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建筑3D打印材料设计

发布日期:2018-08-11 0 1293

建筑3D打印是一种革新的建造方式,也被称为无约束的建造方式。与传统方式相比,这种方式适合建造几何形状复杂的构件,且不需要模板。目前,该技术多通过建模软件将构造物逐层分解为无数个二维图层。依照数据输出到打印机内,控制水泥基材料的挤出,来打印建筑部件。此模式下每个二维图层的建造都是由挤出成丝状的材料连续不断地堆积完整的3D部件。因此,材料需保持连续丝状,落在正确的位置且不滑移,有足够的强度支撑下一层混凝土丝,并与其保持良好的界面连接。而建造时无法进行振捣及干预,使得3D打印建筑的密实性及耐久性则依赖于丝状混凝土挤出时的一致性及图层间材料的结合效果。


因此,3D打印建筑材料性能应具备打印某一高度或尺寸图层的能力,其性能设计便不可趋同与传统建造时的性能要求,依据3D打印建造施工方式,材料性能需满足以下要求:


(1)适中的流动性、较高可挤出性


从材料流变学的角度,3D打印建筑材料应该具有较高的塑性黏度、较低的极限剪切应力。材料应可连续挤出,并必须保证打印图层不能因自重产生明显的变形。所以打印材料流动性不宜过大,保证一定堆砌高度时下层较好支撑上层打印图层,避免构件的变形甚至坍塌;打印材料流动性不宜过差,不顺利的管道输送容易造成挤出困难,打印不连续,表观效果不佳。

(2)凝结时间更短,时间可控

为保证3D打印建筑时整体建造的连续性,快速打印图层时下层材料不仅变形量小,还必须在短的时间内提供足够的支撑强度,因此材料的凝结时间应当更为迅速;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,但可通过改变水泥组成或增加促凝组分等达到设计要求。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。


同时,根据不同结构的复杂程度及施工效率的影响,材料的工作窗口时间并不固定,为避免材料过快凝结堵管或图层间无法紧密结合,材料宜对凝结硬化提供可控的调节范围。


(3)更高的力学性能、优异的耐久性能

3D打印建造方法下的层状图层叠加结构很可能先天存在密实度的缺陷,使得构造的结构强度低于传统方法和预制构件。因此,建造3D打印材料需要更高的力学强度,保证构造物满足正常使用的基础,而良好耐久性能保证在各种环境下构造物长期具有良好的实用性及外观完整性。


(4)堆砌性好,较高的层间衔接性

大部分混凝土浇筑在模具内,不需要自身提供支持,因此可建造性不是问题。而3D打印的无模建造特点使得材料无法进行振捣及压实,打印图层间的叠加效果决定了3D建造质量,所以打印丝状材料在随后的逐层叠加中产生的变形应极小,保证在凝结前的工作窗口时间段可堆砌较高的图层数量。另外,打印材料逐层堆积时衔接效果直接影响到打印建筑的各方面性能。下层的丝状材料与上层丝状材料应紧密结合,避免层间空隙对构件产生影响。



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