3D打印建筑用水泥基材料的发展前景论文
近几年, “第三次工业革命”核心技术—3D打印技术得到迅速发展, 由于其具有打印速度快、成本低, 且能够打印复杂形状的模具、零件等优点[1,2]而被广泛应用于航空航天、生物医疗、珠宝制作以及模具制造等诸多领域[3,4], 预测2019年3D打印技术的市场规模将增长到65亿美元[5], 具有广阔的发展前景。
然而, 建筑业在3D打印行业所占的比重较小, 限制其在建筑业发展的一个重要因素就是材料, 传统水泥与混凝土并不能满足3D打印建筑的应用, 亟待研究一种具备良好的可建造性、凝结速度适宜等优点的水泥基材料。将3D打印技术与建筑结合, 不仅可以缩短建筑时间, 而且会降低建筑成本、节约人力[6]。目前, 对于3D打印建筑水泥基材料的综述极少, 本文综述了近几年的3D打印建筑用水泥基材料的研究状况, 并对3D打印建筑用水泥基材料进行了展望。
1 3D打印建筑对水泥基材料性能的要求
传统水泥基材料在流变性、凝结时间以及强度等方面并不能满足3D打印建筑的需要, 因此需要对水泥基材料做出更深入的研究来适应3D打印建筑。3D打印建筑用水泥基材料需主要具备如下几点性能[7-8]:良好的挤出性与流动性、良好的可建造性以及高强度。
1.1可挤出性与流动性
3D打印水泥基材料的可挤出性是指在打印过程中材料不会堵塞管道, 流动性主要体现在原料可以从打印头连续流出, 不出现间断现象, 浆体不能过稠与过稀。因此, 打印基质的使用则较为重要, 为维持良好的可挤出性能, 则需要尽量避免大骨料原料的使用, 防止过大的颗粒堵塞打印管道及喷嘴, 另外, Hambach M等人在研究短纤维增强3D打印用水泥基材料中发现, 纤维的加入量超过约1.5%时, 会引起打印喷嘴处的堵塞[9], 因此, 在3D打印建筑过程中, 要注意打印材料的使用, 以防止打印过程中的堵塞现象。而对于水泥基浆体良好的流动性能, 可通过水胶比、合理的级配以及加入适当的外加剂来控制, 减水剂是最为常见的外加剂, 但是需要注意的是, 随着减水剂的增加, 流动性能随之提高, 但是过高的流动性造成了建造性能的降低, 例如Malaeb Z等人通过研究提出聚羧酸盐减水剂的掺量不宜超过1.1mL/365g (125g水泥、80g砂、160g细集料) , 流动速率控制在1.0~1.2cm/s[10]。
1.2可建造性
3D打印建筑材料最重要的特征就是需要具备可建造性, 即要保证在进行逐层建造时, 下层能够承受住上层的压力, 不会坍塌。影响可建造性的2个主要因素就是较高的早期强度与适宜的凝结时间。
1.2.1早期强度
3D打印建筑水泥基材料的早期强度对于整个建造过程起着关键性作用, 决定着建筑是否能够建立起来, 而早期强度受所选用的原料种类和打印工艺的影响。例如蔺喜强等人研究的硫铝酸盐水泥, 其中加入水淬矿渣粉作为3D打印建筑用水泥基材料, 2h抗压强度即可达到10~20 MPa, 具备快硬早强的特性, 满足3D打印建筑的需求[11]。范诗建等人分析了一种磷酸盐水泥, 该种水泥具有快硬早强的特性, 磷酸镁水泥1h的抗压强度就可以达到40 MPa, 很适合快速成型[12], 但是如若大规模使用磷酸盐水泥会带来较大的成本问题再加之磷酸盐水泥的耐久性问题, 因此, 目前难以广泛应用。马义和研究了一种可进行快速堆积成型的混凝土, 在混凝土中掺入了短切玻璃纤维和HPMC纤维素, 以增加混凝土的粘结能力, 非常适于快速成型的3D打印建筑[13]。
此外, 打印速度的快慢也会直接影响到打印部件的抗压强度, Perrot A等人对50%水泥、25%石灰石填料、25%高岭土的水泥基材料进行打印, 打印速度为6.2 m/h时, 试件的最大的承受压力为4.45 MPa, 当打印速度降低至2m/h时, 试件的最大承受压力增加至5.2 MPa[14], 因此, 为保证在3D打印过程中不出现坍塌等损坏现象, 施工过程中打印速度需要被进行合理的控制。
1.2.2凝结时间
在3D打印建筑的过程中, 浆料从喷嘴中挤出后需要在较短的时间内固化达到一定的强度, 以能够承受下一层浆料的压力, 因此, 较短的初终凝时间差对于获得较高的早期强度极为重要, 另外, 对于一些工程还需要提供合适的工作时间, 即较长的初凝时间。
工作时间, 即流动性可以维持的时间, 浆体在工作之前保持良好的流动性。Le T T等人报道了一种聚丙烯微纤维增强细骨料混凝土, 所含组分有水泥、粉煤灰、硅灰、粘结剂, 加入聚羧酸减水剂、柠檬酸等缓凝剂以及由硫酸, 铝盐和二乙醇胺形成的促凝剂, 其流动性能可维持到100min, 具备了足够的工作时间, 并且该种混凝土在打印62层之后, 底层并没有出现明显的变形, 具有良好的可建造性[15]。
针对于缩短初、终凝时间间隔, 蔺喜强等人分别以碳酸锂、氢氧化锂和硫酸钠为促凝剂, 以葡萄糖酸钠、酒石酸、四硼酸钠、偏磷酸钠和柠檬酸为缓凝剂, 研究促凝剂和缓凝剂单掺或复掺硫铝酸盐水泥基材料凝结时间的影响, 结果表明, 将促凝剂碳酸锂中单掺或复掺缓凝剂葡萄糖酸钠、酒石酸和四硼酸钠制成复合调凝剂加入到硫铝酸盐水泥基材料中, 此时水泥浆体的初凝时间可控制在20~50 min, 终凝时间为30~60min[11], 从初、终凝时间间隔上来看, 该材料较为适合3D打印建筑用。刘福财等人研究了一种用于3D打印的高性能粉末混凝土, 其中加入了无碱促凝剂, 初凝时间在20min以内, 终凝时间在60min以内, 并且使用的无碱促凝剂不会在后期出现泛白现象[16]。另外, 陈雷等人将某促凝剂和四硼酸钠缓凝剂复合作用于快硬硫铝酸盐水泥, 结果显示, 当四硼酸钠掺量为0.05%时, 初、终凝时间差仅为9 min, 并且该复合外加剂对强度的影响并不大[17], 该种水泥的初、终凝时间间隔非常短, 因此可以尝试其在3D打印建筑上的应用。
浆体的流动性与可建造性之间存在一定的矛盾, 流动性好则会造成可建造性降低;早期强度与凝结时间之间又存在一定的关联, 凝结时间直接影响到的材料的早期强度, 在实际的工程应用中要根据工程需求通过一些外加剂的选用、级配的调控等方式来进行协调与控制。
1.3打印体强度
建筑物所用材料的强度的大小决定了建筑物的高低, 若使建筑达到矗立的目的, 则材料的抗压强度需要达到1.5~3.5 MPa, 目前国内外出现的3D打印建筑大多在1~2层, 若要建造更高的建筑, 建筑材料的强度则需要相应的'提高。另外, 传统的水泥基建筑材料尽管在强度上满足了高层建筑的需要, 但是在3D打印过程中其强度会发生损失, 例如Lim S等人打印的混凝土试件 (54%砂、36%胶凝成分和10%水为原料) 其抗折强度与铸件试样基本一致, 但是抗压强度损失率在0~20%[18]。
为了提高打印件的强度, 除控制水灰比、颗粒级配等基础措施外, 采用纤维增强水泥基体是较为常见的一种方法。Le T T等人以普通硅酸盐水泥、粉煤灰和硅灰为胶凝材料, 其中加入砂和聚丙烯微纤维制得了一种高性能纤维增强细骨料混凝土, 模具铸件的28d抗压强度为107 MPa, 抗折强度为11 MPa, 用该混凝土进行打印的试样的28d抗压强度为75~102 MPa, 抗折强度为6~17 MPa[19]。Hambach M等人研究了短纤维增强3D打印用水泥基材料 (61.5w%硅酸盐水泥、21wt%硅灰、15wt%水和2.5wt%减水剂) , 掺入1%碳纤维的水泥基材料28d抗折强度可达30 MPa, 抗压强度可达82.3 MPa, 掺入1%玄武岩纤维的水泥基材料的抗折强度可达13.8 MPa, 抗压强度可达85 MPa, 掺入1%玻璃纤维抗折强度12.4 MPa, 抗压强度84.5 MPa[9]。此外, 为提高打印体强度, Gosselin C等人30~40wt%波特兰水泥, 40~50wt%晶体二氧化硅, 10wt%硅灰和10wt%石灰石的基质中加入了聚合物树脂以提高层界面质量, 对养护90d的试件进行测试, 抗折强度为14.3MPa, 抗压强度为120MPa[20]。相比于硅酸盐水泥, 早强快硬的硫铝酸盐水泥不需要加入纤维等增强材料即可满足3D打印建筑对强度的要求[12]。
2水泥基材料的3D打印建筑工艺
3D打印工艺主要分为2大类, 浆体3D打印工艺以及粉体3D打印工艺, 两者的区别主要在所使用的原料的状态上, 浆体3D打印采用拌和好的水泥基材料通过喷嘴直接进行打印, 粉体3D打印则用粉状原料与胶凝材料交替逐层添加打印。
2.1浆体3D打印建筑工艺
轮廓技术, 在2004年就已经成功打印出建筑部件[21], 该工艺打印速度相当快, 占地200m2的两层建筑可在2d之内完成;在喷嘴处设有2个泥刀, 可对打印建筑物进行上表面和外表面的修刮[22,23]。目前, 美国航天局正在致力于将该打印技术应用于月球建筑的研究[24]。
C.Gosselin等人介绍了一种采用超高性能混凝土的打印工艺。该打印工艺相比于前一种打印方法, 其优点在于打印机器没有框架的限制, 类似于一个机器人在单独打印, 它可以打印规模更大的形状复杂的建筑部件[20]。
上述2种打印工艺的打印墙体是中空墙体, 可以浇筑混凝土来填充其内部[25], 另外, 中空的形式便于在其中添加保温材料。
2.2粉体3D打印工艺
D-Shape工艺所用材料为细骨料和胶凝材料, 建筑物的强度比传统建造方式的建筑物高, 其质地类似于大理石[6], 但是其打印速度较慢。目前荷兰已经建成的Landscape House就是采用D-Shape打印工艺。Cesaretti G等人对于月球建筑的设计中, 选用了D-Shape工艺打印部分墙体, 并且证明了其在太空打印的可行性[26]。
另外一种粉体打印工艺—Z150粉体打印工艺相对于D-Shape打印工艺, 可以打印出更精细、更复杂的建筑部件。其打印机分为两部分, 打印区及粉料供应区, 按照一层粉料一层胶凝材料的循环方式来进行打印, 每层粉料由粉料供应区提供, 胶凝材料由打印头挤出, 但是该方法只适合打印小规模的部件[27,28]。
3不足与展望
3D打印建筑与传统建筑方式相比较, 尽管存在着效率高、不需要庞大的建筑工人队伍等优点, 但是3D打印建筑仍然存在不能进行高层打印等缺点, 所使用的原材料的性能也需要进一步被改善。另外, 3D打印建筑的水泥基材料尽管早期性能已经达到了建筑的要求, 但是3D打印用水泥基材料后期的力学性能以及耐久性并没有广泛的研究报道。
近年来, 地聚合物作为一种环保型的无机胶凝材料得到了广泛的研究, 将地聚合物应用在3D打印建筑上是环保与先进技术的融合, 例如Xia M等人研究了一种3D打印地聚合物的方法, 地聚合物粉末由无水硅酸钠、矿渣和砂混合而成, 利用该聚合物打印的1cm立方体试样经后处理 (浸泡在60℃饱和无水偏硅酸中) 1d后, 抗压强度可达10.3MPa, 处理7d后抗压强度达16.5MPa, 可见地聚合物在3D打印建筑上存在较大的应用潜力[29]。
3D打印技术的广泛应用, 可以节省劳力, 还可以降低建筑工人的伤亡率, 此外, 3D打印建筑技术在工业垃圾以及建筑垃圾的处理上具有可观的前景。3D打印作为第3次工业革命的核心技术, 中国应当牢牢地把握此次机会, 迎接挑战, 提高国际竞争力。
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