一種利用鋼纖維混凝土3d打印建筑物的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及建筑施工技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及3D打印建筑物所使用的材料及實(shí)施方法。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]3D打印是快速成型、增材制造技術(shù)的一種，1993年，Chuck Hull發(fā)明了第一臺3D打印機(jī)，30多年過去了，隨著3D打印技術(shù)的變革及商業(yè)化的發(fā)展，與各行各業(yè)相融合，除了較為普遍的食品加工、汽車、建筑、軍事、工業(yè)生產(chǎn)等行業(yè)外，如今還涉及了更高精尖的領(lǐng)域，如航空航天、生物工程、納米技術(shù)、克隆技術(shù)等。3D打印技術(shù)與各行業(yè)相結(jié)合并不是簡單的移植、嫁接，除了要開發(fā)具有行業(yè)特色的打印機(jī)和軟件外，其核心是新型打印材料的研發(fā)。
[0004]現(xiàn)代波特蘭水泥制造技術(shù)出現(xiàn)在1824年的英國，1872年美國人沃德建造了第一幢鋼筋混凝土構(gòu)件的房屋，從此以水泥為主的鋼筋混凝土進(jìn)入了大規(guī)模建筑制造實(shí)用階段。
[0005]3D打印的物件保羅萬象，同樣引發(fā)了建筑業(yè)追捧的熱潮。3D打印建筑技術(shù)與傳統(tǒng)建筑相比，其優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在速度快一一可比傳統(tǒng)建筑技術(shù)快10倍以上；不需要使用模板，可以大幅節(jié)約成本，并且具有低碳、綠色、環(huán)保的特點(diǎn)；不需要數(shù)量龐大的建筑工人，大大提高了生產(chǎn)效率；可以非常容易地打印出其他方式很難建造的高成本曲線建筑；可以打印出強(qiáng)度更高、質(zhì)量更輕的混凝土建筑物。
[0006]2012年I月，美國航天局(NASA)出資與美國南加州大學(xué)合作，最新研發(fā)出的“輪廓工藝” 3D打印技術(shù)，所使用的材料是以石膏、玻璃纖維為主的膠凝材料；
2013年I月，荷蘭計(jì)劃采用3D打印技術(shù)建造的房屋，這座仿莫比烏斯環(huán)的3D打印房屋；
2013年I月，歐洲航天局已著手同建筑公司Forster+Parterners聯(lián)手研發(fā)在月球打印一座空間站的項(xiàng)目，計(jì)劃利用月球現(xiàn)成的土壤及其他材料通過3D打印技術(shù)將其制成建筑材料，進(jìn)而完成空間站的建設(shè)；
2013年2月，英國設(shè)計(jì)師Softkill Design正著手使用3D打印技術(shù)建造大批量民用住房。這些房屋以骨骼架構(gòu)為原型，以纖維尼龍為結(jié)構(gòu)一一制作所有的部件需要三個星期，組裝起來則只需要一天；
2013年3月，荷蘭公司DAS的建筑師建造了打印機(jī)，號稱將建造“第一”的3D打印運(yùn)河屋；
2015年I月盈創(chuàng)公司在蘇州3D打印的別墅一套、五層樓的樓房一幢。
[0007]以上的3D打印建筑物項(xiàng)目所使用的材料分別是塑料、鎂質(zhì)粘接劑、石膏、玻璃纖維和水泥等，其作為實(shí)驗(yàn)性、創(chuàng)新性是無可厚非的，但要進(jìn)行大規(guī)模的實(shí)用性建筑物制造是有問題的，其材料是否能滿足建筑結(jié)構(gòu)的物理強(qiáng)度、衛(wèi)生環(huán)保、建筑物耐久性的要求，都是有待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]鑒于以上所述3D打印建筑物存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種利用鋼纖維混凝土 3D打印建筑物的方法，以解決上述3D打印房屋建造中存在的問題。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)效果，本發(fā)明公開了一種利用鋼纖維混凝土 3D打印建筑物的方法，其主要特征是，在建筑物中用鋼纖維完全替代鋼筋，使鋼纖維混凝土的力學(xué)性能不低于鋼筋混凝土，不僅能改善混凝土的抗拉、抗剪、抗彎、抗磨和抗裂性能，而且能大大增強(qiáng)混凝土的斷裂韌性和抗沖擊性能，尤其是韌性可增加，并且能顯著提高混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞性能及其耐久性。
[0010]3D打印建筑物所使用的鋼纖維，其特征在于:所述的鋼纖維尺寸如下:
直徑 Φ0.1?50mm ;
長度 I?1000mm。
[0011]3D打印建筑物所使用鋼纖維的外形，其特征在于:所述的鋼纖維混凝土為了增加鋼纖維與砂漿或混凝土的界面粘結(jié)，其外形如下:
一維鋼纖維平直、壓痕、毛刺、異性截面；
二維鋼纖維波浪、螺旋、彎曲、帶鉤，端部放大及疊加一維外形；
三維鋼纖維疊加一維及二維外形。
[0012]3D打印建筑物中鋼纖維混凝土的拌合工藝，其特征在于:所述的鋼纖維混凝土中鋼纖維與混凝土的拌合工藝，鋼纖維不參與混凝土攪拌，采用在打印建筑物時(shí)同時(shí)投入的方式，以避免鋼纖維結(jié)團(tuán)，同時(shí)可以按需要精準(zhǔn)進(jìn)行鋼纖維分布。
[0013]3D打印建筑物中所使用的混凝土，其特征在于:所述的鋼纖維混凝土中的混凝土是使用自密實(shí)混凝土。
[0014]本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案，使其具有以下有益效果:
采用大尺寸、多維度鋼纖維完全替代鋼筋，使鋼纖維混凝土的力學(xué)性能不低于鋼筋混凝土，不僅能改善混凝土的抗拉、抗剪、抗彎、抗磨和抗裂性能，而且能大大增強(qiáng)混凝土的斷裂韌性和抗沖擊性能，尤其是韌性可增加，并且能顯著提高混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞性能及其耐久性。而且減少了建筑施工程序，降低了勞動強(qiáng)度，使3D打印建筑物的優(yōu)勢得以突出顯現(xiàn)。
[0015]鋼纖維與混凝土的拌合采用非傳統(tǒng)的后加入工藝，一可以避免鋼纖維在攪拌過程中結(jié)團(tuán)；二是可以根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)對建筑構(gòu)件的不同力學(xué)的要求，按不同部位非均勻的定向投放不同的鋼纖維，使建筑構(gòu)件各個部位即能達(dá)到結(jié)構(gòu)力學(xué)的不同要求，又能達(dá)到其經(jīng)濟(jì)性。
[0016]
【附圖說明】
圖1顯示為本發(fā)明一實(shí)施例中一種利用鋼纖維混凝土 3D打印建筑物的方法的工藝流程圖。
[0017]圖2顯示為本發(fā)明實(shí)施例一中使用的一維(條型)鋼纖維示意圖。
[0018]圖3顯示為本發(fā)明實(shí)施例二中使用的二維(平面)鋼纖維示意圖。
[0019]圖4顯示為本發(fā)明實(shí)施例三中使用的三維(立體)鋼纖維示意圖。
[0020]
【具體實(shí)施方式】
[0021]本發(fā)明的目的可以通過以下措施來實(shí)現(xiàn):
第一步:備料:按建筑構(gòu)件對各原料的需求量，準(zhǔn)備鋼纖維、水泥、集料、摻合料和外加劑，保障3D打印建筑構(gòu)件一次完成，中途不能停料；
第二步:混凝土攪拌:按預(yù)先設(shè)定好的自密實(shí)混凝土配方比例，對水泥、集料、摻合料和外加劑計(jì)量、攪拌；
第三步:3D打印:將制備好的混凝土及鋼纖維，按預(yù)先設(shè)計(jì)好的3D圖紙，采用分層加工、迭加成形的方式逐層增加材料來生成建筑物。
[0022]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明的一種利用鋼纖維混凝土 3D打印建筑物的方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明:
實(shí)施例一:所用原材料如下:42.5級水泥，II級粉煤灰，細(xì)度為400m2/kg礦渣微粉，粗骨料采用粒徑5?16mm的連續(xù)級配的碎石，細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)2.85的中砂；高效聚羧酸系減水劑，如圖2所示的一維條型鋼纖維。C35自密實(shí)混凝土配合比為:石子為865kg/m3，砂子為782 kg/m3,水泥為312kg/m3，粉煤灰為121kg/m3，礦渣微粉為48kg/m3，用水量為194kg/m3，高效聚羧酸減水劑摻量為1%。按圖1所示的工藝流程，先進(jìn)行自密實(shí)混凝土的配制及攪拌，與鋼纖維同時(shí)進(jìn)入3D打印機(jī)，按預(yù)先設(shè)計(jì)好的建筑物施工圖紙進(jìn)行3D打印，采用分層打印、迭加成形的方式逐層增加材料來生成建筑物，本實(shí)例主要適用于平層及低層建筑物。
[0023]實(shí)施例二:所用原材料如下:42.5級水泥，II級粉煤灰，細(xì)度為400m2/kg礦渣微粉，粗骨料采用粒徑5?16_的連續(xù)級配的碎石，細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)2.85的中砂；高效聚羧酸系減水劑，如圖3所示的二維平面型鋼纖維。C35自密實(shí)混凝土配合比為:石子為865kg/m3,砂子為782 kg/m3,水泥為312kg/m3，粉煤灰為121kg/m3，礦澄微粉為48kg/m3，用水量為194kg/m3，高效聚羧酸減水劑摻量為1%。按圖1所示的工藝流程，先進(jìn)行自密實(shí)混凝土的配制及攪拌，與鋼纖維同時(shí)進(jìn)入3D打印機(jī)，按預(yù)先設(shè)計(jì)好的建筑物施工圖紙進(jìn)行3D打印，采用分層打印、迭加成形的方式逐層增加材料來生成建筑物，本實(shí)例主要適用于中層建筑物。
[0024]實(shí)施例三:所用原材料如下:42.5級水泥，II級粉煤灰，細(xì)度為400m2/kg礦渣微粉，粗骨料采用粒徑5?16_的連續(xù)級配的碎石，細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)2.85的中砂；高效聚羧酸系減水劑，如圖4所示的三維立體型鋼纖維。C50自密實(shí)混凝土最終配合比為:石子為865kg/m3，砂子為782kg/m3，水泥為400kg/m3，粉煤灰為90kg/m3，礦澄微粉為30kg/m3，用水量為187kg/m3，高效聚羧酸減水劑摻量為1.1%。按圖1所示的工藝流程，先進(jìn)行自密實(shí)混凝土的配制及攪拌，與鋼纖維同時(shí)進(jìn)入3D打印機(jī)，按預(yù)先設(shè)計(jì)好的建筑物施工圖紙進(jìn)行3D打印，采用分層打印、迭加成形的方式逐層增加材料來生成建筑物，本實(shí)例主要適用于高層建筑物。
[0025]以上結(jié)合附圖、實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了細(xì)致說明，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員可根據(jù)上述說明對本發(fā)明做出種種變化和修飾。因而，實(shí)施例中的某些細(xì)節(jié)不應(yīng)構(gòu)成對本發(fā)明的限定，本發(fā)明將以所附權(quán)利要求書界定的范圍作為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種利用鋼纖維混凝土 3D打印建筑物的方法，其主要特征是，在建筑物中用鋼纖維完全替代鋼筋。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用鋼纖維混凝土3D打印建筑物的方法，其特征在于:所述的鋼纖維尺寸如下: 直徑 Φ0.1?50mm ; 長度 I?1000mm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用鋼纖維混凝土3D打印建筑物的方法，其特征在于:所述的鋼纖維混凝土為了增加鋼纖維與砂漿或混凝土的界面粘結(jié)，其外形如下: 一維(條型)鋼纖維平直、壓痕、毛刺、異性截面； 二維(平面)鋼纖維波浪、螺旋、彎曲、帶鉤，端部放大及疊加一維外形； 三維(立體)鋼纖維疊加一維及二維外形。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用鋼纖維混凝土3D打印建筑物的方法，其特征在于:所述的鋼纖維混凝土中鋼纖維與混凝土的拌合工藝，鋼纖維不參與混凝土攪拌，采用在打印建筑物時(shí)同時(shí)投入的方式，以避免鋼纖維結(jié)團(tuán)，同時(shí)可以按需要精準(zhǔn)進(jìn)行鋼纖維分布。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用鋼纖維混凝土3D打印建筑物的方法，其特征在于:所述的鋼纖維混凝土中的混凝土是使用自密實(shí)混凝土。
【專利摘要】本發(fā)明提供的一種利用鋼纖維混凝土3D打印建筑物的方法，采用大尺寸、多維度鋼纖維完全替代鋼筋，使鋼纖維混凝土的力學(xué)性能不低于鋼筋混凝土，不僅能改善混凝土的抗拉、抗剪、抗彎、抗磨和抗裂性能，而且能大大增強(qiáng)混凝土的斷裂韌性和抗沖擊性能，尤其是韌性可增加，并且能顯著提高混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞性能及其耐久性。而且減少了建筑施工程序，降低了勞動強(qiáng)度，使3D打印建筑物的優(yōu)勢得以突出顯現(xiàn)。鋼纖維與混凝土的拌合采用非傳統(tǒng)的后加入工藝，一可以避免鋼纖維在攪拌過程中結(jié)團(tuán)；二是可以根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)對建筑構(gòu)件的不同力學(xué)的要求，按不同部位非均勻的定向投放不同的鋼纖維，使建筑構(gòu)件各個部位即能達(dá)到結(jié)構(gòu)力學(xué)的不同要求，又能達(dá)到其經(jīng)濟(jì)性。
【IPC分類】C04B14/48
【公開號】CN104961367
【申請?zhí)枴緾N201510330363
【發(fā)明人】金周寶
【申請人】金周寶
【公開日】2015年10月7日
【申請日】2015年6月16日