近年來灼址，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)代潮流斋否，快速進(jìn)入到各個(gè)研究領(lǐng)域枫耳，從工業(yè)設(shè)計(jì)怨咪、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)生巨大的沖擊润匙，成為改變未來世界的創(chuàng)造性科技诗眨。同樣，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)孕讳，是混凝土行業(yè)發(fā)展的一大機(jī)遇匠楚，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。

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厂财，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)芋簿，而隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，混凝土在生產(chǎn)應(yīng)用過程中的高能耗穴眨、高污染等問題逐漸凸顯扎瞧，成為制約混凝土材料發(fā)展的一大阻力。為適應(yīng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要料悟，混凝土本身性能逐漸向高強(qiáng)度草颤、高性能等方向發(fā)展，同時(shí)墙弛，新技術(shù)的出現(xiàn)也為混凝土的可持續(xù)發(fā)展提供了新的方向捏表。

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)展起來的應(yīng)用于混凝土施工的新技術(shù)，其主要工作原理是將配置好的混凝土漿體通過擠出裝置降井，在三維軟件的控制下镊迟，按照預(yù)先設(shè)置好的打印程序，由噴嘴擠出進(jìn)行打印隘吆，最終得到設(shè)計(jì)的混凝土構(gòu)件箭溜。3D打印混凝土技術(shù)在打印過程中，無需傳統(tǒng)混凝土成型過程中的支模過程椎沟，是一種最新的混凝土無模成型技術(shù)衍震。2012年，英國拉夫堡大學(xué)的研究者研發(fā)出新型的混凝土3D打印技術(shù)樱蛤，3D打印機(jī)械在計(jì)算機(jī)軟件的控制下钮呀，使用具有高度可控制擠壓性的水泥基漿體材料，完成精確定位混凝土面板和墻體中孔洞的打印昨凡，實(shí)現(xiàn)了超復(fù)雜的大尺寸建筑構(gòu)件的設(shè)計(jì)制作爽醋，為外形獨(dú)特的混凝土建筑打開了一扇大門蚁署。

1.3D打印混凝土

隨著3D打印混凝土技術(shù)的出現(xiàn)，普通混凝土已無法滿足其技術(shù)的需要蚂四，對(duì)混凝土的性能提出了進(jìn)一步的要求光戈，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，英國拉夫堡大學(xué)的T.T.Le等人對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)的研究遂赠。對(duì)于新拌的混凝土漿體久妆，為滿足3D打印的要求，必須達(dá)到特定的性能要求跷睦。首先是可擠出性筷弦，在3D打印混凝土技術(shù)中，混凝土漿體通過擠出裝置前端的噴嘴擠出進(jìn)行打印抑诸，因此配置漿體中顆粒大小要由噴嘴口的大小決定友移，并需嚴(yán)格控制，杜絕大顆粒集料的出現(xiàn)玷仗，在打印過程中不致堵塞洽灿，以保證漿體順利擠出。

其次仅犬，混凝土漿體要具有較好的粘聚性盆述，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案哄，不會(huì)因漿體自身性能的原因出現(xiàn)間斷嗡吸，避免打印遺漏；另一方面便浮，3D打印是由層層累加而得到最終的產(chǎn)品哩拒，因此，層與層之間的結(jié)合屬于3D打印混凝土的薄弱環(huán)節(jié)尤痒，是影響硬化性能的重要因素曾谁，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。最后悔叽，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莱衩，卻難以保證打印的全程可以順利進(jìn)行。在3D混凝土打印的過程中娇澎，必須要求已打印完成的部分狀態(tài)保持良好笨蚁，不會(huì)出現(xiàn)坍塌、傾斜等中斷打印施工的現(xiàn)象趟庄，這就對(duì)混凝土漿體的可建造性提出了要求括细。

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。在打印過程中戚啥，混凝土呈條狀擠出成型奋单，條與條之間的粘結(jié)問題是決定硬化打印混凝土孔結(jié)構(gòu)的重要因素锉试，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，亦必將對(duì)混凝土的耐久性有重大影響览濒；對(duì)強(qiáng)度而言呆盖，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贷笛，同時(shí)应又，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石被；此外饶饿，水中養(yǎng)護(hù)對(duì)打印混凝土的性能也有較大的影響，這一點(diǎn)在其他研究者的研究中也得到證實(shí)狰娱，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，填充打印混凝土在打印過程中造成的孔隙赤猾，從而改善打印混凝土的各項(xiàng)性能劈耽。

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，3D打印建筑也隨之產(chǎn)生照渴。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)拆楣，這臺(tái)打印機(jī)的底部有數(shù)百個(gè)噴嘴，可噴射出鎂質(zhì)黏合物肩降，在黏合物上噴撒砂子可逐漸鑄成石質(zhì)固體浅仑，通過一層層地黏合物和砂子結(jié)合，最終形成石質(zhì)建筑物屁样，并成功使用建筑材料打印出高4米的建筑物屿扮。在此基礎(chǔ)上，他與荷蘭建筑師JanjaapRuijssenaars一同合作我衬，欲用此3D建筑打印機(jī)打印建設(shè)一座“莫比烏斯環(huán)”狀的建筑物叹放，用以參加歐洲的3D打印比賽，這是3D打印混凝土技術(shù)在建筑行業(yè)的大膽實(shí)踐挠羔。近日井仰，上海青浦出現(xiàn)一批3D打印房屋，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破加，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”俱恶，但其使用的材料與結(jié)構(gòu)的承載力、耐久性仍值得考慮范舀。

之前荷蘭的一家建筑企業(yè)也已著手進(jìn)行一棟大樓的打印合是，其施工主要是通過將3D打印機(jī)打印出來的預(yù)制件像積木一樣壘起來，以此來完成打印锭环。在3D打印混凝土的打印過程中端仰，是混凝土條層層堆積的過程捶惜，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)，其表面粗糙不平荔烧，不僅影響美觀吱七，還可能導(dǎo)致精度的誤差，從圖6中可以明顯看出社殉，打印的構(gòu)件表面存在橫向的條紋陷龟，層次較為明顯，表面平整度有待美化扑认。而為了處理這類問題逻事，通常使用兩種方法：一是縮小打印噴嘴的口徑，降低臺(tái)階的高度犯舆，這種方法會(huì)降低打印的速度畜溺，影響施工效率，同時(shí)并不能保證表面達(dá)到理想的平整度壮僵；二是在成型后進(jìn)行后續(xù)抹平處理理章，此方法需進(jìn)行重復(fù)工作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力清腌。為解決3D打印建筑施工過程中的這些問題厂均，美國南加州大學(xué)的BehrokhKhoshnevis教授提出輪廓建筑工藝(ContourCrafting)。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帆摊，包括輪廓打印系統(tǒng)(Extrusionsystem)和內(nèi)部填充系統(tǒng)(Fillingsystem)兩部分碱茁，其原理是先進(jìn)行外部輪廓的打印，之后向內(nèi)部填充材料仿贬，形成混凝土構(gòu)件纽竣。

輪廓建筑工藝最大的特點(diǎn)是：在噴嘴上加入泥刀，泥刀保證在打印建筑的同時(shí)可以進(jìn)行表面的平整茧泪，很好地解決3D打印表面不平整的問題退个。此外，輪廓建筑工藝可以在3D打印建筑的同時(shí)调炬，實(shí)現(xiàn)混凝土構(gòu)件中配筋语盈，還可以進(jìn)一步嘗試高層建筑的打印建設(shè)。以3D打印技術(shù)為基礎(chǔ)缰泡，加入泥刀的輪廓建筑工藝具有較多的優(yōu)點(diǎn)刀荒，一方面在打印的同時(shí)進(jìn)行建筑物表面的平整，提高了打印建筑表面的光滑度與精確度棘钞，避免重復(fù)施工缠借；同時(shí)，還可以加大每層打印的厚度，提高建筑物的建造效率泼返，可在24小時(shí)內(nèi)打印完成一棟2500平方英尺的房子等盏。此外，打印設(shè)計(jì)中填充系統(tǒng)的存在沥卦，可以根據(jù)需要進(jìn)行內(nèi)部材料的填充缩睛，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題

目前的3D打印混凝土技術(shù)正處于研發(fā)試用階段辩钢，對(duì)于其性能與應(yīng)用均處于探索階段辉召，因此，不可避免地會(huì)存在一些問題沛三。

(1)原材料的問題影虫。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，普通水泥可能無法同時(shí)滿足建筑性能與打印技術(shù)的要求墩衍，粗細(xì)骨料的質(zhì)量要求會(huì)更高跛农，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)生改變谢市。

(2)配合比理論的問題沼币。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麻诀，同時(shí)，打印過程對(duì)混凝土的后期硬化性能會(huì)產(chǎn)生較大影響傲醉，這并不是可以簡單地依據(jù)水灰比蝇闭、砂率等參數(shù)的調(diào)整而可以滿足的。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打印的工作性要求硬毕、達(dá)到打印硬化后力學(xué)性能與耐久性指標(biāo)的要求仍有待確定呻引，這就需要從新的角度去提出新的理論蝴乔，以更好適應(yīng)于3D打印混凝土技術(shù)诗良。

(3)軟件的問題陶焙。與傳統(tǒng)混凝土施工不同的是义誓，3D打印混凝土需要先完成電腦上模型的構(gòu)造秦代，再通過自動(dòng)化程序使之轉(zhuǎn)換為實(shí)物刘耀，因此肄扎，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拦赠，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)展不可或缺的步驟沪羔。

(4)成型高度的問題饥伊。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，可適用于低層大面積建筑的建設(shè)蔫饰，而對(duì)于廣泛使用的高層建筑還無法進(jìn)行打印陈谜，只能通過先打印預(yù)制件、再進(jìn)行組裝的方式來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)牍系，要將幾十層的建筑物打印出來换乙，需要設(shè)計(jì)出巨型的3D打印機(jī)，解決大型建筑物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題户寺，以及建筑物中鋼筋的打印問題膀娱。此外，3D打印混凝土在生產(chǎn)流程批先、安全措施等方面均會(huì)產(chǎn)生較大的改變息聪，都會(huì)造成或多或少的問題，這些均有待研究者進(jìn)一步的研究與發(fā)現(xiàn)囤胯。

3D打印混凝土展望

隨著科技的發(fā)展员研，愿意從事一線體力勞動(dòng)的人員越來越少，作為勞動(dòng)力密集的混凝土建筑行業(yè)將迎來一次巨大的挑戰(zhàn)蚪缚，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)阶质，無疑是一大福音，具有十分廣闊的發(fā)展前景米苹。3D打印混凝土技術(shù)在建造過程中取消了支模拆模的繁瑣程序糕伐，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倍以上蘸嘶，而且還可以實(shí)現(xiàn)混凝土的充分利用良瞧，降低水泥的使用量，更可以提高建筑物的服役壽命训唱，降低建筑垃圾的產(chǎn)生褥蚯，減少重復(fù)建設(shè)，同時(shí)况增，3D打印機(jī)械僅需要數(shù)名技術(shù)人員的控制赞庶，減少了施工人員的數(shù)量，正符合當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展趨勢(shì)澳骤。此外歧强，3D打印混凝土技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)各種形狀建筑的打印，對(duì)環(huán)境的要求較小为肮，可將其應(yīng)用于外太空的探索摊册，迅速完成太空基地的建設(shè)。

目前果喊，3D打印混凝土技術(shù)處于發(fā)展起步階段市砍，為實(shí)現(xiàn)3D打印混凝土技術(shù)應(yīng)用的普遍化，需要針對(duì)其存在的問題進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)的解決警钥。未來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)混凝土材料的研究射疤。雖然英國拉夫堡大學(xué)的T.T.Le等人對(duì)3D打印混凝土進(jìn)行了部分的研究符殊，提出了一些3D打印混凝土所需要具備的性能，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)倾桩，缺乏較為系統(tǒng)倘秸、理論、深入的研究眼骗。而要使3D打印混凝土技術(shù)可以快速地發(fā)展轨皮，則必須對(duì)混凝土的原材料、配制理論進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究方秤，因此燎厘，新的混凝土配合比理論和新的原材料要求都需要根據(jù)性能需求來完善，這也將是3D打印混凝土技術(shù)發(fā)展過程中的主要研究課題益锻。

(2)配套軟硬件的研究蠢琳。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?yōu)閷?shí)物镜豹，更好地與自動(dòng)化過程相結(jié)合傲须，并使之達(dá)到最佳效果，這將是一個(gè)長期的過程趟脂。

(3)打印工藝的研究泰讽。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昔期，也是今后研究中需要注意的方面已卸。同時(shí)，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硼一，而社會(huì)的發(fā)展卻使混凝土建筑逐漸向高聳方向發(fā)展累澡，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。

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