2020年02月13日

3D打印混凝土展望


  隨著科技的發展,願意從事一線體力勞動的人員越來越少,作為勞動力密集的混凝土建築行業將迎來一次巨大的挑戰,而結合了3D打印技術的3D打印混凝土技術的出現,無疑是一大福音,具有十分廣闊的發展前景。

  3D打印混凝土技術在建造過程中取消了支模拆模的繁瑣程序,在很大程度上簡化了施工的過程,使得施工速率可以提高到10倍以上,RP而且還可以實現混凝土的充分利用,降低水泥的使用量,更可以提高建築物的服役壽命,降低建築垃圾的產生,減少重複建設,同時,3D打印機械僅需要數名技術人員的控制,減少了施工人員的數量,正符合當今社會的發展趨勢。此外,3D打印混凝土技術可以實現各種形狀建築的打印,3D列印對環境的要求較小,可將其應用於外太空的探索,迅速完成太空基地的建設。

  目前,3D打印混凝土技術處於發展起步階段,為實現3D打印混凝土技術應用的普遍化,需要針對其存在的問題進行關鍵技術的解決。未來3D打印混凝土技術的研究發展可以從如下方面進行:

  (1)混凝土材料的研究。雖然英國拉夫堡大學的T.T.Le等人對3D打印混凝土進行了部分的研究,提出了一些3D打印混凝土所需要具備的性能,但主要是基於現打樣階段對3D打印混凝土技術初步的認識,缺乏較為系統、理論、深入的研究。而要使3D打印混凝土技術可以快速地發展,則必須對混凝土的原材料、配制理論進行系統深入的研究,因此,新的混凝土配合比理論和新的原材料要求都需要根據性能需求來完善,這也將是3D打印混凝土技術發展過程中的主要研究課題。

  (2)配套軟硬件的研究。3D打印混凝土技術是電腦軟件與打印機械協同合作的過程,如何將電腦中的三維模型通過軟件控制的打印裝置將之變為實物,更好地與自動化過程相結合,並使之達到*佳效果,這將是一個長期的過程。

  (3)打印工藝的研究。如何合理地安排打印的方向次序、控制打印噴頭的全方位爬升等都是決定打印效率的重要因素,也是今後研究中需要注意的方面。同時,目前的3D建築打印工藝可實現的打印高度受到較大的限制,而社會的發展卻使混凝土建築逐漸向高聳方向發展,這就需要新的打印工藝以實現高層打印與向高層發展所要解決的結構強度、配筋增強等問題。

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3D打印混凝土存在的問題


  目前的3D打印混凝土技術正處於研發試用階段,對於其性能與應用均處於探索階段,因此,不可避免地會存在一些問題。

  (1)原材料的問題。3D打印混凝土相樣品對於傳統的模成型混凝土對原料的要求更為苛刻,普通水泥可能無法同時滿足建築性能與打印技術的要求,粗細骨料的質量要求會更高,甚至要采用新的破碎工藝制度,而對於外加劑在混凝土體系中發揮的作用及作用機理也可能會發生改變。

  (2)配合比理論的問題。3D打印混凝土技術對混凝土的粘聚性、擠出性和可建造性等新拌性能提出了特殊的要求,同時,打印過程對混凝土的後期硬化性逆向工程能會產生較大影響,這並不是可以簡單地依據水灰比、砂率等參數的調整而可以滿足的。依據現有的混凝土配合比理論配制的混凝土是否可以較好地滿足3D打印的工作性要求、達到打印硬化後力學性能與耐久性指標的要求仍有待確定,這就需要從新的角度去提出新的理論,以更好適應於3D打印混凝土技術。

  (3)軟件的問題。與傳統混凝土施工不同的是,3D打印混凝土需要先完成電腦上模型的構造,再通過自動化程序使之轉換為實物,因此,設計軟件成為3D打印混凝土技術准備階段的重要組成部分,而如何實現軟件與現實之間的轉換成為打印混凝土發展不可或缺的步驟。

  (4)成型高度的問題。目前的3D打印混凝土技術所使用機械的能力仍處於平面擴展階段,可適用於低層大面積建築的建設,而對於廣泛使RP用的高層建築還無法進行打印,只能通過先打印預制件、再進行組裝的方式來實現,同時,要將幾十層的建築物打印出來,需要設計出巨型的3D打印機,解決大型建築物結構強度問題,以及建築物中鋼筋的打印問題。此外,3D打印混凝土在生產流程、安全措施等方面均會產生較大的改變,都會造成或多或少的問題,這些均有待研究者進一步的研究與發現。

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3D打印混凝土


  隨著3D打印混凝土技術的出現,普通混凝土已無法滿足其技術的需要,對混凝土的性能提出了進一步的要求,分別體現在對新拌混凝土的施工性能和硬化混凝土的力學性能及耐久性,英國拉夫堡大學的T.T.Le等人對此進行了相關的研究。對於新拌的混凝土漿體,為滿足3D打印的要求,必須達到特定的性能要求。首先是可擠出性,在3D打印混凝土技術中,3D列印混凝土漿體通過擠出裝置前端的噴嘴擠出進行打印,因此配置漿體中顆粒大小要由噴嘴口的大小決定,並需嚴格控制,杜絕大顆粒集料的出現,在打印過程中不致堵塞,以保證漿體順利擠出。

  其次,混凝土漿體要具有較好的粘聚性,一方面,較好的粘聚性可以保證混凝土在通過噴嘴擠出的過程中,不會因漿體自身性能的原因出現間斷,避免打印遺漏;另一方面,3D打印是由層層累加而得到*終的產品,因此,層與層之間的結合屬於3D打印打樣混凝土的薄弱環節,是影響硬化性能的重要因素,而較好的粘聚性可以在很大程度上削弱打印層負面的影響。最後,可擠出性和粘聚性盡可以保證前期的打印和硬化後的性能,卻難以保證打印的全程可以順利進行。在3D混凝土打印的過程中,必須要求已打印完成的部分狀態保持良好,不會出現坍塌、傾斜等中斷打印施工的現象,這就對混凝土漿體的可建造性提出了要求。

  3D打印混凝土技術同樣會對硬化混凝土的性能產生較大影響。在打印過程中,混凝土呈條狀擠出成型,條與條之間的粘結問題是決定硬化打印混凝土孔結構的重要因素,較差的粘聚性會導致打印混凝土結構內部出現大而多的孔隙,亦必將對混凝土的耐久性有重樣品大影響;對強度而言,使用打印技術會造成混凝土強度的損失,導致打印混凝土的強度低於同種配比的模成型混凝土,同時,打印也會使混凝土的強度出現各項異性的特點,強度的高低由打印的方向所決定;此外,水中養護對打印混凝土的性能也有較大的影響,這一點在其他研究者的研究中也得到證實[7],主要原因在於水中養護會對打印混凝土的微觀結構有一定的改善作用,填充打印混凝土在打印過程中造成的孔隙,從而改善打印混凝土的各項性能。

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