揭秘3D打印混凝土結(jié)構(gòu)及原材料

揭秘3D打印混凝土結(jié)構(gòu)及原材料近年來，住宅工業(yè)化在國家政策的扶持下快速發(fā)展，一批批工業(yè)化住宅拔地而起，住宅工業(yè)化步入了發(fā)展的快車道，特別是信息技術(shù)的發(fā)展，推動著住宅工業(yè)化向自動化、集成化、智能化發(fā)展。3D打印混凝土建筑的出現(xiàn)，充分展現(xiàn)了未來住宅工業(yè)化發(fā)展的美好前景，建筑產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)智能化制造并不是空中樓閣，就在不久前，上海的一家建筑公司用3D打印機建造了兩座建筑，一座是位于上海的1100平方米別墅，而另一座是位于蘇州的6層住宅樓，而后者也是目前世界上最高的3D打印建筑。3D打印技術(shù)是一種先進的制造技術(shù)，其不受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)限制的特性決定了它在許多行業(yè)中都有足夠的用武之地。從另一個角度理解，3D打印也只是一種先進的制造技術(shù)，是一種工具。它本身作為產(chǎn)品的價值并不高，需要在行業(yè)應用中實現(xiàn)價值，是一個技術(shù)優(yōu)勢和用戶需求逐漸契合的過程。對于3D打印混凝土建筑來說，成本、原材料和結(jié)構(gòu)安全是其未來發(fā)展的關(guān)鍵點。3D打印混凝土結(jié)構(gòu)分析目前3D打印混凝土建筑，是將整個建筑進行模塊化設(shè)計，用3D打印機將建筑工業(yè)化模塊打印出來，最后運送到施工現(xiàn)場進行拼裝，因此其生產(chǎn)施工流程和PC構(gòu)件工業(yè)化住宅基本相同。而不同之處在于，在這些3D打印的墻、板等模塊里面，并沒有鋼筋，而是利用水泥和玻璃纖維結(jié)合提高整個混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強度，從而實現(xiàn)用無筋混凝土結(jié)構(gòu)建造6層住宅。目前國內(nèi)住宅工業(yè)化PC結(jié)構(gòu)體系分為兩類，一類是全裝配式結(jié)構(gòu)，一類是部分現(xiàn)澆部分裝配式結(jié)構(gòu)。如萬科研發(fā)裝配整體式住宅結(jié)構(gòu)體系，實際上是從日本引進過來，它的梁、柱、剪力墻都是現(xiàn)澆，作為承重結(jié)構(gòu);樓板為預制樓板加現(xiàn)澆疊合層半預制;只有外墻、樓梯、陽臺為全預制構(gòu)件。遠大住工的第五代集成住宅也與此類似。因而從國內(nèi)目前的情況看，大部分都采用半預制結(jié)構(gòu)體系，只有遠大的可持續(xù)建筑，采用全裝配式的鋼結(jié)構(gòu)建筑，全部是螺栓連接，一天可搭6層。各種新型裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系也在不斷地出現(xiàn)。3D打印混凝土建筑，作為住宅工業(yè)化最前沿最頂端的技術(shù)，就是要突破半預制結(jié)構(gòu)體系，采用全裝配結(jié)構(gòu)，甚至全過程3D打印，才能夠?qū)崿F(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)由傳統(tǒng)施工完全蛻變?yōu)橹圃鞓I(yè)的過程。除了基礎(chǔ)部分，未來甚至包括基礎(chǔ)全部采用3D打印，實現(xiàn)真正的智能化制造，并運用虛擬裝配技術(shù)。虛擬裝配是采用計算機仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過仿真模型在計算機上進行仿真裝配，實現(xiàn)產(chǎn)品的工藝規(guī)劃、加工制造和現(xiàn)場裝配的最優(yōu)化方案。對于3D打印的建筑模塊來說，采用無筋的結(jié)構(gòu)一方面是為了便于打印，另一方面也是為了實現(xiàn)3D打印混凝土模塊輕、薄、強的優(yōu)勢，運用更多品種的混凝土打印出不同功能、結(jié)構(gòu)的建筑模塊。因而3D打印混凝土的原材料來源更廣泛、品種更繁多，其凝結(jié)硬化和強度產(chǎn)生的機理也會突破傳統(tǒng)混凝土的理論范疇，耐久性、安全性也有待研究論證。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，未來甚至將出現(xiàn)巨型3D打印機，在現(xiàn)場打印出整棟建筑，類似雙龍門吊樣式的3D打印機主體結(jié)構(gòu)，打印機可像塔吊一樣升降，在最上面布置若干可變位置的桁條，每根桁條上設(shè)置一只打印頭，根據(jù)面積大小布置十數(shù)只到數(shù)十只打印頭。建筑豎向結(jié)構(gòu)可直接一層層往上打印，模塊化的結(jié)構(gòu)鋼筋在現(xiàn)場用吊車吊到上面進行焊接組裝，打印頭可采用類似古代夯土墻的工具一樣夾著鋼筋網(wǎng)一層一層往上堆疊混凝土。一旦這種巨型打印機出現(xiàn)，將會為整個商品混凝土行業(yè)帶來巨大的改變，同時對于中小型的商品混凝土企業(yè)來說，也是一個巨大的挑戰(zhàn)，這種用于3D打印的混凝土技術(shù)更加復雜、質(zhì)量要求更高。3D打印混凝土的原材料探析據(jù)公開資料披露，上海3D打印混凝土建筑采用的是玻璃纖維增強混凝土，其特點是抗拉、抗彎和抗裂強度比普通混凝土高，韌性和抗沖擊性能也比普通混凝土有所提高，因而廣泛應用于建筑外墻板、天花板、隔墻板等非承重構(gòu)件，比如上海世博會法國館外表的白色混凝土網(wǎng)格，就是采用的玻璃纖維混凝土。從現(xiàn)有的3D打印混凝土技術(shù)發(fā)展趨勢看，未來普通混凝土在3D打印建筑原材料中所占的比例將會大幅下降，纖維混凝土、泡沫混凝土、輕骨料混凝土、水泥—樹脂基混凝土、聚合物混凝土、水玻璃混凝土等種類的混凝土將會得到更大規(guī)模應用，甚至可能出現(xiàn)新型材料混凝土。3D打印混凝土與傳統(tǒng)混凝土有所不同，由于3D打印沒有模板，它不但要滿足快速成型的要求，即從打印噴頭出來后快速凝結(jié)而向周圍流淌;又要滿足層層混凝土之間的緊密連接，而不至于產(chǎn)生冷縫，3D打印混凝土構(gòu)件或建筑才是渾然一體的;此外還要滿足混凝土在管道內(nèi)和噴頭內(nèi)自由流動而不堵塞管道和噴頭。這三點便要求3D打印混凝土與傳統(tǒng)混凝土有所不同，其原材料和質(zhì)量要求也不一樣。從膠凝材料來看，3D打印混凝土所使用的膠凝材料非常廣泛，是廣義上的混凝土，不是普通水泥混凝土。除了水泥，樹指、水玻璃、石膏、地聚合物等都可以作為3D打印混凝土的膠凝材料，其中地聚合物因為快硬早強的特點，是比較適合3D打印混凝土使用的。骨料，是混凝土中占比最大的材料，3D打印混凝土對骨料的要求比傳統(tǒng)混凝土更高。強度高、密度小、顆粒形貌接近球型的骨料是最適合3D打印混凝土使用的，同時3D打印混凝土建筑是由一層一層的混凝土堆疊而成，每一層混凝土都比較薄，加上3D打印機噴頭的結(jié)構(gòu)復雜，因而要求混凝土中的骨料粒徑比傳統(tǒng)混凝土更小，骨料最大粒徑應在10mm以下。顆粒級配、含泥量、有害物質(zhì)含量等指標要求更加嚴格。這些都是由3D打印混凝土的特殊性所決定。外加劑，在混凝土組成材料中占比最小，但是卻顯著改善了混凝土的性能，3D打印混凝土要求工作性能更高，在管道內(nèi)具有優(yōu)異的流動性，同時從噴頭出來后又能在空氣中快速凝結(jié)，因而必然要求外加劑具有多種功能，必須是一種復合型的超塑化劑。另外，3D打印混凝土所使用的材料復雜多樣，更要求其外加劑具有良好的適應性，形成3D打印專用。住宅工業(yè)化和信息技術(shù)的發(fā)展，使得新的建筑形式應運產(chǎn)生，這就是3D打印建筑。3D打印建筑一項非常復雜的系統(tǒng)工程，很好地繼承了制造業(yè)流水線生產(chǎn)和智能化制造的思路，徹底打破了建筑施工不能采用工業(yè)化生產(chǎn)的制約，為建筑工業(yè)化發(fā)展提供了無限的可能。實現(xiàn)3D打印混凝土建筑是住宅工業(yè)化發(fā)展的必然趨勢，是適