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分析3D打印混凝土技术的发展

http://www.printing.hc360.com2017年03月07日09:31 来源:南极熊T|T

    3D打印技术是混凝土行业发展的一大机遇,3D打印混凝土技术也成为混凝土行业发展的一个重要方向。而中国在这方面有着很大的优势,本站之前对建筑3D打印机有过大幅的报道,例如上海盈创、北京通州的北京市华商腾达工贸有限公司等,还有甘肃的农民伯伯也自己造出了建筑3D打印机。接下来小编简单介绍一下国内外3D打印混凝土技术与其材料、施工的发展现状与最新进展,和3D打印混凝土技术目前存在的技术难题,并对3D打印混凝土技术的未来进行展望,提出可能的研究方向。

    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,必将是混凝土发展历程上一次重大的转折点。小编将以3D打印技术为出发点,介绍3D打印混凝土技术的发展现状与对建筑行业的贡献,并结合对3D打印混凝土技术的认识与存在的问题,展望3D打印混凝土技术未来的前景与研究趋势。

    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。

    

    图13D打印技术原理图

    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(如图2(a)所示)。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(如图2(b)所示)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。

    图23D打印混凝土技术示意图(a)、打印机械(b)

    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(如图3所示)。

    图33D打印混凝土打印效果图

    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(如图4(中)所示),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[7],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。

   

    图4成型方法对混凝土孔结构的影响(左为模成型,中、右为打印成型)

责任编辑:王长会

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