揭秘3D打印混凝土结构及原材料

近年来，住宅工业化在国家政策的扶持下快速发展，一批批工业化住宅拔地而起，住宅工业化步入了发展的快车道，特别是信息技术的发展，推动着住宅工业化向自动化、集成化、智能化发展。3D打印混凝土建筑的出现，充分展现了未来住宅工业化发展的美好前景，建筑产业实现智能化制造并不是空中楼阁，就在不久前，上海的一家建筑公司用3D打印机建造了两座建筑，一座是位于上海的1100平方米别墅，而另一座是位于苏州的6层住宅楼，而后者也是目前世界上最高的3D打印建筑。

3D打印技术是一种先进的制造技术，其不受产品结构限制的特性决定了它在许多行业中都有足够的用武之地。从另一个角度理解，3D打印也只是一种先进的制造技术，是一种工具。它本身作为产品的价值并不高，需要在行业应用中实现价值，是一个技术优势和用户需求逐渐契合的过程。对于3D打印混凝土建筑来说，成本、原材料和结构安全是其未来发展的关键点。

3D打印混凝土结构分析
目前3D打印混凝土建筑，是将整个建筑进行模块化设计，用3D打印机将建筑工业化模块打印出来，最后运送到施工现场进行拼装，因此其生产施工流程和PC构件工业化住宅基本相同。而不同之处在于，在这些3D打印的墙、板等模块里面，并没有钢筋，而是利用水泥和玻璃纤维结合提高整个混凝土结构的抗拉强度，从而实现用无筋混凝土结构建造6层住宅。目前国内住宅工业化PC结构体系分为两类，一类是全装配式结构，一类是部分现浇部分装配式结构。如万科研发装配整体式住宅结构体系，实际上是从日本引进过来，它的梁、柱、剪力墙都是现浇，作为承重结构；楼板为预制楼板加现浇叠合层半预制；只有外墙、楼梯、阳台为全预制构件。远大住工的第五代集成住宅也与此类似。因而从国内目前的情况看，大部分都采用半预制结构体系，只有远大的可持续建筑，采用全装配式的钢结构建筑，全部是螺栓连接，一天可搭6层。各种新型装配式建筑结构体系也在不断地出现。3D打印混凝土建筑，作为住宅工业化最前沿最顶端的技术，就是要突破半预制结构体系，采用全装配结构，甚至全过程3D打印，才能够实现建筑产业由传统施工完全蜕变为制造业的过程。除了基础部分，未来甚至包括基础全部采用3D打印，实现真正的智能化制造，并运用虚拟装配技术。虚拟装配是采用计算机仿真与虚拟现实技术，通过仿真模型在计算机上进行仿真装配，实现产品的工艺规划、加工制造和现场装配的最优化方案。对于3D打印的建筑模块来说，采用无筋的结构一方面是为了便于打印，另一方面也是为了实现3D打印混凝土模块轻、薄、强的优势，运用更多品种的混凝土打印出不同功能、结构的建筑模块。因而3D打印混凝土的原材料来源更广泛、品种更繁多，其凝结硬化和强度产生的机理也会突破传统混凝土的理论范畴，耐久性、安全性也有待研究论证。随着技术不断发展，未来甚至将出现巨型3D打印机，在现场打印出整栋建筑，类似双龙门吊样式的3D打印机主体结构，打印机可像塔吊一样升降，在最上面布置若干可变位置的桁条，每根桁条上设置一只打印头，根据面积大小布置十数只到数十只打印头。建筑竖向结构可直接一层层往上打印，模块化的结构钢筋在现场用吊车吊到上面进行焊接组装，打印头可采用类似古代夯土墙的工具一样夹着钢筋网一层一层往上堆叠混凝土。一旦这种巨型打印机出现，将会为整个商品混凝土行业带来巨大的改变，同时对于中小型的商品混凝土企业来说，也是一个巨大的挑战，这种用于3D打印的混凝土技术更加复杂、质量要求更高。
3D打印混凝土的原材料探析
据公开资料披露，上海3D打印混凝土建筑采用的是玻璃纤维增强混凝土，其特点是抗拉、抗弯和抗裂强度比普通混凝土高，韧性和抗冲击性能也比普通混凝土有所提高，因而广泛应用于建筑外墙板、天花板、隔墙板等非承重构件，比如上海世博会法国馆外表的白色混凝土网格，就是采用的玻璃纤维混凝土。从现有的3D打印混凝土技术发展趋势看，未来普通混凝土在3D打印建筑原材料中所占的比例将会大幅下降，纤维混凝土、泡沫混凝土、轻骨料混凝土、水泥—树脂基混凝土、聚合物混凝土、水玻璃混凝土等种类的混凝土将会得到更大规模应用，甚至可能出现新型材料混凝土。3D打印混凝土与传统混凝土有所不同，由于3D打印没有模板，它不但要满足快速成型的要求，即从打印喷头出来后快速凝结而向周围流淌；又要满足层层混凝土之间的紧密连接，而不至于产生冷缝，3D打印混凝土构件或建筑才是浑然一体的；此外还要满足混凝土在管道内和喷头内自由流动而不堵塞管道和喷头。这三点便要求3D打印混凝土与传统混凝土有所不同，其原材料和质量要求也不一样。从胶凝材料来看，3D打印混凝土所使用的胶凝材料非常广泛，是广义上的混凝土，不是普通水泥混凝土。除了水泥，树指、水玻璃、石膏、地聚合物等都可以作为3D打印混凝土的胶凝材料，其中地聚合物因为快硬早强的特点，是比较适合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打印机喷头的结构复杂，因而要求混凝土中的骨料粒径比传统混凝土更小，骨料最大粒径应在10mm以下。颗粒级配、含泥量、有害物质含量等指标要求更加严格。这些都是由3D打印混凝土的特殊性所决定。外加剂，在混凝土组成材料中占比最小，但是却显着改善了混凝土的性能，3D打印混凝土要求工作性能更高，在管道内具有优异的流动性，同时从喷头出来后又能在空气中快速凝结，因而必然要求外加剂具有多种功能，必须是一种复合型的超塑化剂。另外，3D打印混凝土所使用的材料复杂多样，更要求其外加剂具有良好的适应性，形成3D打印专用。住宅工业化和信息技术的发展，使得新的建筑形式应运产生，这就是3D打印建筑。3D打印建筑一项非常复杂的系统工程，很好地继承了制造业流水线生产和智能化制造的思路，彻底打破了建筑施工不能采用工业化生产的制约，为建筑工业化发展提供了无限的可能。实现3D打印混凝土建筑是住宅工业化发展的必然趋势，是适应现代建筑技术发展的必要需求，同时也是提高整个建筑行业技术水平和技术创新的重要途径。3D打印混凝土技术的发展，对商品混凝土行业既是一次机遇，也是前所未有的挑战。只有坚持技术创新，紧跟建筑技术发展潮流，才能在未来的商品混凝土市场竞争中赢得先机，获得持续健康的发展。