3D打印生土建筑技术研究进展_史庆轩.pdf

190 Industrial Construction Vol.53,No.4,2023工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期 综述 3D 打印生土建筑技术研究进展 史庆轩1,2霍建2武喜凯2陶毅1,2(1.西部绿色建筑国家重点实验室,西安710055;2.西安建筑科技大学土木工程学院,西安710055)摘要:3D 打印技术的潜在建造优势对推动建筑工业化具有重要意义,将其应用到生土建筑中是目前国内外关注和研究的重点之一。首先从 3D 打印生土原材料的组成、生土满足 3D 打印需要的流变性、生土干燥引起的收缩开裂等方面综述了 3D 打印生土原材料的制备技术,总结了生土从打印喷嘴的可挤出性、可打印的最大高度,分析了喷嘴形状和尺寸、打印速度和路径等工艺参数对 3D 打印生土成型的影响,重点综述了3D 打印生土硬化后的抗压强度、层间黏结强度的研究现状,最后介绍了 3D 打印生土建筑技术面临的问题以及对未来的展望,为 3D 打印生土建筑技术的研究与发展提供参考。关键词:3D 打印;生土建筑;打印工艺;可打印性能;力学性能 DOI:10.13204/j.gyjzG22042612Advances in 3D Printing Raw Soil Construction TechnologySHI Qingxuan1,2HUO Jian2WU Xikai2TAO Yi1,2(1.State Key Laboratory of Green Building in Western China,Xian 710055,China;2.School of Civil Engineering,Xian University of Architecture&Technology,Xian 710055,China)Abstract:The potential construction advantages of 3D printing technology are of great significance to promote the building industrialization,and its application to raw soil construction is one of the focuses of attention and research at home and abroad.Firstly,the preparation technology of 3D printing raw soil was reviewed from the aspects of the composition of 3D printing raw materials,the rheology of raw soil to meet the requirements of 3D printing,and the shrinkage and cracking caused by drying of raw soil.The extrudability and maximum height of raw soil from the printing nozzle were summarized.The influence of process parameters such as nozzle shape and size,printing speed and path on the molding of 3D printing raw soil was analyzed.This paper mainly summarized the research status of compressive strength and interlayer bond strength of 3D printed raw soil after hardening,and finally introduced the problems faced by 3D printing raw soil construction technology and the prospect of the future,which could provide a reference for the research and development of 3D printing raw soil construction technology.Keywords:3D printing;raw soil construction;printing process;printability;mechanical properties 国家自然科学基金项目(51878540)。第一作者:史庆轩,男,1963 年出生,博士,教授,博士生导师。电子信箱:shiqx 收稿日期:2022-04-26 0引言生土作为一种天然建筑材料,因其具有取材方便、造价低廉、热工性能好、可重复使用、无污染等优点,一直被广泛应用于世界各地,形成各具特色和风格的生土建筑。我国生土建筑应用较多,从古代留存的烽火台、墓葬和古城遗址等,到近现代的福建客家土楼、西北黄土高原上的窑洞,特别是我国村镇大量采用的夯土建筑和土坯建筑。但由于生土强度低、耐久性不足以及建造工艺独特等,制约了生土建筑的进一步发展。3D 打印技术是适应数字化和智能化而出现的一种新型施工工艺,可极大地提高建造效率、减少原材料的损耗。目前 3D 打印技术在建筑领域的应用主要针对混凝土和其他水泥基材料。为契合低碳、绿色和智能建造的发展理念,3D 打印生土建筑具有潜在的优势,且还可通过就地取材减少运输和施工过程中的碳排放1-3。Alhumayani 等采用标准生命周期评估法,针对生土和混凝土材料,分析了传统和3D 打印等建造方式对环境的影响,认为 3D 打印生土建筑对环境综合影响最小,传统混凝土建筑对环 3D 打印生土建筑技术研究进展 史庆轩,等191 境综合影响最大4。3D 打印生土建筑技术的发展较晚。1997 年,美国学者 Joseph Pegna 首先提出 3D 打印建筑的设想5;2010 年后,对 3D 打印生土建筑的配合比设计和材料性能等方面展开研究,并逐步应用于建筑领域6。从 3D 打印生土材料的制备、可打印性能和力学性能等方面对 3D 打印生土建筑技术的发展现状进行综述,为进一步开展相关研究和技术推广提供参考。1 3D 打印生土材料的制备技术1.1原材料的组成为改善生土材料的性能,国内外对生土进行了大量的改性研究。如在生土中添加石灰、矿渣、石膏、粉煤灰等矿物掺合料来提高生土的致密度、耐久性和力学性能7-8;或在生土中添加稻草、麦秸、聚乙烯纤维等来提高生土建筑结构的抗震性能9-10。为使生土材料在打印时能顺利挤出,Perrot 等在研究 3D 打印生土材料时,采用塑性指数为 21、液限为 48%、塑限为 27%、含水率为 45%、最大粒径为1 mm 的生土颗粒,此时最大粒径与喷嘴尺寸的比值在 1/10 左右,具有良好的可挤出性11。Curth 等采用最大粒径为 2 3 mm 的生土,添加稻草的最大长度为 60 mm,通过 3D 打印研究了倾斜打印、多位置打印、逐 渐 改 变 层 高 打 印 等 新 工 艺 的 特 点12。Gomaa 等采用 15%25%的黏土、75%85%的砂土、粉土,添加长度为 30 50 mm 的稻草,通过单轴抗压试验研究了 3D 打印生土用于建造低层建筑的可行性,发现较长的稻草纤维会造成挤压系统内部的堵塞13。黄俊杰在研究 3D 打印黏土材料的流变性和力学性能时,采用不均匀系 数为 57、液限 为30.9%、塑限为 14.1%、塑性指数为 16.8、最大粒径小于喷嘴尺寸 1/10 的颗粒,并通过 X 射线对黏土进行化学成分分析,发现其主要由氧化钙、氧化铝和二氧化硅组成14。Ferretti 等采用由 30%的黏土、40%的粉土和 30%砂土组成的生土,添加具有稳定作用的石灰基黏合剂,其成分为 25%50%的水硬石灰和 20%25%的熟石灰,另外掺加不小于 0.1%的聚丙烯纤维、最大尺寸为 2 mm 的稻壳以及粒径不大于 0.6 mm 的砂土,通过 3D 打印技术研究了生土墙片的力学性能15-16。综合已有研究,3D 打印生土建筑中常采用最大粒径与喷嘴尺寸的比值在 1/10 左右的颗粒,植物纤维的最大长度小于 60 mm 的打印材料。而土的成分、物理和化学性质对打印效果同样影响很大,需要进一步研究形成可量化指标。常见 3D 打印生土原材料的组成见表 1。由表可知,通过添加化学外加剂、纤维的种类和掺量、用水量可对 3D 打印生土材料的性能进行优化。表 13D 打印生土原材料的组成Table 1Material composition of 3D printing raw soil作者/公司原材料的组成Gomaa 13,17生土 73%(黏土 15%25%、砂土、粉土 75%85%),稻草 2%,水 25%Kontovourkis18黏土 70%,稻草 10%,水 20%Afsary19黏土 38%,滑 石 33.1%,纯 碱 0.7%,硅 酸 钠0.2%,水 28%Rodiftsis 20黏土 40%,砂 40%,水 20%Perrot 11生土 水 海藻酸盐=1 0.45 0.003Veliz21生土 30%,黏土 22%,硅砂 15%,稻草 15%,水18%Youssef22黏土 砂 高效减水剂 硅酸盐 氢氧化物 水=1 1 0.015 0.1 0.42 0.1273D 打印 机制造 商WASP6生土 25%(黏土 30%,淤泥 40%,砂 30%),稻草40%,稻壳 25%,石灰 10%Ferretti 16黏土 70.42%,石灰基黏结剂 4.70%,水硬石灰4.67%,碎稻壳 1.41%,硅砂 18.78%黄俊杰14花岗岩残积土 稻草 水=1 0.03 0.5;花岗岩残积土 水泥 水=1 0.2 0.51.2流变性为满足 3D 打印生土材料泵送、挤出以及挤出成型后形状稳定性的要求,通常在 3D 打印生土中添加矿物质、化学外加剂或通过改变 3D 打印生土材料的含水率与颗粒级配等来改善生土的流变性。生土的流变性一般通过流变试验、跳桌试验或坍落度试验等测试。黄俊杰采用流变试验研究在 3D 打印生土中添加不同含量的水 泥和稻草纤 维对 流 变 性 能 的 影响14,表明屈服应力和塑性黏度随着水泥和稻草纤维含量的增加而增加,并采用 Bingham 模型通过拟合得出了屈服应力和塑性黏度与水泥和稻草纤维掺量的经验公式;同时,通过跳桌试验发现随着水泥与稻 草 纤 维 含 量 的 增 加 流 动 度 逐 渐 下 降,其 在128.75169.90 mm 范围时满足打印要求。朱旻等通过流 变 试 验 研 究 了 3D 打 印 生 土 材 料 的 流 变性23,结果表明添加水后的生土材料为 Bingham 流体,并通过式(1)计算出生土材料的动态屈服应力和塑性黏度;同时打印发现,当含水率为 34%时,流变性与可建造性最优,为 46%时,塑性黏度最低,可建造性较差。T=4R21R22LR22-R21-4R21R22LvR22-R21lnR1R2()(1)式中:T 为扭矩;为圆筒转速;L 和 R1分别为探针长度和半径;R2为流变仪外筒壁半径;为塑性黏192 工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期度;v为动态屈服应力。Rodiftsis 等采用跳桌试验来表征不同配合比下生土材料的流动性,发现不掺加外加物时,流动度在79101 mm 范围内满足打印需求20。Kontovourkis等通过打印不同稠度的生土基材料,发现稠度较低的生 土 流 动 性 很 高,但 会 产 生 较 大 的 变 形24。Perrot 等通过流变试验测量添加海藻酸盐的生土材料屈服应力,发现当含水率从 40%提高到 45%时,屈服应力从 2.2 kPa 减