一种利用钢纤维混凝土3d打印建筑物的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及建筑施工技术领域，特别是涉及3D打印建筑物所使用的材料及实施方法。
[0002]
【背景技术】
[0003]3D打印是快速成型、增材制造技术的一种，1993年，Chuck Hull发明了第一台3D打印机，30多年过去了，随着3D打印技术的变革及商业化的发展，与各行各业相融合，除了较为普遍的食品加工、汽车、建筑、军事、工业生产等行业外，如今还涉及了更高精尖的领域，如航空航天、生物工程、纳米技术、克隆技术等。3D打印技术与各行业相结合并不是简单的移植、嫁接，除了要开发具有行业特色的打印机和软件外，其核心是新型打印材料的研发。
[0004]现代波特兰水泥制造技术出现在1824年的英国，1872年美国人沃德建造了第一幢钢筋混凝土构件的房屋，从此以水泥为主的钢筋混凝土进入了大规模建筑制造实用阶段。
[0005]3D打印的物件保罗万象，同样引发了建筑业追捧的热潮。3D打印建筑技术与传统建筑相比，其优势不仅体现在速度快一一可比传统建筑技术快10倍以上；不需要使用模板，可以大幅节约成本，并且具有低碳、绿色、环保的特点；不需要数量庞大的建筑工人，大大提高了生产效率；可以非常容易地打印出其他方式很难建造的高成本曲线建筑；可以打印出强度更高、质量更轻的混凝土建筑物。
[0006]2012年I月，美国航天局(NASA)出资与美国南加州大学合作，最新研发出的“轮廓工艺” 3D打印技术，所使用的材料是以石膏、玻璃纤维为主的胶凝材料；
2013年I月，荷兰计划采用3D打印技术建造的房屋，这座仿莫比乌斯环的3D打印房屋；
2013年I月，欧洲航天局已着手同建筑公司Forster+Parterners联手研发在月球打印一座空间站的项目，计划利用月球现成的土壤及其他材料通过3D打印技术将其制成建筑材料，进而完成空间站的建设；
2013年2月，英国设计师Softkill Design正着手使用3D打印技术建造大批量民用住房。这些房屋以骨骼架构为原型，以纤维尼龙为结构一一制作所有的部件需要三个星期，组装起来则只需要一天；
2013年3月，荷兰公司DAS的建筑师建造了打印机，号称将建造“第一”的3D打印运河屋；
2015年I月盈创公司在苏州3D打印的别墅一套、五层楼的楼房一幢。
[0007]以上的3D打印建筑物项目所使用的材料分别是塑料、镁质粘接剂、石膏、玻璃纤维和水泥等，其作为实验性、创新性是无可厚非的，但要进行大规模的实用性建筑物制造是有问题的，其材料是否能满足建筑结构的物理强度、卫生环保、建筑物耐久性的要求，都是有待解决的问题。
【发明内容】
[0008]鉴于以上所述3D打印建筑物存在的问题，本发明的目的在于提供一种利用钢纤维混凝土 3D打印建筑物的方法，以解决上述3D打印房屋建造中存在的问题。
[0009]为实现上述技术效果，本发明公开了一种利用钢纤维混凝土 3D打印建筑物的方法，其主要特征是，在建筑物中用钢纤维完全替代钢筋，使钢纤维混凝土的力学性能不低于钢筋混凝土，不仅能改善混凝土的抗拉、抗剪、抗弯、抗磨和抗裂性能，而且能大大增强混凝土的断裂韧性和抗冲击性能，尤其是韧性可增加，并且能显著提高混凝土结构的疲劳性能及其耐久性。
[0010]3D打印建筑物所使用的钢纤维，其特征在于:所述的钢纤维尺寸如下:
直径 Φ0.1?50mm ;
长度 I?1000mm。
[0011]3D打印建筑物所使用钢纤维的外形，其特征在于:所述的钢纤维混凝土为了增加钢纤维与砂浆或混凝土的界面粘结，其外形如下:
一维钢纤维平直、压痕、毛刺、异性截面；
二维钢纤维波浪、螺旋、弯曲、带钩，端部放大及叠加一维外形；
三维钢纤维叠加一维及二维外形。
[0012]3D打印建筑物中钢纤维混凝土的拌合工艺，其特征在于:所述的钢纤维混凝土中钢纤维与混凝土的拌合工艺，钢纤维不参与混凝土搅拌，采用在打印建筑物时同时投入的方式，以避免钢纤维结团，同时可以按需要精准进行钢纤维分布。
[0013]3D打印建筑物中所使用的混凝土，其特征在于:所述的钢纤维混凝土中的混凝土是使用自密实混凝土。
[0014]本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果:
采用大尺寸、多维度钢纤维完全替代钢筋，使钢纤维混凝土的力学性能不低于钢筋混凝土，不仅能改善混凝土的抗拉、抗剪、抗弯、抗磨和抗裂性能，而且能大大增强混凝土的断裂韧性和抗冲击性能，尤其是韧性可增加，并且能显著提高混凝土结构的疲劳性能及其耐久性。而且减少了建筑施工程序，降低了劳动强度，使3D打印建筑物的优势得以突出显现。
[0015]钢纤维与混凝土的拌合采用非传统的后加入工艺，一可以避免钢纤维在搅拌过程中结团；二是可以根据建筑结构对建筑构件的不同力学的要求，按不同部位非均匀的定向投放不同的钢纤维，使建筑构件各个部位即能达到结构力学的不同要求，又能达到其经济性。
[0016]
【附图说明】
图1显示为本发明一实施例中一种利用钢纤维混凝土 3D打印建筑物的方法的工艺流程图。
[0017]图2显示为本发明实施例一中使用的一维(条型)钢纤维示意图。
[0018]图3显示为本发明实施例二中使用的二维(平面)钢纤维示意图。
[0019]图4显示为本发明实施例三中使用的三维(立体)钢纤维示意图。
[0020]
【具体实施方式】
[0021]本发明的目的可以通过以下措施来实现:
第一步:备料:按建筑构件对各原料的需求量，准备钢纤维、水泥、集料、掺合料和外加剂，保障3D打印建筑构件一次完成，中途不能停料；
第二步:混凝土搅拌:按预先设定好的自密实混凝土配方比例，对水泥、集料、掺合料和外加剂计量、搅拌；
第三步:3D打印:将制备好的混凝土及钢纤维，按预先设计好的3D图纸，采用分层加工、迭加成形的方式逐层增加材料来生成建筑物。
[0022]以下结合附图和具体实施例对本发明的一种利用钢纤维混凝土 3D打印建筑物的方法作进一步详细说明:
实施例一:所用原材料如下:42.5级水泥，II级粉煤灰，细度为400m2/kg矿渣微粉，粗骨料采用粒径5?16mm的连续级配的碎石，细骨料采用细度模数2.85的中砂；高效聚羧酸系减水剂，如图2所示的一维条型钢纤维。C35自密实混凝土配合比为:石子为865kg/m3，砂子为782 kg/m3,水泥为312kg/m3，粉煤灰为121kg/m3，矿渣微粉为48kg/m3，用水量为194kg/m3，高效聚羧酸减水剂掺量为1%。按图1所示的工艺流程，先进行自密实混凝土的配制及搅拌，与钢纤维同时进入3D打印机，按预先设计好的建筑物施工图纸进行3D打印，采用分层打印、迭加成形的方式逐层增加材料来生成建筑物，本实例主要适用于平层及低层建筑物。
[0023]实施例二:所用原材料如下:42.5级水泥，II级粉煤灰，细度为400m2/kg矿渣微粉，粗骨料采用粒径5?16_的连续级配的碎石，细骨料采用细度模数2.85的中砂；高效聚羧酸系减水剂，如图3所示的二维平面型钢纤维。C35自密实混凝土配合比为:石子为865kg/m3,砂子为782 kg/m3,水泥为312kg/m3，粉煤灰为121kg/m3，矿澄微粉为48kg/m3，用水量为194kg/m3，高效聚羧酸减水剂掺量为1%。按图1所示的工艺流程，先进行自密实混凝土的配制及搅拌，与钢纤维同时进入3D打印机，按预先设计好的建筑物施工图纸进行3D打印，采用分层打印、迭加成形的方式逐层增加材料来生成建筑物，本实例主要适用于中层建筑物。
[0024]实施例三:所用原材料如下:42.5级水泥，II级粉煤灰，细度为400m2/kg矿渣微粉，粗骨料采用粒径5?16_的连续级配的碎石，细骨料采用细度模数2.85的中砂；高效聚羧酸系减水剂，如图4所示的三维立体型钢纤维。C50自密实混凝土最终配合比为:石子为865kg/m3，砂子为782kg/m3，水泥为400kg/m3，粉煤灰为90kg/m3，矿澄微粉为30kg/m3，用水量为187kg/m3，高效聚羧酸减水剂掺量为1.1%。按图1所示的工艺流程，先进行自密实混凝土的配制及搅拌，与钢纤维同时进入3D打印机，按预先设计好的建筑物施工图纸进行3D打印，采用分层打印、迭加成形的方式逐层增加材料来生成建筑物，本实例主要适用于高层建筑物。
[0025]以上结合附图、实施例对本发明进行了细致说明，本领域中的技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化和修饰。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种利用钢纤维混凝土 3D打印建筑物的方法，其主要特征是，在建筑物中用钢纤维完全替代钢筋。2.根据权利要求1所述的一种利用钢纤维混凝土3D打印建筑物的方法，其特征在于:所述的钢纤维尺寸如下: 直径 Φ0.1?50mm ; 长度 I?1000mm。3.根据权利要求1所述的一种利用钢纤维混凝土3D打印建筑物的方法，其特征在于:所述的钢纤维混凝土为了增加钢纤维与砂浆或混凝土的界面粘结，其外形如下: 一维(条型)钢纤维平直、压痕、毛刺、异性截面； 二维(平面)钢纤维波浪、螺旋、弯曲、带钩，端部放大及叠加一维外形； 三维(立体)钢纤维叠加一维及二维外形。4.根据权利要求1所述的一种利用钢纤维混凝土3D打印建筑物的方法，其特征在于:所述的钢纤维混凝土中钢纤维与混凝土的拌合工艺，钢纤维不参与混凝土搅拌，采用在打印建筑物时同时投入的方式，以避免钢纤维结团，同时可以按需要精准进行钢纤维分布。5.根据权利要求1所述的一种利用钢纤维混凝土3D打印建筑物的方法，其特征在于:所述的钢纤维混凝土中的混凝土是使用自密实混凝土。
【专利摘要】本发明提供的一种利用钢纤维混凝土3D打印建筑物的方法，采用大尺寸、多维度钢纤维完全替代钢筋，使钢纤维混凝土的力学性能不低于钢筋混凝土，不仅能改善混凝土的抗拉、抗剪、抗弯、抗磨和抗裂性能，而且能大大增强混凝土的断裂韧性和抗冲击性能，尤其是韧性可增加，并且能显著提高混凝土结构的疲劳性能及其耐久性。而且减少了建筑施工程序，降低了劳动强度，使3D打印建筑物的优势得以突出显现。钢纤维与混凝土的拌合采用非传统的后加入工艺，一可以避免钢纤维在搅拌过程中结团；二是可以根据建筑结构对建筑构件的不同力学的要求，按不同部位非均匀的定向投放不同的钢纤维，使建筑构件各个部位即能达到结构力学的不同要求，又能达到其经济性。
【IPC分类】C04B14/48
【公开号】CN104961367
【申请号】CN201510330363
【发明人】金周宝
【申请人】金周宝
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年6月16日