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3D打印混凝土技術(shù)創(chuàng)新與工程應(yīng)用

成果介紹3D打印混凝土技術(shù)是在3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，基于增材制造原理進(jìn)行分層打印混凝土建筑物的新技術(shù)，是一種基于數(shù)字模型的快速成型技術(shù)。與傳統(tǒng)的混凝土成型工藝相比其具有無模化、快速化、自動(dòng)化、靈活化的優(yōu)勢。本項(xiàng)目涉及高性能3D打印裝備、3D打印混凝土的材料、3D打印產(chǎn)品及其應(yīng)用。涵蓋從效果圖設(shè)計(jì)開始，到建筑圖設(shè)計(jì)、施工圖深化、建模、打印、養(yǎng)護(hù)、安裝、主體裝修等工序，可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、多樣化3D打印混凝土制品的設(shè)計(jì)、制備及工程推廣應(yīng)用。技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)及參數(shù)（1）適用于不同工程的3D打印混凝土材料配合比及打印工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)根據(jù)不同工程3D打印構(gòu)件實(shí)際需求，深度優(yōu)化原材料（外加劑、纖維等）配比，調(diào)節(jié)其凝結(jié)時(shí)間、黏度、流變特性等，并優(yōu)化打印速度、打印路徑等打印參數(shù)，使其可泵送性、可擠出性、可建造性等滿足打印需求，其力學(xué)強(qiáng)度、耐久性等滿足后期使用要求。（2）較大尺寸及復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑物的實(shí)現(xiàn)方式-裝配式。就目前3D打印技術(shù)而言，尤其是對于較大尺寸及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建筑物或構(gòu)件，其不僅僅對材料性能有較高要求，同時(shí)對整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性等也提出了一定的要求。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，分割合理的打印單元模塊，設(shè)計(jì)合理的打印路徑及打印參數(shù)，并輔以配筋、構(gòu)造柱、圈梁、“卡扣”等，同時(shí)考慮構(gòu)件的起吊、運(yùn)輸、安裝，實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。（3）3D打印混凝土的界面增強(qiáng)技術(shù)由于特殊的打印工藝，打印界面屬于受力的薄弱位置。通過界面增強(qiáng)技術(shù)，保證打印的接觸界面有足夠高的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，滿足結(jié)構(gòu)負(fù)荷的要求。（4）含粗骨料的3D打印混凝土的材料配比及工藝優(yōu)化技術(shù)3D打印工藝對骨料有較高的要求，通過原材料配比及打印工藝參數(shù)改進(jìn)，優(yōu)化粗骨料摻量、粒形、最大骨料粒徑、粒徑級配等，實(shí)現(xiàn)粗骨料混凝土連續(xù)、穩(wěn)定打印，提高打印成品的抗裂性能。（5）大型混凝土3D打印設(shè)備及核心器件的研發(fā)與制造大型混凝土3D打印設(shè)備具有整體剛度高、承載能力強(qiáng)、控制簡單、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，響應(yīng)速度快、擠出速度可調(diào)，打印過程中可保持混凝土供應(yīng)的連續(xù)性和均勻性，可實(shí)現(xiàn)高精度打印控制。另外，3D打印輕骨料混凝土、3D打印泡沫混凝土、3D打印混凝土鋼筋連接技術(shù)等也取得一定成果。市場前景該項(xiàng)目創(chuàng)新技術(shù)已在建筑工程、市政工程、水利工程等領(lǐng)域得到了推廣應(yīng)用。另外，形式多樣的3D打印景觀小品藝術(shù)圍欄、景觀長廊、花箱、樹池、濕地等也在多地推廣應(yīng)用。不僅有良好的實(shí)用性、公共性，同時(shí)在審美上給予人民群眾以愉悅、獨(dú)特的視覺體驗(yàn)。3D打印作為一種新的制造方式，在景觀提升方面蘊(yùn)含著較大的潛力與發(fā)展空間。應(yīng)用結(jié)果表明，建筑3D打印技術(shù)具有施工方便、縮短工期、節(jié)約勞動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)。此外，建筑3D打印技術(shù)可以使建筑結(jié)構(gòu)在造型設(shè)計(jì)方面更美觀新穎、在造價(jià)控制方面更低廉、在功能使用方面更靈活，具有廣闊的應(yīng)用推廣前景。

東南大學(xué) 2021-04-13

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