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快硬早强混凝土3D打印施工方法及应用
蔺喜强，张涛，霍亮，张楠，李国友，戢文占，王宝华
中国建筑股份有限公司技术中心，北京，101300
摘要：建筑3D打印技术对混凝土的性能要求主要是快硬早强。本文结合实际3D印混凝土应用技术，对适合于建筑3D打印的快硬早强混凝土的工作性能和凝结时间，力学性能提出了参数指标。通过研究混凝土的3D打印工艺、配合比设计和施工流程，对3D打印混凝土的施工方法进行了阐述。利用工业型3D打印机实现快硬早强打印混凝土在建筑构件、房屋的打印应用。
关键词：快硬早强，3D打印混凝土，施工方法，应用
1．前言
近年来，3D打印技术在机械制造、航空、医疗等领域得到广泛的应用，并且逐渐拓展至建筑领域[1-5]。3D打印技术能够有效解决建筑传统施工中存在的手工作业多、模板用量大、复杂造型难以实现等问题，并且在建筑个性化设计、智能化建造等方面具有显著优势[6-7]。
针对如何利用常规材料和设备实现建筑的3D打印，中国建筑股份有限公司技术中心在混凝土工作性调整、凝结时间控制、制备、输送设备、布料打印系统等技术方面开展了深入研究，形成了建筑3D打印材料及应用技术，成功应用于多个建筑构件、异型部品的制备[8]。
快硬早强混凝土3D打印是基于计算机智能控制实现建筑构件及建筑的免模板施工工艺[9]。混凝土3D打印具有以下特点：智能化：采用建筑构件及建筑的设计数字化模型技术，实现高精度连续分层布料。免模板：采用触变性好、凝结时间可控和强度发展快的混凝土，实现无模板布料逐层堆叠成型。省工节材：施工过程中用工成本低、材料损耗少、产生垃圾少、粉尘少。混凝土3D打印施工方法适用于形式各异、复杂造型的景观部品、建筑构件以及建筑的3D打印。
2．工艺原理及流程
快硬早强混凝土3D打印工艺原理是将建筑的图形设计模型转化成三维的打印路径，利用打印系统将凝结时间短、强度发展快的混凝土精确分层布料，逐层叠加累积成型，实现免模板施工。打印系统由混凝土输料系统、混凝土布料系统、打印路径控制系统组成。三个系统在计算机控制下协同工作，实现施工过程的智能化。
混凝土3D打印施工工艺主要分为5个步骤：混凝土配合比设计-混凝土制备-混凝土输送-布料打印成型-成品养护。其中混凝土配合比设计在满足结构设计对混凝土强度、耐久性要求的基础上主要对打印混凝土凝结时间和工作性能的控制，使其满足构件的打印速度要求即可。布料打印成型主要是由输料智能控制、布料智能控制和打印路径控制三部分组成。
3. 打印混凝土配合比设计与制备
3.1 打印混凝土配合比设计
（1）混凝土技术指标要求如表1所示
（2）配合比设计
混凝土的配合比设计参数可按如下进行选择：
1）胶凝材总用量为800~900kg/m3；2) 胶凝材料与骨料体积比宜采用45︰55；3)水胶比宜为0.38~0.42；4) 外加剂掺量根据工作性和凝结时间需经过试验调整确定。经过试配、性能测试结果选定基准配比，再通过打印试验验证配比的可行性后确定最终配合比。
（3）原材料质量要求
原材料除应符合《混凝土结构施工质量验收规范》（GB50204-2015）的相关条文的要求外，还应满足以下要求：水泥：采用强度等级不低于42.5的普通硅酸盐水泥或者硫铝酸盐水泥等特种水泥；骨料：采用连续级配砂和细石骨料，细石骨料最大粒径10mm，砂、石含泥量应小于1%。纤维：采用长度6-9mm聚丙烯纤维或聚乙烯醇纤维。外加剂：针对不同的水泥品种选用适宜的调节流动性和凝结时间功能的外加剂，为便于使用宜采用粉剂。
3.2 打印混凝土的制备
（1）制备工艺
混凝土的搅拌宜采用强制式搅拌机；搅拌时投料顺序为：骨料→胶凝材料→纤维→外加剂，搅拌30s干料混合均匀后加水，继续搅拌150s后出料。原材料应计量准确，计量允许偏差：胶凝材料±1%、骨料±2%、水和外加剂±1%。混凝土制备后应尽快打印成型，宜在30min内使用完。
（2）混凝土输送
输送设备采用螺杆泵。无粗骨料的混凝土输送用砂浆螺杆泵，细石混凝土输送用细石螺杆泵。输送前应用同配比砂浆润湿输送设备及输送管路，并检查管路连接的密封性。
管路布置应结合打印部品特点、现场条件、布料形式等因素合理布置。
（3）布料打印成型
布料打印前，确定打印路径。设定布料速度和布料厚度，布料速度一般取100mm/s ~300mm/s，布料厚度10mm~20mm。检查打印系统线路连接，确保打印系统正常。打印应连续进行。因故暂停时间超过30min时，应及时清理管路中的混凝土。图2所示为打印成型过程。打印完成后，要及时疏通、清理输送设备，管路以及打印头，清理打印现场，做到活完场清。
4）成品养护
打印完成的部品、构件一般采用覆膜喷水养护7天，然后自然养护至28d后即可使用。减少水化早期干缩，有效控制打印混凝土的开裂。如图3所示。
4.建筑3D打印机
4.1 打印机的结构
能使布料打印头按打印路径在3维空间移动的设备及控制系统。该设备的典型形式包括：笛卡尔直角坐标结构形式、极坐标布料机结构形式和关节式机械手臂结构形式。图4为典型的直角坐打印机标结构形式。
4.2布料打印头及控制软件
混凝土3D打印布料头一般宜采用螺杆挤出的形式，具有挤出均匀，无脉冲的特点，能够实现墙体打印的平整性。图5为打印头形式。
建筑3D打印控制软件主要实现输料智能控制、布料智能控制和打印路径控制。有别于树脂类小型3D打印机控制软件，其涉及机械设备、自动化控制、软件开发等多个专业技术领域。图6为中建技术中心自主开发的建筑3D打印控制软件。
5. 快硬早强打印混凝土的应用技术
5.1 3D打印干混料生产应用技术
建筑3D打印材料生产技术关系到材料的应用方法、施工的组织管理和对泵送机械设备的要求。所以根据材料的特性，制定有效的工业化生产方法对建筑3D打印技术的推广至关重要。根据开发的水泥基3D打印材料的原材料和性能特点，从以下两个方面提出生产制备方案。
考虑到建筑3D打印材料在实际应用方面的需求，开发的两种水泥基的3D打印材料中除拌合水以外，其他的原材料和外加剂都是采用粉体材料。可以利用工业化干粉砂浆设备，将细骨料、水泥和外加剂等原材料按配比精确称量混匀后，以固定包装形式提供使用，现场加水搅拌即可使用。
相对于在施工现场配制材料，采取以干粉砂浆生产具有以下优势:（1）品质稳定可靠，可以满足不同的功能和性能需求，提高工程质量；（2）材料产品化，有利于长距离运输；（3）有利于自动化施工机具的应用，提高建筑3D打印的效率，并且使用方便。
5.2 3D打印混凝土的应用
1）打印建成设备控制室，控制室尺寸长3m×宽2.5m×高2.4m，混凝土用量2m3，利用4名工人，用时12小时完成。混凝土1m3材料用量。施工效果良好，施工效率提高30%，综合成本降低20%。
2）混凝土3D打印墙体、空心柱，墙体尺寸长3m×宽2m×高2.2m，柱子直径0.9米，高3.5米，混凝土用量3m3。打印中布料速度100mm/s，挤出宽度50mm，每层打印厚度12mm，打印效果良好。
3)其它构件的打印
3D打印空心柱体，柱体直径0.9m，高度3.5米，混凝土用量1m3。整体高度为2.5h，连续打印完成。打印混凝土具有快硬早强特点，连续打印施工性能良好。打印布料速度100mm/s，宽度8cm。
3D打印异形部品，部品尺寸长3m×宽1.5m×高0.5m。打印时布料速度100mm/s，挤出宽度40mm，每层打印厚度10mm，部品线条顺畅，外观效果良好。
3D打印桁架式墙体构件，墙体构件强度达到40-50MPa。
5.3展望
建筑3D打印技术是集设备、机电控制、混凝土新材料、施工技术于一体的综合技术。目前，建筑3D打印技术在我国尽管属于刚起步阶段，但是随着2016年8月住建部《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》“积极开展建筑业3D打印设备及材料的研究，探索3D打印技术运用于建筑部品、构件生产，开展示范应用”等国家政策的出台及支持，以及各个大学、研究单位和企业通过3D打印混凝土、建筑3D打印设备开发等相关项目的不断研究和应用探索，3D打印技术在建工工程、和基础建设等领域会不断得到应用。随着这项技术的不断成熟相信在未来快硬早强混凝土3D打印技术在打印建筑免拆模板，异形曲面的建筑墙体，城市家具，低层房屋建筑等很多领域都会得到广泛应用，它与传统建造技术相互结合、相互补充，推进建造技术的快速进步。
6.结论
（1）混凝土3D打印施工工艺主要步骤分为混凝土配合比设计、混凝土制备、混凝土输送、布料打印成型、成品养护。
（2）采用3D打印技术进行建筑部品、构件的打印，免除模板，减少人力成本；其优点在于不需要搭建混凝土浇筑模板即可打印建筑构件或者建筑，打印系统的智能化和操作流程的简单化，打印施工时只需配置少量人员即可完成建筑部品或建筑的施工。
（3）打印混凝土的工作性能和凝结时间控制为材料可打印施工的关键指标，打印混凝土的工作性能和凝结时间根据3D打印工艺流程和打印速度调节至适合于打印，初凝时间在20min-60min，砂浆流动度170-190mm,强度等级C40-C50，可满足一般的建筑部品或构件的打印需求。
参考文献：
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