实现固废合理利用，3D打印路还有多远？

来源：中国建材报

增材制造技术，俗称“3D打印”，是一项起源20世纪80年代，集机械、计算机、数控和材料于一体的智能制造技术。从最初的只能打印塑料产品，到现在可以打印金属、陶瓷、塑料、混凝土等不同材料，3D打印技术走过了漫长的发展之路。目前，3D打印机不仅能够打印房屋建筑、汽车零件、服装，还能打印头盖骨、心脏、血管、假肢等，在人们生活中发挥着巨大作用。

我国是固体废物产生大国，面对自然资源日益短缺及固体废物环境污染的双重压力，开展多路径的固体废物资源化利用，是解决我国资源困境、实现经济社会可持续发展的必由之路。如何实现3D打印与固废利用之间的有效结合？在实现固废合理利用方面还有哪些工作？近日，在由中国硅酸盐学会固废与生态材料分会、《中国建材报》社联合主办，中国硅酸盐学会固废与生态材料分会副秘书长于立安主持的第十二期“固废利用锵锵四人行”交流活动上，多位专家围绕“3D打印的创新发展与固废利用”展开交流，在进一步推动固废资源化利用发展的同时，加速了3D打印技术与固废利用领域的融合。

△图为3D打印代表性项目 南京绿色增材智造研究院 提供

3D打印优势明显

目前混凝土3D打印材料的成本相比于传统建筑材料成本过高，如果用固废替换打印材料里面的砂或者部分胶凝材料，站在使用者的角度，可有效降低成本。

据了解，相比于传统建筑工艺，混凝土3D打印技术具有免模板、省人工、节约材料、总成本低、设计自由度大、建造效率高、人员安全风险小等优势，目前在国内外引起了广泛的关注。

对此，东南大学材料科学与工程学院教授、南京绿色增材智造研究院院长张亚梅表示，传统建造工艺要立模、配筋、浇筑混凝土，在以高层建筑为主、人工越来越贵的今天，不仅存在安全隐患，还增加了建造成本。混凝土3D打印技术是按数字模型，将混凝土作为打印材料，通过层层堆叠打印，形成三维结构或构件的技术。目前，国内外普遍应用的是一种基于挤出成型的3D打印技术，主要有机械臂式机器人混凝土3D打印和桁架式混凝土3D打印两种模式。“和传统使用模板的建造技术相比，混凝土3D打印总体是低碳的，因为越是个性化设计的建筑越是耗费模板，且很多模板是一次性使用，浪费量巨大。”张亚梅说。

在众多3D打印工艺中，混凝土3D打印发展速度比较快。究其原因，杭州冠力智能科技有限公司研究员田冠飞认为，一是挤出打印速度非常快，即每单位时间内混凝土3D打印的效率跟其他（如FDM、SLS和D-shape）工艺相比快了几个数量级；二是打印材料的成本低，金属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、两个数量级。

关于固废能否成为3D打印材料这一问题，田冠飞表示，目前混凝土3D打印材料的成本相比于传统的建筑材料成本过高，如果用固废替换打印材料里面的砂或者部分胶凝材料，站在使用者的角度，可有效降低成本。但固废来源和成分稳定性对打印材料非常重要，如果成分不稳定，会导致打印材料需要不断调整配比和工艺，这点需要特别关注。

△图为3D打印代表性项目 南京嘉翼精密机器制造股份有限公司/提供

除了发展速度比较快，混凝土3D打印在国内应用端和需求端还存在滞后现象。对此，北京空间智筑技术有限公司总经理张永虹指出，目前我国的建筑3D打印技术处于全球领先地位，但在商业化方面、太空3D打印和政策支持方面，国外走在了前面。当前，混凝土3D打印应用主要集中在美国、中国、欧洲、澳大利亚，在我国也有一大批高校、研究机构、企业进入到这个行业，主要以军事训练营房、车辆隐蔽结构、哨所、居民房、办公室、别墅、岗亭、公交站、隔离房、书屋、卫生间、花坛、花墙、海岸线、字体、标识、景观等建筑为应用对象。“混凝土3D打印技术发展较快，且在国内有着巨大的应用潜力，但在标准制定、成本核算、建筑许可、废渣再利用、减少碳排放等方面需要各方力量的共同推进。”张永虹说。

有些问题不容忽视

在混凝土3D打印技术快速发展的背后，还有很多问题需要国内外同行共同去解决，其中如何进一步实现混凝土3D打印的低碳发展就是问题之一。

“双碳”目标的提出关系到人类生存和发展，在这一背景下，3D打印是否低碳？目前主要存在哪些问题？对此，张亚梅表示，当前混凝土3D打印技术在国内外已经有一定的影响，特别是在一些工程上非常领先的应用，也得到了国内外行业同行的广泛关注。但在混凝土3D打印技术快速发展的背后，还有很多问题需要国内外同行共同去解决，其中如何进一步实现混凝土3D打印的低碳发展就是问题之一。

“混凝土3D打印免模板、节省材料，本质上就是低碳的技术，但如果进一步聚焦3D打印技术的不同环节，可以发现目前大量应用的混凝土3D打印材料并不低碳。”张亚梅指出，目前广泛应用的混凝土3D打印技术是基于砂浆的3D打印，水泥用量一般在830±230kg/m3，是浇筑混凝土的两倍左右，急需从材料源头解决混凝土3D打印碳排放高的问题。实现途径主要有：减少混凝土中的水泥熟料用量；开发新型的可替代水泥的低碳胶凝材料；使用粗骨料；固废再生利用取代混凝土原材料；发展高/超高耐久3D打印混凝土等。

混凝土3D打印技术是多学科交叉的，单靠材料领域、设计领域或者设备领域比较难达到理想的应用效果。对此，张永虹表示，房屋建筑的各专业包括建筑设计、结构设计、水暖电设计、施工组织管理等，目前国内的混凝土3D打印技术处于一种技术先行的情况，技术上下游的专业没有很好融合进来，应加强与建筑设计师的融合，让设计师赋能混凝土3D打印产品的呈现。“对于设计师来说，首先会关注到混凝土3D打印设计方法，因为当新工艺介入时，设计师想要落地，就要想办法把设计方法和生产工艺相结合，但混凝土3D打印工艺和传统的建造工艺有很大的区别，从设计方法来看设计师认为需要重新建构，这是设计师未来着重去探讨的关键问题。除此之外，从需求端来看，建筑3D打印怎样更好与客户需求结合，这也是未来探索的问题之一。”张永虹强调说。

混凝土3D打印技术与设计、结构、材料、设备、软件、装修环环相扣，设计师和施工人员希望机械智能化越高越好、用的人工越少越好，但在技术推广方面仍存在一些难题。田冠飞指出，一是设备不方便性普遍存在。干过3D打印的人都知道，设备在打印过程中涉及设备的运输、安装、打印调试、清洗等很多工作，比较繁琐，亟需根据工艺和材料进行不断地改进优化，做到方便、精度高、速度快。二是混凝土3D打印过程中放置钢筋的工序大多是由人工完成的，也就是说机器在打印，人工在放钢筋，所以结构上最主要的问题是怎么放钢筋。三是材料问题，混凝土3D打印是数字化、智能化的，涉及设计、材料、结构、机械、软件等专业，是交叉融合的工艺，要进一步探讨如何配制出美观度好，而且能够整体控制成本的材料。四是软件和算法。目前，国产设备的软件很少自主研发，大多在用国外的开源软件，从这一点可以看出，我国3D打印技术虽然发展速度较快，但仍有很多值得学习的地方。

固废利用需合理

固废利用对实现“双碳”目标具有重要社会意义，但3D打印混凝土的结构跟常规的混凝土不同，再加上固废来源广泛，性能波动非常大，应用到混凝土3D打印过程中，应理性面对，要特别强调科学合理地利用。

自从混凝土3D打印出现并逐渐广泛应用以来，材料一直是制约混凝土3D打印推广的一大障碍。关于3D打印技术与固废结合，张亚梅提出，和传统混凝土相比，混凝土3D打印技术的粗骨料用量非常有限，缺少粗骨料约束的混凝土容易开裂。在混凝土结构里钢筋可以承受拉应力，但是混凝土3D打印目前在全球范围内都没有非常好地解决配筋问题。因此，从材料科学的角度来说，要客观地来看3D打印技术与固废结合这些问题。

“固废利用对实现‘双碳’目标具有重要社会意义，但3D打印混凝土的结构跟常规的混凝土不同，再加上固废来源广泛，性能波动非常大，应用到混凝土3D打印过程中时，应理性面对，要特别强调科学合理地利用。”张亚梅表示，固废长期应用在混凝土3D打印技术里，要特别关注混凝土3D打印技术的长期性能，要满足混凝土对可打印性的要求；满足力学性能要求，包括长期性能不倒缩；要关注长期变形性能要求，不开裂；要关注耐久性；要保证安全性、经济性、低碳性。

△图为3D打印建筑和制品 北京空间智筑技术有限公司/提供

在应用中，标准是推广技术的必由之路。谈到固废作为打印材料的要求和标准规范的制定，田冠飞表示，固废作为混凝土3D打印材料肯定要有技术标准。首先，固废来源众多，矿山、工业冶金、建筑垃圾固废等，一定要从环保性、有害物质角度强调，必须符合建筑材料和打印作品的环保要求。其次，掺了固废的混凝土3D打印材料，与未参加固废的砂浆混凝土没有太大差别，且可打印的凝结时间、可打印性、可建造性，以及设计强度等都要达到要求。

“要想大力推广混凝土3D打印建造技术，在标准化方面我们还有很多工作要做。”对此，张亚梅指出，当前我国已发布《混凝土3D打印技术规程》《3D打印混凝土拌合物性能试验方法》《3D打印混凝土基本力学性能试验方法》等标准，还有《3D打印混凝土收缩测试方法标准》《3D打印混凝土预制构件质量验收标准》等在编标准，但要实现混凝土3D打印技术大范围推广，我国还需制定更多与材料、装备、产品、设计、施工、验收等各环节相关的标准。

未来前景广阔
当前，从国家层面已经确定了我国建设制造强国的总体战略，并明确提出要实现制造业由大变强的历史跨越。目前，虽然混凝土3D打印还存在诸多问题需要行业、企业共同解决，但这条路要坚定不移地走下去。

3D打印材料发展至今，经历了从聚合物材料、金属材料到陶瓷材料的发展过程。目前每个领域仍不断有新材料出现，体现了3D打印技术的活力。对于混凝土3D打印来说，面对未来有挑战也有机遇。

△图为3D打印建筑和制品 杭州冠力智能科技有限公司/提供

张永虹表示，从混凝土3D打印本身的工艺来讲，它最适合个性化定制和不受限制地设计。多品种小批量的制品是适合采用3D打印方式去完成的。在个性化建筑，灾后重建、恶劣甚至极端环境下施工方面，如南极科考、无人区、沙漠、月球火星等方向做建筑，混凝土3D打印的优势更为突出。

田冠飞表示，目前混凝土3D打印市场应用率很低，大概占我国建筑工程土木工程市场规模的十万分之一，可以忽略不计。混凝土3D打印技术是建筑自动化的一个形式，在当前建筑施工和土木工程自动化程度相对比较低的情况下，大力发展混凝土3D打印，在支撑我国向制造强国迈进，实现无人化、自动化建筑工地方面具有重要意义。

“当前，从国家层面已经确定了我国建设制造强国的总体战略，并明确提出要实现制造业由大变强的历史跨越。目前，虽然混凝土3D打印还存在诸多问题需要行业、企业共同解决，但这条路要坚定不移地走下去。”张亚梅说。

在创新方面，未来混凝土3D打印在新材料、新技术和新装备等方面空间巨大。针对如何提高混凝土3D打印的施工效率，如何改进打印设备的运输和方便拆装，田冠飞表示，混凝土3D打印就像压面机一样把材料挤出成面条状堆叠在规定的路线上，影响因素是水平推进的速度、每层堆叠的厚度，未来可考虑将现在的单个打印头改成双打印头甚至多打印头，还有占地比较小的打印机可以多台联动或者协同打印施工。

在如何实现混凝土3D打印设备智能化、简易化方面，张永虹认为，目前混凝土3D打印中应用最广泛、最主流的就是龙门架结构和机器人式结构。两种设备的智能化程度都不高，在打印过程中还需要人为干预的，因此设备轻量化、简单化非常重要。这也将是未来混凝土3D打印设备的发展方向。张亚梅指出，目前影响混凝土3D打印建筑整体施工进度的主要环节是配筋问题。混凝土打印本身耗时比较少，但结构的水平连接和竖向连接（如梁、板、柱）的施工往往耗时很长。一栋小房子，可能混凝土的打印时间只有几十个小时，但由于梁、板、柱的后续现浇施工，整个项目往往耗时数月。因此，提高混凝土3D打印建筑的效率，还需要重视与混凝土3D打印工艺向匹配的配筋技术的开发和新型结构的研发。