實(shí)現(xiàn)固廢合理利用,，3D打印路還有多遠(yuǎn),？

來(lái)源：中國(guó)建材報(bào)

增材制造技術(shù),，俗稱(chēng)“3D打印”，是一項(xiàng)起源20世紀(jì)80年代,，集機(jī)械,、計(jì)算機(jī),、數(shù)控和材料于一體的智能制造技術(shù)。從最初的只能打印塑料產(chǎn)品,，到現(xiàn)在可以打印金屬,、陶瓷、塑料,、混凝土等不同材料,，3D打印技術(shù)走過(guò)了漫長(zhǎng)的發(fā)展之路。目前,，3D打印機(jī)不僅能夠打印房屋建筑,、汽車(chē)零件、服裝,，還能打印頭蓋骨,、心臟、血管,、假肢等,，在人們生活中發(fā)揮著巨大作用。

我國(guó)是固體廢物產(chǎn)生大國(guó),，面對(duì)自然資源日益短缺及固體廢物環(huán)境污染的雙重壓力,，開(kāi)展多路徑的固體廢物資源化利用，是解決我國(guó)資源困境,、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必由之路,。如何實(shí)現(xiàn)3D打印與固廢利用之間的有效結(jié)合？在實(shí)現(xiàn)固廢合理利用方面還有哪些工作,？近日,，在由中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)固廢與生態(tài)材料分會(huì)、《中國(guó)建材報(bào)》社聯(lián)合主辦,，中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)固廢與生態(tài)材料分會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)于立安主持的第十二期“固廢利用鏘鏘四人行”交流活動(dòng)上,，多位專(zhuān)家圍繞“3D打印的創(chuàng)新發(fā)展與固廢利用”展開(kāi)交流，在進(jìn)一步推動(dòng)固廢資源化利用發(fā)展的同時(shí),，加速了3D打印技術(shù)與固廢利用領(lǐng)域的融合,。

△圖為3D打印代表性項(xiàng)目 南京綠色增材智造研究院 提供

3D打印優(yōu)勢(shì)明顯

目前混凝土3D打印材料的成本相比于傳統(tǒng)建筑材料成本過(guò)高，如果用固廢替換打印材料里面的砂或者部分膠凝材料,，站在使用者的角度,，可有效降低成本。

據(jù)了解,，相比于傳統(tǒng)建筑工藝,，混凝土3D打印技術(shù)具有免模板、省人工,、節(jié)約材料,、總成本低、設(shè)計(jì)自由度大,、建造效率高,、人員安全風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)勢(shì)，目前在國(guó)內(nèi)外引起了廣泛的關(guān)注,。

對(duì)此,，東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、南京綠色增材智造研究院院長(zhǎng)張亞梅表示,，傳統(tǒng)建造工藝要立模,、配筋、澆筑混凝土,，在以高層建筑為主,、人工越來(lái)越貴的今天，不僅存在安全隱患,，還增加了建造成本,。混凝土3D打印技術(shù)是按數(shù)字模型,，將混凝土作為打印材料,，通過(guò)層層堆疊打印，形成三維結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的技術(shù),。目前,，國(guó)內(nèi)外普遍應(yīng)用的是一種基于擠出成型的3D打印技術(shù)，主要有機(jī)械臂式機(jī)器人混凝土3D打印和桁架式混凝土3D打印兩種模式,�,！昂蛡鹘y(tǒng)使用模板的建造技術(shù)相比，混凝土3D打印總體是低碳的,，因?yàn)樵绞莻�(gè)性化設(shè)計(jì)的建筑越是耗費(fèi)模板,，且很多模板是一次性使用，浪費(fèi)量巨大,�,！睆垇喢氛f(shuō)。

在眾多3D打印工藝中,，混凝土3D打印發(fā)展速度比較快,。究其原因，杭州冠力智能科技有限公司研究員田冠飛認(rèn)為,，一是擠出打印速度非�,？欤�即每單位時(shí)間內(nèi)混凝土3D打印的效率跟其他（如FDM,、SLS和D-shape）工藝相比快了幾個(gè)數(shù)量級(jí),；二是打印材料的成本低,，金屬3D打印和塑料3D打印材料的成本相比于混凝土3D打印成本高了一、兩個(gè)數(shù)量級(jí),。

關(guān)于固廢能否成為3D打印材料這一問(wèn)題,，田冠飛表示，目前混凝土3D打印材料的成本相比于傳統(tǒng)的建筑材料成本過(guò)高,，如果用固廢替換打印材料里面的砂或者部分膠凝材料,，站在使用者的角度，可有效降低成本,。但固廢來(lái)源和成分穩(wěn)定性對(duì)打印材料非常重要,，如果成分不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致打印材料需要不斷調(diào)整配比和工藝,，這點(diǎn)需要特別關(guān)注,。

△圖為3D打印代表性項(xiàng)目 南京嘉翼精密機(jī)器制造股份有限公司/提供

除了發(fā)展速度比較快，混凝土3D打印在國(guó)內(nèi)應(yīng)用端和需求端還存在滯后現(xiàn)象,。對(duì)此,，北京空間智筑技術(shù)有限公司總經(jīng)理張永虹指出，目前我國(guó)的建筑3D打印技術(shù)處于全球領(lǐng)先地位,，但在商業(yè)化方面,、太空3D打印和政策支持方面，國(guó)外走在了前面,。當(dāng)前,，混凝土3D打印應(yīng)用主要集中在美國(guó)、中國(guó),、歐洲,、澳大利亞，在我國(guó)也有一大批高校,、研究機(jī)構(gòu),、企業(yè)進(jìn)入到這個(gè)行業(yè)，主要以軍事訓(xùn)練營(yíng)房,、車(chē)輛隱蔽結(jié)構(gòu),、哨所、居民房,、辦公室,、別墅、崗?fù)�,、公交站,、隔離房、書(shū)屋、衛(wèi)生間,、花壇,、花墻、海岸線(xiàn),、字體,、標(biāo)識(shí),、景觀(guān)等建筑為應(yīng)用對(duì)象,。“混凝土3D打印技術(shù)發(fā)展較快,，且在國(guó)內(nèi)有著巨大的應(yīng)用潛力,，但在標(biāo)準(zhǔn)制定、成本核算,、建筑許可,、廢渣再利用、減少碳排放等方面需要各方力量的共同推進(jìn),�,！睆堄篮缯f(shuō)。

有些問(wèn)題不容忽視

在混凝土3D打印技術(shù)快速發(fā)展的背后,，還有很多問(wèn)題需要國(guó)內(nèi)外同行共同去解決,，其中如何進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)混凝土3D打印的低碳發(fā)展就是問(wèn)題之一。

“雙碳”目標(biāo)的提出關(guān)系到人類(lèi)生存和發(fā)展,，在這一背景下,，3D打印是否低碳？目前主要存在哪些問(wèn)題,？對(duì)此,，張亞梅表示，當(dāng)前混凝土3D打印技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有一定的影響,，特別是在一些工程上非常領(lǐng)先的應(yīng)用,，也得到了國(guó)內(nèi)外行業(yè)同行的廣泛關(guān)注。但在混凝土3D打印技術(shù)快速發(fā)展的背后,，還有很多問(wèn)題需要國(guó)內(nèi)外同行共同去解決,，其中如何進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)混凝土3D打印的低碳發(fā)展就是問(wèn)題之一。

“混凝土3D打印免模板,、節(jié)省材料,，本質(zhì)上就是低碳的技術(shù)，但如果進(jìn)一步聚焦3D打印技術(shù)的不同環(huán)節(jié),，可以發(fā)現(xiàn)目前大量應(yīng)用的混凝土3D打印材料并不低碳,。”張亞梅指出,，目前廣泛應(yīng)用的混凝土3D打印技術(shù)是基于砂漿的3D打印,，水泥用量一般在830±230kg/m3,，是澆筑混凝土的兩倍左右，急需從材料源頭解決混凝土3D打印碳排放高的問(wèn)題,。實(shí)現(xiàn)途徑主要有：減少混凝土中的水泥熟料用量,；開(kāi)發(fā)新型的可替代水泥的低碳膠凝材料；使用粗骨料,；固廢再生利用取代混凝土原材料,；發(fā)展高/超高耐久3D打印混凝土等。

混凝土3D打印技術(shù)是多學(xué)科交叉的,，單靠材料領(lǐng)域,、設(shè)計(jì)領(lǐng)域或者設(shè)備領(lǐng)域比較難達(dá)到理想的應(yīng)用效果。對(duì)此,，張永虹表示,，房屋建筑的各專(zhuān)業(yè)包括建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),、水暖電設(shè)計(jì),、施工組織管理等，目前國(guó)內(nèi)的混凝土3D打印技術(shù)處于一種技術(shù)先行的情況,，技術(shù)上下游的專(zhuān)業(yè)沒(méi)有很好融合進(jìn)來(lái),，應(yīng)加強(qiáng)與建筑設(shè)計(jì)師的融合，讓設(shè)計(jì)師賦能混凝土3D打印產(chǎn)品的呈現(xiàn),�,！皩�(duì)于設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，首先會(huì)關(guān)注到混凝土3D打印設(shè)計(jì)方法,，因?yàn)楫?dāng)新工藝介入時(shí),，設(shè)計(jì)師想要落地，就要想辦法把設(shè)計(jì)方法和生產(chǎn)工藝相結(jié)合,，但混凝土3D打印工藝和傳統(tǒng)的建造工藝有很大的區(qū)別,，從設(shè)計(jì)方法來(lái)看設(shè)計(jì)師認(rèn)為需要重新建構(gòu)，這是設(shè)計(jì)師未來(lái)著重去探討的關(guān)鍵問(wèn)題,。除此之外,，從需求端來(lái)看，建筑3D打印怎樣更好與客戶(hù)需求結(jié)合,，這也是未來(lái)探索的問(wèn)題之一,。”張永虹強(qiáng)調(diào)說(shuō),。

混凝土3D打印技術(shù)與設(shè)計(jì),、結(jié)構(gòu)、材料、設(shè)備,、軟件,、裝修環(huán)環(huán)相扣，設(shè)計(jì)師和施工人員希望機(jī)械智能化越高越好,、用的人工越少越好,，但在技術(shù)推廣方面仍存在一些難題。田冠飛指出,，一是設(shè)備不方便性普遍存在,。干過(guò)3D打印的人都知道，設(shè)備在打印過(guò)程中涉及設(shè)備的運(yùn)輸,、安裝,、打印調(diào)試,、清洗等很多工作,，比較繁瑣，亟需根據(jù)工藝和材料進(jìn)行不斷地改進(jìn)優(yōu)化,，做到方便,、精度高、速度快,。二是混凝土3D打印過(guò)程中放置鋼筋的工序大多是由人工完成的,，也就是說(shuō)機(jī)器在打印，人工在放鋼筋,，所以結(jié)構(gòu)上最主要的問(wèn)題是怎么放鋼筋,。三是材料問(wèn)題，混凝土3D打印是數(shù)字化,、智能化的,，涉及設(shè)計(jì)、材料,、結(jié)構(gòu),、機(jī)械、軟件等專(zhuān)業(yè),，是交叉融合的工藝,，要進(jìn)一步探討如何配制出美觀(guān)度好，而且能夠整體控制成本的材料,。四是軟件和算法,。目前，國(guó)產(chǎn)設(shè)備的軟件很少自主研發(fā),，大多在用國(guó)外的開(kāi)源軟件,，從這一點(diǎn)可以看出，我國(guó)3D打印技術(shù)雖然發(fā)展速度較快，但仍有很多值得學(xué)習(xí)的地方,。

固廢利用需合理

固廢利用對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要社會(huì)意義,，但3D打印混凝土的結(jié)構(gòu)跟常規(guī)的混凝土不同，再加上固廢來(lái)源廣泛,，性能波動(dòng)非常大,，應(yīng)用到混凝土3D打印過(guò)程中，應(yīng)理性面對(duì),，要特別強(qiáng)調(diào)科學(xué)合理地利用,。

自從混凝土3D打印出現(xiàn)并逐漸廣泛應(yīng)用以來(lái)，材料一直是制約混凝土3D打印推廣的一大障礙,。關(guān)于3D打印技術(shù)與固廢結(jié)合,，張亞梅提出，和傳統(tǒng)混凝土相比,，混凝土3D打印技術(shù)的粗骨料用量非常有限,，缺少粗骨料約束的混凝土容易開(kāi)裂。在混凝土結(jié)構(gòu)里鋼筋可以承受拉應(yīng)力,，但是混凝土3D打印目前在全球范圍內(nèi)都沒(méi)有非常好地解決配筋問(wèn)題,。因此，從材料科學(xué)的角度來(lái)說(shuō),，要客觀(guān)地來(lái)看3D打印技術(shù)與固廢結(jié)合這些問(wèn)題,。

“固廢利用對(duì)實(shí)現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)具有重要社會(huì)意義，但3D打印混凝土的結(jié)構(gòu)跟常規(guī)的混凝土不同,，再加上固廢來(lái)源廣泛,，性能波動(dòng)非常大，應(yīng)用到混凝土3D打印過(guò)程中時(shí),，應(yīng)理性面對(duì),，要特別強(qiáng)調(diào)科學(xué)合理地利用�,！睆垇喢繁硎�,，固廢長(zhǎng)期應(yīng)用在混凝土3D打印技術(shù)里，要特別關(guān)注混凝土3D打印技術(shù)的長(zhǎng)期性能,，要滿(mǎn)足混凝土對(duì)可打印性的要求,；滿(mǎn)足力學(xué)性能要求，包括長(zhǎng)期性能不倒縮,；要關(guān)注長(zhǎng)期變形性能要求,，不開(kāi)裂；要關(guān)注耐久性,；要保證安全性,、經(jīng)濟(jì)性,、低碳性。

△圖為3D打印建筑和制品 北京空間智筑技術(shù)有限公司/提供

在應(yīng)用中,，標(biāo)準(zhǔn)是推廣技術(shù)的必由之路,。談到固廢作為打印材料的要求和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定，田冠飛表示,，固廢作為混凝土3D打印材料肯定要有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),。首先，固廢來(lái)源眾多,，礦山,、工業(yè)冶金、建筑垃圾固廢等,，一定要從環(huán)保性,、有害物質(zhì)角度強(qiáng)調(diào)，必須符合建筑材料和打印作品的環(huán)保要求,。其次,，摻了固廢的混凝土3D打印材料，與未參加固廢的砂漿混凝土沒(méi)有太大差別,，且可打印的凝結(jié)時(shí)間,、可打印性、可建造性,，以及設(shè)計(jì)強(qiáng)度等都要達(dá)到要求。

“要想大力推廣混凝土3D打印建造技術(shù),，在標(biāo)準(zhǔn)化方面我們還有很多工作要做,。”對(duì)此,，張亞梅指出,，當(dāng)前我國(guó)已發(fā)布《混凝土3D打印技術(shù)規(guī)程》《3D打印混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》《3D打印混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法》等標(biāo)準(zhǔn)，還有《3D打印混凝土收縮測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)》《3D打印混凝土預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》等在編標(biāo)準(zhǔn),，但要實(shí)現(xiàn)混凝土3D打印技術(shù)大范圍推廣,，我國(guó)還需制定更多與材料、裝備,、產(chǎn)品,、設(shè)計(jì)、施工,、驗(yàn)收等各環(huán)節(jié)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn),。

未來(lái)前景廣闊
當(dāng)前，從國(guó)家層面已經(jīng)確定了我國(guó)建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)的總體戰(zhàn)略,，并明確提出要實(shí)現(xiàn)制造業(yè)由大變強(qiáng)的歷史跨越,。目前,，雖然混凝土3D打印還存在諸多問(wèn)題需要行業(yè)、企業(yè)共同解決,，但這條路要堅(jiān)定不移地走下去,。

3D打印材料發(fā)展至今，經(jīng)歷了從聚合物材料,、金屬材料到陶瓷材料的發(fā)展過(guò)程,。目前每個(gè)領(lǐng)域仍不斷有新材料出現(xiàn)，體現(xiàn)了3D打印技術(shù)的活力,。對(duì)于混凝土3D打印來(lái)說(shuō),，面對(duì)未來(lái)有挑戰(zhàn)也有機(jī)遇。

△圖為3D打印建筑和制品 杭州冠力智能科技有限公司/提供

張永虹表示,，從混凝土3D打印本身的工藝來(lái)講,，它最適合個(gè)性化定制和不受限制地設(shè)計(jì)。多品種小批量的制品是適合采用3D打印方式去完成的,。在個(gè)性化建筑,，災(zāi)后重建、惡劣甚至極端環(huán)境下施工方面,，如南極科考,、無(wú)人區(qū)、沙漠,、月球火星等方向做建筑,，混凝土3D打印的優(yōu)勢(shì)更為突出。

田冠飛表示,，目前混凝土3D打印市場(chǎng)應(yīng)用率很低,，大概占我國(guó)建筑工程土木工程市場(chǎng)規(guī)模的十萬(wàn)分之一，可以忽略不計(jì),�,；炷���3D打印技術(shù)是建筑自動(dòng)化的一個(gè)形式，在當(dāng)前建筑施工和土木工程自動(dòng)化程度相對(duì)比較低的情況下,，大力發(fā)展混凝土3D打印,，在支撐我國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人化,、自動(dòng)化建筑工地方面具有重要意義,。

“當(dāng)前，從國(guó)家層面已經(jīng)確定了我國(guó)建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)的總體戰(zhàn)略,，并明確提出要實(shí)現(xiàn)制造業(yè)由大變強(qiáng)的歷史跨越,。目前，雖然混凝土3D打印還存在諸多問(wèn)題需要行業(yè),、企業(yè)共同解決,，但這條路要堅(jiān)定不移地走下去,。”張亞梅說(shuō),。

在創(chuàng)新方面,，未來(lái)混凝土3D打印在新材料、新技術(shù)和新裝備等方面空間巨大,。針對(duì)如何提高混凝土3D打印的施工效率,，如何改進(jìn)打印設(shè)備的運(yùn)輸和方便拆裝，田冠飛表示,，混凝土3D打印就像壓面機(jī)一樣把材料擠出成面條狀堆疊在規(guī)定的路線(xiàn)上,，影響因素是水平推進(jìn)的速度、每層堆疊的厚度,，未來(lái)可考慮將現(xiàn)在的單個(gè)打印頭改成雙打印頭甚至多打印頭,，還有占地比較小的打印機(jī)可以多臺(tái)聯(lián)動(dòng)或者協(xié)同打印施工。

在如何實(shí)現(xiàn)混凝土3D打印設(shè)備智能化,、簡(jiǎn)易化方面,，張永虹認(rèn)為，目前混凝土3D打印中應(yīng)用最廣泛,、最主流的就是龍門(mén)架結(jié)構(gòu)和機(jī)器人式結(jié)構(gòu),。兩種設(shè)備的智能化程度都不高，在打印過(guò)程中還需要人為干預(yù)的,，因此設(shè)備輕量化,、簡(jiǎn)單化非常重要。這也將是未來(lái)混凝土3D打印設(shè)備的發(fā)展方向,。張亞梅指出,，目前影響混凝土3D打印建筑整體施工進(jìn)度的主要環(huán)節(jié)是配筋問(wèn)題�,；炷�土打印本身耗時(shí)比較少，但結(jié)構(gòu)的水平連接和豎向連接（如梁,、板,、柱）的施工往往耗時(shí)很長(zhǎng)。一棟小房子,，可能混凝土的打印時(shí)間只有幾十個(gè)小時(shí),，但由于梁、板,、柱的后續(xù)現(xiàn)澆施工,，整個(gè)項(xiàng)目往往耗時(shí)數(shù)月。因此,，提高混凝土3D打印建筑的效率,，還需要重視與混凝土3D打印工藝向匹配的配筋技術(shù)的開(kāi)發(fā)和新型結(jié)構(gòu)的研發(fā),。