3D打印機用于數字混凝土建筑的大量粉煤灰混合物

​　　南洋理工大學的學生最近發(fā)表了《用于數字混凝土建筑的高含量粉煤灰混合物的3D打印》一文，在文中，學生探索了如何改進機遇粉煤碳的地質聚合物并將其用于建筑的3D打印機。

　　混凝土是世界上使用最廣泛的材料之一，承包商現在可以從纖維增強，聚合物制成等材料中選擇。使用SCC有許多好處，包括流動性，表面質量，耐用性等。然而，復雜幾何形狀的制造仍然具有挑戰(zhàn)性，需要增加費用和更多的人力。

　　3D打印不僅受到建筑行業(yè)工業(yè)用戶的關注，而且作為一種比常規(guī)方法更快、更實惠、更通用的技術，它迅速受到人們的關注。3D打印系統(tǒng)通常包括：

　　● 物料混合罐

　　● 抽料系統(tǒng)

　　● 擠出系統(tǒng)，帶有帶噴嘴的打印頭

　　● 電子控制箱

● 安全系統(tǒng)

▲影響粉煤灰混凝土性能和性能的因素

             

▲地質聚合物堿化的圖形模型

　　與計算機輔助設計(CAD)，建筑信息模型(BIM)和各種軟件工具相比，3DCP具有更好的拓撲優(yōu)化，擁有更多的設計機會，制造速度快以及能夠構建可能不包含的項目的優(yōu)勢。這項技術還具有減少3D打印對環(huán)境的破壞，這是另一個好處，因為目前水泥產量占全球CO2產量的5%。

　　目前，基于粉煤灰的可持續(xù)材料看上去非常有吸引力，因為它們可以比普通波特蘭水泥生產的二氧化碳排放量少80%，而且機械性能也往往更高。

　　眾所周知，觸變性是所有3D打印項目的重要特性之一。由于絮凝，PC具有觸變性，相關文獻表明，在存在任何異物(如FA，沙子，填料)的情況下，其膠體網絡會破裂，從而導致觸變性喪失。

　　高粉煤灰(HVFA)材料不僅具有低觸變性，而且硬化速度慢，具有可持續(xù)性，但較差的早期機械性能限制了其在3D打印機項目中的應用。

　　這個問題導致南洋理工大學的學生進行了當前的研究，希望能改善HVFA粘合劑的可印刷性，并全面了解HVFA水泥和地質聚合物。相關公司考慮的第一步是創(chuàng)建可流動的擠出材料，以在整個過程中保持其形狀。使用3D打印時，該過程可以直接在建筑工地或將預制零件放在一起然后運輸進行組裝的其他位置進行。

　　生產的選擇可以像常規(guī)的墻面元件一樣，也可以進行優(yōu)化以最大程度地減少材料浪費和建筑成本。

　　在新加坡有很多細砂河粉，這可用于制備砂漿。研究小組準備的混合物可改善觸變性，因為他們可以測量抗壓、抗彎和抗張強度，研究人員還對此進行了微結構分析。最終，研究報告說，粉煤灰水泥盡管在增強HVFA材料的強度方面存在挑戰(zhàn)，但也是“可印刷的”。

　　添加了非常少量(<1%)的納米粘土(NC)通過在微觀結構水平上增強觸變性來改善早期的力學性能。首次在不同的剪切速率和剪切時間下測試了NC對觸變性的影響，發(fā)現與對照組相比，添加NC的混合物即使在長時間剪切后也具有穩(wěn)定粘度恢復的潛力。盡管如此，NC的作用在增加強度增加率(結構積累)方面并不顯著，而強度增加率受水合反應的控制更大。

　　砂漿的機械性能也受印刷參數的影響，這是數字制造中的常見問題。與HVFA砂漿相比，還研究了地質聚合物中的粘結強度更高。

　　為了最大限度地發(fā)揮像地質聚合物這樣的快速硬化的好處，應該使用在線或連續(xù)輸送系統(tǒng)來代替間歇混合，在混合系統(tǒng)中可以同時混合和沉積物料。這將消除由于材料剛度隨時間變化而造成的泵送困難。

盡管最近有使用超細纖維，金屬電纜，后張鋼筋來提高印刷混凝土延展性的方法，但未來的應用可能會遵循功能梯度材料(FGM)的原理在不同層中產生不同的纖維分布。FGM的3D打印將優(yōu)化材料的使用，并為建筑結構中的結構應用提供多種功能。

        

▲3D混凝土印刷復雜自由形式模型示例

　　隨著3D打印機技術的發(fā)展，從辦公室和房屋的建造到大規(guī)�；炷�土打印機的開發(fā)，建筑業(yè)受到了許多積極的影響。