混凝土“油墨”助力３Ｄ打印技术在建筑领域更广泛应用

用３Ｄ打印技术来造房子并不是一件新鲜事。事实上，随着近年来建筑３Ｄ打印 技术的不断创新和发展，它已逐渐成为引发传统建筑方式变革升级的一项重要技术。 ２０１９年１２月，由辽宁格林普建筑打印科技有限公司、同济大学联合攻关的 “３Ｄ打印混凝土建筑关键技术与设备开发及示范应用”项目，获得２０１９年度“ 中国建筑材料联合会·中国硅酸盐学会建筑材料科学技术奖”技术发明类二等奖。该 项目在应用理论、打印设备和“油墨”材料方面均有所创新和突破：提出了３Ｄ打印 混凝土“油墨”制备方法，发明了相关性能测试方法及配套装置；发明了建筑３Ｄ打 印头及大型建筑３Ｄ打印机，将骨料粒径扩展至１５毫米，打印精度控制在２毫米～ ３毫米，实现了混凝土建筑的连续打印施工；首次将大型打印设备与混凝土材料协同 ，发明了３Ｄ打印混凝土建造打印系统，完成了国内外首座真正的混凝土建筑３Ｄ打 印。 “尤其是突破了目前打印‘油墨’绝大部分为水泥净浆或砂浆的现状，实现了混 凝土建筑的连续打印施工，这就使得３Ｄ打印技术更容易与下游设计和施工部门的规 范相对接。”在记者日前的采访中，该研究项目的主要参与者、同济大学建筑工程系 助理教授段珍华表示，混凝土“油墨”的成功研发使得建筑３Ｄ打印技术从研发到技 术转化更容易，并促进其在实际应用中的进一步推广。 打印“油墨”从此不再只是水泥砂浆和净浆 据了解，目前３Ｄ打印建筑使用的“油墨”绝大多数为水泥砂浆或净浆，其中骨 料以精细砂为主，且粒径基本上都小于１毫米。将其作为打印材料有很多缺点，一方 面成本比较高；另一方面，砂浆使用了较多水泥，缺少粗骨料的骨架作用，在缺乏有 效养护的情况下，容易收缩开裂，使得打印建筑的耐久性成为突出的难题。 “更重要的是，从材料的角度来看，如果没有粗骨料，打印建筑很难满足建筑结 构设计标准的要求，这使得３Ｄ打印建筑未来的推广难度增大。”段珍华告诉记者， 下游的设计和施工部门虽然乐于接受３Ｄ打印这种建筑形式，但用水泥砂浆或净浆打 印的建筑，在验收时很难与现有的规范相对接。 因此，虽然用水泥砂浆或净浆作为打印“油墨”，更容易解决技术上的问题，但 是考虑到３Ｄ打印技术未来在实际中的推广应用，以及为了满足建筑结构设计标准的 要求，开发混凝土“油墨”是非常有必要的，这就成为了这个项目立项的初衷。 科学研究向来都不是一帆风顺的，在研发过程中，项目研究团队也遭遇了很多困 难。刚开始，研究团队在实验室能够成功地打印一些小构件，但到实际打印建筑的时 候，由于打印设备和材料的不匹配，随之出现了一些问题。 其中最困难的是，由于３Ｄ打印混凝土建筑是通过打印机将混凝土逐层堆叠，这 就要求混凝土能够快速硬化，硬化之后形成一定强度能够支撑上层的材料，若混凝土 的流动性太高，建筑物在打印过程中就会坍塌。然而，由于混凝土的泵送过程需要保 持较高的流动性，这与打印时所需的低流动性相矛盾。并且，若要实现建筑物的连续 打印，混凝土的用量会比较大，势必需要采用高流动性的混凝土材料并辅以泵送施工 。因为如果混凝土的初始流动性太低，可能建筑物还没有完成打印，混凝土材料就已 经硬化了。因此，研究团队需要对普通的商品混凝土进行改性，并通过打印工艺的优 化，使其适应３Ｄ打印的要求。 “决定打印混凝土可挤出性和可建造性的是屈服应力、塑性粘度、触变性等流变 特征，这些因素之间的关系要把握好，在材料研发方面，这是最难的。”段珍华告诉 记者，“解决这个问题花了我们很长的时间。” 最终，研究团队从３Ｄ打印混凝土原材料的选用及优化入手，以性能满足３Ｄ 打印建筑工艺要求的材料为出发点，选取矿物掺和料、化学添加剂、纤维等改性材料 的最优掺量，提出了基于管道泵送性能、具备可建造性和可打印性的３Ｄ打印混凝土 材料配合比设计优化理论，为实现混凝土３Ｄ打印无筋建造技术提供了理论支撑。 在此过程中，研究团队还完成了３Ｄ打印混凝土材料的可建造性能进行理论研究 ，提出了可建造性的评价与测定方法，通过建立的修正混凝土流变模型，解释并计算 了３Ｄ打印混凝土的承载力，基于提出的３Ｄ混凝土结构失稳破坏模型，建立了３Ｄ 打印混凝土可建造性的计算与设计理论，指导了３Ｄ打印混凝土材料与结构设计。 开发出与混凝土“油墨”相匹配的设备 换一种“油墨”，不仅要开发新材料，还需要开发与新材料相匹配的打印设备， 尤其需要对打印设备的核心部件——打印头，进行改进。 针对混凝土建筑施工对打印工作的连续性要求，研究团队发明了一种双辅助打印 头，组成一套可用于预拌混凝土的３Ｄ打印系统，在国内外首次实现粗骨混凝土的连 续打印。同时，他们还发明了一种多轴打印头，摒弃打印头整体移动的处理方案，通 过打印头内部调整实现３Ｄ打印路径的实时微调；还发明了一种自动旋转打印头，打 印头端部采用软管替代传统全金属打印头，实现超框架范围的３Ｄ打印。 由于此前的打印设备主要是小型的，这就使得打印的产品仅以工艺品为主，并且 传统龙门架打印设备无法打印高层建筑。针对传统打印方式的不足，研究团队研发了 立柱式混凝土建筑工程３Ｄ打印机，在国内外首次实现了高层混凝土建筑从泵送到打 印的全过程施工，打印高度可达２０米，远远超过传统龙门架式３Ｄ打印机打印范围 ，可满足大部分民用混凝土建筑工程打印要求。 此外，研究团队还开发了大型城市管廊３Ｄ打印机，实现了管廊的无模混凝土打 印，颠覆了传统的管廊施工工艺；针对３Ｄ打印建筑被人所诟病的墙面平整度差的问 题，研究团队还发明了建筑工程３Ｄ铣墙机和刮板系统，改善了３Ｄ打印层间强度， 提高打印结构的力学性能，同时完善了打印墙体的平面美学效果。 创新性地提出使用再生材料制备混凝土“油墨” 据了解，该项目在研究过程中创新性地将建筑固体废物资源化技术与３Ｄ打印技 术相结合，将再生材料引入混凝土“油墨”的制备，这成为该项目成果的另一大亮点 。 段珍华介绍，用再生材料制作“油墨”可谓一举两得，一方面增加了再生材料的 附加值，另一方面还能优化混凝土材料，改善材料性能，解决３Ｄ打印混凝土所需的 高流动性和速凝性相矛盾的难题。 “刚开始研究的时候，添加各种外加剂都无法完全使混凝土性能达到我们满意的 状态。”段珍华告诉记者，研究团队的主要负责人同济大学教授肖建庄多年来致力于 再生混凝土结构与绿色建造方面的研究，对再生材料的特性了解很深入，于是尝试将 再生材料加入混凝土中。 “相较于天然材料，再生材料最大的特性就是吸水率很高。我们在研究中发现， 如果用再生材料替代天然材料，辅加外加剂，就能很好地解决混凝土所需要的高流动 性和速凝性相矛盾的问题。”段珍华介绍，虽然人们普遍认为再生骨料在性能方面比 较差，但它却是一种很好的３Ｄ打印混凝土改性材料。通过采用合理的砂率和再生骨 料级配，并掺入适量粉煤灰、矿粉、皂角素和保坍剂，制备的再生混凝土具有优良的 工作性能。这一研究成果为再生混凝土在３Ｄ打印领域的广泛应用奠定了基础。 在此基础上，研究团队还发明了一种用于３Ｄ打印建造的再生粉体混凝土及制备 方法，以再生粉体和水泥作为主要胶凝材料，复合纳米二氧化钛和高弹模聚乙烯纤维 ，制备出用于３Ｄ打印建筑的高品质再生粉体材料；基于３Ｄ打印技术，利用纤维水 泥基材料的性能特点，研究团队还发明了系列组合混凝土结构的构建方法，形成结构 功能一体化建造体系，构建的组合混凝土结构既可以满足功能性要求，也可以满足结 构性能要求。在满足功能性要求的情况下，承载力可以达普通整浇混凝土的８０％以 上。 总结该项目的研发过程，段珍华认为，研发项目的成功离不开材料、设备、工艺 和系统研究的协同推进。 据介绍，在该项目中，同济大学主要进行材料制备和基础理论研究，辽宁格林普 建筑打印科技有限公司主要进行设备和施工工艺的研发。由于项目研发涉及材料、工 艺、设备等不同领域，在研究过程中，需要根据材料的性能对设备进行改进，通过合 作研发能够解决研究人员跨领域知识不足的问题。此外，企业可以从市场和实际应用 的角度，对科研人员的材料和工艺研究提出反馈信息。 展望未来，段珍华认为，３Ｄ打印混凝土建筑想要获得更好的发展，不仅要确定 适用的应用场景，还要满足经济性的要求，并在未来的研究中不断改善工艺，开发出 混凝土、钢筋、纤维协同打印技术。 [19] \t