3D打印材料以及在建筑行業(yè)應(yīng)用

司洋洋　張?jiān)略?/p>

[摘要]本文重點(diǎn)論述3D打印材料在建筑領(lǐng)域研究與應(yīng)用。受益于計(jì)算機(jī)操控以及快速成型技術(shù)的日漸發(fā)展成熟，3D打印建筑以及材料技術(shù)發(fā)展已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外開(kāi)展相關(guān)研究的國(guó)家出現(xiàn)并得到關(guān)注。本文在對(duì)3D打印材料和其在建筑行業(yè)的應(yīng)用方面進(jìn)行探討，闡述3D打印建筑工藝、材料性能等前沿問(wèn)題的分析研究，對(duì)3D打印材料與鋼筋混凝土的相容性比較進(jìn)行探討。

[關(guān)鍵詞]3D打印建筑；材料性能；材料固化；相容性比較

13D打印材料

現(xiàn)階段3D打印技術(shù)采用的建筑材料還不成熟。在上海青浦建設(shè)的3D打印建筑實(shí)現(xiàn)了廢棄建筑材料再利用，將廢棄的建筑材料研磨成顆粒，再加混凝土、纖維材料以及粘合劑等，制造出類似牙膏狀的打印油墨，從而打印出建筑。國(guó)外研究人員利用了纖維砂漿、增強(qiáng)混凝土類、混凝粘土材料，這些種類的材料利用到3D打印的相關(guān)課題研究中。也有創(chuàng)新的利用樹脂及塑料粘合劑等材料進(jìn)行打印。

2打印建筑材料的性能

2.1強(qiáng)度方面

建筑能建造何種高度取決于建筑材料的強(qiáng)度以及抗震等方面的因素，同時(shí)還應(yīng)考慮建筑物所承受的荷載。考慮到建筑材料的強(qiáng)度，國(guó)內(nèi)外相關(guān)課題的項(xiàng)目建筑實(shí)則只有1～2層。實(shí)際上所用材料的抗壓強(qiáng)度達(dá)到2-3.5MPa，3D打印的建筑物就能夠成型，成型后的建筑可用于參展要求以及臨時(shí)的用途。

在發(fā)達(dá)國(guó)家，住宅建筑的高度需求普遍為1～2層建筑，國(guó)內(nèi)的大部分地區(qū)，住宅建筑需求量最多的仍然是多層和高層建筑物。但要使打印材料能滿足多層甚至小高層建筑，同時(shí)需滿足7度及以上地震烈度地區(qū)設(shè)防的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，3D打印材料得到的建筑物的抗壓強(qiáng)度至少為20.0MPa才能滿足基本要求，打印材料的抗壓強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到30.0MPa或者更高要求才能滿足高層建筑物的地震烈度設(shè)防地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)安全要求。

2.2建筑節(jié)能方面

我國(guó)實(shí)行建筑節(jié)能的基本國(guó)策，上海青浦的3D打印建筑利用廢棄建材用到打印材料中，正是建筑節(jié)能方面的體現(xiàn)。3D打印建筑技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化方向進(jìn)行探討，實(shí)際上3D打印建筑是多種材料以及新型功能的總和，通過(guò)一次3D打印成型并用到建筑物中。通過(guò)打印材料的多樣性，一噴頭附帶多種材料或多噴頭同時(shí)工作進(jìn)行交替打印，得到多種材料雙噴頭的多樣化3D打印技術(shù)。這樣的多樣化的打印技術(shù)適用于體現(xiàn)節(jié)能減排的保溫復(fù)合墻體，同時(shí)可以用建筑裝飾與建筑結(jié)構(gòu)的一體化多功能打印。由于我國(guó)實(shí)行建筑節(jié)能的基本國(guó)策，所以將建筑節(jié)能、保溫隔熱技術(shù)應(yīng)用在3D打印建筑技術(shù)的總成的研究實(shí)驗(yàn)中十分合適。

2.3抗震方面

要使得建筑安全可靠，結(jié)構(gòu)抗震問(wèn)題同樣是重中之重和建筑結(jié)構(gòu)方面的難題。確保3D打印建筑的抗震性能最好的方法是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼混結(jié)構(gòu)的抗震性能有目共睹。在布置完橫向鋼筋、箍筋等構(gòu)造鋼筋后，通過(guò)3D施工打印出具有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的梁、樓板、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件。現(xiàn)階段比較可行的施工方法是纖維增強(qiáng)混凝土或者鋼筋混凝土，與3D打印建筑材料相互結(jié)合的思路，是一個(gè)有價(jià)值的研究方向。

2.4經(jīng)濟(jì)性方面

從3D打印設(shè)備到建筑材料無(wú)不要體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性原則。打印設(shè)備成本已經(jīng)從幾十萬(wàn)美元降低到五千美元，同時(shí)3D打印材料具有價(jià)廉、實(shí)用的特點(diǎn)。建筑物需要滿足實(shí)用性的前提，而且打印材料需要滿足結(jié)構(gòu)性能的性能，同時(shí)還需達(dá)到經(jīng)濟(jì)性的要求。現(xiàn)階段鋼筋混凝土建筑物的造價(jià)并不低廉，而且?guī)?lái)的高污染、高能源消耗。樹脂類材料其作為3D打印中最為經(jīng)濟(jì)、合理的膠粘劑，能夠改善材料的粘結(jié)性能同時(shí)使得材料達(dá)到凝結(jié)固化的效果，能夠調(diào)整打印材料的硬化時(shí)間和速度。打印過(guò)程中主要的建筑材料依次為：混凝土、石灰、砂子、石膏、粘土等材料。應(yīng)該將3D打印建筑材料與現(xiàn)澆鋼筋混凝土材料、輕型鋼結(jié)構(gòu)等技術(shù)的結(jié)合，控制和降低施工的綜合造價(jià)，滿足工程可行性的經(jīng)濟(jì)要求。

33D打印材料與鋼筋混凝土的相容性比較

3.1成型對(duì)比

鋼筋混凝土成型是基于屬性混凝土的澆筑概念，為保證混凝土的密實(shí)成型常采用振搗液化的原理，通過(guò)混凝土材料的砌筑成型。與此不同的是3D打印建筑技術(shù)基礎(chǔ)是像油墨一樣印刷材料，打印材料依托本身的黏性，通過(guò)一層層的累積形成層狀粘合構(gòu)件。

3.2結(jié)構(gòu)力學(xué)對(duì)比

混凝土與鋼筋形成鋼筋混凝土后，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需考慮自重載荷和設(shè)計(jì)使用載荷，還需抵抗地震載荷等動(dòng)載荷的安全儲(chǔ)備。如何利用3D打印技術(shù)并且結(jié)合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，形成框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)等，這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)都對(duì)提升3D打印建筑抗震性能有益處。

4打印建筑材料固化

相比于混凝土材料的凝結(jié)硬化時(shí)間，3D打印建筑材料的固化時(shí)間和速度同樣重要。施工所處的溫度和濕度對(duì)打印材料的固化的時(shí)間和速度的影響尤為明顯。除了冬季以外的季節(jié)，將施工溫度控制在15-25℃范圍內(nèi)，可有利于打印建筑材料固化。溫度在4-15℃可加入速凝類外加劑以確保能夠及固化：溫度過(guò)高是應(yīng)該適當(dāng)延緩固化速度以滿足打印的工藝施工要求：當(dāng)施工在負(fù)溫條件下，打印施工需在保溫養(yǎng)護(hù)的條件下進(jìn)行，必要時(shí)可直接停工調(diào)整施工方案。

5結(jié)語(yǔ)

3D打印建筑一種新起的技術(shù)手段，不難預(yù)見(jiàn)到未來(lái)幾十年內(nèi)3D打印建筑依舊是一個(gè)廣泛關(guān)注研究領(lǐng)域。3D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的研究還遠(yuǎn)不夠完善，還存在諸多需要解決的課題，最需解決的3D打印的建筑材料的性能提升。如果仍然使用混凝土作為打印材料，混凝土的配合比例、抗壓強(qiáng)度、耐久性等方面研究仍需完善。endprint