影響。例如，Le等［9］研究表明: 低的水膠比和粉煤灰比例有助于降低打印過程的收縮率。 小的孔隙結(jié)構(gòu)可以提高打印混凝土的品質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，打印混凝土的可澆筑性和擠出性受到混凝土的和易性和凝結(jié)時間的影響。在3D混凝土打印過程中還必須保證打印完成部分的完整性，不會由于自身的重力因素而出現(xiàn)塌落，傾斜等變形現(xiàn)象，這就要求其具有良好的可塑性，凝固時間短，早期強度高，能夠承受自身重量和打印過程中的動載荷，使下一層打印膠結(jié)不受影響。 3D打印混凝土的施工和3D打印建筑 隨著3D打印混凝土技術(shù)的不斷發(fā)展和深入，3D 打印建筑也應(yīng)用而生。目前，在中國上海青浦出現(xiàn)了第一批 3D 打印房屋(如圖4)［10］，其主要以高標(biāo)號水泥、建筑垃圾和玻璃纖維為打印原料，并且此次工程并非傳統(tǒng)的3D打印，而是通過人工現(xiàn)場組裝3D打印機打印出的一層層的房屋結(jié)構(gòu)而完成的。在不久將來，由荷蘭建筑師 Janjaap Ｒuijssenaars 與意大利發(fā)明家 Enrico Dini( DShape 3D 打印機發(fā)明人) 一同合作利用3D打印技術(shù)建造一棟名為“Landscape House”的建筑［11］。這些是3D 打印建筑的巨大突破，將3D打印建筑技術(shù)實際化。圖4 上海青浦3D打印房屋輪廓工藝作為新型的施工工藝很好地提升了3D打印混凝土的實用化。輪廓工藝是一項通過電腦控制的 噴嘴按層擠出材料的建筑技術(shù)。輪廓工藝是一
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