藺喜強(qiáng)：水泥基建筑3D打印材料的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究

1.3D打印在建筑技術(shù)中的發(fā)展
3D 打�。�3D printing）技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計、汽車、航空航天、醫(yī)療、軍工以及其他領(lǐng)域都有應(yīng)用，該技術(shù)同樣引發(fā)了建筑業(yè)追捧的熱潮。3D打印建筑技術(shù)與傳統(tǒng)建筑相比，其優(yōu)勢在于：速度快，不需要使用模板，可以大幅節(jié)約成本；不需要數(shù)量龐大的建筑工人，大大提高了生產(chǎn)效率；可以非常容易地打印出其他方式很難建造的高成本曲線建筑；具有低碳、綠色、環(huán)保的特點。3D打印建筑技術(shù)可能改變建筑業(yè)的發(fā)展方向，對環(huán)保、建筑業(yè)、預(yù)拌混凝土行業(yè)帶來的改變是顯而易見。

2012年1月，美國航天局（NASA）出資與美國南加州大學(xué)合作，最新研發(fā)出“輪廓工藝”3D打印技術(shù)。2013年1月，荷蘭設(shè)計師Janjaap Ruijssenaars計劃采用3D打印技術(shù)建造仿莫比烏斯環(huán)的3D打印房屋.2013年1月，歐洲航天局已著手同建筑公司Forster+Parterners聯(lián)手研發(fā)在月球打印一座空間站的項目。計劃利用月球現(xiàn)成的土壤及其他材料通過3D打印技術(shù)將其制成建筑材料，進(jìn)而完成空間站的建設(shè)。2013年2月，英國設(shè)計師Softkill Design正著手使用3D打印技術(shù)以纖維尼龍為結(jié)構(gòu)材料建造大批量民用住房。2013年3月，荷蘭公司DAS的建筑師建造了打印機(jī)，號稱將建造“第一”的3D打印運河屋。2014年1月，實現(xiàn)了3D打印運河屋組件的實際三維打印，預(yù)計將用三年時間完成組裝。2013年1月，中國上海盈創(chuàng)公司利用高標(biāo)號水泥和玻璃纖維復(fù)合制造了首批3D打印建筑，引發(fā)國內(nèi)外多方關(guān)注。2015年2月，它又在蘇州工業(yè)園區(qū)展示3D打印了一棟面積1100平米的別墅和一棟6層居民樓。

2.建筑3D打印材料研究現(xiàn)狀
目前3D打印材料主要分成四種類型，塑料，金屬，陶瓷，蠟等。這些3D打印材料具有成本差異大并且有特定應(yīng)用的需求。塑料材料的應(yīng)用，如消費者印刷和幾個行業(yè)，消費者產(chǎn)品的制造用途。金屬在高端行業(yè)，如航空航天與國防，汽車，醫(yī)療及牙科等；陶瓷使用在家居裝飾用途;蠟等用在藝術(shù)和雕塑等領(lǐng)域。在這4種材料中，最有可能在建筑3D打印中的應(yīng)用的是第一種塑料類有機(jī)材料的。但是如果利用光聚合物，ABS，PLA，尼龍等熱塑性材料添加纖維后制成，這些有機(jī)材料在高溫下熔融狀態(tài)下進(jìn)行打印，逐層沉積固化，容易發(fā)生氧化分解等化學(xué)反應(yīng)，制備和施工過程放出難聞的有毒氣體，對環(huán)境和人體造成危害；此外，有機(jī)材料對打印條件要求高，成本高，力學(xué)性能差，用有機(jī)材料成型的建筑宜居性差，一定程度上限制了建筑3D打印技術(shù)的應(yīng)用。

現(xiàn)有的一般混凝土材料凝結(jié)時間長，通常的初凝時間6-10h，終凝時間24小時左右，不能滿足3D打印過程中材料在短時間內(nèi)快速凝結(jié)的性能要求；且一般呈流動性，無法滿足3D打印過程中的豎直堆積性能，所以無法作為3D打印材料使用。本文研究提供了一種適合建筑3D打印使用的水泥基復(fù)合材料，解決現(xiàn)有技術(shù)中用于3D打印技術(shù)的材料多為有機(jī)材料的問題；還解決現(xiàn)有普通水泥基材料凝結(jié)時間長且一般呈流動性、沒有觸變性能、不適用于3D打印過程的技術(shù)問題。

3.建筑3D打印材料關(guān)鍵技術(shù)及力學(xué)性能研究
3.1水泥基建筑3D打印使用原材料
（1）水泥：河北唐山北極熊42.5R快硬硫鋁酸鹽水泥，性能參數(shù)見表3.1,表3.2。

表3.1 水泥化學(xué)成分表

3.2 水泥的物理力學(xué)性能
（2）減水劑:聚羧酸PC減水劑。減少拌合用水量、提高材料的強(qiáng)度。
（3）細(xì)骨料：20-40目、40-70目機(jī)制尾礦砂。3D打印材料中使用尾礦砂，能夠有效的降低材料成本，同時也減少了工業(yè)固廢對環(huán)境的污染、具有一定的節(jié)能環(huán)保作用。
（4）3D打印材料的關(guān)鍵技術(shù)主要是材料的凝結(jié)時間和強(qiáng)度的控制，這兩個指標(biāo)的精確控制才能保證建筑3D打印的連續(xù)性和安全性。本研究從多種促凝劑、緩凝劑中實驗選擇可用的外加劑。其中選用早強(qiáng)劑:碳酸鋰（J1）、氫氧化鋰（J2）硫酸鈉（J3）。選用緩凝劑：硼酸（H1）,葡萄糖酸鈉（H2），酒石酸（H3），檸檬酸（H4），四硼酸鈉（H5）,三聚磷酸鈉（H6）
（5）自制復(fù)合體積穩(wěn)定劑（VS）。保證材料粘結(jié)性好，穩(wěn)定性強(qiáng)，具有良好的出泵形態(tài)保持能力和粘結(jié)性能，打印的建筑物具有良好的形態(tài)和體積穩(wěn)定。復(fù)合外加劑包括：觸變劑、纖維素醚、纖維復(fù)合而成。


3.2 水泥基3D打印材料凝結(jié)時間控制關(guān)鍵技術(shù)
3.2.1水泥快速凝結(jié)外加劑的選用
快硬硫鋁酸鹽水泥比普通硅酸鹽的凝結(jié)速度更快和早期強(qiáng)度更高，但在3D打印材料實際應(yīng)用當(dāng)中需要更快的凝結(jié)速度，更高的早期強(qiáng)度。促凝劑能夠在水泥水化過程中起催化劑的作用，它能夠促使C3A和無水硫鋁酸鈣的迅速水化形成大量鈣礬石，迅速縮短水泥的凝結(jié)時間。所以本文選用J1、J2、J3促凝劑，研究促凝劑對快硬硫鋁酸鹽水泥的影響，確定適用于SAC水泥的促凝劑。

圖3.1 不同促凝劑對R-SAC凝結(jié)時間的影響

從圖3.1可以看出其中，J1對硫鋁酸鹽水泥的促凝效果很明顯，在0.01%摻量時就有明顯的促凝效果，將凝結(jié)時間縮短一半；在摻量0.05%時可以將初凝時間縮短到9分鐘，當(dāng)摻量到0.3%時初凝時間為5分鐘。J2為強(qiáng)堿，它對R-SAC的凝結(jié)時間的影響比J1、J3更為強(qiáng)烈，當(dāng)J2摻量為0.01%時，就可以將凝結(jié)時間縮短到9分鐘，達(dá)到同J1摻0.05%時的效果。而J3作為普通硅酸鹽水泥常用的早強(qiáng)促凝劑其對快硬硫鋁酸鹽水泥的促凝效果不好。所以從實驗結(jié)果來看，促凝劑對硫鋁酸鹽水泥的促凝效果J1、J2的促凝效果明顯，J3不明顯。通過對不同種促凝劑對R-SAC凝結(jié)時間和強(qiáng)度性能的影響試驗，結(jié)果表明J1作為R-SAC的促凝劑。
3.2.2水泥緩凝外加劑的選用
快硬硫鋁酸鹽水泥雖然有早期強(qiáng)度高，微膨脹等優(yōu)點，但由于其水化速度很快，在實際使用過程中，往往需要一定的工作時間，特別在夏季高溫環(huán)境中，所以必須配合使用合適的緩凝劑來控制施工時間。緩凝劑能吸附于水泥顆粒表面，并形成一層難溶的薄膜，對水泥顆粒的水化起屏障作用，延緩了水泥和漿體結(jié)構(gòu)的迅速形成，降低水泥的水化速度，使水泥的迅速凝結(jié)和強(qiáng)度的增幅較為平緩，能夠使3D打印材料的凝結(jié)時間更加穩(wěn)定、容易控制。
本文選用了6種常用緩凝劑，測試了其對快硬硫鋁酸鹽水泥凝結(jié)時間以及強(qiáng)度的影響（圖3.2，圖3.3）。試圖尋找適合快硬硫鋁酸鹽水泥的專用緩凝劑。

圖3.2 H1、H2和H3緩凝劑對R-SAC凝結(jié)時間的影響

圖3.3 H4，H5和H6緩凝劑對R-SAC凝結(jié)時間的影響

從圖3.2和圖3.3可以看出不同緩凝劑對R-SAC的凝結(jié)時間的影響程度有H1＞H2>H3>H5>H6趨勢，H4會造成R-SAC凝結(jié)時間異常。H1的緩凝效果隨著添加量增加，凝結(jié)時間大幅延長，不利于控制，這就給實際使用中造成一定風(fēng)險。當(dāng)H2為普通硅酸鹽水泥常用的緩凝劑，對R-SAC也起到很好的緩凝作用，能夠作為硫鋁酸鹽水泥適用的緩凝劑。H3作為緩凝劑加入后，在0.05%摻量時有輕微促凝效果，在摻量0.1%到0.3%時緩凝效果顯現(xiàn)，趨勢同H2接近。H4也是普通硅酸鹽水泥常用的緩凝劑，在加入R-SAC中對凝結(jié)時間的影響不穩(wěn)定，不適合作為R-SAC的緩凝劑使用。H5隨著摻量的提高緩凝效果逐漸體現(xiàn)，在0.1%到0.3%摻量的變化下，初凝時間由28分鐘延長到109分鐘，終凝時間由49分鐘延長到148分鐘，其緩凝效果比H1更穩(wěn)定，是可以用來作為R-SAC的緩凝劑。H6用做R-SAC的緩凝劑時可能會出現(xiàn)促凝效果，不建議采用H6作為R-SAC的緩凝劑。

3.2.3 3D打印材料凝結(jié)時間復(fù)合調(diào)凝劑
硫鋁酸鹽水泥的凝結(jié)時間的調(diào)節(jié)在實際生產(chǎn)和工程應(yīng)用中建議使用促凝劑、緩凝劑復(fù)配調(diào)節(jié)的原則。根據(jù)實驗選用促凝劑碳酸鋰和緩凝劑無水硼砂、葡萄糖酸鈉、酒石酸復(fù)合使用能夠有效的調(diào)節(jié)硫鋁酸鹽水泥的凝結(jié)時間。

本研究通過大量的試驗總結(jié)出了在不同的環(huán)境溫度下能夠有效的調(diào)節(jié)硫鋁酸鹽水泥系列材料的復(fù)合調(diào)凝劑JH，根據(jù)此規(guī)律對緩凝劑的摻量進(jìn)行微調(diào)能夠制備出凝結(jié)時間10min~1h任控制的硫鋁酸鹽水泥基的建筑3D打印材料。

表3.3 不同環(huán)境溫度下調(diào)凝劑配比

3.3 3D打印材料的制備及力學(xué)性能研究
本研究3D打印材料利用硫鋁酸鹽水泥和水淬礦渣粉復(fù)合膠凝材料為主要基質(zhì)，添加工業(yè)尾礦機(jī)制砂，同時添加減水劑、凝結(jié)時間復(fù)合調(diào)凝劑、復(fù)合體積穩(wěn)定劑等化學(xué)外加劑改善材料的性能，使其滿足3D打印工藝的技術(shù)要求。表3.4為3D打印材料的基本配比。

表3.4 3D打印材料基本配合比

表3.5 3D打印材料復(fù)合調(diào)凝劑配比

本文主要是研究3D打印材料的凝結(jié)時間控制技術(shù)以及對材料力學(xué)性能的影響。所以主要以3種不同的復(fù)合調(diào)凝劑為變化對象，研究3D打印材料的凝結(jié)時間和抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。表3.5為3種復(fù)合調(diào)凝劑的配比。按表3.4制備3D打印材料，測試材料的凝結(jié)時間和抗壓強(qiáng)度；實驗數(shù)據(jù)如表3.6。

由表3.6可以看出，在三個不同的環(huán)境溫度下，通過調(diào)節(jié)復(fù)合調(diào)凝劑中促凝劑和緩凝劑的組成，能夠?qū)崿F(xiàn)材料凝結(jié)時間在10min-60min內(nèi)靈活控制，并調(diào)整范圍大。能夠滿足在不同季節(jié)和環(huán)境下的3D打印工程的進(jìn)行。這種3D打印材料具有很高的早期強(qiáng)度和快速凝結(jié)功能，2h的抗壓強(qiáng)度內(nèi)即可達(dá)到10～20MPa；3天后抗壓強(qiáng)度為40～50MPa，28天后抗壓強(qiáng)度為60MPa左右的高強(qiáng)度，能夠滿足3D打印建筑的承重墻，柱的強(qiáng)度要求，也能使打印的構(gòu)件具有好的力學(xué)性能。

圖 3.4 3D打印材料的打印成型過程

圖3.5 3D打印結(jié)構(gòu)試件

本3D打印材料原材料成本低，對環(huán)境和人體無害，材料粘結(jié)性好，穩(wěn)定性強(qiáng)，具有良好的出泵形態(tài)保持能力和粘結(jié)性能，打印的建筑物具有良好的形態(tài)和體積穩(wěn)定，能滿足建筑3D打印施工連續(xù)性和建筑強(qiáng)度的要求，打印成型的建筑、構(gòu)件在短時間內(nèi)即具有移動及裝配使用性能，在建筑3D打印中有廣泛的應(yīng)用前景，能極大地促進(jìn)了3D打印技術(shù)的應(yīng)用推廣。

4 結(jié)論
（1）建筑3D打印材料用硫鋁酸鹽水泥作為膠凝材料，能夠克服普通波特蘭水泥基材料凝結(jié)時間長，早期強(qiáng)度低等缺點。制備的3D打印材料具有很高的早期強(qiáng)度，其2h抗壓強(qiáng)度在10-20MPa，28d抗壓強(qiáng)度能達(dá)到50-60MPa。
（2）在不同的施工溫度下，調(diào)整促凝劑J1和緩凝劑H2, H3，H5比例能夠配制適用于這種建筑3D打印材料的復(fù)合調(diào)凝劑，并按施工要求將材料的凝結(jié)時間在20min-60min之間靈活控制。
（3）R-SAC水泥基3D打印材料通過不同功能外加劑的調(diào)節(jié)，它的工作性能、形態(tài)穩(wěn)定性和強(qiáng)度能夠滿足建筑3D打印連續(xù)性和結(jié)構(gòu)的安全性。
（4）本水泥基3D打印材料原材料取材方便，能夠應(yīng)用大量工業(yè)廢料，成本低，制備和施工過程不釋放有毒氣體，對環(huán)境和人體無害，它能夠促凝建筑3D打印技術(shù)的推廣應(yīng)用。

作者：藺喜強(qiáng)

太學(xué)術(shù)了