干货分享 | 浅谈3D打印混凝土技术

一、大势所趋，未来已来

2013年汉诺威工业博览会上，德国率先提出“工业4.0”战略，在全球范围内引发了新一轮的工业转型竞赛，标志着第四次工业革命拉开大幕。智能工厂、智能生产、智能物流成为其三大主题，而3D打印技术则是智能生产的关键环节之一。

3D打印，也称增材制造，是基于三维模型，采用与传统减材制造技术完全相反的逐层叠加材料的方式，直接制造与相应数字模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。目前，3D打印技术涵盖建筑、工程建造、工业设计、汽车、航空、军事、工程学、口腔和医药工业、生物科技、时尚、鞋类、珠宝、眼镜、教务、地理信息系统、饮食等领域。

中国3D打印市场规模从2016年的53.8亿元快速增长至2020年的203亿元，年均复合增长率达39.37%。预计在政策等利好因素驱动下，2022年其市场规模将增长至321.6亿元。

数据来源：中商产业研究院整理

随着全球城市化进程加快和智能建造技术的快速发展，3Ｄ打印混凝土技术已经成为全球研究和应用的热点。近年，3Ｄ打印混凝土技术建造的房屋已经在美国、欧洲等国家中走向市场化，阿联酋提出到2030年迪拜将有25%的房屋由3D打印技术建造。

中国是全球的建筑大国，随着建筑工业化、智能化的不断发展，智能建造已经成为未来行业发展的必然趋势，3D打印混凝土技术具有数字成型，免模施工，省工省料、建筑效率高，造型多变等特点，在建筑领域迅速发展，已经成为智能建造的先锋官。

二、混凝土作为3D打印材料的应用

混凝土是由胶凝材料、骨料、水以及必要时加入的外加剂和掺合料等按一定比例配制并经均匀搅拌而成，混凝土作为打印材料，使其与金属打印、塑料打印等具有显著的不同。

《混凝土3D打印技术规程》T/CECS 786-2020中，对打印材料进行了初步规定，《建筑3D打印材料通用技术规程》和《3D打印混凝土预混料》两部在编标准中还将进行细化规定。

（一）配置3D打印混凝土的基本规定

1. 打印制品不同，要求不同。用于结构3D打印的混凝土其强度等级不宜低于C30，用于预制构件3D打印的混凝土其强度等级不应低于C40，3D打印构件中填充的普通混凝土应满足设计要求且强度等级不宜低于C25。

2. 粗骨料的要求。配置3D打印混凝土的粗骨料宜选用级配合理、粒形良好、质地坚固的碎石或卵石，最大粒径不应超过打印头出口内径的1/3，且不宜超过16mm。

3. 细骨料的要求。配置3D打印混凝土的细骨料宜选用级配II区的中砂。当3D打印混凝土中无粗骨料时，细骨料的最大粒径不应超过打印头出口内径的1/3。

4. 配置3D打印混凝土可采用粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、钢渣粉和硅灰等矿物掺合料，且满足国家现行有关标准的规定。当采用其他矿物掺合料时，应通过试验验证。

5. 配置3D打印混凝土的外加剂、纤维、拌合水、养护水及其他材料，均匀满足国家现行有关标准的规定。

（二）3D打印混凝土的性能要求

1.3D打印混凝土拌合物在泵送前和泵送后均不应离析和泌水，凝结时间应满足可打印时间的要求。

2. 新拌3D打印混凝土的流动性、可挤出性、支撑性应符合国家现行有关标准的规定。

3. 3D打印混凝土的力学性能应符合设计要求，检验方法应符合现行国家标准《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T50081的有关规定。

4. 硬化3D打印混凝土的力学性能、长期性能和耐久性能除应满足工程设计、施工和应用环境要求，尚应满足国家现行有关标准的规定，如《混凝土结构设计规范》GB50010、《砌体结构设计规范》GB50003和《混凝土结构耐久性设计标准》GB/T50476的有关规定。

三、混凝土3D打印设备的技术水平

国外从事混凝土3D打印设备研制的机构主要有美国的ICON、Mighty Buildings、SQ4D、Diamond Meat、Branch，丹麦的COBOD，荷兰的Cybe、Vertico，法国的XtreeE，意大利的WASP，德国的PERI、俄罗斯的APisCor、法国的Constructions-3D等。

目前，国内外常见的混凝土3D打印机，可以分为龙门式、机械臂式、移动式、塔吊式及组合式等，包括搅拌系统、供料系统、打印头、X/Y/Z轴移动系统（或机械臂）、驱动系统、控制系统、框架及辅助功能系统等组成。国内常见的混凝土3D打印机，主要有桌面级、实验室级、机器人级和工业级四种。