實現(xiàn)固廢合理利用，3D打印路還有多遠？

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80年代，集機械、計算機、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、實現(xiàn)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的必由之路。如何實現(xiàn)3D打印與固廢利用之間的有效結(jié)合？在實現(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，東南大學材料科學與工程學院教授、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�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)，主要有機械臂式機器人混凝土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)計的建筑越是耗費模板，且很多模板是一次性使用，浪費量巨大�！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，會導致打印材料需要不斷調(diào)整配比和工藝，這點需要特別關(guān)注。

△圖為3D打印代表性項目 南京嘉翼精密機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、研究機構(gòu)、企業(yè)進入到這個行業(yè)，主要以軍事訓練營房、車輛隱蔽結(jié)構(gòu)、哨所、居民房、辦公室、別墅、崗亭、公交站、隔離房、書屋、衛(wèi)生間、花壇、花墻、海岸線、字體、標識、景觀等建筑為應(yīng)用對象�！盎炷�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，但在標準制定、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�！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，其中如何進一步實現(xiàn)混凝土3D打印的低碳發(fā)展就是問題之一。

“雙碳”目標的提出關(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，其中如何進一步實現(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�，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)沒有很好融合進來，應(yīng)加強與建筑設(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�！睆堄篮鐝娬{(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)工藝和材料進行不斷地改進優(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)、機械、軟件等專業(yè)，是交叉融合的工藝，要進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，但仍有很多值得學習的地方。

固廢利用需合理

固廢利用對實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要社會意義，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，要特別強調(diào)科學合理地利用。

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。

“固廢利用對實現(xiàn)‘雙碳’目標具有重要社會意義，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，要特別強調(diào)科學合理地利用�！睆垇喢繁硎�，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，標準是推廣技術(shù)的必由之路。談到固廢作為打印材料的要求和標準規(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)標準。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)計強度等都要達到要求。

“要想大力推廣混凝土3D打印建造技術(shù)，在標準化方面我們還有很多工作要做�！睂Υ耍瑥垇喢分赋�，當前我國已發(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性能試驗方法》等標準，還有《3D打印混凝土收縮測試方法標準》《3D打印混凝土預制構(gòu)件質(zhì)量驗收標準》等在編標準，但要實現(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)的標準。

未來前景廣闊
當前，從國家層面已經(jīng)確定了我國建設(shè)制造強國的總體戰(zhàn)略，并明確提出要實現(xiàn)制造業(yè)由大變強的歷史跨越。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�；炷�土3D打印技術(shù)是建筑自動化的一個形式，在當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國邁進，實現(xiàn)無人化、自動化建筑工地方面具有重要意義。

“當前，從國家層面已經(jīng)確定了我國建設(shè)制造強國的總體戰(zhàn)略，并明確提出要實現(xiàn)制造業(yè)由大變強的歷史跨越。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，如何改進打印設(shè)備的運輸和方便拆裝，田冠飛表示，混凝土3D打印就像壓面機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可以多臺聯(lián)動或者協(xié)同打印施工。

在如何實現(xiàn)混凝土3D打印設(shè)備智能化、簡易化方面，張永虹認為，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度的主要環(huán)節(jié)是配筋問題。混凝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)。