3D打印生土建筑技术研究进展_史庆轩.pdf
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1、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
2、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
3、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,
4、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 o
5、f 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 ana
6、lyzed.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
7、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
8、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。Alhumay
9、ani 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 3
10、D 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 6
11、0 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
12、。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
13、,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
14、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
15、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128.751
16、69.90 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。Rodift
17、sis 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 减小到 1.5 kPa,可实现生土材料流变性能的优化11。Karl 等通过流变试验研究分散剂对火星土模拟泥浆的剪切应力和表观黏度的影响,结 果 表 明 泥 浆 的 流 变 性 与 可 交 换 阳 离 子
18、(Mg2+、Ca2+、Na2+)有关,并提出蒙脱石钠和硫酸镁的相互 作 用 可 提 高 火 星 生 土 泥 浆 的 稳 定 性25。Revelo 等研究不同添加剂对 3D 打印高岭土流变性能的影响,发现添加粉煤灰的生土材料流变性最好,其球形颗粒形状便于流动且具有较好的几何形状,提高了稳定性26。1.3收缩开裂生土材料在干燥后易出现收缩开裂,原因在于材料多为细颗粒,其较大的比表面积需要更多的用水量。通过优化生土材料和打印工艺可抑制收缩开裂。Mohamed 等研究了含水率对 3D 打印生土建筑稳定性和收缩性的影响27,结果表明当含水率为25%时,打印试件的最大高度为 600 mm、收缩率为2%,且
19、无开裂迹象,如图 1a 所示。Serdar 等通过挤出试验研究了不同配合比以及在打印层间加入纤维对 3D 打印生土建筑收缩开裂的影响,发现减少黏土含量可降低打印试件的收缩率,而纤维起到连接开裂试件的作用,但不会阻止收缩28。Figueiredo等在 3D 打印陶瓷的研究中,发现打印试件的收缩变形主要有打印试件底层与地面之间产生的摩擦变形和质量分布不均匀引起的变形,质量较少的部分,材料阻止脱水的作用力小,收缩变形大,如图 1b 所示29。Izard 等通过研究打印路线对 3D 打印生土建筑的影响,发现当打印路线为长度超过 160 mm的直线时,打印条带会在一个方向上收缩从而开裂;当打印路线为曲线
20、时,打印条带会在两个方向上收缩但不会开裂;因此可采用 160 mm 的直线和 25 mm的曲线相互连接,打印试件会产生收缩但不开裂,如图 2 所示30。Ferretti 等对比现浇与 3D 打印生土的收缩变形,发现 3D 打印生土试件在硬化阶段的收缩变形是沿着所有方向等百分比变化,其收缩率为2.76%,而现浇试件为 2.44%,两者相差较小,意味着挤压过程不会显著改变打印材料的收缩行为16。a干燥收缩;b收缩变形。图 1打印试件的收缩27,29Fig.1Shrinkage of the printed specimen图 2打印路径30mmFig.2Print path2 3D 打印生土建筑的
21、可建造性2.1可挤出性可挤出性是指 3D 打印生土材料能够均匀连续地从打印喷嘴中挤出的性能,常采用挤出试验来评估其可挤出性。朱旻等通过挤出试验观察打印试件的成型精度,研究含水率对 3D 打印黏土浆体可挤出性能的影响,表明最佳含水率为 34%23。Youssef等使用注射器挤出生土长条,观察长条是否连续和尺寸变化来评价生土材料的可挤出性,如图 3a 所示22。Serdar 等采用挤出试验研究了不同配合比下生土材料的可挤出性28,结果表明粒径较大时无法挤出或者挤出不连续,如图 3b、3c 所示;稻草纤维的加入会降低打印材料的可挤出性,并发现圆角边喷嘴挤出的生土长条更加平滑均匀,无明显的裂纹。除挤出
22、试验外,Cruz 等使用 Pfefferkorn 方法评价 3D 打印陶土的可挤出性,该试验基于一块自由下落板,冲击一个初始高度为 40 mm、直径为 33 mm的圆柱体,通过改变材料的含水量并进行重复冲击,得出含水量和高度变化之间的关系;研究还发现,当Pfefferkorn 塑性指数为 35%时,陶土的可挤出性好,如图 3d 所示31。2.2打印工艺参数喷嘴形状和尺寸、喷嘴移动速度、材料挤出速度、打印路径等工艺参数对 3D 打印生土建筑的成型精度影响显著,目前广泛使用的喷嘴形状为圆形、椭圆形和矩形。Perrot 等发现圆形喷嘴打印的生土 3D 打印生土建筑技术研究进展 史庆轩,等193 a挤
23、出试验22;b手动打印机;c挤出试验28;dPfefferkorn 方法。图 33D 打印生土材料可挤出性评估22,28,31Fig.3Evaluation of extrudability of 3Dprinting raw soil materials试件,其层间存在明显孔洞,而矩形喷嘴所打印的试件孔洞较少,抗压强度较高11。Serdar 等通过挤出试验研究了不同喷嘴形式对打印试件的影响,表明U 形、三角形、多孔形喷嘴可打印不同孔隙率的梯度密度生土建筑,既减少原材料的使用,又提高建筑的热工性能,不同喷嘴形式的优缺点如表 2 所示28。表 2喷嘴形式Table 2Nozzle forms形式
24、密度降低程度/%特点矩形喷嘴0打印试件具有最大的黏合表面且强度高,但材料耗费多圆形喷嘴0打印试件有较大的黏合表面,但强度略低U 形喷嘴3156降低打印试件的密度、提高绝缘性能,但腹板脆弱易变形三角形喷嘴2122综合了矩形喷嘴和 U 形喷嘴的性能多个圆形孔喷嘴1942干燥时间短,生产速度快,可用于低密度区多个矩形孔喷嘴30与多个圆形孔喷嘴性能相似,但矩形横截面有更好的黏结性,并封闭空气S 形叠层喷嘴1725打印试件不规则,易发生黏结不足而断裂喷嘴尺寸为打印精度和打印速度的重要影响因素。Kontovourkis 等发现根据打印喷嘴的尺寸可计算出打印试件的材料用量,且尺寸越大,挤出材料越多,建造所用
25、时间越短32。Farrokhsiar 研究了喷嘴直径与喷嘴高度(喷嘴到打印表面的距离)之间的关系对打印效果的影响,见表 333。Gomaa 等通过挤出试验研究了含水率、挤压速度、喷嘴高度对 3D打印生土材料的流变性影响,发现当喷嘴直径略大于喷嘴高度时,打印的生土条带表面密实平整,可承受后续打印条带的重力且不发生较大变形1。喷嘴移动速度和材料挤出速度对 3D 打印有重要的影响。Gomaa 等通过挤出试验研究发现,当生土材料的挤出速度为喷嘴移动速度的 105%110%时,所引发的“撞击效应”使打印路径变得更加一致和密集,从而获得更高的强度,并建立了基于喷嘴高度和喷嘴尺寸估 算实际打印 路径 宽 度
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