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快硬早強混凝土3D打印施工方法及應用
藺喜強，張濤，霍亮，張楠，李國友，戢文佔，王寶華
中國建築股份有限公司技術中心，北京，101300
摘要：建築3D打印技術對混凝土的性能要求主要是快硬早強。本文結合實際3D印混凝土應用技術，對適合於建築3D打印的快硬早強混凝土的工作性能和凝結時間，力學性能提出了參數指標。通過研究混凝土的3D打印工藝、配合比設計和施工流程，對3D打印混凝土的施工方法進行了闡述。利用工業型3D打印機實現快硬早強打印混凝土在建築構件、房屋的打印應用。
關鍵詞： 快硬早強，3D打印混凝土，施工方法，應用
1．前言
近年來，3D打印技術在機械製造、航空、醫療等領域得到廣泛的應用，並且逐漸拓展至建築領域[1-5]。3D打印技術能夠有效解決建築傳統施工中存在的手工作業多、模板用量大、複雜造型難以實現等問題，並且在建築個性化設計、智能化建造等方面具有顯著優勢[6-7]。
針對如何利用常規材料和設備實現建築的3D打印，中國建築股份有限公司技術中心在混凝土工作性調整、凝結時間控制、製備、輸送設備、布料打印系統等技術方面開展了深入研究，形成了建築3D打印材料及應用技術，成功應用於多個建築構件、異型部品的製備[8]。
快硬早強混凝土3D打印是基於計算機智能控制實現建築構件及建築的免模板施工工藝[9]。混凝土3D打印具有以下特點：智能化：採用建築構件及建築的設計數字化模型技術，實現高精度連續分層布料。免模板：採用觸變性好、凝結時間可控和強度發展快的混凝土，實現無模板布料逐層堆疊成型。省工節材：施工過程中用工成本低、材料損耗少、產生垃圾少、粉塵少。混凝土3D打印施工方法適用於形式各異、複雜造型的景觀部品、建築構件以及建築的3D打印。
2．工藝原理及流程
快硬早強混凝土3D打印工藝原理是將建築的圖形設計模型轉化成三維的打印路徑，利用打印系統將凝結時間短、強度發展快的混凝土精確分層布料，逐層疊加累積成型，實現免模板施工。打印系統由混凝土輸料系統、混凝土布料系統、打印路徑控制系統組成。三個系統在計算機控制下協同工作，實現施工過程的智能化。
混凝土3D打印施工工藝主要分為5個步驟：混凝土配合比設計-混凝土製備-混凝土輸送-布料打印成型-成品養護。其中混凝土配合比設計在滿足結構設計對混凝土強度、耐久性要求的基礎上主要對打印混凝土凝結時間和工作性能的控制，使其滿足構件的打印速度要求即可。布料打印成型主要是由輸料智能控制、布料智能控制和打印路徑控制三部分組成。
3. 打印混凝土配合比設計與製備
3.1 打印混凝土配合比設計
（1）混凝土技術指標要求如表1所示
（2）配合比設計
混凝土的配合比設計參數可按如下進行選擇：
1）膠凝材總用量為800~900kg/m3；2) 膠凝材料與骨料體積比宜採用45︰55；3)水膠比宜為0.38~0.42；4) 外加劑摻量根據工作性和凝結時間需經過試驗調整確定。經過試配、性能測試結果選定基準配比，再通過打印試驗驗證配比的可行性後確定最終配合比。
（3）原材料質量要求
原材料除應符合《混凝土結構施工質量驗收規範》（GB50204-2015）的相關條文的要求外，還應滿足以下要求：水泥：採用強度等級不低於42.5的普通硅酸鹽水泥或者硫鋁酸鹽水泥等特種水泥；骨料：採用連續級配砂和細石骨料，細石骨料最大粒徑10mm，砂、石含泥量應小於1%。纖維：採用長度6-9mm聚丙烯纖維或聚乙烯醇纖維。外加劑：針對不同的水泥品種選用適宜的調節流動性和凝結時間功能的外加劑，為便於使用宜採用粉劑。
3.2 打印混凝土的製備
（1）製備工藝
混凝土的攪拌宜採用強制式攪拌機；攪拌時投料順序為：骨料→膠凝材料→纖維→外加劑，攪拌30s乾料混合均勻後加水，繼續攪拌150s後出料。原材料應計量準確，計量允許偏差：膠凝材料±1%、骨料±2%、水和外加劑±1%。混凝土製備後應儘快打印成型，宜在30min內使用完。
（2）混凝土輸送
輸送設備採用螺桿泵。無粗骨料的混凝土輸送用砂漿螺桿泵，細石混凝土輸送用細石螺桿泵。輸送前應用同配比砂漿潤溼輸送設備及輸送管路，並檢查管路連接的密封性。
管路佈置應結合打印部品特點、現場條件、布料形式等因素合理佈置。
（3）布料打印成型
布料打印前，確定打印路徑。設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。檢查打印系統線路連接，確保打印系統正常。打印應連續進行。因故暫停時間超過30min時，應及時清理管路中的混凝土。圖2所示為打印成型過程。打印完成後，要及時疏通、清理輸送設備，管路以及打印頭，清理打印現場，做到活完場清。
4）成品養護
打印完成的部品、構件一般採用覆膜噴水養護7天，然後自然養護至28d後即可使用。減少水化早期幹縮，有效控制打印混凝土的開裂。如圖3所示。
4.建築3D打印機
4.1 打印機的結構
能使布料打印頭按打印路徑在3維空間移動的設備及控制系統。該設備的典型形式包括：笛卡爾直角座標結構形式、極座標布料機結構形式和關節式機械手臂結構形式。圖4為典型的直角坐打印機標結構形式。
4.2布料打印頭及控制軟件
混凝土3D打印布料頭一般宜採用螺桿擠出的形式，具有擠出均勻，無脈衝的特點，能夠實現牆體打印的平整性。圖5為打印頭形式。
建築3D打印控制軟件主要實現輸料智能控制、布料智能控制和打印路徑控制。有別於樹脂類小型3D打印機控制軟件，其涉及機械設備、自動化控制、軟件開發等多個專業技術領域。圖6為中建技術中心自主開發的建築3D打印控制軟件。
5. 快硬早強打印混凝土的應用技術
5.1 3D打印幹混料生產應用技術
建築3D打印材料生產技術關係到材料的應用方法、施工的組織管理和對泵送機械設備的要求。所以根據材料的特性，制定有效的工業化生產方法對建築3D打印技術的推廣至關重要。根據開發的水泥基3D打印材料的原材料和性能特點，從以下兩個方面提出生產製備方案。
考慮到建築3D打印材料在實際應用方面的需求，開發的兩種水泥基的3D打印材料中除拌合水以外，其他的原材料和外加劑都是採用粉體材料。可以利用工業化乾粉砂漿設備，將細骨料、水泥和外加劑等原材料按配比精確稱量混勻後，以固定包裝形式提供使用，現場加水攪拌即可使用。
相對於在施工現場配製材料，採取以乾粉砂漿生產具有以下優勢:（1）品質穩定可靠，可以滿足不同的功能和性能需求，提高工程質量；（2）材料產品化，有利於長距離運輸；（3）有利於自動化施工機具的應用，提高建築3D打印的效率，並且使用方便。
5.2 3D打印混凝土的應用
1）打印建成設備控制室，控制室尺寸長3m×寬2.5m×高2.4m，混凝土用量2m3，利用4名工人，用時12小時完成。混凝土1m3材料用量。施工效果良好，施工效率提高30%，綜合成本降低20%。
2）混凝土3D打印牆體、空心柱，牆體尺寸長3m×寬2m×高2.2m，柱子直徑0.9米，高3.5米，混凝土用量3m3。打印中布料速度100mm/s，擠出寬度50mm，每層打印厚度12mm，打印效果良好。
3)其它構件的打印
3D打印空心柱體，柱體直徑0.9m，高度3.5米，混凝土用量1m3。整體高度為2.5h，連續打印完成。打印混凝土具有快硬早強特點，連續打印施工性能良好。打印布料速度100mm/s，寬度8cm。
3D打印異形部品，部品尺寸長3m×寬1.5m×高0.5m。打印時布料速度100mm/s，擠出寬度40mm，每層打印厚度10mm，部品線條順暢，外觀效果良好。
3D打印桁架式牆體構件，牆體構件強度達到40-50MPa。
5.3展望
建築3D打印技術是集設備、機電控制、混凝土新材料、施工技術於一體的綜合技術。目前，建築3D打印技術在我國儘管屬於剛起步階段，但是隨著2016年8月住建部《2016-2020年建築業信息化發展綱要》“積極開展建築業3D打印設備及材料的研究，探索3D打印技術運用於建築部品、構件生產，開展示範應用”等國家政策的出臺及支持，以及各個大學、研究單位和企業通過3D打印混凝土、建築3D打印設備開發等相關項目的不斷研究和應用探索，3D打印技術在建工工程、和基礎建設等領域會不斷得到應用。隨著這項技術的不斷成熟相信在未來快硬早強混凝土3D打印技術在打印建築免拆模板，異形曲面的建築牆體，城市傢俱，低層房屋建築等很多領域都會得到廣泛應用，它與傳統建造技術相互結合、相互補充，推進建造技術的快速進步。
6.結論
（1）混凝土3D打印施工工藝主要步驟分為混凝土配合比設計、混凝土製備、混凝土輸送、布料打印成型、成品養護。
（2）採用3D打印技術進行建築部品、構件的打印，免除模板，減少人力成本；其優點在於不需要搭建混凝土澆築模板即可打印建築構件或者建築，打印系統的智能化和操作流程的簡單化，打印施工時只需配置少量人員即可完成建築部品或建築的施工。
（3）打印混凝土的工作性能和凝結時間控制為材料可打印施工的關鍵指標，打印混凝土的工作性能和凝結時間根據3D打印工藝流程和打印速度調節至適合於打印，初凝時間在20min-60min，砂漿流動度170-190mm,強度等級C40-C50，可滿足一般的建築部品或構件的打印需求。
參考文獻：
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