论文总字数：33987字

摘 要

3D打印混凝土技术作为国内大力推动发展的新型制造技术，具有传统建造技术无法匹敌的优势，是实现智能制造2025和建筑行业技术转型升级的有效途径，未来必将成为建筑行业的支柱。但目前国内关于可打印水泥基材料的各种研究大多以快硬硫铝酸盐水泥及其它产能较小的水泥为主要原料，未考虑到国内水泥产能及成本问题，也有大量研究以纯硅酸盐水泥为原料，但也存在外加剂掺量大、水化慢、凝结不够快、可打印性能有待提高等问题。本论文以研发一种由普通硅酸盐水泥水泥和掺入适量快硬硫铝酸盐水泥为主要原料的新型3D打印混凝土材料为目标，分析了国内外3D打印建筑的研究现状，研究了可打印混凝土所应具备的各项性能与其影响因素和评价方法，并分析了混凝土原料和不同种类的外加剂及纤维的特点及其对混凝土性能的影响，最终选用合适的原料并设计出可得到新型可打印混凝土较佳配合比的一套实验方案，给出了一套实验用的挤出装置，希望能够为相关学者的研究提供参考。

关键词：3D打印混凝土；OPC-SAC复合水泥；3D打印挤出装置；混凝土性能研究

Abstract

As a new manufacturing technology vigorously promoted in China, 3D printing concrete technology has an unparalleled advantage over traditional construction technology. It is an effective way to realize intelligent manufacturing 2025 and the technology transformation and upgrading of the construction industry, and will become the pillar of the construction industry in the future. However, at present, most of the researches on printable cement-based materials in China take fast hardening sulphoaluminate cement and other cement with small capacity as the main raw materials, without considering the production capacity and cost of domestic cement, there are also a lot of researches on which take pure Portland cement as raw materials, but there are also problems such as large amount of additives, slow hydration, not fast setting, printability to be improved, etc. In order to develop a new type of 3D printing concrete material with ordinary Portland cement and fast hardening sulphoaluminate cement as the main raw materials, this paper analyzes the research status of 3D printing buildings at home and abroad, studies the properties, influencing factors and evaluation methods of printable concrete, and analyzes the characteristics of concrete raw materials such as different kinds of admixtures and fibers and the influence on the performance of concrete, finally selected the appropriate raw materials and designed an experimental scheme which can help get a better new printable concrete mix ratio through the orthogonal table, and gave an experimental extrusion device, hoping to provide reference for the subsequent scholars.

Key Words：3D printing concrete; OPC-SAC composite cement; 3D printing extruder; research on concrete performance

目 录

第1章 绪论 2

1.1 研究背景 2

1.1.1 3D打印介绍及其发展 2

1.1.2 3D打印在国内外建筑领域的应用 3

1.2 选题研究现状 5

1.2.1 国内外可打印混凝土材料的研究情况 5

1.2.2 目前3D打印混凝土技术存在的问题 6

1.3 选题研究内容目的及意义 7

1.3.1 研究内容及目的 7

1.3.2 研究意义 7

第2章 3D打印混凝土的性能要求及测试方法 8

2.1 性能要求及影响因素分析 8

2.1.1 流动性分析 8

2.1.2 可挤出性分析 9

2.1.3 可建造性分析 9

2.1.4 凝结时间分析 10

2.1.5 力学性能分析 10

2.2 性能测试方法分析 11

2.2.1 流动性 11

2.2.2 可挤出性 12

2.2.3 可建造性 13

2.2.4 凝结时间 14

2.2.5 力学性能 14

第3章 基于性能的原料选取及配合比实验方案设计 15

3.1 基于性能实现的原料分析选取 15

3.1.1 水泥选取 15

3.1.2 外加剂选取 16

3.1.3 骨料选取 18

3.1.4 外加纤维的选取分析 19

3.2 配合比实验设计 21

3.2.1 实验原料 21

3.2.2 实验设计 22

第4章 挤出装置介绍 24

4.1 结构介绍 24

4.2 挤出装置的优点 26

第5章 结论与展望 27

5.1 结论 27

5.2 展望 28

参考文献 29

致 谢 34

绪论

研究背景

3D打印介绍及其发展

随着智能制造的推进与发展，近年来更为先进的制造技术越来越受到世界各国特别是发展中国家的关注和重视，3D打印技术便是其中之一。3D打印技术又被称为增材制造技术（additive manufacturing，AM），属于快速制造技术的一种，其出现最早可追溯到上世纪80年代末，并经过多年的发展趋于成熟。目前，业界广泛接受了国际标准化组织-美国材料与试验协会（ASTM）在2012年提出的对3D打印及增材制造的标准定义，增材制造是“从三维模型数据中连接材料制造物体的工艺，通常是一层接一层的制造，是一种与减材制造技术相反的工艺”。3D打印的原理可以与2D打印进行类比，2D打印即现在常见的平面图形打印及雕刻，如家用喷墨打印机，而3D打印则更进一步，是一种在三维立体空间中打印实物的过程，其“油墨”为能够进行堆叠的各种新型材料，其“图纸”是物体的打印CAD数据，在计算机软件控制下机器逐层进行打印堆叠最终使“油墨”累积并成为打印实物^[1][2]。

由于其独特的制造工艺，3D打印技术一度成为制造行业新的风口，英国著名杂志《The Economist》声称“3D打印技术将作为第三次工业革命的重大推动力”，美国周刊《Time》称3D打印技术是“美国十大增长最快的工业”^[1]。根据增材制造咨询公司Wohlers Associates发布的最新报告、3D打印行业圣经《 Wohlers Report 2020》，3D打印技术已经进入了各行各业，目前工业中应用3D打印最多的行业非汽车工业莫属，独树一帜，占比为16.4%。航空航天领域和消费/电子领域稍有落后，前者占14.7%，后者则占15.4%，其他行业领域有医疗（特别是牙骨科）领域、学术机构研究、能源环境领域、政府军队领域、建筑施工领域等。报告还显示，3D打印市场正以喜人的速度持续扩张，在过去的31年里达到了惊人的26.7%的增长率，在2019年整个3D打印市场的增长率为21.2%，达到了118.67亿美元，被各国资本所吹捧，并且预计3D打印行业在2024年的收入将达到356亿美元^[3]。在国家战略层面，3D打印更是被各国寄予厚望，美国将3D打印技术作为振兴制造业、重夺制造业霸主地位的救命稻草，将其摆在首要战略位置^[2]；我国作为制造业大国，亦看到了工业3D打印的光明前景，于2015年提出“中国制造2025”的部署，最近还将增材制造（3D打印）设备操作员列入了新添加的十大职业，近年来工业3D打印越发成为实现智能制造、实现我国制造业由大到强的极佳途径^[4]。

3D打印技术之所以如此受到社会各界的关注并进入各个行业蓬勃发展，与其自身优秀的制造性能密不可分。首先，3D打印技术制造具有制造覆盖面广的巨大优势。相较于传统制造，理论上来说只要能够使用三维辅助技术制作出打印图纸模型，找到合适打印材料后，都可以借助软件将实体通过打印机打印出来，至今3D打印已经能够实现小至精密的汽车零件、玩具，大到建筑结构等各式各样实体的快速打印制造，未来更有望将各种打印功能合并至一台打印机，从而实现“万能打印”；其次，经济效益高，与传统减材制造生产工艺不同，基于增材制造的3D打印技术能够节约大量的制造原料，使得生产成本大大降低；再者，3D打印技术基本上属于全自动制造过程，可在较大型实体如房屋建筑等特殊场景下极大减少现场工人数量，不仅节约人工成本，还减少了现场事故的发生率；最重要的是，由于3D打印为快速制造技术，相比于传统制造方式其生产速度极快，在智能制造时代，生产时间分秒必争，3D打印技术的加入将会极大提高生产效率、解放生产力^[5]。

技术方面，目前3D打印技术主要由以下几个不同技术工艺组成：光固化成形(SLA)技术、选择性激光烧结技术(SIS) 、熔融沉积制造技术（FDM）、分层实体制造成形(LOM)技术及光处理数字化制造技术（DLP）。SLA技术利用光敏材料受到人工选择激光照射时能够快速固化成型的原理进行分层涂覆加工制造；SIS技术是一种用聚碳酸酯、聚酰胺等材料利用计算机控制激光系统在其表面进行层层扫描堆积从而形成3D打印实物的技术；LOM技术则应用特别的纸张进行分层累计，目前出现新技术分层雕刻实体技术（LOCM）在陶瓷制备领域迅速发展；DLP技术是类似SLA成型的技术，区别在于DLP采用树脂材料光源，SLA则是采用激光当作光源^{[6-[7][8][9][10]11]}。

3D打印在国内外建筑领域的应用

如上文所述，3D打印技术相比于传统制造技术具有显著的制造优势，为何不能将其应用到建筑领域实现对房屋的打印呢？基于这一天马行空的想象及国内外研究机构的不断探索研究，3D打印混凝土技术问世。混凝土作为现代建筑应用最广泛的土木工程用料，其历史最早可追溯到公元前3世纪古罗马用自然砂石加石灰石制成的古罗马砂浆，几千年间，混凝土的优异性能被不断验证，也证实了其在建筑领域霸主地位的不可动摇性。在3D打印的适用性方面，新拌混凝土的液态流动性正好符合了3D打印油墨的流动特性，而其自然固化也满足了3D打印的成型要求，可以说混凝土或水泥基材料应用于3D打印技术是历史的必然。

3D打印混凝土技术的加入让建筑行业焕然一新。首先，3D打印混凝土技术施工速度快，成本控制好，研究显示，3D打印混凝土技术的加入让传统混凝土建筑的施工速度提升了十倍以上，而基于增材制造的特点，混凝土搅拌后即由喷嘴挤出成为建筑实体的一部分，浪费极少，实现了成本控制，也在一定程度上减少了建筑污染，环保经济；其次3D打印混凝土技术现场施工完全由计算机控制3D打印设备进行，只需极少数的现场工人即可实现建造，且挤出堆叠由混凝土自身的施工性能保证，无需传统混凝土施工所用到的浇筑模板，工艺简单，既缩减了人力成本，也提高了工作效率、保障了工人安全；最后，3D打印混凝土技术的应用情景相当丰富，如可帮助某些国家解决低收入水平人口的经济住房居住问题，又如在遇到突发情况需要实现快速建造时，3D打印混凝土技术可以快速在灾区、疫区建立医院、临时住所，既节约了抢险救灾的宝贵时间，保障了人民的生命财产安全，又减少了由于现场工人多而导致可能产生的二次伤害风险^{[12][13][14][15]}。

早在1997年，美国学者J.P^[15]就发表文献并提出了一种与传统建筑施工工艺有所不同的自动化施工技术，其具体方法为在施工过程中大型构件的浇筑、装配被自动化的计算机简单分解为一个逐渐沉积的过程，其建筑结构是由砂及波特兰水泥混合后逐渐沉积形成，并且通过水蒸气实现水泥的快速固化成型，这在业界被广泛认为是最早的3D打印混凝土技术；随着信息技术的发展及3D打印越来越被人们关注，不同的混凝土打印技术相继问世。2004年，南加州大学教授B.K.^[16]与美国航天局合作研发出了“轮廓打印工艺”，利用混凝土进行3D打印施工，其打印出的墙面为空心墙面，并以其他构造进行填充，使得建筑耐热保温、轻便可靠；同样在2004年，意大利比萨大学汽车制造专业教授埃吉斯托·迪尼（Egisto Dini）^[17]提出了D-shape项目，并在2010年开发出了D-shape打印机，这也是全世界首部数字化混凝土打印设备，该打印机通过龙门架在XOY平面上移动，并将打印材料挤出至打印平台进行堆积成型。2013年，吉斯托·迪尼教授带领他的D-shape打印机与荷兰阿姆斯特丹建筑大学的设计师合作，打印出了惊艳的著名3D打印建筑“Landscape House”，使用的材料为砂、无机粘合材料及外加纤维组成的混凝土材料。随着技术的进步，国内外越来越多的3D打印建筑呈现在人们眼前。2016年4月，全球首个3D打印的办公场所在迪拜市正式投入使用，该办公楼总空间达到250mm²却只用了17天进行建造，迪拜政府还表示将在未来实现用3D打印技术进行四分之一的建筑建造^[18]；2017年2月，世界上第一座由3D打印混凝土技术建造的通行桥在西班牙马德里正式建成，该桥全长达到12m，所使用的材料为提纯的混凝土^[19]。国内方面，2015年1月，苏州工业园打印了一批面积达到近千平米的建筑进行展出，使用了建筑垃圾及少量水泥花费一天打印完成，是国内3D打印的试水^[20]；2016年7月，号称世界首个3D打印别墅的建筑物在北京展出，其由钢筋混凝土建造，整个制造过程只花费了短短45d，却拥有极高的抗震性能^[21]；2019年1月，世界上最大规模的3D打印混凝土桥在上海完工，该桥由国内最高学府清华大学与某研究中心设计研发，采用预制件的方式花费450小时完成各个部件的3D打印过程，是我国自主研发的3D打印系统的一次重大实践^[22]。

选题研究现状

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