3D打印建筑是一項新型智能建造技術，是建筑施工數字化的具體體現形式，能夠將建筑設計從數字模型直接轉化為實物建筑。3D打印建筑的三大關鍵技術是裝備、材料和施工工藝，冠力科技小編斗膽聊聊關于建筑3D打印材料的那點事。

建筑3D打印材料的主要組成成分與傳統混凝土相似，包括：

水泥：作為主要的膠凝材料，水泥在混凝土中起到結合骨料的作用。為了適應3D打印的特殊需求，水泥的配比和類型會有所調整。

骨料：骨料通常是砂子、小石子等。3D打印混凝土多使用較小顆粒的細骨料，避免在打印過程中堵塞噴嘴，并確保層與層之間的結合良好。

外加劑：為了改善混凝土的流動性、凝結時間和粘結性能，3D打印混凝土通常會添加特殊的外加劑，例如減水劑、早強劑或粘結劑等。

水：水的含量對混凝土的可打印性至關重要。水量過多會導致材料過于流動，影響打印精度；水量過少則可能導致噴嘴堵塞或材料強度不足。

為了實現最佳的3D打印效果，需要材料研發工程師不斷優化配比，以下是一些關鍵的配比優化方向：

流動性與穩定性平衡：流動性好才能順利打印，但材料必須具備足夠的粘稠度以保持打印形狀。為了達到這種平衡，研究人員通常會使用聚合物或納米材料增強混凝土的粘結性，同時調整水泥和水的比例。

凝結速度控制：3D打印過程中，每一層都需要快速凝固，以便支持上層的打印。通過使用早強劑等外加劑，可以加速凝結過程，但也要注意不能使材料過早凝固，影響打印連續性。

材料的可持續性：越來越多的研究致力于通過使用廢棄材料、工業副產品（如飛灰或礦渣）作為替代物，減少水泥的使用，以降低碳排放，同時保持材料的強度和耐久性。

1. 流變性

流變性是材料在液態或半固態下流動和變形的能力。在建筑3D打印中，材料需要能夠順利擠出，并在擠出后快速穩定成型。流變性能的主要影響因素包括：
塑性：材料應具備良好的塑性，以保證其能在噴嘴中通過，而不會出現堵塞。
觸變性：建筑3D打印材料需要表現出高觸變性，即在剪切力下流動性好，而在靜止時能夠快速恢復粘度，以保持打印層的形狀。
抗流掛性：材料應具有較高的粘度，以防止在沉積過程中由于自重發生塌陷。為了調節材料的流變性能，通常會在混凝土配方中添加增稠劑、流變改性劑等添加劑，如羥丙基甲基纖維素(HPMC)或聚乙烯醇。

2. 物理性能

3D打印建筑材料的物理性能至關重要，尤其是在建筑物的長期使用過程中需要承受各種荷載。關鍵性能包括：
抗壓強度：3D打印的材料在固化后需要具有足夠的抗壓強度，通常與傳統混凝土相近，達到或超過30 MPa，才能應用于結構性建筑。
抗拉強度和抗彎強度：由于3D打印過程中可能會產生分層，抗拉強度和抗彎強度的控制尤其重要。通常會通過改進材料成分或使用纖維增強技術提高這些性能。
層間粘結強度：層與層之間的粘結性能對于建筑的整體穩定性至關重要。通過優化材料的配比，確保每一層的沉積時間和固化狀態之間的協調，能顯著提高層間結合力。
為了增強這些性能，常使用微纖維、納米材料或其他增強劑，如玻璃纖維、聚丙烯纖維等，來增強材料的整體強度和韌性。

3. 凝結特性

凝結特性決定了材料在打印過程中能夠多快從液態或半固態轉變為固態，從而支撐后續的打印層。建筑3D打印材料需要同時滿足快速初凝和適度的可調控性。其關鍵要素包括：
初凝時間：3D打印材料需要在擠出后迅速凝固，通常要求初凝時間在幾分鐘內，以確保結構穩定性。
終凝時間：終凝時間相對較長一些，允許后續層在適當的時間間隔內沉積并與之前的層粘結。
可調性：通過使用不同類型的水泥、礦物添加劑（如硅灰、礦渣等）以及外加劑（如早強劑、緩凝劑），可以調節材料的凝結速度。
例如，硫鋁酸鹽水泥由于其快速凝固性能常被應用于建筑3D打印中。此外，使用調節劑可以在材料凝固時間和流動性之間達到更好的平衡。

4. 可持續性

隨著可持續建筑理念的興起，建筑3D打印材料的環保性和低碳排放日益受到關注。材料的可持續性體現在以下幾個方面：
低碳材料：傳統水泥生產過程中的碳排放高，3D打印材料中常使用低碳替代品，如礦渣、粉煤灰、再生骨料等來減少碳排放。
材料再利用：建筑廢料可以通過處理重新用于3D打印材料中，如再生骨料的使用，有效減少了資源浪費。
減少材料浪費：建筑3D打印過程中，材料沉積是按需分層的，幾乎沒有浪費，相比傳統施工減少了原材料的過度使用。
例如，基于地質聚合物的3D打印材料正逐漸成為低碳建筑材料的代表，其不僅能減少碳排放，還具有優異的耐久性和抗化學腐蝕性能。

5. 耐久性

3D打印建筑材料需要在不同的環境條件下保持長期的結構性能。耐久性包括材料在應對各種物理、化學和氣候影響下的穩定性：
耐腐蝕性：暴露在濕氣、酸雨等環境中的建筑物，材料需具備較高的抗腐蝕性能。常通過使用防水劑或添加礦物組分來提高耐久性。
抗凍融循環：在寒冷地區，建筑材料需要能夠抵抗多次凍融循環，以防止開裂和剝落。通過調整材料的孔隙率和使用抗凍劑，可以提高其抗凍融性能。
抗化學侵蝕：某些3D打印建筑可能暴露在化學腐蝕的環境中，如工業或海洋環境。增強材料的抗化學性有助于延長其使用壽命。

隨著3D打印建筑材料成本的持續降低，性能持續提升，3D打印建筑的優勢會更加明顯，未來發展空間充滿期待。