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蘇州工業園區婁葑北區創投工業坊53號廠房東側2樓2199室2022年03月07日 14:03
3D 建筑打印技術是“快速成型技術”（rapidprototy-ping，簡稱 RP）的一種，是以數字模型為基礎，以膠凝材料、摻合料、添加劑、特種纖維、骨料為主制成的特殊“油墨”，運用計算機制圖將建筑模型轉化為三維設計圖后，通過分層加工、疊加成型的方式逐層增加材料來將建筑物打印建造出來的技術。20 世紀 90 年代，美國學者Pegna*早將水泥基材料用于 3D 打印，通過砂漿逐層累積并利用蒸養快速固化的方式，打印出混凝土（砂漿）結構。經過近 30 年的發展，混凝土 3D 打印技術已能夠完成混凝土制品和結構的打印，并打印低層房屋。
3D 打印混凝土基材材料的選取
1) 膠凝材料
打印混凝土膠凝材料主要是以無機材料為主，如硅酸鹽水泥、干混砂漿、黏土類、石膏材料等，也有以環氧樹脂為主要**的有機材料。
由于 3D 打印建筑物中缺少鋼筋骨架的支撐，結構構件需要達到強度來承受外部荷載，Le等人選用硅酸鹽水泥作為混凝土的膠凝材料，試驗研究表明其層間抵抗彎矩、剪力的能力不足。單選用了普通硅酸鹽水泥作為 3D 打印混凝土膠凝材料，不能達到 3D 打印混凝土所需要的各項性能。而孫建智等人實驗室數據表明，可以通過摻加聚合物等乳液對硅酸鹽水泥的性能進行改性，減少收縮，提高黏結性。
2) 骨料
骨料，是混凝土中占比**的材料，3D 打印混凝土對骨料的要求比傳統混凝土。密度小、顆粒形貌接近球型的骨料是*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 打印混凝土是通過噴嘴噴出成型，如骨料的粒徑過大，噴嘴可能會被堵塞。但粒徑過小，則包裹骨料表面所需的漿體量大，加之水化速率快，單位時間內釋放的水化熱，將會導致混凝土各項性能的惡化。
因此，根據噴嘴的大小選取合適的骨料粒徑至關重要。同時，骨料的細度、顆粒級配、含泥量等指標也需嚴格把控。這些都是由 3D 打印混凝土的特殊性所決定。
3) 礦物摻合料
礦物摻合料有粉煤灰、硅粉、礦粉、陶瓷拋光磚粉等，其活性成分可大幅打印構件的強度及結構的致密度，材料的耐久性能及結構的使用壽命。對于 3D 打印混凝土的可建造性，早期強度的快速增長尤為重要，Tregger 等人的研究證實，在3D 打印混凝土中摻入納米黏土，有利于混凝土的濕壓強度（green strength，或者稱“塑性強度”）。
4) 纖維材料
纖維材料可以明顯打印混凝土的抗裂強度和**載荷的彈性模量，也可以明顯改善打印混凝土韌性和延性，還可以賦予 3D 打印混凝土更好的粘結性，增強打印層間的粘結強度，防止應力集中處裂紋的產生和擴展。Biranchi等人在研究中就通過摻加 0.25%纖維的方法調整了 3D 打印地聚合物砂漿的配合比，獲得了較好的可建造性。
5) 外加劑
3D 打印混凝土建造技術的關鍵性問題是實現材料的凝結時間和強度的控制，如何才能解決這兩個指標的精確控制，是保證 3D 打印混凝土施工連續性和安全性的保障。
混凝土常用的材料有減水劑、促凝劑、緩凝劑、早強劑、引氣劑、增稠劑、保塑劑等化學外加劑，它們對混凝土的各項工作性能起到了明顯的調節及改善作用。適當地將外加劑運用到 3D 打印混凝土中，會取得量小而功大的作用。對于特定的施工環境，還應按需選用外加劑，如在水下施工中可以采用水下抗分散劑（anti washing-out admixture）來混凝土在水中的性能穩定性。
3D 打印混凝土的性能評價指標
1) 可擠出性與流動性
合適的流動性是 3D 混凝土所需滿足的*重要條件之一。由于 3D 打印混凝土要通過輸送管道，經打印頭擠出才能打印成型，若其流動度過大，則打印過程中打印材料無法堆積，打印無法繼續。若流動度過小，則容易造成輸送管道或者打印頭堵塞，并且給打印設備的清洗造成困難。一般而言，傳統混凝土施工中主要通過控制含水量來控制材料的流動性，但在 3D 打印過程中，含水量會導致多種問題，如較大的孔隙含量、力學強度的下降、的變形率等。所以，為了更好的流動性而含水量的做法并不完全適用于 3D 打印混凝土的施工。
事實上，在大多數情況下，選用減水劑是保證力學強度的前提下提高流動性的重要方法。但是過高的流動性造成了建造性能的降低，Malaeb 等人通過研究提出聚羧酸鹽減水劑的摻量不宜超過 1.1mL/365g（125g 水泥、80g 砂、160g細集料），流動速率控制在 1.1～1.2cm/s。
影響砂漿的可擠出性的因素：
l 砂的比例
l 纖維的添加量
因此，在 3D 打印建筑過程中，要注意打印材料的使用，以防止打印過程中的堵塞現象。而對于水泥基漿體良好的流動性能，可通過調節顆粒級配也能有效地改善材料的流動性和流變性，這主要是因為通過調整粉末的含量、粗骨料的含量等方法能使骨料的粒度分布更廣，達到的填充密度性，從而產生更好的流動性。
2) 可建造性
可建造性是評估混凝土材料可打印性能的另一個關鍵參數，即材料在自重和上層壓力作用下保持其擠出形狀的能力以及沉積的新鮮材料在負載下抗變形能力。在 3D 打印混凝土過程中，由于該技術省去了模板，很容易出現打印層的層間缺陷或沉降。可建造性是衡量結構早期剛度的指標，良好的可建造性是3D 打印混凝土的基本要求。
除了骨料用量之外，礦物摻合料和外加劑的摻入也會對建造性做出積極的貢獻。目前的多數研究中表明，可以通過調控流變性能，以此獲得水泥基材料 3D 打印建造性。
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