聊聊3D打印建筑材料的那点事

3D打印建筑是一项新型智能建造技术，是建筑施工数字化的具体体现形式，能够将建筑设计从数字模型直接转化为实物建筑。3D打印建筑的三大关键技术是装备、材料和施工工艺，冠力科技小编斗胆聊聊关于建筑3D打印材料的那点事。

建筑3D打印材料的主要组成成分与传统混凝土相似，包括：

水泥：作为主要的胶凝材料，水泥在混凝土中起到结合骨料的作用。为了适应3D打印的特殊需求，水泥的配比和类型会有所调整。

骨料：骨料通常是砂子、小石子等。3D打印混凝土多使用较小颗粒的细骨料，避免在打印过程中堵塞喷嘴，并确保层与层之间的结合良好。

外加剂：为了改善混凝土的流动性、凝结时间和粘结性能，3D打印混凝土通常会添加特殊的外加剂，例如减水剂、早强剂或粘结剂等。

水：水的含量对混凝土的可打印性至关重要。水量过多会导致材料过于流动，影响打印精度；水量过少则可能导致喷嘴堵塞或材料强度不足。

为了实现最佳的3D打印效果，需要材料研发工程师不断优化配比，以下是一些关键的配比优化方向：

流动性与稳定性平衡：流动性好才能顺利打印，但材料必须具备足够的粘稠度以保持打印形状。为了达到这种平衡，研究人员通常会使用聚合物或纳米材料增强混凝土的粘结性，同时调整水泥和水的比例。

凝结速度控制：3D打印过程中，每一层都需要快速凝固，以便支持上层的打印。通过使用早强剂等外加剂，可以加速凝结过程，但也要注意不能使材料过早凝固，影响打印连续性。

材料的可持续性：越来越多的研究致力于通过使用废弃材料、工业副产品（如飞灰或矿渣）作为替代物，减少水泥的使用，以降低碳排放，同时保持材料的强度和耐久性。

1. 流变性

流变性是材料在液态或半固态下流动和变形的能力。在建筑3D打印中，材料需要能够顺利挤出，并在挤出后快速稳定成型。流变性能的主要影响因素包括：
塑性：材料应具备良好的塑性，以保证其能在喷嘴中通过，而不会出现堵塞。
触变性：建筑3D打印材料需要表现出高触变性，即在剪切力下流动性好，而在静止时能够快速恢复粘度，以保持打印层的形状。
抗流挂性：材料应具有较高的粘度，以防止在沉积过程中由于自重发生塌陷。为了调节材料的流变性能，通常会在混凝土配方中添加增稠剂、流变改性剂等添加剂，如羟丙基甲基纤维素(HPMC)或聚乙烯醇。

2. 物理性能

3D打印建筑材料的物理性能至关重要，尤其是在建筑物的长期使用过程中需要承受各种荷载。关键性能包括：
抗压强度：3D打印的材料在固化后需要具有足够的抗压强度，通常与传统混凝土相近，达到或超过30 MPa，才能应用于结构性建筑。
抗拉强度和抗弯强度：由于3D打印过程中可能会产生分层，抗拉强度和抗弯强度的控制尤其重要。通常会通过改进材料成分或使用纤维增强技术提高这些性能。
层间粘结强度：层与层之间的粘结性能对于建筑的整体稳定性至关重要。通过优化材料的配比，确保每一层的沉积时间和固化状态之间的协调，能显著提高层间结合力。
为了增强这些性能，常使用微纤维、纳米材料或其他增强剂，如玻璃纤维、聚丙烯纤维等，来增强材料的整体强度和韧性。

3. 凝结特性

凝结特性决定了材料在打印过程中能够多快从液态或半固态转变为固态，从而支撑后续的打印层。建筑3D打印材料需要同时满足快速初凝和适度的可调控性。其关键要素包括：
初凝时间：3D打印材料需要在挤出后迅速凝固，通常要求初凝时间在几分钟内，以确保结构稳定性。
终凝时间：终凝时间相对较长一些，允许后续层在适当的时间间隔内沉积并与之前的层粘结。
可调性：通过使用不同类型的水泥、矿物添加剂（如硅灰、矿渣等）以及外加剂（如早强剂、缓凝剂），可以调节材料的凝结速度。
例如，硫铝酸盐水泥由于其快速凝固性能常被应用于建筑3D打印中。此外，使用调节剂可以在材料凝固时间和流动性之间达到更好的平衡。

4. 可持续性

随着可持续建筑理念的兴起，建筑3D打印材料的环保性和低碳排放日益受到关注。材料的可持续性体现在以下几个方面：
低碳材料：传统水泥生产过程中的碳排放高，3D打印材料中常使用低碳替代品，如矿渣、粉煤灰、再生骨料等来减少碳排放。
材料再利用：建筑废料可以通过处理重新用于3D打印材料中，如再生骨料的使用，有效减少了资源浪费。
减少材料浪费：建筑3D打印过程中，材料沉积是按需分层的，几乎没有浪费，相比传统施工减少了原材料的过度使用。
例如，基于地质聚合物的3D打印材料正逐渐成为低碳建筑材料的代表，其不仅能减少碳排放，还具有优异的耐久性和抗化学腐蚀性能。

5. 耐久性

3D打印建筑材料需要在不同的环境条件下保持长期的结构性能。耐久性包括材料在应对各种物理、化学和气候影响下的稳定性：
耐腐蚀性：暴露在湿气、酸雨等环境中的建筑物，材料需具备较高的抗腐蚀性能。常通过使用防水剂或添加矿物组分来提高耐久性。
抗冻融循环：在寒冷地区，建筑材料需要能够抵抗多次冻融循环，以防止开裂和剥落。通过调整材料的孔隙率和使用抗冻剂，可以提高其抗冻融性能。
抗化学侵蚀：某些3D打印建筑可能暴露在化学腐蚀的环境中，如工业或海洋环境。增强材料的抗化学性有助于延长其使用寿命。

随着3D打印建筑材料成本的持续降低，性能持续提升，3D打印建筑的优势会更加明显，未来发展空间充满期待。