3D打印混凝土应用与研究

2020-02-22赵子强

江西化工 2020年4期

赵子强熊雯

(国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心，天津 300300)

在20世纪80年代，3D打印技术在美国诞生，并被誉为“第三次工业革命”的技术代表，随着该技术在诸多领域的运用和推广，创造出巨大的经济效益。3D打印技术同样顺应了建筑行业技术革新的发展，通过利用计算机分层建模并发出程序指令，工业机器人受控逐层重复铺设材料从而构建出自由形式的建筑结构。作为新兴技术，3D打印建筑极大程度上实现了节约、绿色、低劳动强度和文明施工的梦想。3D打印混凝土作为3D打印建筑施工的油墨材料，对建筑施工的进行有着重要的影响。本文通过对3D打印混凝土在实际工程应用中的问题进行研究分析，同时结合专利申请情况，全面系统地对3D打印混凝土的未来发展进行展望。

1 工程应用

随着3D打印技术的推广和日臻成熟，历经众多建筑研究从业者的科研攻关与工程转化，诸多3D打印建筑实体如雨后春笋成立被建筑业界人士争相报道并引起广泛的关注[1]。2013年1月荷兰建筑师简加普·鲁基森纳斯会与意大利发明家Enrico Dini合作，利用Enrico Dini设计出来的“D-Shape”3D打印设备，使用砂砾层、无机粘结剂作为原料制备建筑框架，然后用纤维强化混凝土进行填充，成功打印出一幢两层小楼并命名为“Landscape House”。在中国，盈创建筑科技(上海)有限公司完成了一系列3D打印建筑，使该技术在中国首次落地发芽。2014年3月，通过3D打印建造的10幢建筑在上海张江高新青浦园区内揭开神秘面纱，这些建筑的墙体是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”，依据电脑设计的图纸和方案，经一台大型的3D打印机层层叠加喷绘而成，整个建筑过程仅花费24小时。2015年1月该公司又在江苏省苏州工业园区通过3D打印技术打印出全球首栋最高的六层楼房和一套1100平方米的精致别墅。2016年7月，盈创全球首个3D打印的办公室正式落户迪拜，占地250平方米，整个工程用时19天，3D打印建筑技术从此走出国门。此后，盈创公司先后在苏州、滨州成功建造多个3D打印建筑物。2016年7月12日，在北京通州的一个厂房内，由北京市华商腾达工贸有限公司建造的3D打印别墅诞生，与之前用3D打印机打印的建筑不同的是，这个别墅是现场打印的，而不是提前打印好然后拼接而成，经检测其抗震级别达到八级以上。2019年11月，中建股份技术中心和中建二局湖南公司利用轮廓工艺原位打印出双层建筑。

除了居住建筑，3D打印混凝土还被用于其他工程施工。2009年01月12日，由清华大学和中南置地数字建筑联合研究中心设计研发，并与上海智慧湾投资管理有限公司共同建造，历经450小时打印的单拱混凝土步行桥在上海落成，打印材料为聚乙烯纤维混凝土添加多种外加剂；同年10月13日，一座混凝土3D打印石拱桥在河北工业大学落成，该桥参照赵州桥按照1：2的缩尺打印后进行现场装配组装[2]，另外，南京市江北新区在新冠肺炎紧急公共事件处理过程中，利用3D打印混凝土预制防疫测控方舱[3]，凸显了3D打印施工技术的技术优势。

2 技术研究

3D打印技术在建筑领域历经发展，施工技术和效率不断提升，3D打印建筑的落成离不开3D打印混凝土的支持，这种特殊的“油墨”决定3D打印技术发展的基础。因此，如何突破材料对3D打印技术制约的瓶颈，以推动3D打印材料发展显得至关重要。为满足3D打印建筑的需求，混凝土拌合物必须达到特定的要求。从材料流变学的角度考虑，不同于传统新拌混凝土Bingham模型的粘塑性体。3D打印混凝土则需具有较低的极限剪切应力和较高的塑性粘度，该混凝土浆体更类似于挤塑成型使用的膏状体，不具备高流淌性，但却具备良好的可挤出性和可建造性，可以保证混凝土在管道中的连续输送，打印后具有足够抗压缩性从而满足后续打印混凝土材料的承载需求，并应同时具备较短的凝结时间和较高的早期强度以防止打印成型后无模板导致的塌落。

对于3D打印混凝土的技术要求，Richard Buswell概括得出混凝土需满足的性能指标为：可挤出性、工作性能、工作时间和可建造性，其中可挤出性被定义为混凝土材料在打印过程中保持出料连续不间断的性能，Richard Buswell建立了对可挤出性进行评价的测试标准，具体测试方法是通过使用3D打印机打印5组丝状的混凝土试样，丝状试样的长度均为300mm，混凝土的丝状试样数由一条渐渐增加至五条。将五组试样打印完成后，通过对打印试样的均匀连续性来定性评判该组配合比混凝土的可挤出性是否满足要求[4]。

为满足3D打印混凝土新拌性能和硬化性能，混凝土原料选用和配合比设计时应进行专项设计：首先，普通混凝土胶凝材料在力学强度、凝结时间等方面可能无法满足3D打印的要求，需做进一步深入研究。如改变水泥矿物组成、熟料的细度和水泥品种等，可以采用铝酸盐或硫铝酸盐等快凝快硬类水泥，或采用上述改性硅酸盐水泥，进而获得更高的早期强度和更短的凝结时间；其次，3D打印混凝土不同于普通混凝土的泵送，而是通过喷嘴挤出来进行的。因此，打印喷嘴的口径直接决定了3D混凝土拌合物配制中骨料粒径，必须避免骨料过大导致堵塞和骨料过小导致抗收缩能力和骨架填充能力的不足；再次，配制的3D打印混凝土拌合物要有合适的原料配合比，作为满足3D打印施工的油墨原料，其需满足的性能指标不同于普通混凝土的性能指标，配合比设计也不同于普通混凝土所采用的鲍罗米公式，需结合可挤出性、工作性能、工作时间和可建造性的要求完善混凝土配合比设计理论；最后，外加剂作为混凝土的核心组分，是混凝土性能改性的决定性因素，3D打印混凝土所采用的外加剂类别与普通混凝土相似，包括调凝剂、减水剂、消泡剂、调粘剂和早强剂等，外加剂复配掺量需针对3D打印混凝土进行单独设计。

3 专利申请

3D打印混凝土自问世以来，得到全世界工程与科研人员的密切关注，就专利申请来看，3D打印混凝土诞生于国外，第一件专利也是来自美国，但从申请量总体来看，中国关于3D打印混凝土的专利申请数量占据主要部分。

美国申请人UNIV CALIFORNIA和REAL RONALD在2012年首先申请了一种利用3D打印“增材制造”生产建筑材料的工艺(WO2013043908)，并提出利用现有3D打印生产工艺，生产强度相当、成本相当的建筑材料，配制由水泥基材料、胶黏剂、调节剂和增强添加剂组成的复合粉末材料，复合粉末材料3D打印层铺，复合粉末材料固化成型，成型制品后处理，该发明的申请日早于关于“D-Shape”打印3D建筑的相关报道，在随后的2013年，德国申请人UNIV KASSEL申请了一篇专利，其利用3D打印方法层叠打印带有贯通孔的构件，并将构件真空浸渍于水硬性材料中以提高构件强度，3D打印原料为砂和粘结剂，其中有水硬性材料水泥浆和聚合材料，并辅以塑料纤维或钢纤维(DE102013005891)。2014年后涉及的3D打印混凝土包括设备、系统、材料等，对于3D打印混凝土材料，韩国企业DONGSAN CONCRETE CO LTD进行专利申请(KR1620074、KR1620075)，该公司不但研发配制3D打印用混凝土材料，而且还采用裂缝微生物修复技术，实现了相关领域技术结合；UNIV YONSEI IND ACADEMIC COOP FOUND针对产品和生产工艺进行专利布局(KR1668955)；日本申请人TAIHEIYO CEMENT CORP申请了一种水泥基3D打印材料，包括胶凝材料，外加剂和细集料，其中胶凝材料包括水泥、无定型铝硅酸盐、石膏、硫酸盐、氢氧化钙，还包括5%的促凝剂，细集料包括天然砂、硅质砂、机制砂，外加剂包括减水剂、消泡剂、增稠剂和粉状纤维素，该打印材料具有良好的可塑性，生产效率高(JP2017024979)。

国内首先涉及3D打印混凝土相关技术的为南京工程学院的申请(CN203357623)，该专利公开了一种快硬型混凝土3D打印喷嘴技术，紧随其后北京交通大学申请了专利(CN103331817)，其涉及工程结构的3D打印方法；同济大学公开了一种基于3D打印技术的建筑工程施工装置及应用方法(CN103967276)，利用3D打印技术将其运用于建筑工程施工领域，为测定打印材料在挤出成型过程中的变形性能。上海利物宝建筑科技有限公司开发设计了对3D打印材料性能进行量化评价的测试方法和相应的测试工具(CN104297092、CN104297097、CN104297103)。中国建筑股份有限公司第一次公开了有关3D打印混凝土的配方CN104310918，原料包括水泥、无机粉料、尾矿机制砂、高分子聚合物、减水剂和拌和水，混合物通过添加复合调凝剂、触变剂及体积稳定剂等制备成无机复合材料，后续可直接泵入建筑用3D打印机中应用于施工；在之后的专利申请主要来源于企业和高校，例如作为首先将3D打印混凝土建筑落地的盈创建筑科技(上海)有限公司，其负责人马义和进行了相关专利布局，把握有关3D打印混凝土的专利申请脉络，其专利申请技术分支涉及设备、产品、工艺、材料，覆盖面广。卓达新材料科技集团和威海股份有限公司则针对3D打印混凝土用胶凝材料和外加剂进行专利申请，河北工业大学、同济大学、济南大学、东南大学、武汉理工大学、浙江大学等高校对具有特种功能的3D打印混凝土进行了研究并申请专利(CN109095836、CN108164215、CN107311561、CN111015894、CN110372288、CN108178567、CN110228976、CN109734342、CN110563401、CN107555895、CN107298546、CN111018448、CN110723949)。