解析3D列印混凝土技術的施工及發展

3D列印技術是混凝土行業發展的一大機遇，3D列印混凝土技術也成為混凝土行業發展的一個重要方向。而中國在這方面有著很大的優勢，南極熊之前對建築3D印表機有過大幅的報道，例如上海盈創、北京通州的北京市華商騰達工貿有限公司等，還有甘肅的農民伯伯也自己造出了建築3D印表機。接下來南極熊簡單介紹一下國內外3D列印混凝土技術與其材料、施工的發展現狀與最新進展，和3D列印混凝土技術目前存在的技術難題，並對3D列印混凝土技術的未來進行展望，提出可能的研究方向。

近年來，作為「第三次工業革命」標誌性技術的3D列印技術引領時代潮流，快速進入到各個研究領域，從工業設計、航空航天到醫療等各大領域均已出現3D列印的足跡，這對傳統的社會生產將產生巨大的衝擊，成為改變未來世界的創造性科技。同樣，3D列印技術與混凝土技術相結合的3D列印混凝土技術，必將是混凝土發展歷程上一次重大的轉折點。南極熊將以3D列印技術為出發點，介紹3D列印混凝土技術的發展現狀與對建築行業的貢獻，並結合對3D列印混凝土技術的認識與存在的問題，展望3D列印混凝土技術未來的前景與研究趨勢。

混凝土材料是當今社會最為重要的土木工程材料之一，為人類社會的發展與建設做出了不可估量的貢獻，而隨著社會科學技術的發展，混凝土在生產應用過程中的高能耗、高污染等問題逐漸凸顯，成為制約混凝土材料發展的一大阻力。為適應社會可持續發展的需要，混凝土本身性能逐漸向高強度、高性能等方向發展，同時，新技術的出現也為混凝土的可持續發展提供了新的方向。

3D列印混凝土技術

3D列印混凝土技術是在3D列印技術的基礎上發展起來的應用於混凝土施工的新技術，其主要工作原理是將配置好的混凝土漿體通過擠出裝置，在三維軟體的控制下，按照預先設置好的列印程序，由噴嘴擠出進行列印，最終得到設計的混凝土構件。3D列印混凝土技術在列印過程中，無需傳統混凝土成型過程中的支模過程，是一種最新的混凝土無模成型技術。2012年，英國拉夫堡大學的研究者研發出新型的混凝土3D列印技術，3D印表機械在計算機軟體的控制下，使用具有高度可控制擠壓性的水泥基漿體材料，完成精確定位混凝土面板和牆體中孔洞的列印，實現了超複雜的大尺寸建築構件的設計製作，為外形獨特的混凝土建築打開了一扇大門。

1.3D列印混凝土

隨著3D列印混凝土技術的出現，普通混凝土已無法滿足其技術的需要，對混凝土的性能提出了進一步的要求，分別體現在對新拌混凝土的施工性能和硬化混凝土的力學性能及耐久性，英國拉夫堡大學的T.T.Le等人對此進行了相關的研究。對於新拌的混凝土漿體，為滿足3D列印的要求，必須達到特定的性能要求。首先是可擠出性，在3D列印混凝土技術中，混凝土漿體通過擠出裝置前端的噴嘴擠出進行列印，因此配置漿體中顆粒大小要由噴嘴口的大小決定，並需嚴格控制，杜絕大顆粒集料的出現，在列印過程中不致堵塞，以保證漿體順利擠出。

其次，混凝土漿體要具有較好的粘聚性，一方面，較好的粘聚性可以保證混凝土在通過噴嘴擠出的過程中，不會因漿體自身性能的原因出現間斷，避免列印遺漏；另一方面，3D列印是由層層累加而得到最終的產品，因此，層與層之間的結合屬於3D列印混凝土的薄弱環節，是影響硬化性能的重要因素，而較好的粘聚性可以在最大程度上削弱列印層負面的影響。最後，可擠出性和粘聚性盡可以保證前期的列印和硬化後的性能，卻難以保證列印的全程可以順利進行。在3D混凝土列印的過程中，必須要求已列印完成的部分狀態保持良好，不會出現坍塌、傾斜等中斷列印施工的現象，這就對混凝土漿體的可建造性提出了要求（如圖3所示）。

3D列印混凝土技術同樣會對硬化混凝土的性能產生較大影響。在列印過程中，混凝土呈條狀擠出成型，條與條之間的粘結問題是決定硬化列印混凝土孔結構的重要因素，較差的粘聚性會導致列印混凝土結構內部出現大而多的孔隙，亦必將對混凝土的耐久性有重大影響；對強度而言，使用列印技術會造成混凝土強度的損失，導致列印混凝土的強度低於同種配比的模成型混凝土，同時，列印也會使混凝土的強度出現各項異性的特點，強度的高低由列印的方向所決定；此外，水中養護對列印混凝土的性能也有較大的影響，這一點在其他研究者的研究中也得到證實，主要原因在於水中養護會對列印混凝土的微觀結構有一定的改善作用，填充列印混凝土在列印過程中造成的孔隙，從而改善列印混凝土的各項性能。

2.3D列印混凝土的施工

隨著3D列印混凝土出現在研究者的視野中，3D列印建築也隨之產生。義大利研究者EnricoDini發明了世界首台大型建築3D印表機，這台印表機的底部有數百個噴嘴，可噴射出鎂質黏合物，在黏合物上噴撒砂子可逐漸鑄成石質固體，通過一層層地黏合物和砂子結合，最終形成石質建築物，並成功使用建築材料列印出高4米的建築物。在此基礎上，他與荷蘭建築師JanjaapRuijssenaars一同合作，欲用此3D建築印表機列印建設一座「莫比烏斯環」狀的建築物，用以參加歐洲的3D列印比賽[8]，這是3D列印混凝土技術在建築行業的大膽實踐。近日，上海青浦出現一批3D列印房屋，其研發者馬義和使用回收的建築垃圾與玻璃纖維作為列印原料，採用自行設計的組裝印表機械在24小時內完成了10幢200平方米建築的「列印」，但其使用的材料與結構的承載力、耐久性仍值得考慮。

之前荷蘭的一家建築企業也已著手進行一棟大樓的列印，其施工主要是通過將3D印表機列印出來的預製件像積木一樣壘起來，以此來完成列印。在3D列印混凝土的列印過程中，是混凝土條層層堆積的過程，不可避免地會在列印構件的表面上出現台階效應，其表面粗糙不平，不僅影響美觀，還可能導致精度的誤差，從圖6中可以明顯看出，列印的構件表面存在橫向的條紋，層次較為明顯，表面平整度有待美化。而為了處理這類問題，通常使用兩種方法：一是縮小列印噴嘴的口徑，降低台階的高度，這種方法會降低列印的速度，影響施工效率，同時並不能保證表面達到理想的平整度；二是在成型後進行後續抹平處理，此方法需進行重複工作，費時費力。為解決3D列印建築施工過程中的這些問題，美國南加州大學的BehrokhKhoshnevis教授提出輪廓建築工藝（ContourCrafting）。輪廓建築工藝是使用3D列印技術進行建築建造的一種工藝，包括輪廓列印系統（Extrusionsystem）和內部填充系統（Fillingsystem）兩部分（如圖7（左）所示），其原理是先進行外部輪廓的列印，之後向內部填充材料，形成混凝土構件。

輪廓建築工藝最大的特點是：在噴嘴上加入泥刀（如圖7（右）所示），泥刀保證在列印建築的同時可以進行表面的平整，很好地解決3D列印表面不平整的問題。此外，輪廓建築工藝可以在3D列印建築的同時，實現混凝土構件中配筋，還可以進一步嘗試高層建築的列印建設。以3D列印技術為基礎，加入泥刀的輪廓建築工藝具有較多的優點，一方面在列印的同時進行建築物表面的平整，提高了列印建築表面的光滑度與精確度，避免重複施工；同時，還可以加大每層列印的厚度，提高建築物的建造效率，可在24小時內列印完成一棟2500平方英尺的房子。此外，列印設計中填充系統的存在，可以根據需要進行內部材料的填充，在很大程度上提高列印建築的結構性能。

3.3D列印混凝土存在的問題

目前的3D列印混凝土技術正處於研發試用階段，對於其性能與應用均處於探索階段，因此，不可避免地會存在一些問題。

（1）原材料的問題。3D列印混凝土相對於傳統的模成型混凝土對原料的要求更為苛刻，普通水泥可能無法同時滿足建築性能與列印技術的要求，粗細骨料的質量要求會更高，甚至要採用新的破碎工藝制度，而對於外加劑在混凝土體系中發揮的作用及作用機理也可能會發生改變。

（2）配合比理論的問題。3D列印混凝土技術對混凝土的粘聚性、擠出性和可建造性等新拌性能提出了特殊的要求，同時，列印過程對混凝土的後期硬化性能會產生較大影響，這並不是可以簡單地依據水灰比、砂率等參數的調整而可以滿足的。依據現有的混凝土配合比理論配製的混凝土是否可以較好地滿足3D列印的工作性要求、達到列印硬化後力學性能與耐久性指標的要求仍有待確定，這就需要從新的角度去提出新的理論，以更好適應於3D列印混凝土技術。

（3）軟體的問題。與傳統混凝土施工不同的是，3D列印混凝土需要先完成電腦上模型的構造，再通過自動化程序使之轉換為實物，因此，設計軟體成為3D列印混凝土技術準備階段的重要組成部分，而如何實現軟體與現實之間的轉換成為列印混凝土發展不可或缺的步驟。

（4）成型高度的問題。目前的3D列印混凝土技術所使用機械的能力仍處於平面擴展階段，可適用於低層大面積建築的建設，而對於廣泛使用的高層建築還無法進行列印，只能通過先列印預製件、再進行組裝的方式來實現，同時，要將幾十層的建築物列印出來，需要設計出巨型的3D印表機，解決大型建築物結構強度問題，以及建築物中鋼筋的列印問題。此外，3D列印混凝土在生產流程、安全措施等方面均會產生較大的改變，都會造成或多或少的問題，這些均有待研究者進一步的研究與發現。

3D列印混凝土展望

隨著科技的發展，願意從事一線體力勞動的人員越來越少，作為勞動力密集的混凝土建築行業將迎來一次巨大的挑戰，而結合了3D列印技術的3D列印混凝土技術的出現，無疑是一大福音，具有十分廣闊的發展前景。3D列印混凝土技術在建造過程中取消了支模拆模的繁瑣程序，在很大程度上簡化了施工的過程，使得施工速率可以提高到10倍以上，而且還可以實現混凝土的充分利用，降低水泥的使用量，更可以提高建築物的服役壽命，降低建築垃圾的產生，減少重複建設，同時，3D印表機械僅需要數名技術人員的控制，減少了施工人員的數量，正符合當今社會的發展趨勢。此外，3D列印混凝土技術可以實現各種形狀建築的列印，對環境的要求較小，可將其應用於外太空的探索，迅速完成太空基地的建設。

目前，3D列印混凝土技術處於發展起步階段，為實現3D列印混凝土技術應用的普遍化，需要針對其存在的問題進行關鍵技術的解決。未來3D列印混凝土技術的研究發展可以從如下方面進行：

（1）混凝土材料的研究。雖然英國拉夫堡大學的T.T.Le等人對3D列印混凝土進行了部分的研究，提出了一些3D列印混凝土所需要具備的性能，但主要是基於現階段對3D列印混凝土技術初步的認識，缺乏較為系統、理論、深入的研究。而要使3D列印混凝土技術可以快速地發展，則必須對混凝土的原材料、配製理論進行系統深入的研究，因此，新的混凝土配合比理論和新的原材料要求都需要根據性能需求來完善，這也將是3D列印混凝土技術發展過程中的主要研究課題。

（2）配套軟硬體的研究。3D列印混凝土技術是電腦軟體與印表機械協同合作的過程，如何將電腦中的三維模型通過軟體控制的列印裝置將之變為實物，更好地與自動化過程相結合，並使之達到最佳效果，這將是一個長期的過程。

（3）列印工藝的研究。如何合理地安排列印的方向次序、控制列印噴頭的全方位爬升等都是決定列印效率的重要因素，也是今後研究中需要注意的方面。同時，目前的3D建築列印工藝可實現的列印高度受到較大的限制，而社會的發展卻使混凝土建築逐漸向高聳方向發展，這就需要新的列印工藝以實現高層列印與向高層發展所要解決的結構強度。

（來源:慧聰印刷網）

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