研究3D 打印混凝土材料及混凝土建筑技术进展

2021-03-30奚新新

建材与装饰 2021年17期

奚新新

（广西华润装配式建筑有限公司，广西南宁 530299）

在当前的建筑施工过程中，受到各方面因素的影响，在实际工作过程中对技术有更高的要求，要注意的是合理采用现有的技术形式，提升建筑施工质量。随着建筑工程的不断发展，混凝土的作用愈加凸显，同时也带来消极影响，例如能耗高、污染大等现象。在实际的施工中，必须适应当前绿色建筑行业的发展要求，在整个过程中注入新鲜血液，实现技术的合理化应用。3D 打印作为一项革命性的技术，广泛的应用到各个领域中，对传统的技术产生巨大冲击，也成为改变未来的创造性技术形式。

1 3D 打印技术的研究进展

根据美国材料和试验协会发布的对应内容，3D 打印是一种和传统的制造工艺不同的技术形式，在实施中主要是以模型的三维数据作为基础，通过打印机喷嘴挤出材料，从而打印生成3D实体技术形式。在该技术中，涉及很多前沿类的技术，具备比较高的科技含量，在实施中与建模技术、机电控制技术以及材料科学等密切相关，在当前的技术应用过程中，必须注意的是有序地采取现有技术形式以实现升级。3D 打印技术形式包括、3D 建模、3D 分割、以及打印和喷涂等方面，其中3D 建模影响最大，直接决定3D 打印的效果[1]。3D 分割则是将模型分为一层层的薄皮，在这个阶段里，分割的质量影响最终打印效果。打印喷涂作为最后实现的手段，作用也至关重要。在实施中，可在表面进行喷涂处理，近年来，经过对3D 打印技术的不断探索，在3D 技术的表面可以涂抹界面剂，而后在上面撒上一层材料，反复工作，从而能避免表面粗糙等现象。在后期处理中，传统材料加工方式和现有的技术形式存在差异，其中3D 打印方式指的是在三维数据基础上形成的，通过3D 打印机逐层打印，不需要制造磨具，也不会在制造阶段处理大量的材料。通过各个方面技术的合理采用，减少了其中复杂的环节，避免了复杂的锻造工艺形式，在生产阶段实现结构优化，节约了材料[4]。

3D 打印技术形式最初应用是在19 世纪末的美国，在20 世纪80 年代得到了推广和普及。经过多年的技术创新，在多个领域得到了广泛的应用。其中生物医疗领域可以实现人造骨骼的研制航天航空领域也在逐渐的应用3D 打印技术，该技术形式相对复杂，对尺寸要求比较高，针对性能比较特殊的零部件，可以实现直接制造。在精细制造领域，3D 打印技术也发挥出重要的作用，例如在珠宝、服装和鞋类以及其他方面也有一定的作用，在个性化设计中，可以借助3D 打印技术实现DIY 作品的制造和设计等。在实施中通过3D 打印在整个过程中的分析可知，技术的合理采用，能实现模具制造、电子信息获取等[5]。

2 3D 打印混凝土建筑存在的问题

3D 打印建筑形式和传统的建筑形式对比，特点是强度大、建筑形式比较自由，在建筑时间、环保等方面起到重要的作用。但该技术在应用中干扰性比较多，需要正视其中的各种问题。

2.1 材料质量问题

在3D 打印混凝土材料的应用中，相比传统的施工形式，3D打印对原材料的流变性和可塑性提出更高的要求。普通的水泥无法满足3D 打印混凝土原材料的要求，需要更高性能的胶凝材料，骨料需采取新的破碎工艺，制造出产品粒径更小，颗粒形态更接近圆形的骨料。外加剂在混凝土材料中可以保留现有的性能，同时解决了各层间的不衔接问题[6]。

2.2 设计精度存在问题

在建筑设计中，对具体的精度设计要求高，主要的目标是要分毫不差地计算出精确度。但是在技术的实际应用中，受到其他方面因素的影响，可能会出现偏差，因此在工作过程中必须明确技术的类型，合理地进行处理。当前3D 打印混凝土的工艺形式不完善，快速成型的零件精度和表面质量等无法满足工程的要求，因此无法将其作为功能性的部件。

2.3 软件设计问题

和传统的施工形式相比，3D 打印混凝土形式实现的是降维制造，在整个阶段，可以将三维模型转化为二维模型，方便打印工作的实施。在后续工作过程中，要求以对应的软件为基础，积极地完成对应的工作，通过自动化程序之后转化为实物，该软件本身的优势突出。在实际工作阶段，通过软件的合理设计之后，可实现数据模型的自动化处理。此外软件的开发很重要，但是当前没有专业的软件公司和3D 打印配套，缺少完整的产业链[7]。

2.4 机器设备问题

随着科学技术的不断发展，3D 打印设备也在更新换代，最初价格比较高，到后期价格逐渐降低，通过技术形式的合理应用后，走向大众，在各个领域中得到推广。但是现有的混凝土设备无法满足环境的要求，在打印机的应用中，部分机器仅满足平面设计要求，对广泛应用的高层建筑无法实现打印处理。

3 3D 打印混凝土技术的概述

3D 打印混凝土技术在各个领域的作用突出，在实际应用中能将混凝土构件借助计算机系统实现3D 建模和分割生产。在实施中将配置好的混凝土拌合物通过挤出装置，按照设定好的程序进行处理，通过机械控制的方式，由喷嘴挤出之后打印，最终可以得到混凝土构件。3D 打印技术本身可靠性高，成型的过程中不需要提供支撑，该方式属于新型的混凝土无模成型技术，优点是不需要重复的振捣，喷射处理。美国宇航与南加州大学合作研究了轮廓工艺3D 打印技术形式，通过合理化的采用之后，能节约成本，为绿色制造奠定基础。在当前的施工中，通过各项技术的合理采用，使用玻璃纤维增强石膏、玻璃纤维增强砂浆等材料，通过各项技术的合理采用，能满足当前的施工要求。3D 打印混凝土技术不需要内置结构进行加固，对比其他类型的大理石等物质，该技术硬度更高，各项性能优于传统的技术形式。因此在整个阶段需要实现混凝土技术的合理应用，不断地适应3D 打印技术的需求[8]。

为了可以满足3D 打印建筑的设计要求，对于材料拌合物有一定的要求，需要了解混凝土的组成，例如普通硅酸盐水泥在强度和凝结时间等方面不能达到3D 技术的要求，在具体的管理过程当中，需要注意的是改变水泥中的矿物组成以及细度等。在实施阶段，硫酸盐水泥以及铝盐改性硅酸盐水泥可以获得更快的凝结时间和更好的强度。此外3D 打印形式是通过喷嘴实现的，喷嘴的大小决定混凝土拌和物配置的颗粒大小。在实际阶段需要找到合适粒径的骨料，如果过大或者过小都会影响到整体技术的应用效果。在配置的混凝土中，新型的3D 打印技术形式和传统的混凝土材料不同，各项性能出现了不同程度的变化，混凝土性能。并不是传统的水胶比和砂率等决定的，主要的基本性能出现变化。从当前混凝土的理论数据资料分析可知，强度和耐久性以及水化作用等如果无法满足3D 打印混凝土的要求，会产生不良的影响，另外外加剂的作用也不可忽视。3D 打印混凝土的技术形式自身具备比较好的流变性，在空气中迅速凝结，能避免出现流变的现象。此外骨料的最大粒径会变得小，外貌接近于圆形，在整体技术应用中，级配形式相对复杂，最终必须解决各层间的胶结问题。

干混砂浆也称为是干粉砂浆、干拌砂浆，指的是将水泥、砂以及矿物混合料按照一定的比例，在专业化生产管理背景下进行实施，本质上属于颗粒或者粉状的混合物。在实际应用中，以干粉包或者散装的形式运输到工地现场，按照一定的比例拌和之后，直接应用。随着3D 打印技术的合理化应用，其中干混砂浆脱出目前普通砂浆的内涵，作为复合材料的一种，在实际应用中，需要提供建筑结构主体服务。在3D 打印建筑中，干混砂浆作为一种可行性高的材料，在实际应用中，与打印混凝土不同的是，打印干混砂浆通常使用粘结沉淀成型的方法进行打印。粘结沉淀成型原理是按照CAD 模型数据通过机械控制将胶水打印在每层砂石粉上的设计区域，反应硬化后清除多余部分，得到打印的物体，应用优势明显。