1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

水泥基3D打印材料综述

班级：材实验1301 姓名：郑苗苗 学号：1102130207

摘要:3D 打印是近年来发展起来的高新技术，已在机械制造等行业取得很大成功，近几年一些学者开始探索3D打印技术在传统建筑行业中的应用。建筑行业一直是高能耗、高排放行业，3D 打印技术的推广必将减少能源资源的消耗和环境负荷^[1]。水泥基3D打印材料主要原料是指快硬硫铝酸盐水泥和矿物掺合料组成的复合胶凝材料以及尾矿机制砂，通过添加复合调凝剂和复合体积稳定剂等制备而成，可直接泵入建筑用 3D 打印机中应用于施工。试验结果表明制备的 3D 打印材料具有下述特点：早期强度高，后期强度发展稳定^[12]。

关键词:3D打印材料；凝结时间；强度

0 前言

3D 打印技术又叫增材制造技术，起源于美国，并随着计算机技术、激光技术和新材料技术的发展，在 20 世纪 90 年代后期得到快速发展。按照成型工艺的不同，增材制造技术可分为光固化（SL）、激光烧结（LS）、三维打印（3DP）、熔融沉积制造（FDM）和分层实体制造（LOM）等^[3]。不同的制造工艺对于成型精度和材料的选择也不同，如光固化制造的分辨率可达到2 μm，可选择的材料有光敏聚合物、锆钛酸铅和碳化钨等金属材料。总的来说，目前可用于3D打印材料已经囊括了塑料、树脂、金属粉末和陶瓷粉末等几十上百种有机或无机金属或非金属材料^[2]。

和传统工艺相比，增材制造的主要优势有：（1）复杂结构的快速制造；（2）支持个性化定制；（3）极端苛刻条件下的制造。极端苛刻条件是指普通制造工艺不适用的或外部环境给人的活动造成困难的环境，如失重的环境或者极端严寒环境，在这些环境下，传统的制造或建造工艺不能满足生产的要求。

1 3D打印在建筑技术中的发展

3D打印技术在珠宝、鞋类、工业设计、汽车、航空航天、医疗、军工以及其他领域都有应用，该技术同样引发了建筑行业的追捧的热潮。3D 打印建筑技术与传统建筑相比，其优势在于：速度快，不需要使用模板，可以大幅节约成本；不需要数量庞大的建筑工人，大大提高了生产效率；可以非常容易地打印出其他方式很难建造的高成本曲线建筑；具有低碳、绿色、环保的特点。3D 打印建筑技术可能改变建筑业的发展方向，对环保、建筑业、预拌混凝土行业带来的改变是显而易见^[5]。

2012 年 1 月，美国航天局（NASA）出资与美国南加州大学合作，最新研发出”轮廓工艺”3D 打印技术。2013 年 1 月，荷兰设计师 Janjaap Ruijssenaars 计划采用 3D 打印技术建造仿莫比乌斯环的 3D 打印房屋。2013 年 1 月，欧洲航天局已着手同建筑公司 Forster Parterners 联手研发在月球打印一座空间站的项目。计划利用月球现成的土壤及其他材料通过 3D 打印技术将其制成建筑材料，进而完成空间站的建设。2013 年 2 月，英国设计师 Softkill Design 正着手使用 3D 打印技术以纤维尼龙为结构材料建造大批量民用住房。2013 年 3 月，荷兰公司 DAS 的建筑师建造了打印机，号称将建造”第一”的 3D 打印运河屋。2014 年1月，实现了3D 打印运河屋组件的实际三维打印，预计将用三年时间完成组装。2013 年 1 月，中国上海盈创公司利用高强度等级水泥和玻璃纤维复合制造了首批 3D 打印建筑，引发国内外多方关注。2015 年 2 月，它又在苏州工业园区展示 3D 打印了一栋面积 1100 m² 的别墅和一栋 6 层居民楼^[16]。

2 建筑3D打印材料研究现状

目前 3D 打印材料主要分成四种类型，塑料，金属，陶瓷，蜡等。这些 3D 打印材料具有成本差异大并且有特定应用的需求。塑料材料的应用，如消费者印刷和几个行业，消费者产品的制造用途。金属在高端行业，如航空航天与国防，汽车，医疗及牙科等；陶瓷使用在家居装饰用途；蜡等用在艺术和雕塑等领域。在这 4 种材料中，最有可能在建筑3D打印中的应用的是第一种塑料类有机材料的。但是如果利用光聚合物，ABS，PLA，尼龙等热塑性材料添加纤维后制成，这些有机材料在高温下熔融状态下进行打印，逐层沉积固化，容易发生氧化分解等化学反应，制备和施工过程放出难闻的有毒气体，对环境和人体造成危害；此外，有机材料对打印条件要求高，成本高，力学性能差，用有机材料成型的建筑宜居性差，一定程度上限制了建筑 3D打印技术的应用。

现有的一般混凝土材料凝结时间长，通常的初凝时间6-10 h，终凝时间 24 h 左右，不能满足3D打印过程中材料在短时间内快速凝结的性能要求；且一般呈流动性，无法满足3D打印过程中的竖直堆积性能，所以无法作为3D打印材料使用^[9]。笔者研究提供了一种适合建筑 3D 打印使用的水泥基复合材料，解决现有技术中用于3D打印技术的材料多为有机材料的问题；还解决现有普通水泥基材料凝结时间长且一般呈流动性、没有触变性能、不适用于3D打印过程的技术问题。

3 水泥基建筑 3D 打印使用原材料要求

3D 打印混凝土建造完毕后建筑虽然不需要内置布置钢结构进行加固质，但其质地类似于大理石等物质，较传统混凝土具有更高的强度。由此不难看出，普通水泥混凝土已经很难满足其技术要求，因此对混凝土性能提出来更高的要求，以适应 3D 打印建筑技术的需要。为满足 3D 打印建筑的需求，混凝土拌合物必须达到特定的要求,以下从混凝土的组成进行分析。

首先，普通硅酸盐水泥在强度，凝结时间等方面可能无法达到 3D 打印的要求，需在此基础上做进一步的研究。如改变水泥组成中的矿物组成、熟料的细度等。如采用硫铝酸盐水泥或者铝酸盐改性硅酸盐水泥等获得更快的凝结时间和更好的早期强度等。如图所示水泥为河北唐山北极熊42.5R快硬硫铝酸盐水泥，性能参数见表 1、2^[14]。

其次，3D 打印是通过喷嘴来实现的。喷嘴的大小决定了混凝土拌合物配制中的颗粒大小，并且必须找到最合适的骨料粒径大小。骨料粒径过大，堵塞喷嘴; 粒径过小，包裹骨料所需浆体的比表面积大，浆体多，水化速率快，单位时间水化热高，将会导致混凝土各项性能的恶化。

再次，配制的混凝土拌合物要有合适的配合比，由于作为满足 3D 打印的原料新型混凝土已经不同于传统的混凝土，其各项性能发生了很大的变化，不能由传统的水胶比、砂率等所能决定，其基本性能发生巨大改变。目前与混凝土相关的理论，如强度、耐久性、水化作用等^[6]，均不能很好的满足3D打印混凝土的要求。为使打印混凝土获得理想的状态，如高强度，好耐久性，良好的拌合性能，合适的凝固时间，良好的工作性、可泵性和可建筑性，需要从新的角度去完善理论。最后，外加剂是现代混凝土必不可少的组分之一，是混凝土改性的一种重要方法和技术^[7-11]。3D 打印混凝土必须具备更好的流变性以便于挤出且能在空气中迅速凝结防止由于自身重力破坏打印混凝土的结构，并且骨料的最大粒径会变得更小以及其形貌更接近圆形，从而导致级配也将变的更加复杂，最终还需要解决各层之间凝结问题，这就需要新型外加剂来解决。从材料流变学的角度考虑，3D打印混凝土应该具有较高的塑性粘度、较低的极限剪切应力，如此它不具有流淌性却具有好的可塑性，同时应有较快的凝结时间和较高的早期强度。

除此之外，还应该考虑配合比对于打印混凝土的收缩率的影响以及孔隙结构对于打印混凝土的影响。例如，Le 等^[7]研究表明: 低的水胶比和粉煤灰比例有助于降低打印过程的收缩率; 小的孔隙结构可以提高打印混凝土的品质。在此基础上，打印混凝土的可浇筑性和挤出性受到混凝土的和易性和凝结时间的影响。在 3D 混凝土打印过程中还必须保证打印完成部分的完整性，不会由于自身的重力因素而出现塌落，倾斜等变形现象，这就要求其具有良好的可塑性，凝固时间短，早期强度高，能够承受自身重量和打印过程中的动载荷，使下一层打印胶结不受影响^[14-16]。

4 水泥基3D打印材料展望

随着科技的发展，愿意从事一线体力劳动的人员越来越少，作为劳动力密集的水泥建筑行业将迎来一次巨大的挑战，而结合了3D 打印技术的3D 打印水泥技术的出现，无疑是一大福音，具有十分广阔的发展前景。3D 打印水泥技术在建造过程中取消了支模拆模的繁琐程序，在很大程度上简化了施工的过程，使得施工速率可以提高到10倍以上，而且还可以实现混凝土的充分利用，降低水泥的使用量，更可以提高建筑物的服役寿命，降低建筑垃圾的产生，减少重复建设，同时，3D 打印机械仅需要数名技术人员的控制，减少了施工人员的数量，正符合当今社会的发展趋势。此外3D打印水泥技术可以实现各种形状建筑的打印，对环境的要求较小,可将其应用于外太空的探索，迅速完成太空基地的建设^[17]。

目前，3D打印水泥技术处于发展起步阶段，材料科学是3D 技术发展过程中重要的环节，如何让材料更好地为3D打印技术服务，是材料工作者和研究人员需要思考的问题。当前其成熟度和材料耐久性问题是制约3D 打印应用中的主要问题，这方面的研究处于起步阶段，故材料的水化机理、改性技术的研究是解决这些问题的关键^[19,20]。

参考文献

[1] Pegna J. Exploratory investigation of solid freeform construction[J]. Automation in construction, 1997, 5(5): 427-437.

[2] 王子明, 刘玮. 3D打印技术及其在建筑领域的应用[J]. 混凝土世界, 2015(1):50-57.

[3] Cesaretti G, Dini E, Kestelier X D, et al. Building components for an outpost on the Lunar soil by means of a novel 3D printing technology[J]. Acta Astronautica, 2014, 93(1):430-450.

[4] Kading B, Straub J. Utilizing in-situ resources and 3D printing structures for a manned Mars mission[J]. Acta Astronautica, 2014, 107:317-326.

[5] Perrot A, Rangeard D, Pierre A. Structural built-up of cement-based materials used for 3D-printing extrusion techniques[J]. Materials and Structures, 2016, 49(4):1-8.

[6] Zocca A, Colombo P, Gomes C M, et al. Additive Manufacturing of Ceramics: Issues, Potentialities,and Opportunities[J]. Journal of the American Ceramic Society, 2015, 98(7):1983#8211;2001.

[7] Le T T, Austin S A, Lim S, et al. Hardened properties of high-performance printing concrete[J]. Cement amp; Concrete Research, 2012, 42(3):558-566.

[8] Rouhana C, Hamzeh F, Aoun M, et al. The Reduction of Construction Duration by Implementing Contour Crafting (3D Printing)[C].International Group for Lean Construction, Iglc. 2014:1031-1042.

[9] Gosselin C, Duballet R, Roux P, et al. Large-scale 3D printing of ultra-high performance concrete #8211; a new processing route for architects and builders[J]. Materials amp; Design, 2016, 100:102-109.

[10] Su H, Xu J, Ren W. Experimental study on the dynamic compressive mechanical properties of concrete at elevated temperature[J]. Materials amp; Design, 2014, 56(4):579-588.

[11] Lim S, Buswell R A, Le T T, et al. Developments in construction-scale additive manufacturing processes[J]. Automation in Construction, 2011, 21(1):262-268.

[12] 王康, 黄筱调, 袁鸿. 3D打印技术最新进展[J]. 机械设计与制造工程, 2015, 44(10):1-6.

[13] 范诗建, 杜骁, 陈兵. 磷酸盐水泥在3D打印技术中的应用研究[J]. 新型建筑材料, 2015, 42(1):1-4.

[14] 蔺喜强, 张涛, 霍亮,等. 水泥基建筑3D打印材料的制备及应用研究[J]. 混凝土, 2016(6):141-144.

[15] 蔺喜强, 张涛, 霍亮,等. 水泥基建筑3D打印材料的关键技术及应用研究[C]. 全国特种混凝土技术. 2015.

[16] 张大旺, 王栋民. 3D打印混凝土材料及混凝土建筑技术进展[J]. 硅酸盐通报, 2015(6):1583-1588.

[17] 马敬畏, 蒋正武, 苏宇峰. 3D打印混凝土技术的发展与展望[J]. 混凝土世界, 2014(7):41-46.

[18] Gibbons G J, Williams R, Purnell P, et al. 3D Printing of cement composites[J]. British Ceramic Transactions, 2010, 109(5):287-290.

[19] 李福平, 邓春林, 万晶. 3D打印建筑技术与商品混凝土行业展望[J]. 混凝土世界, 2013(3):28-29.

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本课题主要针对水泥材料在3D打印中的应用进行研究，探讨水泥材料在3D打印技术中应用的可行性。

通过水泥胶凝体系、功能性外加剂（如调凝剂、稠化剂等）的选择，对胶凝材料凝结时间、稠度等的精准调控等，实现水泥浆体的高质量挤出式3D打印；其次在满足3D打印水泥制品宏观结构前提下，通过胶凝体系、集料配合比设计和优化，使得制品具有一定的力学性能和以满足水泥3D技术在建筑中的应用。