3d打印別墅還是商務(wù)樓？揭密3D打印建筑(房子)的那些事兒

對(duì)于3d打印建筑中的那些事兒，不知道您是否了解過呢？今天帶你走進(jìn)那些神秘的3D打印房屋技術(shù)！揭開3D打印房子的神秘面紗，come with me!

水泥基建筑3D打印材料主要原料是指快硬硫鋁酸鹽水泥和礦物摻合料組成的復(fù)合膠凝材料,以及尾礦機(jī)制砂,通過添加復(fù)合調(diào)凝劑和復(fù)合體積穩(wěn)定劑等制備而成,可直接泵入建筑用3D打印機(jī)中應(yīng)用于施工。試驗(yàn)結(jié)果表明制備的3D打印材料具有下述特點(diǎn):早期強(qiáng)度高,后期強(qiáng)度發(fā)展穩(wěn)定,其中2 h抗壓強(qiáng)度為10~20 MPa,3 d抗壓強(qiáng)度為40~50 MPa,28 d抗壓強(qiáng)度為50~60 MPa;凝結(jié)時(shí)間可調(diào)節(jié),一般初凝時(shí)間為20~50 min,終凝時(shí)間為30~60 min;可滿足建筑3D打印施工連續(xù)性和強(qiáng)度要求。

1. 3D打印在建筑技術(shù)中的發(fā)展

3D打印（3Dprinting）技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計(jì)、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(shì)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(diǎn)。3D打印建筑技術(shù)可能改變建筑業(yè)的發(fā)展方向，對(duì)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(guó)航天局（NASA）出資與美國(guó)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(jì)師JanjaapRuijssenaars計(jì)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(xiàng)目。計(jì)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(jìn)而完成空間站的建設(shè)[4]。2013年2月，英國(guó)設(shè)計(jì)師SoftkillDesign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(jī)，號(hào)稱將建造“第一”的3D打印運(yùn)河屋[5]。2014年1月，實(shí)現(xiàn)了3D打印運(yùn)河屋組件的實(shí)際三維打印，預(yù)計(jì)將用三年時(shí)間完成組裝。2013年1月，中國(guó)上海盈創(chuàng)公司利用高標(biāo)號(hào)水泥和玻璃纖維復(fù)合制造了首批3D打印建筑，引發(fā)國(guó)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。

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(fèi)者印刷和幾個(gè)行業(yè)，消費(fèi)者產(chǎn)品的制造用途。金屬在高端行業(yè)，如航空航天與國(guó)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(jī)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(jī)材料在高溫下熔融狀態(tài)下進(jìn)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(duì)環(huán)境和人體造成危害；此外，有機(jī)材料對(duì)打印條件要求高，成本高，力學(xué)性能差，用有機(jī)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(shí)間長(zhǎng)，通常的初凝時(shí)間6-10h，終凝時(shí)間24小時(shí)左右，不能滿足3D打印過程中材料在短時(shí)間內(nèi)快速凝結(jié)的性能要求；且一般呈流動(dòng)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(jī)材料的問題；還解決現(xiàn)有普通水泥基材料凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)且一般呈流動(dòng)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3.2。（2）減水劑:聚羧酸PC減水劑。減少拌合用水量、提高材料的強(qiáng)度。

（3）細(xì)骨料：20-40目、40-70目機(jī)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(shí)也減少了工業(yè)固廢對(duì)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(shí)間和強(qiáng)度的控制，這兩個(gè)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(shí)驗(yàn)選擇可用的外加劑。其中選用早強(qiáng)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(qiáng)，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(shí)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(qiáng)度更高，但在3D打印材料實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中需要更快的凝結(jié)速度，更高的早期強(qiáng)度[9]。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(shí)間。所以本文選用J1、J2、J3促凝劑，研究促凝劑對(duì)快硬硫鋁酸鹽水泥的影響，確定適用于SAC水泥的促凝劑。

不同促凝劑對(duì)R-SAC凝結(jié)時(shí)間的影響

J1對(duì)硫鋁酸鹽水泥的促凝效果很明顯，在0.01%摻量時(shí)就有明顯的促凝效果，將凝結(jié)時(shí)間縮短一半；在摻量0.05%時(shí)可以將初凝時(shí)間縮短到9分鐘，當(dāng)摻量到0.3%時(shí)初凝時(shí)間為5分鐘。J2為強(qiáng)堿，它對(duì)R-SAC的凝結(jié)時(shí)間的影響比J1、J3更為強(qiáng)烈，當(dāng)J2摻量為0.01%時(shí)，就可以將凝結(jié)時(shí)間縮短到9分鐘，達(dá)到同J1摻0.05%時(shí)的效果。而J3作為普通硅酸鹽水泥常用的早強(qiáng)促凝劑其對(duì)快硬硫鋁酸鹽水泥的促凝效果不好。所以從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，促凝劑對(duì)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(duì)不同種促凝劑對(duì)R-SAC凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度性能的影響試驗(yàn)，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(qiáng)度高，微膨脹等優(yōu)點(diǎn)，但由于其水化速度很快，在實(shí)際使用過程中，往往需要一定的工作時(shí)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(shí)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(duì)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(qiáng)度的增幅較為平緩，能夠使3D打印材料的凝結(jié)時(shí)間更加穩(wěn)定、容易控制。

不同緩凝劑對(duì)R-SAC的凝結(jié)時(shí)間的影響程度有H1＞H2>H3>H5>H6趨勢(shì)，H4會(huì)造成R-SAC凝結(jié)時(shí)間異常。H1的緩凝效果隨著添加量增加，凝結(jié)時(shí)間大幅延長(zhǎng)，不利于控制，這就給實(shí)際使用中造成一定風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)H2為普通硅酸鹽水泥常用的緩凝劑，對(duì)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(shí)有輕微促凝效果，在摻量0.1%到0.3%時(shí)緩凝效果顯現(xiàn)，趨勢(shì)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(duì)凝結(jié)時(shí)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(shí)間由28分鐘延長(zhǎng)到109分鐘，終凝時(shí)間由49分鐘延長(zhǎng)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(shí)可能會(huì)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(shí)間復(fù)合調(diào)凝劑

硫鋁酸鹽水泥的凝結(jié)時(shí)間的調(diào)節(jié)在實(shí)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[10]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(shí)間。

本研究通過大量的試驗(yàn)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(duì)緩凝劑的摻量進(jìn)行微調(diào)能夠制備出凝結(jié)時(shí)間10min~ 1h任意控制的硫鋁酸鹽水泥基的建筑3D打印材料。

由表3.6可以看出，在三個(gè)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(shí)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(jìn)行。這種3D打印材料具有很高的早期強(qiáng)度和快速凝結(jié)功能，

2h的抗壓強(qiáng)度內(nèi)即可達(dá)到10～20MPa；3天后抗壓強(qiáng)度為40～50MPa，28天后抗壓強(qiáng)度為60MPa左右的高強(qiáng)度，能夠滿足3D打印建筑的承重墻，柱的強(qiáng)度要求，也能使打印的構(gòu)件具有好的力學(xué)性能。

3D打印材料的打印成型過程

3D打印結(jié)構(gòu)試件

本3D打印材料原材料成本低，對(duì)環(huán)境和人體無害，材料粘結(jié)性好，穩(wěn)定性強(qiáng)，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(qiáng)度的要求，打印成型的建筑、構(gòu)件在短時(shí)間內(nèi)即具有移動(dòng)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(jìn)了3D打印技術(shù)的應(yīng)用推廣。

4 得出的結(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(shí)間長(zhǎng)，早期強(qiáng)度低等缺點(diǎn)。制備的3D打印材料具有很高的早期強(qiáng)度，其2h抗壓強(qiáng)度在10-20MPa，28d抗壓強(qiáng)度能達(dá)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(shí)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(qiáng)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(duì)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。

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