3D打印材料以及在建筑行业应用

司洋洋　张月月

[摘要]本文重点论述3D打印材料在建筑领域研究与应用。受益于计算机操控以及快速成型技术的日渐发展成熟，3D打印建筑以及材料技术发展已经在国内外开展相关研究的国家出现并得到关注。本文在对3D打印材料和其在建筑行业的应用方面进行探讨，阐述3D打印建筑工艺、材料性能等前沿问题的分析研究，对3D打印材料与钢筋混凝土的相容性比较进行探讨。

[关键词]3D打印建筑；材料性能；材料固化；相容性比较

13D打印材料

现阶段3D打印技术采用的建筑材料还不成熟。在上海青浦建设的3D打印建筑实现了废弃建筑材料再利用，将废弃的建筑材料研磨成颗粒，再加混凝土、纤维材料以及粘合剂等，制造出类似牙膏状的打印油墨，从而打印出建筑。国外研究人员利用了纤维砂浆、增强混凝土类、混凝粘土材料，这些种类的材料利用到3D打印的相关课题研究中。也有创新的利用树脂及塑料粘合剂等材料进行打印。

2打印建筑材料的性能

2.1强度方面

建筑能建造何种高度取决于建筑材料的强度以及抗震等方面的因素，同时还应考虑建筑物所承受的荷载。考虑到建筑材料的强度，国内外相关课题的项目建筑实则只有1～2层。实际上所用材料的抗压强度达到2-3.5MPa，3D打印的建筑物就能够成型，成型后的建筑可用于参展要求以及临时的用途。

在发达国家，住宅建筑的高度需求普遍为1～2层建筑，国内的大部分地区，住宅建筑需求量最多的仍然是多层和高层建筑物。但要使打印材料能满足多层甚至小高层建筑，同时需满足7度及以上地震烈度地区设防的结构抗震设计，3D打印材料得到的建筑物的抗压强度至少为20.0MPa才能满足基本要求，打印材料的抗压强度应达到30.0MPa或者更高要求才能满足高层建筑物的地震烈度设防地区的建筑结构安全要求。

2.2建筑节能方面

我国实行建筑节能的基本国策，上海青浦的3D打印建筑利用废弃建材用到打印材料中，正是建筑节能方面的体现。3D打印建筑技术的产业化方向进行探讨，实际上3D打印建筑是多种材料以及新型功能的总和，通过一次3D打印成型并用到建筑物中。通过打印材料的多样性，一喷头附带多种材料或多喷头同时工作进行交替打印，得到多种材料双喷头的多样化3D打印技术。这样的多样化的打印技术适用于体现节能减排的保温复合墙体，同时可以用建筑装饰与建筑结构的一体化多功能打印。由于我国实行建筑节能的基本国策，所以将建筑节能、保温隔热技术应用在3D打印建筑技术的总成的研究实验中十分合适。

2.3抗震方面

要使得建筑安全可靠，结构抗震问题同样是重中之重和建筑结构方面的难题。确保3D打印建筑的抗震性能最好的方法是钢筋混凝土结构，钢混结构的抗震性能有目共睹。在布置完横向钢筋、箍筋等构造钢筋后，通过3D施工打印出具有钢筋混凝土结构的梁、楼板、柱等结构构件。现阶段比较可行的施工方法是纤维增强混凝土或者钢筋混凝土，与3D打印建筑材料相互结合的思路，是一个有价值的研究方向。

2.4经济性方面

从3D打印设备到建筑材料无不要体现经济性原则。打印设备成本已经从几十万美元降低到五千美元，同时3D打印材料具有价廉、实用的特点。建筑物需要满足实用性的前提，而且打印材料需要满足结构性能的性能，同时还需达到经济性的要求。现阶段钢筋混凝土建筑物的造价并不低廉，而且带来的高污染、高能源消耗。树脂类材料其作为3D打印中最为经济、合理的胶粘剂，能够改善材料的粘结性能同时使得材料达到凝结固化的效果，能够调整打印材料的硬化时间和速度。打印过程中主要的建筑材料依次为：混凝土、石灰、砂子、石膏、粘土等材料。应该将3D打印建筑材料与现浇钢筋混凝土材料、轻型钢结构等技术的结合，控制和降低施工的综合造价，满足工程可行性的经济要求。

33D打印材料与钢筋混凝土的相容性比较

3.1成型对比

钢筋混凝土成型是基于属性混凝土的浇筑概念，为保证混凝土的密实成型常采用振捣液化的原理，通过混凝土材料的砌筑成型。与此不同的是3D打印建筑技术基础是像油墨一样印刷材料，打印材料依托本身的黏性，通过一层层的累积形成层状粘合构件。

3.2结构力学对比

混凝土与钢筋形成钢筋混凝土后，结构设计中需考虑自重载荷和设计使用载荷，还需抵抗地震载荷等动载荷的安全储备。如何利用3D打印技术并且结合钢筋混凝土结构，形成框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构等，这些结构特点都对提升3D打印建筑抗震性能有益处。

4打印建筑材料固化

相比于混凝土材料的凝结硬化时间，3D打印建筑材料的固化时间和速度同样重要。施工所处的温度和湿度对打印材料的固化的时间和速度的影响尤为明显。除了冬季以外的季节，将施工温度控制在15-25℃范围内，可有利于打印建筑材料固化。温度在4-15℃可加入速凝类外加剂以确保能够及固化：溫度过高是应该适当延缓固化速度以满足打印的工艺施工要求：当施工在负温条件下，打印施工需在保温养护的条件下进行，必要时可直接停工调整施工方案。

5结语

3D打印建筑一种新起的技术手段，不难预见到未来几十年内3D打印建筑依旧是一个广泛关注研究领域。3D打印技术应用于建筑领域的研究还远不够完善，还存在诸多需要解决的课题，最需解决的3D打印的建筑材料的性能提升。如果仍然使用混凝土作为打印材料，混凝土的配合比例、抗压强度、耐久性等方面研究仍需完善。endprint