建筑3D打印用胶凝材料及其相关性能研究进展

3D打印是一种基于数学模型利用机械设备增材制造的快速成型技术。近年来,3D打印在建筑行业得到快速发展。相对于传统成型工艺,建筑3D打印技术具有无需模板支撑、施工方便、设计自由度高等优点,因此受到了全世界研究人员和学者的广泛关注。当前,普通硅酸盐水泥、快硬早强型特种水泥、复合型普通水泥、碱激发胶凝材料及石膏基胶凝材料等五大类胶凝材料在3D打印中已得到了一定的应用,但仍然存在不少问题。例如,一方面,与传统泵送混凝土不同,3D打印混凝土需要较快的凝结时间和强度发展速率来满足层间结构的压力,而普通硅酸盐水泥长达45 min的初凝时间和不迟于360 min的终凝时间无法满足打印构件层间作用力快速增长的要求;另一方面,水泥基3D打印胶凝材料的构件层间抵抗弯矩、剪力的能力不足。碱激发胶凝材料应用于3D打印主要存在凝结时间难以调控、体积收缩率大、容易产生开裂等问题。而石膏基胶凝材料存在耐水性差等问题。因此,对3D打印胶凝材料的开发与调控仍是很长一段时间内3D打印建筑研究的重点之一。与此同时,3D打印技术在建筑行业应用的缺点也很突出:3D打印过程中无模板支撑,以逐层叠加的方式成型,一方面,无法直接添加钢筋,从而导致抗弯强度较低,另一方面,打印过程中造成的层间弱面和引入的空隙在一定程度上成为打印结构潜在的缺陷,造成构件的非均质性,削弱了结构的整体承载能力和长期耐久性能等,从而阻碍其广泛应用。这也意味着其成型工艺对新拌混凝土的性能及在3D打印中的特性提出了更高的挑战。本文归纳了建筑3D打印用胶凝材料及其相关性能研究进展,分别对普通硅酸盐水泥、快硬早强型特种水泥、复合型普通水泥、碱激发胶凝材料及石膏基胶凝材料等五大类胶凝材料在建筑3D打印中的应用研究以及3D打印浆体的凝结时间与开放时间、流动性、挤出性、可建造性、粘结强度、各向异性强度及耐久性进行介绍,并总结了3D打印胶凝材料结构或构件的应用,分析了目前建筑3D打印面临的问题并展望其前景,以期为3D打印技术在建筑行业的应用及推动其进步提供参考。