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

來源：中國建材報

增材制造技術(shù),，俗稱“3D打印”,，是一項起源20世紀(jì)80年代,，集機(jī)械,、計算機(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)走過了漫長的發(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,。

我國是固體廢物產(chǎn)生大國，面對自然資源日益短缺及固體廢物環(huán)境污染的雙重壓力,，開展多路徑的固體廢物資源化利用,，是解決我國資源困境、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(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,，在由中國硅酸鹽學(xué)會固廢與生態(tài)材料分會、《中國建材報》社聯(lián)合主辦,，中國硅酸鹽學(xué)會固廢與生態(tài)材料分會副秘書長于立安主持的第十二期“固廢利用鏘鏘四人行”交流活動上,，多位專家圍繞“3D打印的創(chuàng)新發(fā)展與固廢利用”展開交流，在進(jìn)一步推動固廢資源化利用發(fā)展的同時,，加速了3D打印技術(shù)與固廢利用領(lǐng)域的融合,。

△圖為3D打印代表性項目 南京綠色增材智造研究院 提供

3D打印優(yōu)勢明顯

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)計自由度大,、建造效率高,、人員安全風(fēng)險小等優(yōu)勢，目前在國內(nèi)外引起了廣泛的關(guān)注,。

對此,，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,、人工越來越貴的今天，不僅存在安全隱患,，還增加了建造成本,�,；炷���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，因為越是個性化設(shè)計的建筑越是耗費(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,。

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�,？�,，即每單位時間內(nèi)混凝土3D打印的效率跟其他（如FDM、SLS和D-shape）工藝相比快了幾個數(shù)量級,；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、兩個數(shù)量級,。

關(guān)于固廢能否成為3D打印材料這一問題,，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,。但固廢來源和成分穩(wěn)定性對打印材料非常重要,，如果成分不穩(wěn)定，會導(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打印在國內(nèi)應(yīng)用端和需求端還存在滯后現(xiàn)象,。對此,，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,、中國、歐洲,、澳大利亞,，在我國也有一大批高校、研究機(jī)構(gòu),、企業(yè)進(jìn)入到這個行業(yè),，主要以軍事訓(xùn)練營房,、車輛隱蔽結(jié)構(gòu),、哨所、居民房,、辦公室,、別墅、崗?fù)�,、公交站,、隔離房、書屋,、衛(wèi)生間,、花壇、花墻,、海岸線,、字體、標(biāo)識,、景觀等建筑為應(yīng)用對象,。“混凝土3D打印技術(shù)發(fā)展較快,，且在國內(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,。

有些問題不容忽視

在混凝土3D打印技術(shù)快速發(fā)展的背后，還有很多問題需要國內(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)展就是問題之一,。

“雙碳”目標(biāo)的提出關(guān)系到人類生存和發(fā)展，在這一背景下,，3D打印是否低碳,？目前主要存在哪些問題？對此,，張亞梅表示,，當(dāng)前混凝土3D打印技術(shù)在國內(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，還有很多問題需要國內(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,�,！睆垇喢分赋觯�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打印碳排放高的問題,。實(shí)現(xiàn)途徑主要有：減少混凝土中的水泥熟料用量,；開發(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。對此,，張永虹表示,，房屋建筑的各專業(yè)包括建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計,、水暖電設(shè)計,、施工組織管理等,，目前國內(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)上下游的專業(yè)沒有很好融合進(jìn)來，應(yīng)加強(qiáng)與建筑設(shè)計師的融合,，讓設(shè)計師賦能混凝土3D打印產(chǎn)品的呈現(xiàn),�,！皩τ谠O(shè)計師來說,，首先會關(guān)注到混凝土3D打印設(shè)計方法，因為當(dāng)新工藝介入時,，設(shè)計師想要落地,，就要想辦法把設(shè)計方法和生產(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)計方法來看設(shè)計師認(rèn)為需要重新建構(gòu),，這是設(shè)計師未來著重去探討的關(guān)鍵問題,。除此之外,，從需求端來看,，建筑3D打印怎樣更好與客戶需求結(jié)合，這也是未來探索的問題之一,。”張永虹強(qiáng)調(diào)說。

混凝土3D打印技術(shù)與設(shè)計、結(jié)構(gòu)、材料,、設(shè)備,、軟件,、裝修環(huán)環(huán)相扣,，設(shè)計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3D打印的人都知道,，設(shè)備在打印過程中涉及設(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打印過程中放置鋼筋的工序大多是由人工完成的,，也就是說機(jī)器在打印,，人工在放鋼筋,，所以結(jié)構(gòu)上最主要的問題是怎么放鋼筋。三是材料問題,，混凝土3D打印是數(shù)字化,、智能化的,，涉及設(shè)計、材料,、結(jié)構(gòu),、機(jī)械,、軟件等專業(yè),，是交叉融合的工藝,，要進(jìn)一步探討如何配制出美觀度好,，而且能夠整體控制成本的材料。四是軟件和算法。目前，國產(chǎn)設(shè)備的軟件很少自主研發(fā),，大多在用國外的開源軟件,，從這一點(diǎn)可以看出,，我國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

固廢利用對實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要社會意義,，但3D打印混凝土的結(jié)構(gòu)跟常規(guī)的混凝土不同,，再加上固廢來源廣泛,，性能波動非常大，應(yīng)用到混凝土3D打印過程中,，應(yīng)理性面對,，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,，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)都沒有非常好地解決配筋問題。因此,，從材料科學(xué)的角度來說,，要客觀地來看3D打印技術(shù)與固廢結(jié)合這些問題。

“固廢利用對實(shí)現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)具有重要社會意義,，但3D打印混凝土的結(jié)構(gòu)跟常規(guī)的混凝土不同,，再加上固廢來源廣泛，性能波動非常大,，應(yīng)用到混凝土3D打印過程中時,，應(yīng)理性面對，要特別強(qiáng)調(diào)科學(xué)合理地利用,�,！睆垇喢繁硎荆�固廢長期應(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)的長期性能,，要滿足混凝土對可打印性的要求；滿足力學(xué)性能要求,，包括長期性能不倒縮,；要關(guān)注長期變形性能要求，不開裂,；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有太大差別,，且可打印的凝結(jié)時間、可打印性,、可建造性,，以及設(shè)計強(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,。”對此,，張亞梅指出,，當(dāng)前我國已發(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方法》《3D打印混凝土基本力學(xué)性能試驗方法》等標(biāo)準(zhǔn)，還有《3D打印混凝土收縮測試方法標(biāo)準(zhǔn)》《3D打印混凝土預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量驗收標(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,，我國還需制定更多與材料、裝備,、產(chǎn)品,、設(shè)計、施工,、驗收等各環(huán)節(jié)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn),。

未來前景廣闊
當(dāng)前，從國家層面已經(jīng)確定了我國建設(shè)制造強(qiáng)國的總體戰(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打印還存在諸多問題需要行業(yè),、企業(yè)共同解決,，但這條路要堅定不移地走下去。

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)展過程。目前每個領(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,。對于混凝土3D打印來說，面對未來有挑戰(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打印本身的工藝來講,，它最適合個性化定制和不受限制地設(shè)計。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)勢更為突出,。

田冠飛表示,，目前混凝土3D打印市場應(yīng)用率很低，大概占我國建筑工程土木工程市場規(guī)模的十萬分之一,，可以忽略不計,。混凝土3D打印技術(shù)是建筑自動化的一個形式,，在當(dāng)前建筑施工和土木工程自動化程度相對比較低的情況下,，大力發(fā)展混凝土3D打印，在支撐我國向制造強(qiáng)國邁進(jìn),，實(shí)現(xiàn)無人化,、自動化建筑工地方面具有重要意義。

“當(dāng)前,，從國家層面已經(jīng)確定了我國建設(shè)制造強(qiáng)國的總體戰(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打印還存在諸多問題需要行業(yè),、企業(yè)共同解決，但這條路要堅定不移地走下去,�,！睆垇喢氛f。

在創(chuàng)新方面,，未來混凝土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)定的路線上,，影響因素是水平推進(jìn)的速度,、每層堆疊的厚度,，未來可考慮將現(xiàn)在的單個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)可以多臺聯(lián)動或者協(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,，在打印過程中還需要人為干預(yù)的,，因此設(shè)備輕量化、簡單化非常重要,。這也將是未來混凝土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)是配筋問題,�,；炷�土打印本身耗時比較少，但結(jié)構(gòu)的水平連接和豎向連接（如梁,、板,、柱）的施工往往耗時很長。一棟小房子,，可能混凝土的打印時間只有幾十個小時,，但由于梁、板,、柱的后續(xù)現(xiàn)澆施工,，整個項目往往耗時數(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)的開發(fā)和新型結(jié)構(gòu)的研發(fā)。