聊聊3D打印建筑材料的那點事

3D打印建筑是一項新型智能建造技術(shù)，是建筑施工數(shù)字化的具體體現(xiàn)形式，能夠?qū)⒔ㄖO(shè)計從數(shù)字模型直接轉(zhuǎn)化為實物建筑。3D打印建筑的三大關(guān)鍵技術(shù)是裝備、材料和施工工藝，冠力科技小編斗膽聊聊關(guān)于建筑3D打印材料的那點事。

建筑3D打印材料的主要組成成分與傳統(tǒng)混凝土相似，包括：

水泥：作為主要的膠凝材料，水泥在混凝土中起到結(jié)合骨料的作用。為了適應(yīng)3D打印的特殊需求，水泥的配比和類型會有所調(diào)整。

骨料：骨料通常是砂子、小石子等。3D打印混凝土多使用較小顆粒的細骨料，避免在打印過程中堵塞噴嘴，并確保層與層之間的結(jié)合良好。

外加劑：為了改善混凝土的流動性、凝結(jié)時間和粘結(jié)性能，3D打印混凝土通常會添加特殊的外加劑，例如減水劑、早強劑或粘結(jié)劑等。

水：水的含量對混凝土的可打印性至關(guān)重要。水量過多會導致材料過于流動，影響打印精度；水量過少則可能導致噴嘴堵塞或材料強度不足。

為了實現(xiàn)最佳的3D打印效果，需要材料研發(fā)工程師不斷優(yōu)化配比，以下是一些關(guān)鍵的配比優(yōu)化方向：

流動性與穩(wěn)定性平衡：流動性好才能順利打印，但材料必須具備足夠的粘稠度以保持打印形狀。為了達到這種平衡，研究人員通常會使用聚合物或納米材料增強混凝土的粘結(jié)性，同時調(diào)整水泥和水的比例。

凝結(jié)速度控制：3D打印過程中，每一層都需要快速凝固，以便支持上層的打印。通過使用早強劑等外加劑，可以加速凝結(jié)過程，但也要注意不能使材料過早凝固，影響打印連續(xù)性。

材料的可持續(xù)性：越來越多的研究致力于通過使用廢棄材料、工業(yè)副產(chǎn)品（如飛灰或礦渣）作為替代物，減少水泥的使用，以降低碳排放，同時保持材料的強度和耐久性。

1. 流變性

流變性是材料在液態(tài)或半固態(tài)下流動和變形的能力。在建筑3D打印中，材料需要能夠順利擠出，并在擠出后快速穩(wěn)定成型。流變性能的主要影響因素包括：
塑性：材料應(yīng)具備良好的塑性，以保證其能在噴嘴中通過，而不會出現(xiàn)堵塞。
觸變性：建筑3D打印材料需要表現(xiàn)出高觸變性，即在剪切力下流動性好，而在靜止時能夠快速恢復(fù)粘度，以保持打印層的形狀。
抗流掛性：材料應(yīng)具有較高的粘度，以防止在沉積過程中由于自重發(fā)生塌陷。為了調(diào)節(jié)材料的流變性能，通常會在混凝土配方中添加增稠劑、流變改性劑等添加劑，如羥丙基甲基纖維素(HPMC)或聚乙烯醇。

2. 物理性能

3D打印建筑材料的物理性能至關(guān)重要，尤其是在建筑物的長期使用過程中需要承受各種荷載。關(guān)鍵性能包括：
抗壓強度：3D打印的材料在固化后需要具有足夠的抗壓強度，通常與傳統(tǒng)混凝土相近，達到或超過30 MPa，才能應(yīng)用于結(jié)構(gòu)性建筑。
抗拉強度和抗彎強度：由于3D打印過程中可能會產(chǎn)生分層，抗拉強度和抗彎強度的控制尤其重要。通常會通過改進材料成分或使用纖維增強技術(shù)提高這些性能。
層間粘結(jié)強度：層與層之間的粘結(jié)性能對于建筑的整體穩(wěn)定性至關(guān)重要。通過優(yōu)化材料的配比，確保每一層的沉積時間和固化狀態(tài)之間的協(xié)調(diào)，能顯著提高層間結(jié)合力。
為了增強這些性能，常使用微纖維、納米材料或其他增強劑，如玻璃纖維、聚丙烯纖維等，來增強材料的整體強度和韌性。

3. 凝結(jié)特性

凝結(jié)特性決定了材料在打印過程中能夠多快從液態(tài)或半固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，從而支撐后續(xù)的打印層。建筑3D打印材料需要同時滿足快速初凝和適度的可調(diào)控性。其關(guān)鍵要素包括：
初凝時間：3D打印材料需要在擠出后迅速凝固，通常要求初凝時間在幾分鐘內(nèi)，以確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
終凝時間：終凝時間相對較長一些，允許后續(xù)層在適當?shù)臅r間間隔內(nèi)沉積并與之前的層粘結(jié)。
可調(diào)性：通過使用不同類型的水泥、礦物添加劑（如硅灰、礦渣等）以及外加劑（如早強劑、緩凝劑），可以調(diào)節(jié)材料的凝結(jié)速度。
例如，硫鋁酸鹽水泥由于其快速凝固性能常被應(yīng)用于建筑3D打印中。此外，使用調(diào)節(jié)劑可以在材料凝固時間和流動性之間達到更好的平衡。

4. 可持續(xù)性

隨著可持續(xù)建筑理念的興起，建筑3D打印材料的環(huán)保性和低碳排放日益受到關(guān)注。材料的可持續(xù)性體現(xiàn)在以下幾個方面：
低碳材料：傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)過程中的碳排放高，3D打印材料中常使用低碳替代品，如礦渣、粉煤灰、再生骨料等來減少碳排放。
材料再利用：建筑廢料可以通過處理重新用于3D打印材料中，如再生骨料的使用，有效減少了資源浪費。
減少材料浪費：建筑3D打印過程中，材料沉積是按需分層的，幾乎沒有浪費，相比傳統(tǒng)施工減少了原材料的過度使用。
例如，基于地質(zhì)聚合物的3D打印材料正逐漸成為低碳建筑材料的代表，其不僅能減少碳排放，還具有優(yōu)異的耐久性和抗化學腐蝕性能。

5. 耐久性

3D打印建筑材料需要在不同的環(huán)境條件下保持長期的結(jié)構(gòu)性能。耐久性包括材料在應(yīng)對各種物理、化學和氣候影響下的穩(wěn)定性：
耐腐蝕性：暴露在濕氣、酸雨等環(huán)境中的建筑物，材料需具備較高的抗腐蝕性能。常通過使用防水劑或添加礦物組分來提高耐久性。
抗凍融循環(huán)：在寒冷地區(qū)，建筑材料需要能夠抵抗多次凍融循環(huán)，以防止開裂和剝落。通過調(diào)整材料的孔隙率和使用抗凍劑，可以提高其抗凍融性能。
抗化學侵蝕：某些3D打印建筑可能暴露在化學腐蝕的環(huán)境中，如工業(yè)或海洋環(huán)境。增強材料的抗化學性有助于延長其使用壽命。

隨著3D打印建筑材料成本的持續(xù)降低，性能持續(xù)提升，3D打印建筑的優(yōu)勢會更加明顯，未來發(fā)展空間充滿期待。