论述3D打印建筑材料现状及其发展

论述3D打印建筑材料现状及其发展

李博洋李华杰

宁波市新海建设工程材料测试有限公司浙江宁波315800

摘要：长期以来，传统的建造工具、制造技术和建筑材料等因素限制了建筑工程建造方式，一则建筑工程人员对复杂施工技术难以付诸实践，二则由于传统的建造技术不够完善，技术的使用不仅给环境带来了较为严重的破坏，还大大浪费了人力资源和社会资源。而随着时代的发展进步，人们对于新型建筑技术的要求越来越迫切，3D打印建筑技术可以利用其优势，不再仅仅局限于使用功能，可实现造型新颖独特、具有艺术气息且绿色环保的新型建筑结构，以满足人们对建筑结构的更高层次的要求。本文笔者根据工作实践经验对3D打印建筑材料现状及其发展进行了分析探讨。

关键词：3D打印建筑材料；现状；发展

前言：3D打印誉为第三次工业革命的重要标识，其作为一种新型建筑技术，被众多学者认为在建筑业上有颠覆性的创新。近年来，对3D打印建筑技术和材料的研究越来越多，3D打印建筑也随之蓬勃发展，其必将在未来建筑行业中有广阔的发展前景。

1常用的3D打印建筑材料

1.13D打印用硅酸盐水泥基材料

硅酸盐水泥混凝土是当代用量最大的土建材料。通过将国内外研究作对比可以发现，混凝土类材料不仅在传统建筑制造中是主要的使用材料之一，而且在新型的3D打印建筑领域里也是主要材料之一。当普通硅酸盐水泥用于3D打印建筑时，有水化时间比较长、凝结慢等特点。为了满足3D打印建筑所需要的要求，需要混凝土有较快的凝结速度，尤其是要有较快的初凝速度。因此，常常在硅酸盐水泥中掺加一定量的速凝剂，以加快硅酸盐水泥的水化过程，缩短其凝结硬化时间。实验结果表明，速凝剂对水泥凝结时间影响巨大，在其它变量完全相同时，速凝剂掺量为2%时水泥混凝土的初凝时间就可缩短至1分18秒；但是速凝剂掺量越大初凝时间反而相对延长，不过相对于不掺加速凝剂的效果要好。且普通的硅酸盐水泥建筑材料有高压缩强度（一般约20MPa～60MPa），但是它们在拉伸和弯曲强度方面却存在不足。一个常见的解决方案是，放置钢筋在模板中以提高水泥复合材料的抗弯强度。然而，增加钢筋导致时间延长和材料消耗，增加施工过程中的劳动力成本。为避免增加钢筋的缺点，高性能合成纤维应运而生，复合材料显著增加弯曲和拉伸性能，使得最终弯曲强度高达50MPa，比普通硅酸盐混凝土的相应值高一个数量级（无进一步加固）。由于目前钢筋需求阻碍了自由形成的3D结构的全自动化处理，作为一种可能的解决方案是，可在打印时用短切碳纤维增强的硅酸盐水泥进行增强，从而表现出高弯曲强度。通过实验结果分析可得，在其他组成材料这一变量均相同的情况下，随着碳纤维混凝土的纤维含量增加，其抗压、弯曲强度与普通混凝土相比有显著提升。在混凝土中掺加1%的碳纤维时，其抗压强度最大，效果最好；当掺量为1.5%时，其抗压强度稍稍下降，但是总体还是强于素混凝土。普通混凝土砂浆制成的试块，其弯曲强度为10MPa，相比之下，添加短碳纤维试块的弯曲强度增至30MPa。虽然实验结果表明制作的复合材料抗弯强度高达30MPa，但是钢筋仍然是承载结构制造所必需的。为进一步提高弯曲强度，实现完全替代钢筋，开发优化水泥膏和新型材料至关重要。

1.23D打印用硫铝酸盐水泥基材料

对现有的混凝土建筑材料而言，一般的水泥水化时间较长，凝结硬化速度缓慢，3D打印需要材料能在较短的时间内以最快的速度凝结硬化，普通混凝土材料无法满足这一性能要求。再者，普通混凝土材料的流动性或大或小，没有合适的流动性，大多3D打印建筑过程无法顺利进行。为解决上述普通混凝土材料的问题，研究者使用硫铝酸水泥基复合材料。硫铝酸盐水泥具有早强、快硬、高强、抗冻、抗渗、耐蚀和粘结性好等优良性能，适于在低温、地下、快速抢修工程等行业广泛应用。对于普通的混凝土而言，快硬硫铝酸盐水泥凝结速度更快和早期强度更高。快硬硫铝酸盐水泥2h的抗压强度就可达到20MPa左右，3d后可达到45MPa左右，28d后抗压强度为60MPa左右，可满足3D打印建筑墙、柱的强度要求。不过在实际应用中，对水泥凝结速度和早期强度的要求更为严格。为此研究者做了很多研究，通过利用促凝剂促进水泥水化过程，缩短水泥的凝结时间。在实际使用过程中，硫铝酸盐水泥水化速度过快，尤其是在高温地区和高温季节，往往来不及施工就已经凝结硬化，故需要在材料中掺加一定的缓凝剂控制其凝结速度，方便施工的进行。实验数据表明，在硫铝酸盐水泥基材中，选择合适的促凝剂和缓凝剂，可以控制促凝剂和缓凝剂的比例组成，灵活控制3D打印材料的缓凝时间和硬化速度。由于其良好的可控制性，可实现在不同地区和温度环境下都能保证3D打印工程的顺利进行。

1.33D打印用地聚合物水泥基材料

地聚合物可大量利用矿物废物和建筑垃圾作为原料，在建筑材料、高强材料、固核固废材料、密封材料和耐高温材料等方面均有应用。在建筑应用中，地聚合物作为一种原料，其本身不具有通过3D打印喷嘴的流动性。因此，为了改变它的流动性，研究人员进行了诸多实验。我国高校研究人员尝试将氧化石墨烯加入其中来改变其流动性，以便让地聚合物材料更好地适用于3D打印操作。在3D打印实验中，由于需要稳定的流变性，因此需要控制地质聚合的粘度变化。具体来讲，打印的地聚物材料应该具有剪切稀化性能，允许在剪切下从喷嘴的平滑挤出，并且挤出的材料必须具有足够的力学性能以保持其形状并承受后挤出材料的重量。实验数据表明，在加入石墨烯氧化物后，混合物的变形行为发生显着变化。加入4.59%石墨烯后，在50Pa的压力下，其存储模量和损失模量分别增加到1×105Pa和1.5×104Pa，比纯聚合物的相应值要高1到2个数量级。此外，剪切屈服应力也高达2000Pa。将石墨烯增加到5.66%，存储模量进一步增加，剪切屈服应力减小到1000Pa。由此说明空白地质聚合物的粘度随剪切速率逐渐降低，加入石墨烯氧化物可提高粘度对剪切的敏感性。即实验结果表明：加入石墨烯氧化物可以显着改变地质聚合物的流变性，并获得良好的力学性能，更好地应用在3D打印建筑中。

2、3D打印建筑材料的研究方向

（1）打印建筑材料的性能多样化。3D打印建筑的高度受打印材料强度的影响，目前，各国试验的3D打印建筑多为中低层，这在实际应用当中会有局限，无法满足中高层建筑所需要的材料强度，需要在以后的研究中改进；另外，目前国内外的3D打印技术材料中，对保温节能材料的考虑比较少；再者就是建筑结构材料的抗震问题，而这一问题无论是在传统建筑材料中还是3D打印材料中都是非常棘手的问题，3D打印技术可按照仿生学原理优化建筑空间，更好地对节点进行处理，较好的抗震性能是需要通过整体性良好的钢筋混凝土结构来保证的，但如何保证打印材料的均匀性，以及如何保证油墨与钢筋之间的粘结是需要今后着重研究。

（2）建筑产业化与3D打印技术的融合。建筑装配化与产业化的发展，要求3D打印材料、建筑结构和3D打印技术能够在性能上、操作上互相协调。现浇混凝土可以形成结构的骨架-框架结构，3D打印可以形成内部墙体结构，现浇钢筋混凝土结构可以解决3D打印中常见的抗震能力差、配筋繁复等问题，3D打印可改善剪力墙结构的外保温隔热性能，辅助增强建筑物的抗震能力。该技术的研究目前尚浅，结构的耐久性、使用寿命等问题还不得而知，还需以后不断深入研究。

3结语

当前，3D打印建筑材料和打印技术正处于研究和发展阶段。3D打印技术虽然已经可以打印出简单的建筑，但材料强度、结构强度、抗震性能、安全性能仍是今后研究的重要方向。虽然3D打印建筑材料在建筑业中的研究应用刚起步，还有许多问题亟待解决，但以其节能环保的优势在建筑业具有光明的应用前景。

参考文献：

[1]杨建江，陈响.3D打印建筑技术及应用趋势[J].施工技术，2015，44（10）：84-88+121.

[2]张大旺，王栋民.3D打印混凝土材料及混凝土建筑技术进展[J].硅酸盐报，2015，（06）：1583-1588.