【編者按】近年來(lái)柴底，作為“第三次工業(yè)革命”標(biāo)志性技術(shù)的3D打印技術(shù)引領(lǐng)時(shí)代潮流蚯撩，快速進(jìn)入到各個(gè)研究領(lǐng)域忘当，從工業(yè)設(shè)計(jì)芯妇、航空航天到醫(yī)療等各大領(lǐng)域均已出現(xiàn)3D打印的足跡，這對(duì)傳統(tǒng)的社會(huì)生產(chǎn)將產(chǎn)生巨大的沖擊圈蛹，成為改變未來(lái)世界的創(chuàng)造性科技肃刁。

近年來(lái)，作為“第三次工業(yè)革命”標(biāo)志性技術(shù)的3D打印技術(shù)引領(lǐng)時(shí)代潮流奇茫，快速進(jìn)入到各個(gè)研究領(lǐng)域孙泵，從工業(yè)設(shè)計(jì)、航空航天到醫(yī)療等各大領(lǐng)域均已出現(xiàn)3D打印的足跡上绅，這對(duì)傳統(tǒng)的社會(huì)生產(chǎn)將產(chǎn)生巨大的沖擊崇审，成為改變未來(lái)世界的創(chuàng)造性科技。同樣岛宵，3D打印技術(shù)與混凝土技術(shù)相結(jié)合的3D打印混凝土技術(shù)任汪，是混凝土行業(yè)發(fā)展的一大機(jī)遇，3D打印混凝土技術(shù)將成為混凝土行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向栅苞。

混凝土材料是當(dāng)今社會(huì)最為重要的土木工程材料之一催舅，為人類社會(huì)的發(fā)展與建設(shè)做出了不可估量的貢獻(xiàn)疏唾，而隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展蓄氧，混凝土在生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中的高能耗、高污染等問(wèn)題逐漸凸顯槐脏，成為制約混凝土材料發(fā)展的一大阻力喉童。為適應(yīng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要，混凝土本身性能逐漸向高強(qiáng)度顿天、高性能等方向發(fā)展堂氯，同時(shí)，新技術(shù)的出現(xiàn)也為混凝土的可持續(xù)發(fā)展提供了新的方向牌废。

3D打印混凝土技術(shù)

3D打印混凝土技術(shù)是在3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的應(yīng)用于混凝土施工的新技術(shù)咽白，其主要工作原理是將配置好的混凝土漿體通過(guò)擠出裝置，在三維軟件的控制下鸟缕，按照預(yù)先設(shè)置好的打印程序晶框，由噴嘴擠出進(jìn)行打印，最終得到設(shè)計(jì)的混凝土構(gòu)件懂从。3D打印混凝土技術(shù)在打印過(guò)程中授段，無(wú)需傳統(tǒng)混凝土成型過(guò)程中的支模過(guò)程，是一種最新的混凝土無(wú)模成型技術(shù)。2012年悄函，英國(guó)拉夫堡大學(xué)的研究者研發(fā)出新型的混凝土3D打印技術(shù)牲羊，3D打印機(jī)械在計(jì)算機(jī)軟件的控制下，使用具有高度可控制擠壓性的水泥基漿體材料山顶，完成精確定位混凝土面板和墻體中孔洞的打印蛮血，實(shí)現(xiàn)了超復(fù)雜的大尺寸建筑構(gòu)件的設(shè)計(jì)制作，為外形獨(dú)特的混凝土建筑打開了一扇大門好员。

1.3D打印混凝土

隨著3D打印混凝土技術(shù)的出現(xiàn)却怪，普通混凝土已無(wú)法滿足其技術(shù)的需要，對(duì)混凝土的性能提出了進(jìn)一步的要求倾伶，分別體現(xiàn)在對(duì)新拌混凝土的施工性能和硬化混凝土的力學(xué)性能及耐久性殷感，英國(guó)拉夫堡大學(xué)的T.T.Le等人對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)的研究。對(duì)于新拌的混凝土漿體感戴，為滿足3D打印的要求熏迷，必須達(dá)到特定的性能要求。首先是可擠出性都癣，在3D打印混凝土技術(shù)中谐歪，混凝土漿體通過(guò)擠出裝置前端的噴嘴擠出進(jìn)行打印，因此配置漿體中顆粒大小要由噴嘴口的大小決定瓶逃，并需嚴(yán)格控制束铭，杜絕大顆粒集料的出現(xiàn)，在打印過(guò)程中不致堵塞厢绝，以保證漿體順利擠出契沫。

其次，混凝土漿體要具有較好的粘聚性昔汉，一方面懈万，較好的粘聚性可以保證混凝土在通過(guò)噴嘴擠出的過(guò)程中，不會(huì)因漿體自身性能的原因出現(xiàn)間斷靶病，避免打印遺漏;另一方面会通，3D打印是由層層累加而得到最終的產(chǎn)品，因此娄周，層與層之間的結(jié)合屬于3D打印混凝土的薄弱環(huán)節(jié)涕侈，是影響硬化性能的重要因素，而較好的粘聚性可以在最大程度上削弱打印層負(fù)面的影響煤辨。最后裳涛，可擠出性和粘聚性盡可以保證前期的打印和硬化后的性能，卻難以保證打印的全程可以順利進(jìn)行鉴梦。在3D混凝土打印的過(guò)程中氛灸，必須要求已打印完成的部分狀態(tài)保持良好耘泰，不會(huì)出現(xiàn)坍塌、傾斜等中斷打印施工的現(xiàn)象剑碌，這就對(duì)混凝土漿體的可建造性提出了要求嘀醋。

3D打印混凝土技術(shù)同樣會(huì)對(duì)硬化混凝土的性能產(chǎn)生較大影響。在打印過(guò)程中孟溯，混凝土呈條狀擠出成型讲侵，條與條之間的粘結(jié)問(wèn)題是決定硬化打印混凝土孔結(jié)構(gòu)的重要因素，較差的粘聚性會(huì)導(dǎo)致打印混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)大而多的孔隙呜款，亦必將對(duì)混凝土的耐久性有重大影響;對(duì)強(qiáng)度而言耸壮，使用打印技術(shù)會(huì)造成混凝土強(qiáng)度的損失，導(dǎo)致打印混凝土的強(qiáng)度低于同種配比的模成型混凝土剩症，同時(shí)笑驶，打印也會(huì)使混凝土的強(qiáng)度出現(xiàn)各項(xiàng)異性的特點(diǎn)，強(qiáng)度的高低由打印的方向所決定;此外胞饭，水中養(yǎng)護(hù)對(duì)打印混凝土的性能也有較大的影響嫌变，這一點(diǎn)在其他研究者的研究中也得到證實(shí)，主要原因在于水中養(yǎng)護(hù)會(huì)對(duì)打印混凝土的微觀結(jié)構(gòu)有一定的改善作用躬它，填充打印混凝土在打印過(guò)程中造成的孔隙腾啥，從而改善打印混凝土的各項(xiàng)性能。

2.3D打印混凝土的施工

隨著3D打印混凝土出現(xiàn)在研究者的視野中冯吓，3D打印建筑也隨之產(chǎn)生倘待。意大利研究者EnricoDini發(fā)明了世界首臺(tái)大型建筑3D打印機(jī)，這臺(tái)打印機(jī)的底部有數(shù)百個(gè)噴嘴组贺，可噴射出鎂質(zhì)黏合物凸舵，在黏合物上噴撒砂子可逐漸鑄成石質(zhì)固體，通過(guò)一層層地黏合物和砂子結(jié)合锣披，最終形成石質(zhì)建筑物贞间，并成功使用建筑材料打印出高4米的建筑物贿条。在此基礎(chǔ)上雹仿，他與荷蘭建筑師JanjaapRuijssenaars一同合作，欲用此3D建筑打印機(jī)打印建設(shè)一座“莫比烏斯環(huán)”狀的建筑物整以，用以參加歐洲的3D打印比賽胧辽，這是3D打印混凝土技術(shù)在建筑行業(yè)的大膽實(shí)踐。近日勒蜘，上海青浦出現(xiàn)一批3D打印房屋悄锈，其研發(fā)者馬義和使用回收的建筑垃圾與玻璃纖維作為打印原料，采用自行設(shè)計(jì)的組裝打印機(jī)械在24小時(shí)內(nèi)完成了10幢200平方米建筑的“打印”炊惊，但其使用的材料與結(jié)構(gòu)的承載力菌渐、耐久性仍值得考慮随去。

之前荷蘭的一家建筑企業(yè)也已著手進(jìn)行一棟大樓的打印，其施工主要是通過(guò)將3D打印機(jī)打印出來(lái)的預(yù)制件像積木一樣壘起來(lái)暖娃，以此來(lái)完成打印扔泵。在3D打印混凝土的打印過(guò)程中，是混凝土條層層堆積的過(guò)程力浅，不可避免地會(huì)在打印構(gòu)件的表面上出現(xiàn)臺(tái)階效應(yīng)闭厕，其表面粗糙不平，不僅影響美觀叭痰，還可能導(dǎo)致精度的誤差多吁，從圖6中可以明顯看出，打印的構(gòu)件表面存在橫向的條紋斥滤，層次較為明顯将鸵，表面平整度有待美化。而為了處理這類問(wèn)題佑颇，通常使用兩種方法：一是縮小打印噴嘴的口徑咨堤，降低臺(tái)階的高度，這種方法會(huì)降低打印的速度漩符，影響施工效率一喘，同時(shí)并不能保證表面達(dá)到理想的平整度;二是在成型后進(jìn)行后續(xù)抹平處理，此方法需進(jìn)行重復(fù)工作嗜暴，費(fèi)時(shí)費(fèi)力凸克。為解決3D打印建筑施工過(guò)程中的這些問(wèn)題，美國(guó)南加州大學(xué)的BehrokhKhoshnevis教授提出輪廓建筑工藝(ContourCrafting)闷沥。輪廓建筑工藝是使用3D打印技術(shù)進(jìn)行建筑建造的一種工藝萎战，包括輪廓打印系統(tǒng)(Extrusionsystem)和內(nèi)部填充系統(tǒng)(Fillingsystem)兩部分，其原理是先進(jìn)行外部輪廓的打印舆逃，之后向內(nèi)部填充材料蚂维，形成混凝土構(gòu)件。

輪廓建筑工藝最大的特點(diǎn)是：在噴嘴上加入泥刀路狮，泥刀保證在打印建筑的同時(shí)可以進(jìn)行表面的平整侦广，很好地解決3D打印表面不平整的問(wèn)題。此外结晒，輪廓建筑工藝可以在3D打印建筑的同時(shí)成猴，實(shí)現(xiàn)混凝土構(gòu)件中配筋，還可以進(jìn)一步嘗試高層建筑的打印建設(shè)碎准。以3D打印技術(shù)為基礎(chǔ)陶份，加入泥刀的輪廓建筑工藝具有較多的優(yōu)點(diǎn)，一方面在打印的同時(shí)進(jìn)行建筑物表面的平整焚怨，提高了打印建筑表面的光滑度與精確度武敦，避免重復(fù)施工;同時(shí)撼柳，還可以加大每層打印的厚度，提高建筑物的建造效率使义，可在24小時(shí)內(nèi)打印完成一棟2500平方英尺的房子辣沧。此外，打印設(shè)計(jì)中填充系統(tǒng)的存在驼鳞，可以根據(jù)需要進(jìn)行內(nèi)部材料的填充哀铡，在很大程度上提高打印建筑的結(jié)構(gòu)性能。

3.3D打印混凝土存在的問(wèn)題

目前的3D打印混凝土技術(shù)正處于研發(fā)試用階段臼婆，對(duì)于其性能與應(yīng)用均處于探索階段抒痒，因此，不可避免地會(huì)存在一些問(wèn)題颁褂。

(1)原材料的問(wèn)題故响。3D打印混凝土相對(duì)于傳統(tǒng)的模成型混凝土對(duì)原料的要求更為苛刻，普通水泥可能無(wú)法同時(shí)滿足建筑性能與打印技術(shù)的要求颁独，粗細(xì)骨料的質(zhì)量要求會(huì)更高彩届，甚至要采用新的破碎工藝制度，而對(duì)于外加劑在混凝土體系中發(fā)揮的作用及作用機(jī)理也可能會(huì)發(fā)生改變誓酒。

(2)配合比理論的問(wèn)題樟蠕。3D打印混凝土技術(shù)對(duì)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靠柑，同時(shí)寨辩，打印過(guò)程對(duì)混凝土的后期硬化性能會(huì)產(chǎn)生較大影響，這并不是可以簡(jiǎn)單地依據(jù)水灰比歼冰、砂率等參數(shù)的調(diào)整而可以滿足的靡狞。依據(jù)現(xiàn)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(dá)到打印硬化后力學(xué)性能與耐久性指標(biāo)的要求仍有待確定众桨，這就需要從新的角度去提出新的理論显瞒，以更好適應(yīng)于3D打印混凝土技術(shù)。

(3)軟件的問(wèn)題宪凹。與傳統(tǒng)混凝土施工不同的是朦盲，3D打印混凝土需要先完成電腦上模型的構(gòu)造，再通過(guò)自動(dòng)化程序使之轉(zhuǎn)換為實(shí)物畅刑，因此姚详，設(shè)計(jì)軟件成為3D打印混凝土技術(shù)準(zhǔn)備階段的重要組成部分，而如何實(shí)現(xiàn)軟件與現(xiàn)實(shí)之間的轉(zhuǎn)換成為打印混凝土發(fā)展不可或缺的步驟喇躲。

(4)成型高度的問(wèn)題。目前的3D打印混凝土技術(shù)所使用機(jī)械的能力仍處于平面擴(kuò)展階段许食，可適用于低層大面積建筑的建設(shè)继棉，而對(duì)于廣泛使用的高層建筑還無(wú)法進(jìn)行打印挽饺，只能通過(guò)先打印預(yù)制件、再進(jìn)行組裝的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)终琅，同時(shí)恨溜，要將幾十層的建筑物打印出來(lái)，需要設(shè)計(jì)出巨型的3D打印機(jī)找前，解決大型建筑物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題糟袁，以及建筑物中鋼筋的打印問(wèn)題。此外躺盛，3D打印混凝土在生產(chǎn)流程项戴、安全措施等方面均會(huì)產(chǎn)生較大的改變，都會(huì)造成或多或少的問(wèn)題槽惫，這些均有待研究者進(jìn)一步的研究與發(fā)現(xiàn)周叮。

3D打印混凝土展望

隨著科技的發(fā)展，愿意從事一線體力勞動(dòng)的人員越來(lái)越少界斜，作為勞動(dòng)力密集的混凝土建筑行業(yè)將迎來(lái)一次巨大的挑戰(zhàn)仿耽，而結(jié)合了3D打印技術(shù)的3D打印混凝土技術(shù)的出現(xiàn)，無(wú)疑是一大福音各薇，具有十分廣闊的發(fā)展前景项贺。3D打印混凝土技術(shù)在建造過(guò)程中取消了支模拆模的繁瑣程序，在很大程度上簡(jiǎn)化了施工的過(guò)程峭判，使得施工速率可以提高到10倍以上敬扛，而且還可以實(shí)現(xiàn)混凝土的充分利用，降低水泥的使用量服骚，更可以提高建筑物的服役壽命滤躺，降低建筑垃圾的產(chǎn)生，減少重復(fù)建設(shè)蝎蛤，同時(shí)屠途，3D打印機(jī)械僅需要數(shù)名技術(shù)人員的控制，減少了施工人員的數(shù)量挪吱，正符合當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展趨勢(shì)带诊。此外，3D打印混凝土技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)各種形狀建筑的打印捺柬，對(duì)環(huán)境的要求較小于箩，可將其應(yīng)用于外太空的探索，迅速完成太空基地的建設(shè)望泪。

目前判嘀，3D打印混凝土技術(shù)處于發(fā)展起步階段，為實(shí)現(xiàn)3D打印混凝土技術(shù)應(yīng)用的普遍化宾芥，需要針對(duì)其存在的問(wèn)題進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)的解決侣夷。未來(lái)3D打印混凝土技術(shù)的研究發(fā)展可以從如下方面進(jìn)行：

(1)混凝土材料的研究横朋。雖然英國(guó)拉夫堡大學(xué)的T.T.Le等人對(duì)3D打印混凝土進(jìn)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百拓，但主要是基于現(xiàn)階段對(duì)3D打印混凝土技術(shù)初步的認(rèn)識(shí)琴锭，缺乏較為系統(tǒng)、理論衙传、深入的研究决帖。而要使3D打印混凝土技術(shù)可以快速地發(fā)展，則必須對(duì)混凝土的原材料蓖捶、配制理論進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究地回，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(jù)性能需求來(lái)完善腺阳，這也將是3D打印混凝土技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的主要研究課題落君。

(2)配套軟硬件的研究。3D打印混凝土技術(shù)是電腦軟件與打印機(jī)械協(xié)同合作的過(guò)程亭引，如何將電腦中的三維模型通過(guò)軟件控制的打印裝置將之變?yōu)閷?shí)物绎速，更好地與自動(dòng)化過(guò)程相結(jié)合，并使之達(dá)到最佳效果焙蚓，這將是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程抠衬。

(3)打印工藝的研究。如何合理地安排打印的方向次序届辽、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锹肾，也是今后研究中需要注意的方面。同時(shí)映贞，目前的3D建筑打印工藝可實(shí)現(xiàn)的打印高度受到較大的限制奥泛，而社會(huì)的發(fā)展卻使混凝土建筑逐漸向高聳方向發(fā)展，這就需要新的打印工藝以實(shí)現(xiàn)高層打印與向高層發(fā)展所要解決的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度裁堤。

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