第十三章

混凝土3D打印技術(shù)新型工程材料2026/1/242第十三章混凝土3D打印技術(shù)1234概述混凝土3D打印原理3D打印混凝土材料混凝土3D打印裝備混凝土3D打印建造工藝CONTENTS52026/1/243第十三章混凝土3D打印技術(shù)1234概述混凝土3D打印原理3D打印混凝土材料混凝土3D打印裝備混凝土3D打印建造工藝CONTENTS52026/1/24413.1概述

3D打印技術(shù)是一種基于數(shù)字模型文件的快速成型的新型制造技術(shù)，能夠通過計(jì)算機(jī)控制和逐層打印將藍(lán)圖轉(zhuǎn)化為實(shí)物。這種“去?；钡脑霾闹圃旒夹g(shù)對許多金屬和非金屬材料及制品行業(yè)都是顛覆性的。隨著水泥基3D打印混凝土新型材料的研發(fā)，混凝土3D打印技術(shù)為建筑領(lǐng)域和土工工程領(lǐng)域的施工提供了數(shù)字化、免模板、無人化的新型解決方案，從而大大提高了效率，減少了成本同時(shí)，也為復(fù)雜設(shè)計(jì)的建筑的未來建造工藝開辟了新的可能。2026/1/245第十三章混凝土3D打印技術(shù)1234概述混凝土3D打印原理3D打印混凝土材料混凝土3D打印裝備混凝土3D打印建造工藝CONTENTS52026/1/24613.2混凝土3D打印原理

13.2.13D打印的概念

3D打印也稱為增材制造，是一種通過逐層堆積材料來創(chuàng)建物體的制造技術(shù)。與傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)相比，3D打印是按照數(shù)字模型直接制造復(fù)雜形狀的物體，無需傳統(tǒng)加工方法中的模具或者切割過程3D打印技術(shù)根據(jù)不同的工作原理和應(yīng)用材料，大致可以分為以下幾種主要類型：（1）FDM（熔融沉積成型）（2）FFF（熔絲制造成型）（3）SLS（激光燒結(jié)成型）（4）SLA（光固化立體成型）（5）CLIP（連續(xù)液體提取成型）2026/1/24713.2混凝土3D打印原理

13.2.2混凝土3D打印的基本原理

混凝土3D打印技術(shù)是一種采用擠出堆疊工藝實(shí)現(xiàn)混凝土免模板成型的建造技術(shù)，是將混凝土材料應(yīng)用于3D打印建造構(gòu)筑物過程。現(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)能夠建造包括原位3D打印建筑和裝配式3D打印建筑在內(nèi)的不同類型建筑物。混凝土3D打印基本原理涉及以下幾個(gè)步驟：（1）數(shù)字建模：（2）切片處理（3）層疊打?。?）固化過程2026/1/24813.2混凝土3D打印原理13.2.3混凝土3D打印技術(shù)進(jìn)展混凝土3D打印在維護(hù)墻體方面提供了快速響應(yīng)的解決方案，不僅用于新型鏤空墻體的建造，還可用于維護(hù)墻體、隔音聲屏障墻體的打印。由于3D打印在設(shè)計(jì)和制造上的靈活性，可以根據(jù)需要打印出不同形狀和尺寸的墻體元素，從而使維護(hù)工作更加高效和經(jīng)濟(jì)。這些應(yīng)用展示了混凝土3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的多樣性和廣闊前景。圖13-27自行車橋梁裝配完成

圖13-28上?；炷?D打印步行橋

圖13-29河北工業(yè)大學(xué)3D打印趙州橋2026/1/249第十三章混凝土3D打印技術(shù)1234概述混凝土3D打印原理3D打印混凝土材料混凝土3D打印裝備混凝土3D打印建造工藝CONTENTS52026/1/241013.33D打印混凝土材料13.33D打印混凝土材料3D打印混凝土材料技術(shù)是建筑3D打印領(lǐng)域的核心，開發(fā)適用于建筑3D打印過程的高性能的3D打印混凝土材料對于技術(shù)的應(yīng)用落地至關(guān)重要。3D打印混凝土是一種使用特殊配方的混凝土或者砂漿材料，它們通常包括水泥、骨料、纖維以及多種添加劑組成。利用這些添加劑調(diào)節(jié)材料的流動性、觸變性、凝結(jié)硬化時(shí)間、強(qiáng)度和耐久性特性，使其適合通過打印頭的擠出布料成型。與傳統(tǒng)的混凝土相比，3D打印混凝土材料通常具有更好的觸變性、較短的凝結(jié)時(shí)間，以便于通過3D打印機(jī)的擠出頭逐層堆積。這種免模板的靈活性使的設(shè)計(jì)和建造更自由，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的幾何形狀和結(jié)構(gòu)。

2026/1/241113.33D打印混凝土材料13.3.1原材料及作用機(jī)理1.水泥及膠凝材料：

水泥作為混凝土的膠凝材料，水泥在混凝土硬化過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，與水反應(yīng)生成水化硅酸鈣膠凝體，將骨料粘結(jié)在一起。在3D打印混凝土領(lǐng)域，硅酸鹽水泥基混凝土以其成熟的技術(shù)、廣泛的應(yīng)用背景和優(yōu)化的性能特性，為構(gòu)建復(fù)雜和定制化的建筑結(jié)構(gòu)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)也在不斷適應(yīng)新的制造技術(shù)和環(huán)境要求。

2.骨料骨料分為細(xì)骨料（砂子）和粗骨料（石子），作為3D打印混凝土的骨架材料，骨料填充了水泥基質(zhì)中的空隙，增加了混凝土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在3D打印混凝土中，骨料種類、粒徑和級配不僅影響混凝土的基本物理和力學(xué)性能，還影響著打印混凝土的打印工作性和最終結(jié)構(gòu)打印質(zhì)量。

2026/1/241213.33D打印混凝土材料

3D打印混凝土的骨料通常來自以下的原材料來源。（1）天然骨料，來自河流、湖泊或海洋。天然沙的粒徑、形狀和紋理因來源而異，這些特性會影響混凝土的工作性和層間粘結(jié)。（2）人造砂石，由破碎的巖石、礦渣或其他工業(yè)材料制成。人造砂可以通過控制生產(chǎn)過程來調(diào)整其粒徑和形狀，從而滿足特定的3D打印需求。（3）回收材料，如破碎的混凝土或磚石。使用這些回收材料不僅有助于資源的循環(huán)利用，還能降低環(huán)境影響。（4）輕質(zhì)骨料，如膨脹珍珠巖、聚苯顆粒、輕質(zhì)細(xì)陶粒等，這些輕質(zhì)骨料可用于制造重量更輕、保溫性能更好的3D打印混凝土。

2026/1/241313.33D打印混凝土材料合適的漿體與骨料比例可以帶來以下好處：（1）提高打印性能：適當(dāng)?shù)谋壤_?；炷辆哂凶銐虻牧鲃有?，便于通過3D打印機(jī)的擠出系統(tǒng)。同時(shí)，它也需要有足夠的稠度，以保持每一層的形狀并支撐上面的層。（2）增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度：適量的漿體可以有效地包裹骨料粒子，提高混凝土的整體密實(shí)性和強(qiáng)度。（3）改善耐久性：合理的比例有助于減少混凝土中的孔隙率，提高其抗?jié)B透性和耐久性。這對于提高混凝土結(jié)構(gòu)的長期性能和耐候性至關(guān)重要。（4）優(yōu)化成本效益：正確的比例還有助于優(yōu)化材料的使用，減少浪費(fèi)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2026/1/241413.33D打印混凝土材料3.摻合料硅灰，作為一種高活性的硅酸鹽材料，能顯著提升3D打印混凝土的流變性能、觸變性、力學(xué)強(qiáng)度和耐久性，也能提高3D打印混凝土的抗?jié)B透性和耐化學(xué)侵蝕方面性能。它的細(xì)微粒度有助于優(yōu)化混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，提高打印層間的粘結(jié)力。粉煤灰，作為工業(yè)副產(chǎn)品，含有豐富的硅酸鹽和鋁酸鹽，能夠通過火山灰反應(yīng)與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)，生成更多的水化硅酸鈣，從而提高混凝土的后期強(qiáng)度和耐久性。它還能改善混凝土的工作性和流動性，降低水泥用量，有助于減少3D打印混凝土的成本和環(huán)境影響。2026/1/241513.33D打印混凝土材料4.外加劑

在3D打印混凝土中，外加劑的應(yīng)用對提高打印效率、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)性能和優(yōu)化材料特性起著至關(guān)重要的作用。外加劑的種類繁多，包括減水劑、緩凝劑、速凝劑、觸變劑、纖維增強(qiáng)材料和其他功能性添加劑，每種都有其獨(dú)特的作用和優(yōu)勢。3D打印混凝土中普遍添加一定量的纖維增強(qiáng)材料，如鋼纖維、玻璃纖維或合成纖維等，纖維的加入能夠提升打印構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和韌性，減少裂縫的發(fā)生，同時(shí)提高層與層之間的粘結(jié)力。通過合理選擇外加劑和使用外加劑，可以顯著改3D打印混凝土材料的流變性、力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)性能，其是3D打印混凝土中必不可少的組份。2026/1/241613.33D打印混凝土材料

13.3.2打印混凝土的關(guān)鍵性能1.3D打印混凝土的可打印性

可打印性是混凝土3D打印的關(guān)鍵，主要包括可擠出性、可建造性和開放時(shí)間。良好的可打印性能可以保證混凝土在打印過程中具有適當(dāng)?shù)牧鲃有院涂伤苄?，以確保打印結(jié)構(gòu)的支撐成型和質(zhì)量穩(wěn)定性。如圖13-30所示顯示不同狀態(tài)材料的可打印性差異。

圖13-303D打印混凝土的可擠出性評價(jià)2026/1/241713.33D打印混凝土材料2.3D打印混凝土凝結(jié)時(shí)間3D打印混凝土技術(shù)中的膠凝體系調(diào)凝技術(shù)是打印混凝土成功的關(guān)鍵。控制凝結(jié)時(shí)間可以保證混凝土在打印過程中能保持足夠的可塑性，同時(shí)又能夠在打印完成后迅速硬化，提高打印效率和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。不同的膠凝材料體系采用不同的調(diào)凝技術(shù)，以下是一些主要的膠凝體系和其對應(yīng)的調(diào)凝技術(shù)：（1）普通硅酸鹽水泥基材料凝結(jié)時(shí)間優(yōu)化與調(diào)整（2）硫鋁酸鹽水泥基材料體系的凝結(jié)時(shí)間優(yōu)化和調(diào)整（3）堿激發(fā)地質(zhì)聚合物的凝結(jié)時(shí)間優(yōu)化和調(diào)整2026/1/241813.33D打印混凝土材料13.4.3配合比及設(shè)計(jì)方法3D打印混凝土配合比的設(shè)計(jì)方法通常包括以下幾個(gè)步驟：（1）確定打印混凝土的強(qiáng)度等級和性能要求：根據(jù)打印結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境和承載要求，確定混凝土的額強(qiáng)度等級和其他性能要求。（2）選擇適當(dāng)?shù)乃嗪凸橇希焊鶕?jù)3D打印混凝土的性能要求和打印工藝特點(diǎn)，選擇適合的水泥和骨料種類和粒徑、級配等。（3）確定水灰比和摻合料摻量：根據(jù)混凝土的流動性要求和硬化時(shí)間控制，確定適當(dāng)?shù)乃冶群蛽搅繐搅?。?）進(jìn)行3D混凝土配合比優(yōu)化：通過性能測試和打印模擬實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化混凝土的配合比，以實(shí)現(xiàn)最佳的打印效果和結(jié)構(gòu)性能。2026/1/2419第十三章混凝土3D打印技術(shù)1234概述混凝土3D打印原理混凝土3D打印技術(shù)進(jìn)展混凝土3D打印裝備混凝土3D打印建造工藝CONTENTS52026/1/242013.4混凝土3D打印裝備13.4.1混凝土3D打印機(jī)的硬件形式混凝土3D打印設(shè)備的關(guān)鍵組成有：（1）打印頭/擠出機(jī)：如螺旋擠出機(jī)、活塞擠出機(jī)和螺桿泵，用于擠出混凝土材料。（2）混凝土供應(yīng)系統(tǒng)：包括攪拌器和輸送泵，確保連續(xù)穩(wěn)定的材料供應(yīng)。（3）運(yùn)動控制系統(tǒng)：包括笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)、極坐標(biāo)系統(tǒng)和門型架移動系統(tǒng)，控制打印頭按預(yù)定路徑移動。（4）數(shù)字控制和軟件：將設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換為打印指令的計(jì)算機(jī)輔助制造軟件和控制固件。。2026/1/242113.4混凝土3D打印裝備13.4.2打印頭

打印頭是按照預(yù)定的路徑和層次逐層負(fù)責(zé)擠出混凝土的關(guān)鍵組件。目前建筑3D打印機(jī)上常見的混凝土3D打印頭有三種類型：單組分螺旋擠出打印頭、雙組份混合擠出打印頭和螺桿泵直接擠出式打印頭。1.單組分螺旋擠出打印頭：這種類型的打印頭使用單一類型的混凝土材料。它通過一個(gè)螺旋機(jī)構(gòu)來擠出混凝土，通常用于處理具有一定流動性的混凝土。2.雙組份混合擠出打印頭這種打印頭能夠同時(shí)處理兩種不同的材料，通常是混凝土和硬化劑或催化劑它在打印過程中混合這兩種組分，提供更多的控制和調(diào)整硬化過程的靈活性2026/1/242213.4混凝土3D打印裝備13.4.2打印頭

3.螺桿泵直接擠出式打印頭使用螺桿泵來直接擠出混凝土，提供了更高的擠出壓力和精確的流量控制。這種打印頭適用于一筆畫簡單路徑模型的打印成型，對較高粘度的混凝土直接擠出成型較其他兩種效果好。每種類型的打印頭都有其特定的優(yōu)勢和應(yīng)用領(lǐng)域，這些打印頭的設(shè)計(jì)確保了在3D打印過程中混凝土的均勻和連續(xù)流動，同時(shí)也支持不同類型的混凝土。選擇適當(dāng)?shù)拇蛴☆^類型取決于打印任務(wù)的具體要求，包括所需的精度、速度、混凝土的性質(zhì)等因素。此外，打印頭的設(shè)計(jì)還需考慮易于維護(hù)和清潔，以保證長期高效運(yùn)行。13.5.3打印切片控制軟件在3D打印的全過程中，切片軟件發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。其主要任務(wù)是將數(shù)字化的3D模型轉(zhuǎn)換為打印機(jī)可解讀的層疊路徑。2026/1/242313.4混凝土3D打印裝備以下是3D打印切片控制軟件的主要功能和特點(diǎn)：1.設(shè)計(jì)與模型創(chuàng)建2.切片過程3.路徑規(guī)劃和打印參數(shù)設(shè)置4.材料和打印頭的控制5.模擬和預(yù)覽6.生成G-Code

最終，軟件將切片后的模型轉(zhuǎn)換為G-Code，這是控制3D打印機(jī)動作的指令集。

3D打印切片控制軟件對于打印質(zhì)量、效率和準(zhǔn)確性至關(guān)重要，尤其是在復(fù)雜的混凝土3D打印項(xiàng)目中，它能夠確保設(shè)計(jì)準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為實(shí)際打印的結(jié)構(gòu)。建筑3D打印模型的制備和處理是一個(gè)涉及多個(gè)步驟和多種技術(shù)的流程。從最初的設(shè)計(jì)概念，到3D打印機(jī)的實(shí)際操作，每一步都要確保最高的精度和效率，從而使得建筑3D打印項(xiàng)目能夠成功實(shí)施。2026/1/2424第十三章混凝土3D打印技術(shù)1234概述混凝土3D打印原理3D打印混凝土材料混凝土3D打印裝備混凝土3D打印建造工藝CONTENTS52026/1/242513.5混凝土3D打印建造工藝13.5混凝土3D打印建造工藝

目前3D打印建筑的發(fā)展確實(shí)主要體現(xiàn)在兩種方式上：現(xiàn)場原位打印建筑和3D打印構(gòu)件的裝配式建筑。表13-4兩種技術(shù)方案的比較特點(diǎn)原位3D打印建筑裝配式3D打印建筑建造位置在建筑最終位置直接打印在工廠預(yù)制部件后運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場打印機(jī)和打印工藝大型移動3D打印機(jī)，適應(yīng)現(xiàn)場條件標(biāo)準(zhǔn)或定制3D打印機(jī)，依賴于模塊化設(shè)計(jì)時(shí)間效率施工速度快，減少了傳統(tǒng)建筑方法的時(shí)間打印部件時(shí)間取決于工廠生產(chǎn)效率，現(xiàn)場組裝迅速成本效益長期可能更節(jié)省成本，減少人工和材料浪費(fèi)初始投資高，但預(yù)制可降低現(xiàn)場施工成本2026/1/242613.5混凝土3D打印建造工藝13.5.1原位3D打印建造工藝兩臺打印機(jī)協(xié)同原位3D打印建造的工藝步驟如下：（1）打印機(jī)進(jìn)場前需要完成建筑地面下基礎(chǔ)部分施工，并整平第一層建筑的地面和打印機(jī)安裝的基礎(chǔ)。（2）由于打印墻體的量很大，建議采用2臺打印機(jī)協(xié)同打印施工，根據(jù)打印的布置方案，放線測量定位打印機(jī)位置，進(jìn)行2臺打印機(jī)的安裝。（3）根據(jù)打印方案，打印機(jī)1從打印區(qū)域A至D逐個(gè)分區(qū)打印，打印機(jī)2從E至D方向分區(qū)打印，直至整個(gè)樓層完成打印。（4）完成打印第一層后，根據(jù)設(shè)計(jì)圖支模板+澆筑混凝土樓板，樓板混凝土養(yǎng)護(hù)3-7天。（5）樓板養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，打印機(jī)1進(jìn)行第二層建筑墻體的從A至D區(qū)域的打印。（6）當(dāng)整個(gè)建筑打印完成后，將墻體分塊未打印的墻體豁口的缺少部分，利用預(yù)先打印準(zhǔn)備好的小塊打印墻體吊裝拼裝，將整體建筑補(bǔ)充完整。2026/1/242713.5混凝土3D打印建造工藝13.5.23D打印預(yù)制裝配式建造工藝

3D打印預(yù)制裝配式建造工藝是將混凝土3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的預(yù)制裝配式建造工藝相結(jié)合，通過在工廠中預(yù)先打印構(gòu)件，然后將其運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場進(jìn)行組裝，實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的快速建造。

以全球第一座利用3D打印建造完成的沙特阿拉伯清真寺項(xiàng)目為例，建筑面積56m2，采用某型號3臺龍門式工業(yè)級混凝土3D打印機(jī)，有效打印的尺寸：12m×6m×3.5m，打印材料采用C30強(qiáng)度等級打印混凝土，項(xiàng)目墻體3D構(gòu)件打印總用時(shí)為400h。圖13-47清真寺建筑設(shè)計(jì)正面圖

圖13-48整體建筑設(shè)計(jì)效果圖2026/1/242813.5混凝土3D打印建造工藝項(xiàng)目采用3D打印預(yù)制墻體構(gòu)件，裝配式建造工藝，具體工藝步驟如下：（1）基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)梁柱框架的施工工藝，按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，采用傳統(tǒng)鋼筋混凝土工藝實(shí)施。（2）建筑打印墻體的三維建模，在根據(jù)合理的打印尺寸和安裝尺寸進(jìn)行三維模型的分塊并進(jìn)行編號。（3）按照預(yù)設(shè)編號，采用3D打印工藝生產(chǎn)二次結(jié)構(gòu)墻體構(gòu)件，待現(xiàn)場完成構(gòu)件的養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行吊裝施工。（4）打印的墻體進(jìn)行3~7