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[日期]法同时满足建筑性能与打印技术的要求,骨料有可能会采取新的破碎工艺以制造出的粒径更小,颗粒形貌更接近圆形的骨料,外加剂在混凝土中不仅要保存已有的性能,还要解决各层之间如何完善无缺的结合问题2精度的问题
[15]o建筑设计非同儿戏,它的完成实现需要分绝不差的精确度,但是3D打印技术是否会显现偏差,以及应当做好预防工作是3D打印技术在建筑设计模型运用中应当注意的问题由于3D打印混凝土工艺发展还不完善,快速成型的零件的精度及表面质量大多不能满足工程使用的要求,不能作为功能性部件,只能做原型使用3软件的问题
4.13D打印混凝土材料3D打印混凝土技术是将3D打印技术与商品混凝土领域的技术相结合而产生的新型运用技术,其主要原理是将混凝土构件利用运算机进行3D建模和分割生产三维信息,然后将配制好的混凝土拌合物通过挤出装置,依照设定好的程序,通过机械控制,由喷嘴挤出进行打印,最后得到混凝土构件3D打印混凝土技术在实际施工打印进程中,由于其具有较高的可塑性,在成型进程中的无需支持,是一种新型的混凝土无模成型技术,具有以下两个优点[6]:既有自密实混凝土的无需振捣的优点,也有喷射混凝土便于制造纷杂构件的优点美国宇航局(NASA)与美国南加州大学合作研发出“轮廓工艺”3D打印技术,在24小时内打印出大约232m2的两层楼房(如图2),大大节省建筑时间和建筑本钱,为绿色制造打开了一扇大门[7]目前玻璃纤维增强石膏、玻璃纤维增强砂浆等均可用于3D打印建筑的无机胶凝基材例如上海盈创装潢设计工程有限公司所生产GPR(玻璃纤维增强石膏)、FRP玻璃钢异性家具如图3所示等
[8]3D打印混凝土建造完毕后建筑虽然不需要内置布置钢结构进行加固质,但其质地类似于大理石等物质,较传统混凝土具有更高的强度由此不难看出,普通水泥混凝土已经很难满足其技术要求,因此对混凝土性能提出来更高的要求,以适应3D打印建筑技术的需要图2轮廓工艺⑹图3GPRa与FRPb
[7]为满足3D打印建筑的需求,混凝土拌合物必须到达特定的要求以下从混凝土的组成进行分析第一,普通硅酸盐水泥在强度,凝聚时间等方面可能没法到达3D打印的要求,需在此基础上做进一步的研究如改变水泥组成中的矿物组成、熟料的细度等如采取硫铝酸盐水泥或者铝酸盐改性硅酸盐水泥等获得更快的凝聚时间和更好的早期强度等其次,3D打印是通过喷嘴来实现的喷嘴的大小决定了混凝土拌合物配制中的颗粒大小,并且必须找到最合适的骨料粒径大小骨料粒径过大,梗塞喷嘴;粒径过小,包裹骨料所需浆体的比表面积大,浆体多,水化速率快,单位时间水化热高,将会导致混凝土各项性能的恶化再次,配制的混凝土拌合物要有合适的配合比,由于作为满足3D打印的原料新型混凝土已经不同于传统的混凝土,其各项性能产生了很大的变化,不能由传统的水胶比、砂率等所能决定,其基本性能产生庞大改变目前与混凝土相干的理论,如强度、耐久性、水化作用等,均不能很好的满足3D打印混凝土的要求为使打印混凝土获得理想的状态,如高强度,好耐久性,良好的拌合性能,合适的凝固时间,良好的工作性、可泵性和可建筑性,需要从新的角度去完善理论最后,外加剂是现代混凝土必不可少的组分之一,是混凝土改性的一种重要方法和技术3D打印混凝土必须具有更好的流变性以便于挤出且能在空气中迅速凝聚避免由于自身重力破坏打印混凝土的结构,并且骨料的最大粒径会变得更小以及其形貌更接近圆形,从而导致级配也将变的更加复杂,终究还需要解决各层之间凝聚问题,这就需要新型外加剂来解决从材料流变学的角度推敲,3D打印混凝土应当具有较高的塑性粘度、较低的极限剪切应力,如此它不具有流淌性却具有好的可塑性,同时应有较快的凝聚时间和较高的早期强度除此之外,还应当推敲配合比对于打印混凝土的收缩率的影响以及孔隙结构对于打印混凝土的影响例如,Le等[9]研究表明低的水胶比和粉煤灰比例有助于着落打印进程的收缩率;小的孔隙结构可以提高打印混凝土的品质在此基础上,打印混凝土的可浇筑性和挤出性遭到混凝土的和易性和凝聚时间的影响在3D混凝土打印进程中还必须保证打印完成部分的完全性,不会由于自身的重力因素而显现塌落,倾斜等变形现象,这就要求其具有良好的可塑性,凝固时间短,早期强度高,能够承当自身重量和打印进程中的动载荷,使下一层打印胶结不受影响
4.23D打印混凝土的施工和3D打印建筑随着3D打印混凝土技术的不断发展和深入,3D打印建筑也运用而生目前,在中国上海青浦显现了第一批3D打印房屋(如图4)[10],其主要以高标号水泥、建筑垃圾和玻璃纤维为打印原料,并且此次工程并非传统的3D打印,而是通过人工现场组装3D打印机打印出的一层层的房屋结构而完成的在不久将来,由荷兰建筑师Janjaap Ruijssenaars与意大利发明家Enrico Dini(D-Shape3D打印机发明人)一同合作利用3D打印技术建造一栋名为“Landscape House”的建筑[11]这些是3D打印建筑的庞大突破,将3D打印建筑技术实际化图4上海青浦3D打印房屋轮廓工艺作为新型的施工工艺很好地提升了3D打印混凝土的实用化轮廓工艺是一项通过电脑控制的喷嘴按层挤出材料的建筑技术轮廓工艺是一项混合技术,主要包括外部轮廓和内部轮廓两部分,通过挤压成型形成外部轮廓,再通过挤压浇筑或注入来填充内填充内核的作为结构加固的挤压模型系统[12]o泥刀作为此项技术的关键特点,用于抹平和精确规整每一层的外表和顶面,这就解决了在实际建筑进程中,由于3D打印建筑是层层堆积的进程,不可避免地导致层级堆积效应,显现表面粗糙,横向条纹明显的现象(如图5)图53D打印成品表面[12]图6轮廓工艺成品表[12]利用轮廓工艺的3D打印混凝土可在打印进程中减少表面粗糙等现象如图6,减少了后期的表面平整的工作;由于轮廓技术能够建造出单曲率和双曲率的建筑,可以实现建筑的个性化;同时轮廓技术有利于进精确建造;另外,打印设计中可以通过对内部系统的填充来提高打印建筑的结构性能53D打印建筑干混砂浆材料与工艺干混砂浆又称干粉砂浆、干拌砂浆,它是将水泥、砂、矿物掺合料及功能性添加剂依照一定比例,在专业生产厂于干燥状态下平均拌制、混合成的一种颗粒或粉状的混合物,然后以干粉包装或散装的情势运至工地,按规定比例加水拌和后即可直接使用的干粉砂浆材料干混砂浆由于其使用的方便性、灵活性等而遭到工程界的青睐,近年来得到了越来越广泛的运用随着3D打印技术显现,干混砂浆也将脱出目前普通砂浆的内涵,作为复合材料其生产方式将同时向为建筑结构主体服务和辅助服务的一体化道路[13]在3D打印建筑中,干混砂浆将广泛地作为打印机的“墨水”3D打印建筑干混砂浆对于材料的要求同打印混凝土的要求相类似,都要求其具有良好的可塑性等性能与打印混凝土不同的是,打印干混砂浆通常使用粘结沉淀成型的方法进行打印粘结沉淀成型原理是依照CAD模型数据通过机械控制将胶水打印在每层砂石粉上的设计区域,反应硬化后清除余外部分,得到打印的物体3D打印干混砂浆可以改进构件的相干性能例如3D打印干混砂浆的板材将具有相互扣接设计,会更坚固和安全,利用3D打印仿生技术设计的结构具有可以有效的缩短施工周期、着落风险、不易脱落等优势63D打印混凝土建筑存在的问题3D打印建筑虽然相比传统建筑具有强度高、建筑情势自由、在建筑时间、环保性、节能等几大突出的优势但作为一种目前正处于研发试用阶段的新型技术,不可避免地存在以下问题1原材料的问题[14]与传统的混凝土施工工艺相比,3D打印混凝土对原材料的流变性和可塑性提出了更高的要求普通水泥可能已没。