混凝土3D打印技术的研究与发展.docx
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- 混凝土 打印 技术 研究 发展
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1、混凝土3D打印技术的研究与发展导读:近年来,混凝土3D打印技术在土木建筑等领域取得了快速的发展和应用。混凝土作为当代建筑用量最大、范围最广、最经济的建筑材料,虽然只有不到 200 年的历史,却已成为当今世界使用量巨大的建筑工程材料,为人类社会的发展与前进做出了不可取代的贡献。然而随着工程建设的不断加快,混凝土在生产应用方面的高能耗、高污染的弊端也逐渐显露出来,严重阻碍了其发展。为适应绿色制造发展需求,混凝土需要不断地注入新鲜的血液。3D 打印(3D-printing)作为第三次工业革命的重要标志,广泛应用于各个研究领域,对传统社会生产产生巨大冲击,成为改变未来的创造性技术。以 3D 打印为基础
2、的 3D 打印混凝土技术作为一种新型技术,必将成为混凝土发展史上的重大转折点。3D 建筑打印技术是“快速成型技术”(rapidprototy-ping,简称 RP)的一种,是以数字模型为基础,以胶凝材料、掺合料、添加剂、特种纤维、骨料为主制成的特殊“油墨”,运用计算机制图将建筑模型转化为三维设计图后,通过分层加工、叠加成型的方式逐层增加材料来将建筑物打印建造出来的技术。20 世纪 90 年代,美国学者Pegna最早将水泥基材料用于 3D 打印,通过砂浆逐层累积并利用蒸养快速固化的方式,打印出混凝土(砂浆)结构。经过近 30 年的发展,混凝土 3D 打印技术已能够完成混凝土制品和结构的打印,并打
3、印低层房屋。3D 打印混凝土基材材料的选取1) 胶凝材料目前,3D 打印混凝土胶凝材料主要是以无机材料为主,如硅酸盐水泥、干混砂浆、黏土类、专用石膏材料等,也有以环氧树脂为主要代表的有机材料。由于 3D 打印建筑物中缺少钢筋骨架的支撑,结构构件需要达到较高的强度来承受外部荷载,Le等人选用硅酸盐水泥作为混凝土的胶凝材料,试验研究表明其层间抵抗弯矩、剪力的能力不足。单选用了普通硅酸盐水泥作为 3D 打印混凝土胶凝材料,不能达到 3D 打印混凝土所需要的各项性能。而孙建智等人实验室数据表明,可以通过掺加聚合物等乳液对硅酸盐水泥的性能进行改性,减少收缩,提高黏结性。2) 骨料骨料,是混凝土中占比最大
4、的材料,3D 打印混凝土对骨料的要求比传统混凝土更高。强度高、密度小、颗粒形貌接近球型的骨料是最适合 3D 打印混凝土使用的,同时 3D 打印混凝土建筑是由一层一层的混凝土堆叠而成,每一层混凝土都比较薄,加上 3D 打印混凝土是通过喷嘴喷出成型,如骨料的粒径过大,喷嘴可能会被堵塞。但粒径过小,则包裹骨料表面所需的浆体量大,加之水化速率快,单位时间内释放的水化热也高,将会导致混凝土各项性能的恶化。因此,根据喷嘴的大小选取合适的骨料粒径至关重要。同时,骨料的细度、颗粒级配、含泥量等指标也需严格把控。这些都是由 3D 打印混凝土的特殊性所决定。3) 矿物掺合料矿物掺合料有粉煤灰、硅粉、矿粉、陶瓷抛光
5、砖粉等,其活性成分可大幅提高打印构件的强度及结构的致密度,提高材料的耐久性能及结构的使用寿命。对于 3D 打印混凝土的可建造性,早期强度的快速增长尤为重要,Tregger 等人的研究证实,在3D 打印混凝土中掺入纳米黏土,有利于提高混凝土的湿压强度(green strength,或者称“塑性强度”)。4) 纤维材料纤维材料可以明显提高打印混凝土的抗裂强度和最大载荷的弹性模量,也可以明显改善打印混凝土韧性和延性,还可以赋予 3D 打印混凝土更好的粘结性,增强打印层间的粘结强度,防止应力集中处裂纹的产生和扩展。Biranchi等人在研究中就通过掺加 0.25%纤维的方法调整了 3D 打印地聚合物砂
6、浆的配合比,获得了较好的可建造性。5) 外加剂3D 打印混凝土建造技术的关键性问题是实现材料的凝结时间和强度的控制,如何才能解决这两个指标的精确控制,是保证 3D 打印混凝土施工连续性和安全性的保障。混凝土常用的材料有减水剂、促凝剂、缓凝剂、早强剂、引气剂、增稠剂、保塑剂等化学外加剂,它们对混凝土的各项工作性能起到了明显的调节及改善作用。适当地将外加剂运用到 3D 打印混凝土中,会取得量小而功大的作用。对于特定的施工环境,还应按需选用外加剂,如在水下施工中可以采用水下抗分散剂(anti washing-out admixture)来提高混凝土在水中的性能稳定性。3D 打印混凝土的性能评价指标1
7、) 可挤出性与流动性合适的流动性是 3D 混凝土所需满足的最重要条件之一。由于 3D 打印混凝土要通过输送管道,经打印头挤出才能打印成型,若其流动度过大,则打印过程中打印材料无法堆积,打印无法继续。若流动度过小,则容易造成输送管道或者打印头堵塞,并且给打印设备的清洗造成困难。一般而言,传统混凝土施工中主要通过控制含水量来控制材料的流动性,但在 3D 打印过程中,较高的含水量会导致多种问题,如较大的孔隙含量、力学强度的下降、较高的变形率等。所以,为了更好的流动性而提高含水量的做法并不完全适用于 3D 打印混凝土的施工。事实上,在大多数情况下,选用高效减水剂是保证力学强度的前提下提高流动性的重要方
8、法。但是过高的流动性造成了建造性能的降低,Malaeb 等人通过研究提出聚羧酸盐减水剂的掺量不宜超过 1.1mL/365g(125g 水泥、80g 砂、160g细集料),流动速率控制在 1.11.2cm/s。影响砂浆的可挤出性的因素:l 砂的比例l 纤维的添加量因此,在 3D 打印建筑过程中,要注意打印材料的使用,以防止打印过程中的堵塞现象。而对于水泥基浆体良好的流动性能,可通过调节颗粒级配也能有效地改善材料的流动性和流变性,这主要是因为通过调整粉末的含量、粗骨料的含量等方法能使骨料的粒度分布更广,达到更高的填充密度性,从而产生更好的流动性。2) 可建造性可建造性是评估混凝土材料可打印性能的另
9、一个关键参数,即材料在自重和上层压力作用下保持其挤出形状的能力以及沉积的新鲜材料在负载下抗变形能力。在 3D 打印混凝土过程中,由于该技术省去了模板,很容易出现打印层的层间缺陷或沉降。可建造性是衡量结构早期刚度的指标,良好的可建造性是3D 打印混凝土的基本要求。除了提高骨料用量之外,矿物掺合料和外加剂的掺入也会对建造性做出积极的贡献。目前的多数研究中表明,可以通过调控流变性能,以此获得水泥基材料 3D 打印建造性。3) 层间粘结强度3D 打印混凝土施工过程中浆料是一层层堆积成整体的,浆料的力学性能不仅要支撑自己本身的重量,还要足以承受随后在其上层堆积的浆料重量。因此,考虑其施工工艺特点的前提下
10、,3D 打印混凝土除了与常规混凝土一样对抗压强度有着较高要求以外,层间黏结强度是维持结构稳定的必要条件,这也是 3D 打印混凝土性能较为特殊的方面之一。然而,混凝土打印层之间的剪应力和拉应力传递机制是比较复杂的,它们涉及不同相互作用力的组合,打印层可能在长丝之间以及层与层之间产生薄弱部位或冷缝,并可能在压、拉、弯等应力作用下沿这些缝进行力的传递,从而削弱构件的承载能力。对于 3D 混凝土材料而言,需在保证层间黏结牢固与自身强度发展速度能支撑自重之间找到平衡。影响黏结强度的关键因素:l 层间打印间隔时间;l 层间表面的含水率;4) 凝结时间打印材料一方面需要较长的凝结时间以获得良好的流动性和挤出
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