趙子強 熊 雯

(國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心，天津 300300)

在20世紀(jì)80年代，3D打印技術(shù)在美國誕生，并被譽為“第三次工業(yè)革命”的技術(shù)代表，隨著該技術(shù)在諸多領(lǐng)域的運用和推廣，創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟效益。3D打印技術(shù)同樣順應(yīng)了建筑行業(yè)技術(shù)革新的發(fā)展，通過利用計算機分層建模并發(fā)出程序指令，工業(yè)機器人受控逐層重復(fù)鋪設(shè)材料從而構(gòu)建出自由形式的建筑結(jié)構(gòu)。作為新興技術(shù)，3D打印建筑極大程度上實現(xiàn)了節(jié)約、綠色、低勞動強度和文明施工的夢想。3D打印混凝土作為3D打印建筑施工的油墨材料，對建筑施工的進行有著重要的影響。本文通過對3D打印混凝土在實際工程應(yīng)用中的問題進行研究分析，同時結(jié)合專利申請情況，全面系統(tǒng)地對3D打印混凝土的未來發(fā)展進行展望。

1 工程應(yīng)用

隨著3D打印技術(shù)的推廣和日臻成熟，歷經(jīng)眾多建筑研究從業(yè)者的科研攻關(guān)與工程轉(zhuǎn)化，諸多3D打印建筑實體如雨后春筍成立被建筑業(yè)界人士爭相報道并引起廣泛的關(guān)注[1]。2013年1月荷蘭建筑師簡加普·魯基森納斯會與意大利發(fā)明家Enrico Dini合作，利用Enrico Dini設(shè)計出來的“D-Shape”3D打印設(shè)備，使用砂礫層、無機粘結(jié)劑作為原料制備建筑框架，然后用纖維強化混凝土進行填充，成功打印出一幢兩層小樓并命名為“Landscape House”。在中國，盈創(chuàng)建筑科技(上海)有限公司完成了一系列3D打印建筑，使該技術(shù)在中國首次落地發(fā)芽。2014年3月，通過3D打印建造的10幢建筑在上海張江高新青浦園區(qū)內(nèi)揭開神秘面紗，這些建筑的墻體是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”，依據(jù)電腦設(shè)計的圖紙和方案，經(jīng)一臺大型的3D打印機層層疊加噴繪而成，整個建筑過程僅花費24小時。2015年1月該公司又在江蘇省蘇州工業(yè)園區(qū)通過3D打印技術(shù)打印出全球首棟最高的六層樓房和一套1100平方米的精致別墅。2016年7月，盈創(chuàng)全球首個3D打印的辦公室正式落戶迪拜，占地250平方米，整個工程用時19天，3D打印建筑技術(shù)從此走出國門。此后，盈創(chuàng)公司先后在蘇州、濱州成功建造多個3D打印建筑物。2016年7月12日，在北京通州的一個廠房內(nèi)，由北京市華商騰達(dá)工貿(mào)有限公司建造的3D打印別墅誕生，與之前用3D打印機打印的建筑不同的是，這個別墅是現(xiàn)場打印的，而不是提前打印好然后拼接而成，經(jīng)檢測其抗震級別達(dá)到八級以上。2019年11月，中建股份技術(shù)中心和中建二局湖南公司利用輪廓工藝原位打印出雙層建筑。

除了居住建筑，3D打印混凝土還被用于其他工程施工。2009年01月12日，由清華大學(xué)和中南置地數(shù)字建筑聯(lián)合研究中心設(shè)計研發(fā)，并與上海智慧灣投資管理有限公司共同建造，歷經(jīng)450小時打印的單拱混凝土步行橋在上海落成，打印材料為聚乙烯纖維混凝土添加多種外加劑；同年10月13日，一座混凝土3D打印石拱橋在河北工業(yè)大學(xué)落成，該橋參照趙州橋按照1：2的縮尺打印后進行現(xiàn)場裝配組裝[2]，另外，南京市江北新區(qū)在新冠肺炎緊急公共事件處理過程中，利用3D打印混凝土預(yù)制防疫測控方艙[3]，凸顯了3D打印施工技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢。

2 技術(shù)研究

3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域歷經(jīng)發(fā)展，施工技術(shù)和效率不斷提升，3D打印建筑的落成離不開3D打印混凝土的支持，這種特殊的“油墨”決定3D打印技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。因此，如何突破材料對3D打印技術(shù)制約的瓶頸，以推動3D打印材料發(fā)展顯得至關(guān)重要。為滿足3D打印建筑的需求，混凝土拌合物必須達(dá)到特定的要求。從材料流變學(xué)的角度考慮，不同于傳統(tǒng)新拌混凝土Bingham模型的粘塑性體。3D打印混凝土則需具有較低的極限剪切應(yīng)力和較高的塑性粘度，該混凝土漿體更類似于擠塑成型使用的膏狀體，不具備高流淌性，但卻具備良好的可擠出性和可建造性，可以保證混凝土在管道中的連續(xù)輸送，打印后具有足夠抗壓縮性從而滿足后續(xù)打印混凝土材料的承載需求，并應(yīng)同時具備較短的凝結(jié)時間和較高的早期強度以防止打印成型后無模板導(dǎo)致的塌落。

對于3D打印混凝土的技術(shù)要求，Richard Buswell概括得出混凝土需滿足的性能指標(biāo)為：可擠出性、工作性能、工作時間和可建造性，其中可擠出性被定義為混凝土材料在打印過程中保持出料連續(xù)不間斷的性能，Richard Buswell建立了對可擠出性進行評價的測試標(biāo)準(zhǔn)，具體測試方法是通過使用3D打印機打印5組絲狀的混凝土試樣，絲狀試樣的長度均為300mm，混凝土的絲狀試樣數(shù)由一條漸漸增加至五條。將五組試樣打印完成后，通過對打印試樣的均勻連續(xù)性來定性評判該組配合比混凝土的可擠出性是否滿足要求[4]。

為滿足3D打印混凝土新拌性能和硬化性能，混凝土原料選用和配合比設(shè)計時應(yīng)進行專項設(shè)計：首先，普通混凝土膠凝材料在力學(xué)強度、凝結(jié)時間等方面可能無法滿足3D打印的要求，需做進一步深入研究。如改變水泥礦物組成、熟料的細(xì)度和水泥品種等，可以采用鋁酸鹽或硫鋁酸鹽等快凝快硬類水泥，或采用上述改性硅酸鹽水泥，進而獲得更高的早期強度和更短的凝結(jié)時間；其次，3D打印混凝土不同于普通混凝土的泵送，而是通過噴嘴擠出來進行的。因此，打印噴嘴的口徑直接決定了3D混凝土拌合物配制中骨料粒徑，必須避免骨料過大導(dǎo)致堵塞和骨料過小導(dǎo)致抗收縮能力和骨架填充能力的不足；再次，配制的3D打印混凝土拌合物要有合適的原料配合比，作為滿足3D打印施工的油墨原料，其需滿足的性能指標(biāo)不同于普通混凝土的性能指標(biāo)，配合比設(shè)計也不同于普通混凝土所采用的鮑羅米公式，需結(jié)合可擠出性、工作性能、工作時間和可建造性的要求完善混凝土配合比設(shè)計理論；最后，外加劑作為混凝土的核心組分，是混凝土性能改性的決定性因素，3D打印混凝土所采用的外加劑類別與普通混凝土相似，包括調(diào)凝劑、減水劑、消泡劑、調(diào)粘劑和早強劑等，外加劑復(fù)配摻量需針對3D打印混凝土進行單獨設(shè)計。

3 專利申請

3D打印混凝土自問世以來，得到全世界工程與科研人員的密切關(guān)注，就專利申請來看，3D打印混凝土誕生于國外，第一件專利也是來自美國，但從申請量總體來看，中國關(guān)于3D打印混凝土的專利申請數(shù)量占據(jù)主要部分。

美國申請人UNIV CALIFORNIA和REAL RONALD在2012年首先申請了一種利用3D打印“增材制造”生產(chǎn)建筑材料的工藝(WO2013043908)，并提出利用現(xiàn)有3D打印生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)強度相當(dāng)、成本相當(dāng)?shù)慕ㄖ牧?，配制由水泥基材料、膠黏劑、調(diào)節(jié)劑和增強添加劑組成的復(fù)合粉末材料，復(fù)合粉末材料3D打印層鋪，復(fù)合粉末材料固化成型，成型制品后處理，該發(fā)明的申請日早于關(guān)于“D-Shape”打印3D建筑的相關(guān)報道，在隨后的2013年，德國申請人UNIV KASSEL申請了一篇專利，其利用3D打印方法層疊打印帶有貫通孔的構(gòu)件，并將構(gòu)件真空浸漬于水硬性材料中以提高構(gòu)件強度，3D打印原料為砂和粘結(jié)劑，其中有水硬性材料水泥漿和聚合材料，并輔以塑料纖維或鋼纖維(DE102013005891)。2014年后涉及的3D打印混凝土包括設(shè)備、系統(tǒng)、材料等，對于3D打印混凝土材料，韓國企業(yè)DONGSAN CONCRETE CO LTD進行專利申請(KR1620074、KR1620075)，該公司不但研發(fā)配制3D打印用混凝土材料，而且還采用裂縫微生物修復(fù)技術(shù)，實現(xiàn)了相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)結(jié)合；UNIV YONSEI IND ACADEMIC COOP FOUND針對產(chǎn)品和生產(chǎn)工藝進行專利布局(KR1668955)；日本申請人TAIHEIYO CEMENT CORP申請了一種水泥基3D打印材料，包括膠凝材料，外加劑和細(xì)集料，其中膠凝材料包括水泥、無定型鋁硅酸鹽、石膏、硫酸鹽、氫氧化鈣，還包括5%的促凝劑，細(xì)集料包括天然砂、硅質(zhì)砂、機制砂，外加劑包括減水劑、消泡劑、增稠劑和粉狀纖維素，該打印材料具有良好的可塑性，生產(chǎn)效率高(JP2017024979)。

國內(nèi)首先涉及3D打印混凝土相關(guān)技術(shù)的為南京工程學(xué)院的申請(CN203357623)，該專利公開了一種快硬型混凝土3D打印噴嘴技術(shù)，緊隨其后北京交通大學(xué)申請了專利(CN103331817)，其涉及工程結(jié)構(gòu)的3D打印方法；同濟大學(xué)公開了一種基于3D打印技術(shù)的建筑工程施工裝置及應(yīng)用方法(CN103967276)，利用3D打印技術(shù)將其運用于建筑工程施工領(lǐng)域，為測定打印材料在擠出成型過程中的變形性能。上海利物寶建筑科技有限公司開發(fā)設(shè)計了對3D打印材料性能進行量化評價的測試方法和相應(yīng)的測試工具(CN104297092、CN104297097、CN104297103)。中國建筑股份有限公司第一次公開了有關(guān)3D打印混凝土的配方CN104310918，原料包括水泥、無機粉料、尾礦機制砂、高分子聚合物、減水劑和拌和水，混合物通過添加復(fù)合調(diào)凝劑、觸變劑及體積穩(wěn)定劑等制備成無機復(fù)合材料，后續(xù)可直接泵入建筑用3D打印機中應(yīng)用于施工；在之后的專利申請主要來源于企業(yè)和高校，例如作為首先將3D打印混凝土建筑落地的盈創(chuàng)建筑科技(上海)有限公司，其負(fù)責(zé)人馬義和進行了相關(guān)專利布局，把握有關(guān)3D打印混凝土的專利申請脈絡(luò)，其專利申請技術(shù)分支涉及設(shè)備、產(chǎn)品、工藝、材料，覆蓋面廣。卓達(dá)新材料科技集團和威海股份有限公司則針對3D打印混凝土用膠凝材料和外加劑進行專利申請，河北工業(yè)大學(xué)、同濟大學(xué)、濟南大學(xué)、東南大學(xué)、武漢理工大學(xué)、浙江大學(xué)等高校對具有特種功能的3D打印混凝土進行了研究并申請專利(CN109095836、CN108164215、CN107311561、CN111015894、CN110372288、CN108178567、CN110228976、CN109734342、CN110563401、CN107555895、CN107298546、CN111018448、CN110723949)。

4 展望

3D打印混凝土以其綠色高效的特點得到了行業(yè)的廣泛關(guān)注，隨著我國環(huán)保要求的日益提高，同樣給3D打印混凝土的發(fā)展提供了良機。筆者認(rèn)為，3D打印混凝土的技術(shù)需要向以下方向進行細(xì)化開展。

1)3D打印混凝土的施工以材料為基礎(chǔ)，良好施工性能和耐久性能的3D打印混凝土或砂漿需要進行進一步系統(tǒng)研究，并盡快出臺相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)予以規(guī)范。

2)外加劑為建筑材料生產(chǎn)的靈魂，針對3D打印混凝土的特殊性能要求，應(yīng)相應(yīng)開發(fā)具有針對性的外加劑；

3)結(jié)合當(dāng)前建筑施工要求，將3D打印混凝土進行預(yù)拌商品化，并開發(fā)相應(yīng)生產(chǎn)運輸設(shè)備，同時與裝配式建筑構(gòu)建生產(chǎn)進行整合，將會實現(xiàn)3D打印混凝土的快速市場化。