近年來，作為“第三次工業(yè)革命”標(biāo)志性技術(shù)的3D打印技術(shù)引領(lǐng)時(shí)代潮流，快速進(jìn)入到各個(gè)研究領(lǐng)域，從工業(yè)設(shè)計(jì)、航空航天到醫(yī)療等各大領(lǐng)域均已出現(xiàn)3D打印的足跡，這對(duì)傳統(tǒng)的社會(huì)生產(chǎn)將產(chǎn)生巨大的沖擊，成為改變未來世界的創(chuàng)造性科技。同樣，3D打印技術(shù)與混凝土技術(shù)相結(jié)合的3D打印混凝土技術(shù)，是混凝土行業(yè)發(fā)展的一大機(jī)遇，3D打印混凝土技術(shù)將成為混凝土行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。
混凝土材料是當(dāng)今社會(huì)最為重要的土木工程材料之一，為人類社會(huì)的發(fā)展與建設(shè)做出了不可估量的貢獻(xiàn)，而隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，混凝土在生產(chǎn)應(yīng)用過程中的高能耗、高污染等問題逐漸凸顯，成為制約混凝土材料發(fā)展的一大阻力。為適應(yīng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要，混凝土本身性能逐漸向高強(qiáng)度、高性能等方向發(fā)展，同時(shí)，新技術(shù)的出現(xiàn)也為混凝土的可持續(xù)發(fā)展提供了新的方向。
3D打印混凝土技術(shù)
3D打印混凝土技術(shù)是在3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的應(yīng)用于混凝土施工的新技術(shù)，其主要工作原理是將配置好的混凝土漿體通過擠出裝置，在三維軟件的控制下，按照預(yù)先設(shè)置好的打印程序，由噴嘴擠出進(jìn)行打印，最終得到設(shè)計(jì)的混凝土構(gòu)件。3D打印混凝土技術(shù)在打印過程中，無需傳統(tǒng)混凝土成型過程中的支模過程，是一種最新的混凝土無模成型技術(shù)。2012年，英國拉夫堡大學(xué)的研究者研發(fā)出新型的混凝土3D打印技術(shù)，3D打印機(jī)械在計(jì)算機(jī)軟件的控制下，使用具有高度可控制擠壓性的水泥基漿體材料，完成精確定位混凝土面板和墻體中孔洞的打印，實(shí)現(xiàn)了超復(fù)雜的大尺寸建筑構(gòu)件的設(shè)計(jì)制作，為外形獨(dú)特的混凝土建筑打開了一扇大門。
1.3D打印混凝土
隨著3D打印混凝土技術(shù)的出現(xiàn)，普通混凝土已無法滿足其技術(shù)的需要，對(duì)混凝土的性能提出了進(jìn)一步的要求，分別體現(xiàn)在對(duì)新拌混凝土的施工性能和硬化混凝土的力學(xué)性能及耐久性，英國拉夫堡大學(xué)的T.T.Le等人對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)的研究。對(duì)于新拌的混凝土漿體，為滿足3D打印的要求，必須達(dá)到特定的性能要求。首先是可擠出性，在3D打印混凝土技術(shù)中，混凝土漿體通過擠出裝置前端的噴嘴擠出進(jìn)行打印，因此配置漿體中顆粒大小要由噴嘴口的大小決定，并需嚴(yán)格控制，杜絕大顆粒集料的出現(xiàn)，在打印過程中不致堵塞，以保證漿體順利擠出。
其次，混凝土漿體要具有較好的粘聚性，一方面，較好的粘聚性可以保證混凝土在通過噴嘴擠出的過程中，不會(huì)因漿體自身性能的原因出現(xiàn)間斷，避免打印遺漏;另一方面，3D打印是由層層累加而得到最終的產(chǎn)品，因此，層與層之間的結(jié)合屬于3D打印混凝土的薄弱環(huán)節(jié)，是影響硬化性能的重要因素，而較好的粘聚性可以在最大程度上削弱打印層負(fù)面的影響。最后，可擠出性和粘聚性盡可以保證前期的打印和硬化后的性能，卻難以保證打印的全程可以順利進(jìn)行。在3D混凝土打印的過程中，必須要求已打印完成的部分狀態(tài)保持良好，不會(huì)出現(xiàn)坍塌、傾斜等中斷打印施工的現(xiàn)象，這就對(duì)混凝土漿體的可建造性提出了要求。
3D打印混凝土技術(shù)同樣會(huì)對(duì)硬化混凝土的性能產(chǎn)生較大影響。在打印過程中，混凝土呈條狀擠出成型，條與條之間的粘結(jié)問題是決定硬化打印混凝土孔結(jié)構(gòu)的重要因素，較差的粘聚性會(huì)導(dǎo)致打印混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)大而多的孔隙，亦必將對(duì)混凝土的耐久性有重大影響;對(duì)強(qiáng)度而言，使用打印技術(shù)會(huì)造成混凝土強(qiáng)度的損失，導(dǎo)致打印混凝土的強(qiáng)度低于同種配比的模成型混凝土，同時(shí)，打印也會(huì)使混凝土的強(qiáng)度出現(xiàn)各項(xiàng)異性的特點(diǎn)，強(qiáng)度的高低由打印的方向所決定;此外，水中養(yǎng)護(hù)對(duì)打印混凝土的性能也有較大的影響，這一點(diǎn)在其他研究者的研究中也得到證實(shí)，主要原因在于水中養(yǎng)護(hù)會(huì)對(duì)打印混凝土的微觀結(jié)構(gòu)有一定的改善作用，填充打印混凝土在打印過程中造成的孔隙，從而改善打印混凝土的各項(xiàng)性能。
2.3D打印混凝土的施工
隨著3D打印混凝土出現(xiàn)在研究者的視野中，3D打印建筑也隨之產(chǎn)生。意大利研究者EnricoDini發(fā)明了世界首臺(tái)大型建筑3D打印機(jī)，這臺(tái)打印機(jī)的底部有數(shù)百個(gè)噴嘴，可噴射出鎂質(zhì)黏合物，在黏合物上噴撒砂子可逐漸鑄成石質(zhì)固體，通過一層層地黏合物和砂子結(jié)合，最終形成石質(zhì)建筑物，并成功使用建筑材料打印出高4米的建筑物。在此基礎(chǔ)上，他與荷蘭建筑師JanjaapRuijssenaars一同合作，欲用此3D建筑打印機(jī)打印建設(shè)一座“莫比烏斯環(huán)”狀的建筑物，用以參加歐洲的3D打印比賽，這是3D打印混凝土技術(shù)在建筑行業(yè)的大膽實(shí)踐。近日，上海青浦出現(xiàn)一批3D打印房屋，其研發(fā)者馬義和使用回收的建筑垃圾與玻璃纖維作為打印原料，采用自行設(shè)計(jì)的組裝打印機(jī)械在24小時(shí)內(nèi)完成了10幢200平方米建筑的“打印”，但其使用的材料與結(jié)構(gòu)的承載力、耐久性仍值得考慮。
