3D打印機用于數(shù)字混凝土建筑的大量粉煤灰混合物

​　　南洋理工大學的學生最近發(fā)表了《用于數(shù)字混凝土建筑的高含量粉煤灰混合物的3D打印》一文，在文中，學生探索了如何改進機遇粉煤碳的地質(zhì)聚合物并將其用于建筑的3D打印機。

　　混凝土是世界上使用最廣泛的材料之一，承包商現(xiàn)在可以從纖維增強，聚合物制成等材料中選擇。使用SCC有許多好處，包括流動性，表面質(zhì)量，耐用性等。然而，復雜幾何形狀的制造仍然具有挑戰(zhàn)性，需要增加費用和更多的人力。

　　3D打印不僅受到建筑行業(yè)工業(yè)用戶的關(guān)注，而且作為一種比常規(guī)方法更快、更實惠、更通用的技術(shù)，它迅速受到人們的關(guān)注。3D打印系統(tǒng)通常包括：

　　● 物料混合罐

　　● 抽料系統(tǒng)

　　● 擠出系統(tǒng)，帶有帶噴嘴的打印頭

　　● 電子控制箱

● 安全系統(tǒng)

▲影響粉煤灰混凝土性能和性能的因素

             

▲地質(zhì)聚合物堿化的圖形模型

　　與計算機輔助設(shè)計(CAD)，建筑信息模型(BIM)和各種軟件工具相比，3DCP具有更好的拓撲優(yōu)化，擁有更多的設(shè)計機會，制造速度快以及能夠構(gòu)建可能不包含的項目的優(yōu)勢。這項技術(shù)還具有減少3D打印對環(huán)境的破壞，這是另一個好處，因為目前水泥產(chǎn)量占全球CO2產(chǎn)量的5%。

　　目前，基于粉煤灰的可持續(xù)材料看上去非常有吸引力，因為它們可以比普通波特蘭水泥生產(chǎn)的二氧化碳排放量少80%，而且機械性能也往往更高。

　　眾所周知，觸變性是所有3D打印項目的重要特性之一。由于絮凝，PC具有觸變性，相關(guān)文獻表明，在存在任何異物(如FA，沙子，填料)的情況下，其膠體網(wǎng)絡(luò)會破裂，從而導致觸變性喪失。

　　高粉煤灰(HVFA)材料不僅具有低觸變性，而且硬化速度慢，具有可持續(xù)性，但較差的早期機械性能限制了其在3D打印機項目中的應用。

　　這個問題導致南洋理工大學的學生進行了當前的研究，希望能改善HVFA粘合劑的可印刷性，并全面了解HVFA水泥和地質(zhì)聚合物。相關(guān)公司考慮的第一步是創(chuàng)建可流動的擠出材料，以在整個過程中保持其形狀。使用3D打印時，該過程可以直接在建筑工地或?qū)㈩A制零件放在一起然后運輸進行組裝的其他位置進行。

　　生產(chǎn)的選擇可以像常規(guī)的墻面元件一樣，也可以進行優(yōu)化以最大程度地減少材料浪費和建筑成本。

　　在新加坡有很多細砂河粉，這可用于制備砂漿。研究小組準備的混合物可改善觸變性，因為他們可以測量抗壓、抗彎和抗張強度，研究人員還對此進行了微結(jié)構(gòu)分析。最終，研究報告說，粉煤灰水泥盡管在增強HVFA材料的強度方面存在挑戰(zhàn)，但也是“可印刷的”。

　　添加了非常少量(<1%)的納米粘土(NC)通過在微觀結(jié)構(gòu)水平上增強觸變性來改善早期的力學性能。首次在不同的剪切速率和剪切時間下測試了NC對觸變性的影響，發(fā)現(xiàn)與對照組相比，添加NC的混合物即使在長時間剪切后也具有穩(wěn)定粘度恢復的潛力。盡管如此，NC的作用在增加強度增加率(結(jié)構(gòu)積累)方面并不顯著，而強度增加率受水合反應的控制更大。

　　砂漿的機械性能也受印刷參數(shù)的影響，這是數(shù)字制造中的常見問題。與HVFA砂漿相比，還研究了地質(zhì)聚合物中的粘結(jié)強度更高。

　　為了最大限度地發(fā)揮像地質(zhì)聚合物這樣的快速硬化的好處，應該使用在線或連續(xù)輸送系統(tǒng)來代替間歇混合，在混合系統(tǒng)中可以同時混合和沉積物料。這將消除由于材料剛度隨時間變化而造成的泵送困難。

盡管最近有使用超細纖維，金屬電纜，后張鋼筋來提高印刷混凝土延展性的方法，但未來的應用可能會遵循功能梯度材料(FGM)的原理在不同層中產(chǎn)生不同的纖維分布。FGM的3D打印將優(yōu)化材料的使用，并為建筑結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)應用提供多種功能。

        

▲3D混凝土印刷復雜自由形式模型示例

　　隨著3D打印機技術(shù)的發(fā)展，從辦公室和房屋的建造到大規(guī)模混凝土打印機的開發(fā)，建筑業(yè)受到了許多積極的影響。