3D打印再生混凝土设计研究

3D打印再生混凝土设计研究

付依，陈苗，刘雪婷

沈阳城市建设学院   辽宁   沈阳   110167

【摘要】：近些年来建筑行业不断发展，各类新技术不断涌现。3D打印再生混凝土逐渐地应用在建筑领域中，极大地推动了建筑领域的发展。尤其是3D打印再生混凝土技术有着高自动化、智能化、免模板的优势在建筑工程领域中出现了诸多的成功案例。在本文的研究中从3D打印再生混凝土的技术特点出发，结合相关的研究成果对3D打印再生混凝土设计技术进行研究与分析。

【关键词】：3D打印；打印性；混凝土；设计

1、前言

近些年来自动化、数字化技术逐渐发展，各行各业开始逐渐地与这些技术结合，推动了行业的革新与发展。3D打印技术是当前比较前卫的一种技术类型，从本质上来说，该技术通常被称之为增材制造技术，该技术是以数字模型为基础，通过控制系统将材料采用喷射、挤出等方式形成自下而上的堆叠，最终形成完整的结构实体。3D打印技术目前的金属加工中的应用比较广泛，近些年来，该技术不断发展，在医学领域、航空航天领域等均有所涉及。随着建筑行业的不断创新与发展，3D打印再生混凝土开始逐渐应用，该技术利用数字化模型建设行进路径，将水泥基材料作为打印材料经过层层的堆叠形成三维结构或者构件的技术。3D打印混凝土技术被认为是一种极具潜力的新型建造技术，将对建筑行业未来发展产生深远的影响。在工程建造领域，研究人员和工程师们正在积极探索这一项技术，为建筑业可持续发展和智能化提供新的思路和见解。

2、3D打印再生混凝土的流变性与可打印性能

2.1、流变性

在混凝土的使用过程中，混凝土有着一定的流变性，尤其是在3D打印过程中，混凝土在泵送中要求流动性必须达到要求，而且在挤出之后其强度也必须能够快速地增长，从而抵抗自身和上层挤压力所引起的变形。从流变学角度讲，混凝土泵送和挤出时要有较低的动态屈服应力和塑性粘度来保证流动，层叠后要有较高的静态屈服应力和粘度恢复能力来抵抗流动，这种特性被称为触变性。触变性被认为是静态屈服应力和动态屈服应力差异的根源。3D打印混凝土应当具有与打印机和打印参数相匹配的适当屈服应力，从而保证材料的可挤出性。屈服应力不宜过小或过大，过小会导致材料易于流动，难以满足可建造性，过大会导致打印体因挤出连续性差而存在较多缺陷。随着屈服应力的增加，挤出的混凝土条带宽度减小，当屈服应力增加到一定程度时，混凝土条带在挤出时会发生断裂

2.2、可建造性

可建造性是评估混凝土材料满足打印适用性的重要特性。混凝土材料在打印过程中坍塌的原因可以归结为“材料的失效”和“打印体失稳”。“材料失效”会导致混凝土材料打印过程中发生流动和断裂，而“打印体失稳”是由于打印过程中力和力矩平衡性丧失而引起的，会使得打印体向一侧倾倒。通过对混凝土材料的流变性和凝结硬化速度调节可以起到提升可建造性的作用。如果混凝土材料凝结硬化速度较快，则挤出后强度可以迅速增长，在自重和持续不断增加的上层打印条带的作用下能够保持稳定的形状。可建造性与静态屈服应力有较好的相关性，随着静态屈服应力增大，可建造性提高。

2.3、可打印性

在3D打印混凝土中，打印参数与流变性能同等重要，都对可打印性以及硬化特性起着关键作用。如果打印参数发生改变，需要对混凝土的流动性和流变性能以及凝结时间进行调整，以满足可打印性并优化硬化特性。对于相同或相似材料的打印有必要先通过实验预先优化打印参数。打印过程中混凝土的打印速度和挤出速度应协调一致。挤出速度过大容易导致打印层不同位置处沉积厚度不一;打印速度过快容易导致打印条带宽度不一，严重时会导致条带断开不连续;当然，打印速度过慢还会增加施工时间和成本。打印路径和打印时间间隔是一对相关的参数。在相同打印速度下，打印距离越长，打印时间间隔也越长。通常打印路径与打印时间间隔不能独立于材料性能和其他工艺参数来考虑，需根据材料的凝结时间、屈服应力和塑性粘度以及喷嘴挤出速度和行进速度等来确定，不宜过长也不宜过短。如果时间间隔过短，混合物刚度较低，塑性粘度和屈服应力未恢复，容易因挤压力和上层重量而坍塌变形，不利于建造。

3、3D打印再生混凝土配合比设计与制备过程

混凝土是使用之前需要根据工程的实际特点完成配比与制备的过程，不同的工程对混凝土的硬度等方面的要求有所不同，因此需要按照以下思路进行设计与制备。

3.1、原材料组成特点分析

3D打印再生混凝土在实际操作过程中会面临着一定的问题，如打印头喷嘴的尺寸大小、骨料颗粒的增加情况等都会产生一些不良的影响，虽然学者们针对这种情况不断地研究与分析，但是就目前研究现状来看，3D打印再生混凝土的材料仍是以砂浆为主。骨料粒径较小进而造成了3D打印混凝土胶凝材料用量大、骨料用量少、收缩开裂风险高。因此，通常会引入纤维抑制3D打印混凝土的收缩开裂，同时提升其力学性能。但是，纤维会对3D打印混凝土的可泵性与可挤出性能造成负面影响，因此，在引入纤维的同时，可以考虑采用增加减水剂用量、增加粉煤灰等材料对水泥的取代率、降低骨料用量等手段，确保3D打印混凝土的泵送与挤出性能。同时，考虑到打印工艺的限制，为保证混凝土的顺利泵送与挤出，刚性纤维以及长度过长的纤维(定向排布纤维除外)在3D打印混凝土中的使用会受到一定的制约。但是，受到打印挤出工艺的影响，纤维增强3D打印混凝土在挤出过程中，纤维可能会顺着挤出方向产生一定的取向。利用这一效果，通过优化打印路径，可以使得3D打印纤维增强混凝土的力学性能在某些方向上明显优于普通成型的纤维增强混凝土。

3.2、配合比设计

在3D打印再生混凝土操作中对于原材料的选择以及各类材料的配比是提高打印操作质量的关键，从常规的配比设计来看，通常以28d抗压强度作为混凝土配合比设计基本指标，根据保罗米公式，可以大致确定出混凝土的水胶比，再根据混凝土坍落度指标，确定混凝土的用水量，进而获得混凝土的胶凝材料用量以及骨料用量等参数。而对于3D打印混凝土，目前还缺乏相关标准与规程指导混凝土配合比的设计，相关研究仍处于探索阶段，未形成有广泛共识的配合比设计方法。但是从目前实践中应用最多的情况来看，相比普通混凝土以强度作为基本设计指标，由于3D打印混凝土力学性能存在各向异性的特点，同时，3D打印混凝土力学性能也会受到打印参数的显著影响，当前研究基本没有采用3D打印混凝土的力学性能指标作为混凝土配合比的设计指标。但是考虑到3D打印混凝土在建筑结构工程中的使用，有必要发展以力学性能作为指标的3D打印混凝土配合比设计方法。由于3D打印采用层层堆叠的方式进行混凝土的打印成型，层间界面存在薄弱环节，使得3D打印混凝土的力学性能整体弱于正常浇筑的混凝土，因此，笔者建议可以考虑引入强度损失系数，以强度损失系数乘以正常浇筑混凝土设计强度作为3D打印混凝土强度设计指标，充分利用现有普通混凝土强度设计方法，进行3D打印混凝土配合比设计。考虑到3D打印混凝土力学性能的各向异性，不同方向的强度损失系数也不同。在进行3D打印混凝土配合比设计时，可以考虑通过优化配合比，尽量减少3D打印混凝土的强度损失。通过掺加有火山灰活性的掺合料，如硅灰和粉煤灰，利用火山灰反应产物填充层间界面缺陷的特点，能够有效避免3D打印混凝土的强度损失。纤维素纤维、环氧树脂等材料，掺入3D打印混凝土中也有增强界面性能、减少强度损失的作用。

目前，3D打印混凝土配合比设计主要以满足打印要求作为设计指标，包括可泵性、可挤出性以及可建造性，这需要3D打印混凝土具有合适的流变性能来满足打印的要求，而坍落度无法全面反映3D打印混凝土的打印性能。因此，传统以用水量作为主要配合比设计参数配合砂率等参数获得目标坍落度的配合比设计方法不能用于指导3D打印混凝土的配合比设计。目前，大部分学者在研究中主要采用经验方法来探索可打印混凝土的配合比。不同学者的经验方法中涉及的配合比设计参数也有不同，主要包括水胶比、胶砂比、用水量、掺合料种类与用量、外加剂掺量、纤维掺量等。经验方法中，以试错法为主，通过不断调整配合比设计参数，测试混凝土的可打印性能，包括可泵性、可挤出性以及可建造性，直到找到满足打印性能要求的混凝土配合比。试错法是一种直接有效地寻找3D打印混凝土配合比的方法，但是，不足之处也很明显，采用试错法进行3D打印混凝土配合比设计需要不断调整配合比设计参数，直到获得性能满足要求的配合比。

3.3、配筋技术

3D打印建造技术以逐层增加材料的方式生成三维实体，3D打印挤出装置可在其工作空间的三个方向上自由移动，因此，3D打印建造技术对于异形构件的打印具有得天独厚的优势，能够在极大提高结构设计自由度的同时，省去支护繁杂模板的工序和成本。但也正是因为3D打印建造技术全新的增材制造方式，传统绑扎钢筋笼后进行浇筑的增强方法已然不适用。所以，找到契合3D打印建造技术工艺特点的可靠增强手段，加强3D打印混凝土构件抵抗结构载荷的能力，是近年来的研究热点，亦是3D打印建造技术得以在结构工程领域广泛应用的重要条件之一。目前，3D打印混凝土的增强方式主要包括纤维增强、钢丝增强以及钢筋增强。其中，3D打印混凝土纤维增强技术的种类主要包括:采用短纤维分散在3D打印混凝土基体中，采用连续的碳纤维布或FRP(fiberreinforcedpolymer)筋定向排布于3D打印混凝土构件中进行增强，这些方式能够有效增强3D打印混凝土构件的力学性能，尤其是抗弯性能和断裂韧性等。常用的纤维种类包括玻璃纤维、碳纤维、钢纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、玄武岩纤维等。当采用玻璃纤维和玄武岩纤维时，应考虑这些纤维自身的耐碱性问题。钢丝增强3D打印混凝土技术是指将连续钢丝或钢丝网埋入混凝土构件中，以增强构件的抗弯能力。而通过后配筋或预配筋的方式将钢筋配置于3D打印混凝土构件中，能够显著提高构件承受结构荷载的能力。本节将主要介绍3D打印混凝土的钢丝增强技术以及钢筋增强技术。

4、3D打印再生混凝土设备及其施工工艺分析

随着智能化技术的逐渐普及与应用，建筑行业中的3D打印再生混凝土应用也更加广泛，从施工的角度来看，3D打印再生混凝土主要可以分为现场打印和装配式打印两种基本类型，下面将从设备及其施工工艺方面进行分析。

4.1、打印设备

目前，３Ｄ打印混凝土打印设备可分为龙门式、机械臂式和可移动式机器人三大类。龙门式打印系统是将打印喷嘴定位在ＸＹＺ直角坐标中，通过在建筑物所对应的不同坐标点之间来回移动进行打印，具有３或４个自由度，并且打印尺寸受到龙门式框架结构的限制。同样地，基于机械臂的混凝土打印系统也会受到机械臂长度所作用范围的限制，但是机械臂打印系统在打印过程中可保持连续的曲率变化率，在打印层之间可进行更平滑的过渡，外观也更加美观。可移动式机器人系统可分为独立机器人和多机位组合机器人系统，通过对机器人行走路径和打印路径的合理规划，以实现更为灵活和高效的打印，可具备６个完整的自由度。

4.2、施工工艺

4.2.1、现场打印

现场打印有着及时性的特点，在一些参数的设计中需要结合工程的实际情况展开调整。一般来说，当前的建筑工程对混凝土的强度要求比较高，因此可以采用连续打印的方式在原有基础上直接将建筑主体打印成型即可，但是在这个操作过程中需要结合工程设计图纸中的内容提前预留下孔洞以及构造柱的位置，然后将节点连接起来，并且完成二次灌注混凝土，形成一体化的结构形式，未装饰的３Ｄ打印建筑墙体表面有着沿打印路径方向呈水平或垂直方向的纹路。现场打印钢筋配置方法可根据不同打印需求进行选择。３Ｄ打印混凝土技术可以根据建筑信息模型现场打印出方形、圆形以及各种不规则形状的建筑构件，还有整栋房屋。与传统施工方法相比，建筑几何结构越复杂，３Ｄ打印技术的优势也越容易凸显。

当然，现场打印也是存在着一些缺点的，主要是因为打印设备的尺寸一般相对较大，在打印完毕之后现场的安装与调试往往需要耗费大量的时间，而且在安装中还需要尺寸较大的设备支撑架进行支撑，在这种情况下建筑的制造成本会显著提升，而且建筑工程的精度也难以得到控制，因此很难控制施工的总体质量。

4.2.2、装配式打印

与传统的装配式建筑概念相似，３Ｄ打印装配式建筑也是在工厂打印好构件和配件（如楼板、墙板、楼梯、阳台等），运输到建筑施工现场，通过绑扎、焊接等连接方式在现场进行装配安装。打印前需要在计算机信息模型中提前定义好管道和窗户等开放空间的位置和大小，同时预留拉结筋和预埋件的位置，待构件运输到现场后还需二次灌注混凝土以实现墙体连接。为了增强打印构件的强度和抗拉性能，常在打印构件中加入钢筋形成钢混体系，墙柱和梁柱的节点连接可采用普通装配式灌浆套筒或螺栓连接等方法，打印装配式构件布置的腹杆钢筋与顶部、底部钢筋采用焊接方式进行连接，区域之间的直筋可用钢筋连接器进行连接，区域之间的弯折钢筋采用搭接方式。另外，３Ｄ打印装配式墙体的内部结构还可以根据环境要求，按声学、机械等原理进行优化。例如，３Ｄ打印墙体可以定制为自由形式的空腔结构，不仅可以减轻自身重量，还可以填充不同的保温或隔音等功能材料。

5、结语

随着建筑工程技术的革新与发展，3D打印再生混凝土开始逐渐地应用在具体工程实践中，取得了非常不错的效果。但是从整体设计与应用情况来看，该技术在应用时需要结合工程的实际特点对相应的细节进行调整，从而实现良好的打印效果，进一步提高建设质量。在未来的发展中，3D打印再生混凝土技术还有着很大的发展空间，需要不断地探索该技术的应用效果，从而进一步推动建筑行业的发展与进步。

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基金项目:2022年校级大学生创新创业训练计划项目“3D打印再生混凝土设计”。

项目编号：202213208067