3D打印建筑結構材料的性能研究

蘇達

(中鐵二十四局集團有限公司，上海 200071)

3D打印建筑結構材料的性能研究

蘇達

(中鐵二十四局集團有限公司，上海 200071)

3D打印技術引領了諸多行業生產工藝的變革，研究人員對在房屋建造中使用3D打印技術取得了顯著的成績。對3D打印建筑技術發展現狀的研究表明，此項技術代表了行業的發展方向，但現有的技術仍需提升，并進一步加強對實際應用的論證。

3D打印建筑；原材料；試驗；墻體

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.010

1 引言

3D打印技術自問世以來，迅速改變了諸多行業的生產工藝，達到了傳統工藝難以實現的生產效果。在傳統的生產制造領域，產品成本很大程度上源于標準模具，并通過標準化和規模化的生產來分攤。3D打印技術可使單一產品的成本與其生產數量無關，并能進行產品的個性化和定制化生產，從而達到先進的生產制造水平。目前，3D打印技術的優勢集中體現在工業設計領域，3D打印機以粉末狀塑料或金屬為原料，采用數字建模和逐層打印的方法，滿足各種常規或異形模型及原型的生產制造需求，打印出實物模型。傳統打印機完成的是二維平面打印，而3D打印機完成的是三維立體打印，打印出的是實物模型。

2014年3月，10套3D打印簡易房屋在中國上海青浦區張江高新區面世，2015年1月，3D打印兩層別墅和6層住宅樓在中國江蘇蘇州工業園區面世，在隨后的時間里，一些3D打印的建筑物相繼出現，世界其他國家的研究人員也相繼發布計劃使用3D打印技術進行房屋建造的消息，在全球范圍內中國的馬義和首先嘗試了在建筑領域使用3D打印技術[1]。隨著3D打印簡易房屋、別墅和住宅樓信息的發布，3D打印建筑引發了社會各界的廣泛熱議和專業領域內的探究。

2 3D打印建筑的基本施工工藝

3D打印建筑技術是以信息集成技術與制造技術深度融合為特征的智能制造模式，實現了制造從等材、減材到增材的重大轉變。已有3D打印建筑建造的基本過程為，工廠車間內3D打印機連續的打印出建筑物的墻體，對部分體積過大的墻體進行切割作業，分段運出車間。房屋的基礎、梁、樓板和柱等使用傳統工藝建造，3D打印墻體運抵房屋建造施工現場后進行吊裝，并對打印出的墻體進行局部澆筑，對各建筑構件進行焊接等作業，完成房屋建造。總體分析，現階段的3D打印建筑是使用3D打印新型墻體材料和傳統建筑構件建造的裝配式建筑，并且此類建筑中僅有墻體是3D打印機打印。

3 3D打印墻體的生產制造工藝與原材料

3D打印墻體的生產制造機械被稱為“3D打印機”。如圖1所示，該打印機按照“行車”的原理制造，用機械組件代替了

傳統行車的纜繩，該組件集合了供料系統、傳動系統和計算機系統，可按照計算機的預設程序上下左右移動。在材料供應穩定的條件下，整套機械的運行僅需1名操作手進行開機和關機作業。整套機械猶如一個放大數10倍的噴墨打印機，在三維空間內按預設的軌跡完成機械“送出物”的層層堆疊，形成結構物，因此，將該套機械稱為3D打印機。

圖1 3D打印機

無論是平面打印機還是3D打印機，其主要功能在于將機械送出物在平面或空間內進行布置，并利用送出物的性質，得到預期的結構物。如果平面打印機的送出物被稱為墨，那么不妨將墻體3D打印機的送出物也稱為“墨”。

墻體3D打印機的墨主要由水泥、砂子、玻璃纖維、水和鋼筋等組成，其中不存在傳統意義上的粗骨料，類似于傳統的砂漿材料。玻璃纖維主要是短玻璃纖維，其作用原理相當于加筋原理。如圖2所示，墻體3D打印機的墨像是被擠出的牙膏。為了能使墨快速形成強度，并在連續堆疊的情況下控制水泥和沙子混合物的塌落度，短玻璃纖維可使混合物的黏稠度提高，有效控制混合物的物理狀態，類似于速凝劑、增稠劑等外加劑也應該是必須的。根據實物測算，3D打印出的墨在塌落結束并形成強度后，平均寬度為30mm，平均厚度為18mm。

圖2 3D打印墻體

水泥與玻璃纖維混合使用的原理符合玻璃纖維增強水泥（GRC）制品的生產制造原理。考慮到硅酸鹽水泥中熟料礦物中的C3S（即3CaO·SiO2）、f-CaO水化時析出的Ca(OH)2與玻璃纖維中SiO2發生反應，破壞了纖維的硅氧骨架，使玻璃纖維變細變脆，逐漸失去強度，影響了此類產品的壽命。為提高此類制品的耐久性，還需要采取兩項措施:（1）從玻璃纖維方面著手，改變玻璃纖維成分，提高其抗堿侵蝕的性能，或在玻璃纖維表面覆蓋涂層，使玻璃纖維與Ca(OH)2隔離；（2）采用堿度較低的水泥，如使用硫酸鹽水泥代替硅酸鹽水泥[2]。在實際生產過程中耐堿玻璃纖維被應用。

傳統房屋墻體的基本功能對用于生產墻體的3D打印生產工藝與原料提出了極高的要求，計算機系統控制下的供料系統和傳動系統可以有效地保證3D打印墻體用料的標準，并實現了無人化的操作。由此分析，墻體3D打印有著嚴格用料、節省人工、尺寸準確等優勢，同時鑒于3D打印墻體無需傳統模板，可有效控制建筑材料的浪費，提高建筑的裝配率，因此墻體3D打印又具備了先進制造的特征。

4 3D打印墻體的性能優勢與提升空間

圖3 4m跨度的300mm×500mm3D打印梁的抗彎破壞

圖4 3D打印柱偏壓實驗

墻體是房屋的重要組成部分，必須滿足結構、保溫與節能、抗震、隔音等方面的要求。如果3D打印墻體以實際應用為目標，那么此類墻體必須滿足上述基本要求。如圖3、圖4和圖5所示，同濟大學材料科學與工程學院對3D打印梁、柱和墻體進行了測試，并于2014年12月14日出具的《3D打印建筑結構材料性能測試總結報告》[3]顯示，3D打印材料強度等級相

當于C20，早期強度較高，后期強度增長乏力，在標準養護條件下28d后強度基本不增長；打印的方向不影響打印材料的抗壓強度；在長徑比搭配合理的纖維材料作用下，打印材料的抗折、劈拉強度和軸心抗壓強度均比較優秀，達到高等級水平；打印材料的靜彈性模量值為1.5×104MPa，與28d齡期抗壓強度相似的砂漿相比，其彈性模量為砂漿的50%；打印材料的吸水率為3.7%，遠低于一般的水泥基材料，據分析打印材料的配方中含有增稠劑，增強了打印材料空隙的封閉性，在常壓條件下水分不易進入內部，因此打印材料吸水率偏低；打印材料與C20等級的普通混凝土的耐久性能基本持平，抗滲標號P6，抗凍標號D150；打印材料不能抵抗氯離子的滲入，其抗氯離子滲透值達到2000C以上，遠低于耐久性混凝土；打印材料60d碳化數據大于8mm，按照結構材料的使用壽命要求，該指標偏大，與配方中的原材料組成有關，若考慮僅僅是C20等級的材料，該指標可以接受。

圖5 200mm×900mm×700mm的3D打印剪力墻在軸壓比為0.2條件下抗剪破壞模式

3D打印梁抗彎抗剪性能試驗結果顯示，3D打印梁的抗彎、抗剪破壞模式與現澆混凝土梁相同；3D打印梁的抗彎承載力、抗剪承載力均高于整澆梁；對于撓度，現有撓度計算公式對3D打印梁撓度估算誤差較大；3D打印梁表面的裂縫會沿著模板薄弱截面發展；內部混凝土的裂縫數量少于模板表面的裂縫數量。

3D打印柱偏壓試驗結果顯示，3D打印柱在小偏心和大偏心受壓時，均是模板先破壞；3D打印柱在偏壓作用下的承載力比相同偏心距下的普通鋼筋混凝土柱降低10%～20%，原因可能是3D打印柱的施工接縫降低了試件整體性，同時3D打印模板不能有效約束內部混凝土的變形。

3D打印剪力墻抗剪承載力試驗結果：高度比較大的高剪力墻易發生彎曲破壞；高度比較小的低剪力墻易發生剪切破壞；3D打印墻體由于特殊結構形式，相較于等截面的混凝土剪力墻，其開裂時間明顯滯后，開裂荷載更高；等截面的3D剪力墻構件和整澆混凝土剪力墻承載力極限值比較接近。

根據上述試驗數據分析，結合房屋建造對結構材料技術指標的要求，3D打印梁、柱和墻暫不適宜作為房屋結構材料被使用。根據墻體的受力特點，房屋墻體可劃分為承重墻、自承重墻、圍護墻和隔墻。考慮到3D打印材料形成強度后的尺寸，以及房屋建造對得房率的要求，3D打印墻體不適宜作為隔墻被使用。根據3D打印墻體現有的技術指標，同時考慮3D打印建筑技術優勢，其作為圍護墻被應用于房屋建筑中是一個發展方向。由于在已有的試驗數據中未曾體現3D打印材料的耐火性、抗震性等重要技術指標，因此3D打印墻體在房屋建造中的最終應用有待論證。

5 結語

新一輪科技革命和產業變革正在世界范圍內孕育興起，各國紛紛搶占未來產業制高點，發達國家加緊實施“再工業化”，我國產業轉型、提質增效迫在眉睫。《中國制造2025》是中國版的“工業4.0”規劃。《中國制造2025》圍繞創新驅動、智能轉型、綠色發展，將在國際合作中進一步提升中國制造業水平。以信息技術與制造技術深度融合為特征的智能制造模式，正在引發整個制造業的深刻變革。3D打印是制造業有代表性的顛覆性技術，實現了制造從等材、減材到增材的重大轉變，改變了傳統制造的理念和模式，具有重大價值。

3D打印建筑技術的發展現狀表明，此項技術實現了在建筑材料研究中的突破，做到了在世界范圍內的首創，以實例驗證了技術的價值和可行性，需要給予高度的肯定。從理論研究到應用研究還需要做大量的工作，其中，包括材料綜合性能的改進、技術產品化和實際應用價值的全面論證、完整技術體系的建立、產品檢測與標準建立的推動等。3D打印建筑技術的研究成果已為此項技術的發展打下了一個良好的開局，科技的發展、生產的需求等因素在為此項技術提出嚴格要求的同時，也正為其發展營造一個更適宜的環境。

【1】蔣萌，李云輝，蘇達.3D打印建筑——建筑業的一場革命[J].工程建設與設計，2015，331（11）:32-37.

【2】許紅升，楊小平，蘇素芹，等.堿性環境條件下玻璃纖維的侵蝕性研究[J].腐蝕與防護，2006，27（3）：130-135.

【3】王中平，周鐘鳴.3D打印建筑結構材料性能測試總結報告[R].同濟大學材料科學與工程學院，2014.

Performance Study onStructuralMaterials for3DPrintingTechnologyforBuildings

SUDa
(ChinaRailway24thBureauGroup.,Shanghai200071,China)

3D printing technology is leading changes in many industries'manufacturing processes,researchers have made remarkable achievementsbyusing3Dprintingtechnologyforbuildings.Thedevelopmentstatusanalysisof3Dprintingtechnologyforbuildingsshows that it is guiding the direction of industry.But existing technology still needs further improvement and strong argument for its practical application.

3Dprintingtechnologyforbuildings;materials;experiment;wall

TU502

A

1007-9467（2016）07-0052-03

2016-02-02

蘇達（1985～），男，山東肥城人，工程師，從事建筑工業化研究，（電子信箱）rsuda@126.com。