3D打印建筑结构材料的性能研究

苏达

(中铁二十四局集团有限公司，上海 200071)

3D打印建筑结构材料的性能研究

苏达

(中铁二十四局集团有限公司，上海 200071)

3D打印技术引领了诸多行业生产工艺的变革，研究人员对在房屋建造中使用3D打印技术取得了显著的成绩。对3D打印建筑技术发展现状的研究表明，此项技术代表了行业的发展方向，但现有的技术仍需提升，并进一步加强对实际应用的论证。

3D打印建筑；原材料；试验；墙体

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

1 引言

3D打印技术自问世以来，迅速改变了诸多行业的生产工艺，达到了传统工艺难以实现的生产效果。在传统的生产制造领域，产品成本很大程度上源于标准模具，并通过标准化和规模化的生产来分摊。3D打印技术可使单一产品的成本与其生产数量无关，并能进行产品的个性化和定制化生产，从而达到先进的生产制造水平。目前，3D打印技术的优势集中体现在工业设计领域，3D打印机以粉末状塑料或金属为原料，采用数字建模和逐层打印的方法，满足各种常规或异形模型及原型的生产制造需求，打印出实物模型。传统打印机完成的是二维平面打印，而3D打印机完成的是三维立体打印，打印出的是实物模型。

2014年3月，10套3D打印简易房屋在中国上海青浦区张江高新区面世，2015年1月，3D打印两层别墅和6层住宅楼在中国江苏苏州工业园区面世，在随后的时间里，一些3D打印的建筑物相继出现，世界其他国家的研究人员也相继发布计划使用3D打印技术进行房屋建造的消息，在全球范围内中国的马义和首先尝试了在建筑领域使用3D打印技术[1]。随着3D打印简易房屋、别墅和住宅楼信息的发布，3D打印建筑引发了社会各界的广泛热议和专业领域内的探究。

2 3D打印建筑的基本施工工艺

3D打印建筑技术是以信息集成技术与制造技术深度融合为特征的智能制造模式，实现了制造从等材、减材到增材的重大转变。已有3D打印建筑建造的基本过程为，工厂车间内3D打印机连续的打印出建筑物的墙体，对部分体积过大的墙体进行切割作业，分段运出车间。房屋的基础、梁、楼板和柱等使用传统工艺建造，3D打印墙体运抵房屋建造施工现场后进行吊装，并对打印出的墙体进行局部浇筑，对各建筑构件进行焊接等作业，完成房屋建造。总体分析，现阶段的3D打印建筑是使用3D打印新型墙体材料和传统建筑构件建造的装配式建筑，并且此类建筑中仅有墙体是3D打印机打印。

3 3D打印墙体的生产制造工艺与原材料

3D打印墙体的生产制造机械被称为“3D打印机”。如图1所示，该打印机按照“行车”的原理制造，用机械组件代替了

传统行车的缆绳，该组件集合了供料系统、传动系统和计算机系统，可按照计算机的预设程序上下左右移动。在材料供应稳定的条件下，整套机械的运行仅需1名操作手进行开机和关机作业。整套机械犹如一个放大数10倍的喷墨打印机，在三维空间内按预设的轨迹完成机械“送出物”的层层堆叠，形成结构物，因此，将该套机械称为3D打印机。

图1 3D打印机

无论是平面打印机还是3D打印机，其主要功能在于将机械送出物在平面或空间内进行布置，并利用送出物的性质，得到预期的结构物。如果平面打印机的送出物被称为墨，那么不妨将墙体3D打印机的送出物也称为“墨”。

墙体3D打印机的墨主要由水泥、砂子、玻璃纤维、水和钢筋等组成，其中不存在传统意义上的粗骨料，类似于传统的砂浆材料。玻璃纤维主要是短玻璃纤维，其作用原理相当于加筋原理。如图2所示，墙体3D打印机的墨像是被挤出的牙膏。为了能使墨快速形成强度，并在连续堆叠的情况下控制水泥和沙子混合物的塌落度，短玻璃纤维可使混合物的黏稠度提高，有效控制混合物的物理状态，类似于速凝剂、增稠剂等外加剂也应该是必须的。根据实物测算，3D打印出的墨在塌落结束并形成强度后，平均宽度为30mm，平均厚度为18mm。

图2 3D打印墙体

水泥与玻璃纤维混合使用的原理符合玻璃纤维增强水泥（GRC）制品的生产制造原理。考虑到硅酸盐水泥中熟料矿物中的C3S（即3CaO·SiO2）、f-CaO水化时析出的Ca(OH)2与玻璃纤维中SiO2发生反应，破坏了纤维的硅氧骨架，使玻璃纤维变细变脆，逐渐失去强度，影响了此类产品的寿命。为提高此类制品的耐久性，还需要采取两项措施:（1）从玻璃纤维方面着手，改变玻璃纤维成分，提高其抗碱侵蚀的性能，或在玻璃纤维表面覆盖涂层，使玻璃纤维与Ca(OH)2隔离；（2）采用碱度较低的水泥，如使用硫酸盐水泥代替硅酸盐水泥[2]。在实际生产过程中耐碱玻璃纤维被应用。

传统房屋墙体的基本功能对用于生产墙体的3D打印生产工艺与原料提出了极高的要求，计算机系统控制下的供料系统和传动系统可以有效地保证3D打印墙体用料的标准，并实现了无人化的操作。由此分析，墙体3D打印有着严格用料、节省人工、尺寸准确等优势，同时鉴于3D打印墙体无需传统模板，可有效控制建筑材料的浪费，提高建筑的装配率，因此墙体3D打印又具备了先进制造的特征。

4 3D打印墙体的性能优势与提升空间

图3 4m跨度的300mm×500mm3D打印梁的抗弯破坏

图4 3D打印柱偏压实验

墙体是房屋的重要组成部分，必须满足结构、保温与节能、抗震、隔音等方面的要求。如果3D打印墙体以实际应用为目标，那么此类墙体必须满足上述基本要求。如图3、图4和图5所示，同济大学材料科学与工程学院对3D打印梁、柱和墙体进行了测试，并于2014年12月14日出具的《3D打印建筑结构材料性能测试总结报告》[3]显示，3D打印材料强度等级相

当于C20，早期强度较高，后期强度增长乏力，在标准养护条件下28d后强度基本不增长；打印的方向不影响打印材料的抗压强度；在长径比搭配合理的纤维材料作用下，打印材料的抗折、劈拉强度和轴心抗压强度均比较优秀，达到高等级水平；打印材料的静弹性模量值为1.5×104MPa，与28d龄期抗压强度相似的砂浆相比，其弹性模量为砂浆的50%；打印材料的吸水率为3.7%，远低于一般的水泥基材料，据分析打印材料的配方中含有增稠剂，增强了打印材料空隙的封闭性，在常压条件下水分不易进入内部，因此打印材料吸水率偏低；打印材料与C20等级的普通混凝土的耐久性能基本持平，抗渗标号P6，抗冻标号D150；打印材料不能抵抗氯离子的渗入，其抗氯离子渗透值达到2000C以上，远低于耐久性混凝土；打印材料60d碳化数据大于8mm，按照结构材料的使用寿命要求，该指标偏大，与配方中的原材料组成有关，若考虑仅仅是C20等级的材料，该指标可以接受。

图5 200mm×900mm×700mm的3D打印剪力墙在轴压比为0.2条件下抗剪破坏模式

3D打印梁抗弯抗剪性能试验结果显示，3D打印梁的抗弯、抗剪破坏模式与现浇混凝土梁相同；3D打印梁的抗弯承载力、抗剪承载力均高于整浇梁；对于挠度，现有挠度计算公式对3D打印梁挠度估算误差较大；3D打印梁表面的裂缝会沿着模板薄弱截面发展；内部混凝土的裂缝数量少于模板表面的裂缝数量。

3D打印柱偏压试验结果显示，3D打印柱在小偏心和大偏心受压时，均是模板先破坏；3D打印柱在偏压作用下的承载力比相同偏心距下的普通钢筋混凝土柱降低10%～20%，原因可能是3D打印柱的施工接缝降低了试件整体性，同时3D打印模板不能有效约束内部混凝土的变形。

3D打印剪力墙抗剪承载力试验结果：高度比较大的高剪力墙易发生弯曲破坏；高度比较小的低剪力墙易发生剪切破坏；3D打印墙体由于特殊结构形式，相较于等截面的混凝土剪力墙，其开裂时间明显滞后，开裂荷载更高；等截面的3D剪力墙构件和整浇混凝土剪力墙承载力极限值比较接近。

根据上述试验数据分析，结合房屋建造对结构材料技术指标的要求，3D打印梁、柱和墙暂不适宜作为房屋结构材料被使用。根据墙体的受力特点，房屋墙体可划分为承重墙、自承重墙、围护墙和隔墙。考虑到3D打印材料形成强度后的尺寸，以及房屋建造对得房率的要求，3D打印墙体不适宜作为隔墙被使用。根据3D打印墙体现有的技术指标，同时考虑3D打印建筑技术优势，其作为围护墙被应用于房屋建筑中是一个发展方向。由于在已有的试验数据中未曾体现3D打印材料的耐火性、抗震性等重要技术指标，因此3D打印墙体在房屋建造中的最终应用有待论证。

5 结语

新一轮科技革命和产业变革正在世界范围内孕育兴起，各国纷纷抢占未来产业制高点，发达国家加紧实施“再工业化”，我国产业转型、提质增效迫在眉睫。《中国制造2025》是中国版的“工业4.0”规划。《中国制造2025》围绕创新驱动、智能转型、绿色发展，将在国际合作中进一步提升中国制造业水平。以信息技术与制造技术深度融合为特征的智能制造模式，正在引发整个制造业的深刻变革。3D打印是制造业有代表性的颠覆性技术，实现了制造从等材、减材到增材的重大转变，改变了传统制造的理念和模式，具有重大价值。

3D打印建筑技术的发展现状表明，此项技术实现了在建筑材料研究中的突破，做到了在世界范围内的首创，以实例验证了技术的价值和可行性，需要给予高度的肯定。从理论研究到应用研究还需要做大量的工作，其中，包括材料综合性能的改进、技术产品化和实际应用价值的全面论证、完整技术体系的建立、产品检测与标准建立的推动等。3D打印建筑技术的研究成果已为此项技术的发展打下了一个良好的开局，科技的发展、生产的需求等因素在为此项技术提出严格要求的同时，也正为其发展营造一个更适宜的环境。

【1】蒋萌，李云辉，苏达.3D打印建筑——建筑业的一场革命[J].工程建设与设计，2015，331（11）:32-37.

【2】许红升，杨小平，苏素芹，等.碱性环境条件下玻璃纤维的侵蚀性研究[J].腐蚀与防护，2006，27（3）：130-135.

【3】王中平，周钟鸣.3D打印建筑结构材料性能测试总结报告[R].同济大学材料科学与工程学院，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

苏达（1985～），男，山东肥城人，工程师，从事建筑工业化研究，（电子信箱）rsuda@126.com。