研究3D 打印混凝土材料及混凝土建筑技術進展

奚新新

（廣西華潤裝配式建筑有限公司，廣西南寧 530299）

在當前的建筑施工過程中，受到各方面因素的影響，在實際工作過程中對技術有更高的要求，要注意的是合理采用現(xiàn)有的技術形式，提升建筑施工質量。隨著建筑工程的不斷發(fā)展，混凝土的作用愈加凸顯，同時也帶來消極影響，例如能耗高、污染大等現(xiàn)象。在實際的施工中，必須適應當前綠色建筑行業(yè)的發(fā)展要求，在整個過程中注入新鮮血液，實現(xiàn)技術的合理化應用。3D 打印作為一項革命性的技術，廣泛的應用到各個領域中，對傳統(tǒng)的技術產(chǎn)生巨大沖擊，也成為改變未來的創(chuàng)造性技術形式。

1 3D 打印技術的研究進展

根據(jù)美國材料和試驗協(xié)會發(fā)布的對應內容，3D 打印是一種和傳統(tǒng)的制造工藝不同的技術形式，在實施中主要是以模型的三維數(shù)據(jù)作為基礎，通過打印機噴嘴擠出材料，從而打印生成3D實體技術形式。在該技術中，涉及很多前沿類的技術，具備比較高的科技含量，在實施中與建模技術、機電控制技術以及材料科學等密切相關，在當前的技術應用過程中，必須注意的是有序地采取現(xiàn)有技術形式以實現(xiàn)升級。3D 打印技術形式包括、3D 建模、3D 分割、以及打印和噴涂等方面，其中3D 建模影響最大，直接決定3D 打印的效果[1]。3D 分割則是將模型分為一層層的薄皮，在這個階段里，分割的質量影響最終打印效果。打印噴涂作為最后實現(xiàn)的手段，作用也至關重要。在實施中，可在表面進行噴涂處理，近年來，經(jīng)過對3D 打印技術的不斷探索，在3D 技術的表面可以涂抹界面劑，而后在上面撒上一層材料，反復工作，從而能避免表面粗糙等現(xiàn)象。在后期處理中，傳統(tǒng)材料加工方式和現(xiàn)有的技術形式存在差異，其中3D 打印方式指的是在三維數(shù)據(jù)基礎上形成的，通過3D 打印機逐層打印，不需要制造磨具，也不會在制造階段處理大量的材料。通過各個方面技術的合理采用，減少了其中復雜的環(huán)節(jié)，避免了復雜的鍛造工藝形式，在生產(chǎn)階段實現(xiàn)結構優(yōu)化，節(jié)約了材料[4]。

3D 打印技術形式最初應用是在19 世紀末的美國，在20 世紀80 年代得到了推廣和普及。經(jīng)過多年的技術創(chuàng)新，在多個領域得到了廣泛的應用。其中生物醫(yī)療領域可以實現(xiàn)人造骨骼的研制航天航空領域也在逐漸的應用3D 打印技術，該技術形式相對復雜，對尺寸要求比較高，針對性能比較特殊的零部件，可以實現(xiàn)直接制造。在精細制造領域，3D 打印技術也發(fā)揮出重要的作用，例如在珠寶、服裝和鞋類以及其他方面也有一定的作用，在個性化設計中，可以借助3D 打印技術實現(xiàn)DIY 作品的制造和設計等。在實施中通過3D 打印在整個過程中的分析可知，技術的合理采用，能實現(xiàn)模具制造、電子信息獲取等[5]。

2 3D 打印混凝土建筑存在的問題

3D 打印建筑形式和傳統(tǒng)的建筑形式對比，特點是強度大、建筑形式比較自由，在建筑時間、環(huán)保等方面起到重要的作用。但該技術在應用中干擾性比較多，需要正視其中的各種問題。

2.1 材料質量問題

在3D 打印混凝土材料的應用中，相比傳統(tǒng)的施工形式，3D打印對原材料的流變性和可塑性提出更高的要求。普通的水泥無法滿足3D 打印混凝土原材料的要求，需要更高性能的膠凝材料，骨料需采取新的破碎工藝，制造出產(chǎn)品粒徑更小，顆粒形態(tài)更接近圓形的骨料。外加劑在混凝土材料中可以保留現(xiàn)有的性能，同時解決了各層間的不銜接問題[6]。

2.2 設計精度存在問題

在建筑設計中，對具體的精度設計要求高，主要的目標是要分毫不差地計算出精確度。但是在技術的實際應用中，受到其他方面因素的影響，可能會出現(xiàn)偏差，因此在工作過程中必須明確技術的類型，合理地進行處理。當前3D 打印混凝土的工藝形式不完善，快速成型的零件精度和表面質量等無法滿足工程的要求，因此無法將其作為功能性的部件。

2.3 軟件設計問題

和傳統(tǒng)的施工形式相比，3D 打印混凝土形式實現(xiàn)的是降維制造，在整個階段，可以將三維模型轉化為二維模型，方便打印工作的實施。在后續(xù)工作過程中，要求以對應的軟件為基礎，積極地完成對應的工作，通過自動化程序之后轉化為實物，該軟件本身的優(yōu)勢突出。在實際工作階段，通過軟件的合理設計之后，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)模型的自動化處理。此外軟件的開發(fā)很重要，但是當前沒有專業(yè)的軟件公司和3D 打印配套，缺少完整的產(chǎn)業(yè)鏈[7]。

2.4 機器設備問題

隨著科學技術的不斷發(fā)展，3D 打印設備也在更新?lián)Q代，最初價格比較高，到后期價格逐漸降低，通過技術形式的合理應用后，走向大眾，在各個領域中得到推廣。但是現(xiàn)有的混凝土設備無法滿足環(huán)境的要求，在打印機的應用中，部分機器僅滿足平面設計要求，對廣泛應用的高層建筑無法實現(xiàn)打印處理。

3 3D 打印混凝土技術的概述

3D 打印混凝土技術在各個領域的作用突出，在實際應用中能將混凝土構件借助計算機系統(tǒng)實現(xiàn)3D 建模和分割生產(chǎn)。在實施中將配置好的混凝土拌合物通過擠出裝置，按照設定好的程序進行處理，通過機械控制的方式，由噴嘴擠出之后打印，最終可以得到混凝土構件。3D 打印技術本身可靠性高，成型的過程中不需要提供支撐，該方式屬于新型的混凝土無模成型技術，優(yōu)點是不需要重復的振搗，噴射處理。美國宇航與南加州大學合作研究了輪廓工藝3D 打印技術形式，通過合理化的采用之后，能節(jié)約成本，為綠色制造奠定基礎。在當前的施工中，通過各項技術的合理采用，使用玻璃纖維增強石膏、玻璃纖維增強砂漿等材料，通過各項技術的合理采用，能滿足當前的施工要求。3D 打印混凝土技術不需要內置結構進行加固，對比其他類型的大理石等物質，該技術硬度更高，各項性能優(yōu)于傳統(tǒng)的技術形式。因此在整個階段需要實現(xiàn)混凝土技術的合理應用，不斷地適應3D 打印技術的需求[8]。

為了可以滿足3D 打印建筑的設計要求，對于材料拌合物有一定的要求，需要了解混凝土的組成，例如普通硅酸鹽水泥在強度和凝結時間等方面不能達到3D 技術的要求，在具體的管理過程當中，需要注意的是改變水泥中的礦物組成以及細度等。在實施階段，硫酸鹽水泥以及鋁鹽改性硅酸鹽水泥可以獲得更快的凝結時間和更好的強度。此外3D 打印形式是通過噴嘴實現(xiàn)的，噴嘴的大小決定混凝土拌和物配置的顆粒大小。在實際階段需要找到合適粒徑的骨料，如果過大或者過小都會影響到整體技術的應用效果。在配置的混凝土中，新型的3D 打印技術形式和傳統(tǒng)的混凝土材料不同，各項性能出現(xiàn)了不同程度的變化，混凝土性能。并不是傳統(tǒng)的水膠比和砂率等決定的，主要的基本性能出現(xiàn)變化。從當前混凝土的理論數(shù)據(jù)資料分析可知，強度和耐久性以及水化作用等如果無法滿足3D 打印混凝土的要求，會產(chǎn)生不良的影響，另外外加劑的作用也不可忽視。3D 打印混凝土的技術形式自身具備比較好的流變性，在空氣中迅速凝結，能避免出現(xiàn)流變的現(xiàn)象。此外骨料的最大粒徑會變得小，外貌接近于圓形，在整體技術應用中，級配形式相對復雜，最終必須解決各層間的膠結問題。

干混砂漿也稱為是干粉砂漿、干拌砂漿，指的是將水泥、砂以及礦物混合料按照一定的比例，在專業(yè)化生產(chǎn)管理背景下進行實施，本質上屬于顆粒或者粉狀的混合物。在實際應用中，以干粉包或者散裝的形式運輸?shù)焦さ噩F(xiàn)場，按照一定的比例拌和之后，直接應用。隨著3D 打印技術的合理化應用，其中干混砂漿脫出目前普通砂漿的內涵，作為復合材料的一種，在實際應用中，需要提供建筑結構主體服務。在3D 打印建筑中，干混砂漿作為一種可行性高的材料，在實際應用中，與打印混凝土不同的是，打印干混砂漿通常使用粘結沉淀成型的方法進行打印。粘結沉淀成型原理是按照CAD 模型數(shù)據(jù)通過機械控制將膠水打印在每層砂石粉上的設計區(qū)域，反應硬化后清除多余部分，得到打印的物體，應用優(yōu)勢明顯。

4 結語

近些年來隨著結構形式的不斷升級，在后續(xù)工作中必須注意的是明確技術的類型，通過各方面的有序應用后，能起到實現(xiàn)合理應用的目標，實現(xiàn)混凝土的充分利用，降低水泥的用量，減少建筑垃圾的產(chǎn)生，同時也減少了傳統(tǒng)混凝土建筑施工的隱患。