3D打印也要材料支撑，看混凝土技术怎样大反转！

近年来，作为"第三次工业革命"标志性技术的3D打印技术引领时代潮流，快速进入到各个研究领域，从工业设计、航空航天到医疗等各大领域均已出现3D打印的足迹，这对传统的社会生产将产生巨大的冲击，成为改变未来世界的创造性科技。同样，3D打印技术与混凝土技术相结合的3D打印混凝土技术，是混凝土行业发展的一大机遇，3D打印混凝土技术将成为混凝土行业发展的一个重要方向。

混凝土材料是当今社会最为重要的土木工程材料之一，为人类社会的发展与建设做出了不可估量的贡献，而随着社会科学技术的发展，混凝土在生产应用过程中的高能耗、高污染等问题逐渐凸显，成为制约混凝土材料发展的一大阻力。为适应社会可持续发展的需要，混凝土本身性能逐渐向高强度、高性能等方向发展，同时，新技术的出现也为混凝土的可持续发展提供了新的方向。

3D打印混凝土技术
3D打印混凝土技术是在3D打印技术的基础上发展起来的应用于混凝土施工的新技术，其主要工作原理是将配置好的混凝土浆体通过挤出装置，在三维软件的控制下，按照预先设置好的打印程序，由喷嘴挤出进行打印，最终得到设计的混凝土构件。3D打印混凝土技术在打印过程中，无需传统混凝土成型过程中的支模过程，是一种最新的混凝土无模成型技术。2012年，英国拉夫堡大学的研究者研发出新型的混凝土3D打印技术，3D打印机械在计算机软件的控制下，使用具有高度可控制挤压性的水泥基浆体材料，完成精确定位混凝土面板和墙体中孔洞的打印，实现了超复杂的大尺寸建筑构件的设计制作，为外形独特的混凝土建筑打开了一扇大门。

1.3D打印混凝土
随着3D打印混凝土技术的出现，普通混凝土已无法满足其技术的需要，对混凝土的性能提出了进一步的要求，分别体现在对新拌混凝土的施工性能和硬化混凝土的力学性能及耐久性，英国拉夫堡大学的T.T.Le等人对此进行了相关的研究。对于新拌的混凝土浆体，为满足3D打印的要求，必须达到特定的性能要求。首先是可挤出性，在3D打印混凝土技术中，混凝土浆体通过挤出装置前端的喷嘴挤出进行打印，因此配置浆体中颗粒大小要由喷嘴口的大小决定，并需严格控制，杜绝大颗粒集料的出现，在打印过程中不致堵塞，以保证浆体顺利挤出。

其次，混凝土浆体要具有较好的粘聚性，一方面，较好的粘聚性可以保证混凝土在通过喷嘴挤出的过程中，不会因浆体自身性能的原因出现间断，避免打印遗漏;另一方面，3D打印是由层层累加而得到最终的产品，因此，层与层之间的结合属于3D打印混凝土的薄弱环节，是影响硬化性能的重要因素，而较好的粘聚性可以在最大程度上削弱打印层负面的影响。最后，可挤出性和粘聚性尽可以保证前期的打印和硬化后的性能，却难以保证打印的全程可以顺利进行。在3D混凝土打印的过程中，必须要求已打印完成的部分状态保持良好，不会出现坍塌、倾斜等中断打印施工的现象，这就对混凝土浆体的可建造性提出了要求。

3D打印混凝土技术同样会对硬化混凝土的性能产生较大影响。在打印过程中，混凝土呈条状挤出成型，条与条之间的粘结问题是决定硬化打印混凝土孔结构的重要因素，较差的粘聚性会导致打印混凝土结构内部出现大而多的孔隙，亦必将对混凝土的耐久性有重大影响;对强度而言，使用打印技术会造成混凝土强度的损失，导致打印混凝土的强度低于同种配比的模成型混凝土，同时，打印也会使混凝土的强度出现各项异性的特点，强度的高低由打印的方向所决定;此外，水中养护对打印混凝土的性能也有较大的影响，这一点在其他研究者的研究中也得到证实，主要原因在于水中养护会对打印混凝土的微观结构有一定的改善作用，填充打印混凝土在打印过程中造成的孔隙，从而改善打印混凝土的各项性能。

2.3D打印混凝土的施工
随着3D打印混凝土出现在研究者的视野中，3D打印建筑也随之产生。意大利研究者EnricoDini发明了世界首台大型建筑3D打印机，这台打印机的底部有数百个喷嘴，可喷射出镁质黏合物，在黏合物上喷撒砂子可逐渐铸成石质固体，通过一层层地黏合物和砂子结合，最终形成石质建筑物，并成功使用建筑材料打印出高4米的建筑物。在此基础上，他与荷兰建筑师JanjaapRuijssenaars一同合作，欲用此3D建筑打印机打印建设一座"莫比乌斯环"状的建筑物，用以参加欧洲的3D打印比赛，这是3D打印混凝土技术在建筑行业的大胆实践。近日，上海青浦出现一批3D打印房屋，其研发者马义和使用回收的建筑垃圾与玻璃纤维作为打印原料，采用自行设计的组装打印机械在24小时内完成了10幢200平方米建筑的"打印"，但其使用的材料与结构的承载力、耐久性仍值得考虑。

之前荷兰的一家建筑企业也已着手进行一栋大楼的打印，其施工主要是通过将3D打印机打印出来的预制件像积木一样垒起来，以此来完成打印。在3D打印混凝土的打印过程中，是混凝土条层层堆积的过程，不可避免地会在打印构件的表面上出现台阶效应，其表面粗糙不平，不仅影响美观，还可能导致精度的误差，从图6中可以明显看出，打印的构件表面存在横向的条纹，层次较为明显，表面平整度有待美化。而为了处理这类问题，通常使用两种方法：一是缩小打印喷嘴的口径，降低台阶的高度，这种方法会降低打印的速度，影响施工效率，同时并不能保证表面达到理想的平整度;二是在成型后进行后续抹平处理，此方法需进行重复工作，费时费力。为解决3D打印建筑施工过程中的这些问题，美国南加州大学的BehrokhKhoshnevis教授提出轮廓建筑工艺(ContourCrafting)。轮廓建筑工艺是使用3D打印技术进行建筑建造的一种工艺，包括轮廓打印系统(Extrusionsystem)和内部填充系统(Fillingsystem)两部分，其原理是先进行外部轮廓的打印，之后向内部填充材料，形成混凝土构件。

轮廓建筑工艺最大的特点是：在喷嘴上加入泥刀，泥刀保证在打印建筑的同时可以进行表面的平整，很好地解决3D打印表面不平整的问题。此外，轮廓建筑工艺可以在3D打印建筑的同时，实现混凝土构件中配筋，还可以进一步尝试高层建筑的打印建设。以3D打印技术为基础，加入泥刀的轮廓建筑工艺具有较多的优点，一方面在打印的同时进行建筑物表面的平整，提高了打印建筑表面的光滑度与精确度，避免重复施工;同时，还可以加大每层打印的厚度，提高建筑物的建造效率，可在24小时内打印完成一栋2500平方英尺的房子。此外，打印设计中填充系统的存在，可以根据需要进行内部材料的填充，在很大程度上提高打印建筑的结构性能。