一种3D打印建筑保温隔声墙体的方法与流程

本发明属于3d混凝土打印新技术与新材料领域，更具体的说是涉及一种3d混凝土打印建筑保温隔声墙体的方法。

背景技术

3d打印作为一种快速成型技术，涉及机械、电子、芯片、信息技术、材料科学、精密机械等多学科多专业。该技术的主要特点是可直接根据计算数值模拟，通过合理选择材料，制造生产各种形状的产品。3d打印不仅可以提高材料利用率，还可以更高效的制造出比较复杂的产品。3d打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具，就能直接根据计算模拟图形生成需要的构件产品，极有利于提高生产率和降低生产成本，并具有更高的打印精度。3d打印材料按照化学性能分类，可分为高分子类材料（如树脂、石蜡等）、金属材料（如铝、钛合金）、无机非金属材料（如石膏、陶瓷等）及其复合材料。目前有关水泥基材料或3d打印混凝土的研制尚处于研发初级阶段，见于工程应用的报道或查新尚不多见。

建筑结构中，结构体系为承载体系，包括了框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构、筒体结构等，工程中大多采用混凝土结构承载体系或钢结构承载体系，而建筑承载构件之间的分隔、围护、区间分离等多采用建筑后期砌筑的墙体。依据《砌体结构设计规范》、《砌体结构工程施工质量验收规范》（gb50203），砌筑墙体大多采用无筋砌体结构或少量的有筋砌体，由砌块和砂浆砌筑而成。采用的砌块包括了烧结砖、烧结多孔砖、蒸压灰砂砖、混凝土砌块、混凝土砖，选用其中的一种或多种组合，砂浆为砌筑砂浆。辅助的还包括了墙梁、圈梁等构件。砌体单元非承重构件为建筑结构中的二次结构，施工过程，量大面广，需要砌筑工、抹灰工、架子工、小工等大量劳动力，工作强度较大，作业周期较长，污染和废弃物较多，不利于建筑工业化和绿色施工的技术更新和进步需要。尤其是传统建筑墙体要实现保温隔声的多功能要求时，一般采取砌筑加保温做法、隔声做法，不仅增加了成本、工序时间，而且空间利用率、材料损耗率都非常高。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供了一种3d打印建筑保温隔声墙体的方法，不仅满足墙体分隔功能、保温节能、隔声减振、绿色施工多功能要求，而且经济便捷、施工高效、结构与构件粘结与拉结更加可靠。

为实现本发明目的，本发明公开了一种3d打印建筑保温隔声墙体的方法，包括如下步骤。

步骤一：3d打印墙体方案设计和路径确定，结合建筑、结构、水电、设施施工图，划分3d打印的范畴，通过bim信息建造模型，确定打印路径图，制定3d打印的作业技术方案。

步骤二：3d打印混凝土原材料准备，准备3d打印所需要的集料、矿物掺合料、外加剂种类和掺量、纤维种类和掺量、胶凝材料和水。

步骤三：3d打印混凝土配比验证和性能测试，3d打印混凝土配置应满足作业性能要求、力学性能要求、耐久性能的要求。其作业性能要求报流动性、挤出性、自稳性、可打印性的综合性能要求，性能测试指标满足施工成型、连续作业的要求。

步骤四：3d打印混凝土样板调试与作业参数确定，性能测试满足要求的3d打印混凝土，结合作业图，实施给定路径的打印作业，确定3d打印混凝土初凝时间、层间间歇时间、3d打印混凝土的挤出速度、行走速度、叠加厚度、路径偏差等作业参数和工艺参数。

步骤五：3d打印施工，结合试打和样板调试结果，根据3d打印作业方案和路径图，采用挤出叠加工艺，逐层打印，连续作业，层间间歇时间、层间累计叠加厚度满足要求。层间叠加时间间隔应比3d打印混凝土初凝时间提前5min以上。分层打印路径最大长度不超过行走速度和层间间歇时间的累积值。打印截面的结构形式采用双层外壁加内部支撑的组合形式，呈现为多空腔分隔形式，行走轨迹可以为一字型、“w”型、“m”型、“s”型、“8”型、“z”型或其组合等形式。

步骤六：保温隔声填充体施工，分层施工形成的多空腔连续隔墙，内部空腔充填保温隔声浆料，与3d打印形成的墙体骨架一起形成保温隔声隔墙系统。

步骤七:3d打印保温隔声墙体质量检验，质量检验包括了墙体的外观质量、实体质量和功能测试方面的内容。外观质量包括了墙体的垂直度、墙体厚度、平整度、以及脱粘、裂缝、连续性等缺陷。实体质量检验包括了3d打印混凝土的各向异性条件下的力学性能。功能测试包括了其保温性能、声学性能方面的指标要求。

更进一步，所述步骤（1）中3d打印墙体方案设计和路径确定，墙体方案设计包括墙体的强度、长度、高度、与周围构件柱、墙、梁的连接方式，以及墙体的截面结构组成形式、墙体外壁厚度、墙体内支撑厚度、墙体内填充体类型等。墙体的路径确定包括，墙体单层打印的路径长度、墙体的路径轨迹和路径形式、墙体分层厚度和的挤出叠加方式。

更进一步，所述步骤（2）3d打印混凝土原材料准备，集料包括砂和石骨料中的一种或多种，集料粒径不超过10mm；矿物掺合料可以采用粉煤灰、高炉矿渣、硅灰、复合矿物掺合料、石粉中的一种或多种组分复合或混合；外加剂采用减水剂、保水剂、早强剂、引气或消泡剂、塑化剂等中一种或多种组合；纤维采用合成纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维；胶凝材料采用通用硅酸盐水泥；水采用允许的拌和用水。材料准备量满足每个楼层分区分段连续施工用量的1.05倍以上，并能连续供应和拌制混合。

更进一步，所述步骤（3）3d打印混凝土配比验证和性能测试，3d打印混凝土配置，3d打印混凝土的配置强度按照设计强度提高5-8mpa设计配置，并不小于25mpa，3d打印混凝土的墙体抗压强度设计值应达到≥2.5mpa以上。所配置的3d打印混凝土，其挤出性、流动性、自稳性、可打印性满足要求，3d打印混凝土的流动性，对集料等效粒径≤5mm的混凝土其流动度指标为150-300mm，对集料等效粒径＞5mm的混凝土其维勃稠度介于5-15s之间。3d打印混凝土的力学性能具备明显的各向异性特征，成型标试块，测试其叠加打印方向、垂直叠加打印方向的抗压强度、抗折强度。3d打印混凝土的自稳定性采用加载模式下的圆筒法测试，其指标满足打印路径持续作业时间范围内的支撑性能要求，竖向变形和横向变形率满足要求。

更进一步，所述步骤（4）3d打印混凝土样板调试与作业参数确定，以s型或z型轨迹为路径，试验打印2m长，1m高，层数不少于50层的样板，然后测定其可打印性和力学性能指标。验证材料的配比，材料的挤出性能、流动性和自稳定性能，其对应指标满足3d打印的连续工作性能要求。力学性能指标报3d打印混凝土的各向异性性能指标，具体包括了挤出堆叠正向的抗压强度、抗折强度和层间粘结强度，以及与正向垂直的侧向相应指标。作业参数确定包括挤出速度、行走速度、层间间歇时间、连续堆积厚度等。

更进一步，所述步骤（5）中3d打印施工，3d打印施工包括了集料系统、搅拌系统、输送系统、打印系统、控制系统，现场施工需要充分备料，连续施工，层间作业连续、贯通、通顺、质感稳定。挤出速度、行走速度、堆积厚度、堆积层数、累积堆积厚度满足试打中工艺参数的控制要求。水平行走速度≥200mm/min，竖向堆叠速率≥300mm/min，层间间歇时间早于初凝时间5min以上。

更进一步，所述步骤（6）中的保温隔声填充体施工，3d打印形成的墙体，为内部空腔体结构，墙体形状包括了圆形、方形等设计形式，空腔率在25%-65%之间，保温隔声材料填充预留空腔，填空率根据热工性能指标和声学性能指标控制，封孔率一般达到75%以上。

更进一步，形成的3d打印建筑保温隔声墙体厚度为120-390mm之间，墙体设计强度≥2.5mpa，弯曲抗拉强度≥0.28mpa，层间抗剪强度≥0.15mpa。

与现有技术相比本发明的有益效果如下：

（1）通过本发明提供的一种3d打印建筑保温隔声墙体的方法，不仅能同时满足建筑墙体分隔功能、保温节能、隔声环保、装饰集成、数字化控制的多功能的要求，而且，还可数字建模，连续作业，有利节能减排，提高空间利用率。另外，保温隔声材料置于内部空腔内，有利于提高保温材料的防火性能，提高墙体的空气声隔声性能。

（2）本发明的形式简单，施工方便，墙体整体性好，大大提高施工精度，降低原材损耗和二次污染，提高材料的利用效率，提高各种保温隔声墙体的施工效率，大大简化了现场施工劳动力，节省了施工工序。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1：本发明的施工工艺流程图。

图2：本实施例一的3d打印方案图。

图3：本实施例一的3d打印路径图。

图4：实施例二的3d打印方案图。

图5：实施例二的3d打印路径图。

图6：实施例三的3d打印路径图。

图中：1-横向外壁，2-纵向外壁，3-内支撑，4-保温隔声填充体。

具体实施方式

下面将按照实施案例，结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

下面结合图1--图3，以某多层混凝土结构住宅为例，采用3d打印建筑保温隔声墙体的方法完成室内分户墙、内部隔墙的建造。标准结构层高度为3.0m，墙体净高2.5m，墙体厚度为120-200mm，实施案例中墙体最大长度为4.8m。

实施主要步骤如下：

步骤一：3d打印墙体方案设计和路径确定，结合建筑、结构、水电、设施施工图，划分3d打印的范畴，通过bim信息建造模型，确定打印路径图，制定3d打印的作业技术方案。

实施案例中，墙体方案设计见附图2，墙体方案设计包括：

（1）墙体的强度确定，墙体设计强度≥2.5mpa，弯曲抗拉强度≥0.28mpa，层间抗剪强度≥0.15mpa。

（2）在墙体尺寸方面，要求墙体长度≥300mm，但不应超过7200mm；墙体高度≤4500mm；墙体厚度（截面宽度）≥120mm。

（3）墙体的截面结构组成形式，墙体采用中间非连续空腔的结构构造形式，墙体体积开孔率25%-65%之间，墙体外壁厚度≥25mm、墙体内支撑厚度≥25mm、墙体内空腔体填充保温隔声材料。

实施案例中，墙体截面厚度为120mm，墙体由3d混凝土打印墙体横向外壁1（简称墙体横向外壁）、3d混凝土打印纵向墙体外壁2（简称纵向外壁）、3d混凝土打印墙体内壁3（内支撑）以及保温隔声填充体4组成。横向外壁1、纵向外壁2、内支撑厚度3厚厚度均为25mm。

（4）墙体的路径确定包括，墙体单层打印的路径长度、墙体的路径轨迹和路径形式、墙体分层厚度和的挤出叠加方式。

实施案例中，墙体路径轨迹见附图3。每层打印由“一字型”、“m型”组合打印形成轨迹路线。

步骤二：3d打印混凝土原材料准备，准备3d打印所需要的集料、矿物掺合料、外加剂种类和掺量、纤维种类和掺量、胶凝材料和水。

更进一步，集料采用天然砂和人工碎石，碎石粒径为5-10mm；矿物掺合料采用粉煤灰、高炉矿渣复合；外加剂采用聚羧酸高性能减水剂、消泡剂、塑化剂等中一种或多种组合；纤维采用聚乙烯醇纤维，长度为3～12mm；胶凝材料采用普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5mpa；水采用允许的拌和用水。骨料体积占比31%-38%，胶凝材料和矿物掺合料体积占比为70%-85%。为材料准备量满足每个楼层分区分段连续施工用量的1.05倍以上，并能连续供应和拌制混合。

步骤三：3d打印混凝土配比验证和性能测试，3d打印混凝土配置应满足作业性能要求、力学性能要求、耐久性能的要求。其作业性能要求报流动性、挤出性、自稳性、可打印性的综合性能要求，性能测试指标满足施工成型、连续作业的要求。

实施案例中，3d打印混凝土的墙体抗压强度设计值应达到≥2.5mpa，3d打印混凝土的设计强度≥30mpa，混凝土的配置强度按照设计强度35mpa设计配置。所配置的3d打印混凝土的流动性，其维勃稠度为5-15s之间。3d打印混凝土的力学性能具备明显的各向异性特征，成型标准试块，测试其叠加打印方向、垂直叠加打印方向的抗压强度、抗折强度。3d打印混凝土的自稳定性采用加载模式下的圆筒法测试，其指标满足打印路径持续作业时间范围内的支撑性能要求，竖向变形和横向变形率满足要求。

步骤四：3d打印混凝土样板调试与作业参数确定，性能测试满足要求的3d打印混凝土，结合作业图，实施给定路径的打印作业，确定3d打印混凝土初凝时间、层间间歇时间、3d打印混凝土的挤出速度、行走速度、叠加厚度、路径偏差等作业参数和工艺参数。

以s型、w型或z型轨迹为路径，试验打印2m长，1m高，层数不少于50层的样板，然后测定其可打印性和力学性能指标。验证材料的配比，材料的挤出性能、流动性和自稳定性能，其对应指标满足3d打印连续工作性能要求。3d打印混凝土的各向异性性能指标，具体包括了挤出堆叠正向（垂直与堆叠方向，一般多为竖向）的抗压强度、抗折强度和层间粘结强度，以及与正向垂直的侧向相应指标。作业参数确定包括挤出速度、行走速度、层间间歇时间、连续堆积厚度等。具体为，水平行走速度≥200mm/min，竖向堆叠速度≥300mm/min，层间间歇时间早于初凝时间5min以上。

步骤五：3d打印施工，结合试打和样板调试结果，根据3d打印作业方案和路径图，采用挤出叠加工艺，逐层打印，连续作业，层间间歇时间、层间累计叠加厚度满足要求。层间叠加时间间隔应比3d打印混凝土初凝时间提前5min以上。分层打印路径最大长度不超过行走速度和层间间歇时间的累积值。打印截面的结构形式采用双层外壁加内部支撑的组合形式，呈现为多空腔分隔形式，行走轨迹可以为一字型、“w”型、“m”型、“s”型、“8”型、“z”型等形式。

3d打印施工包括了集料系统、搅拌系统、输送系统、打印系统、控制系统，现场施工需要充分备料，连续施工，层间作业连续、贯通、通顺、质感稳定。挤出速度、行走速度、堆积厚度、堆积层数、累积堆积厚度满足试打中工艺参数的控制要求。

3d打印施工，具体包括了打印场地检验→打印底层→打印后续叠加层→过程控制→循环打印。

打印场地检验，主要是确定打印墙体的位置，检查墙体周边状况，墙体底层应拉毛润湿、底层平整度≤5mm，场地验收应符合要求方可打印。

打印底层混凝土，要旁站观察，检查打印的路径、3d打印的行走速度和质量稳定性与连续性。底层打印合格，方可继续打印第二层。

过程控制，主要复核3d打印成型的墙体厚度、分层厚度、墙体内部空腔、墙体预留管线、槽体、洞口的位置以及成型的外观质量。

步骤六：保温隔声填充体施工，分层施工形成的多空腔连续隔墙，内部空腔充填保温隔声浆料，与3d打印形成的墙体骨架一起形成保温隔声隔墙系统。

3d打印形成的墙体，为内部空腔体结构，墙体截面形状包括了圆形、方形等设计形式，空腔率在25%-65%之间，保温隔声材料填充预留空腔，填空率根据热工性能指标和声学性能指标控制，封孔率一般达到75%以上。

保温隔声体填充，主要是将保温隔声材料依次填充进墙体内部空腔内。

步骤七:3d打印保温隔声墙体质量检验，质量检验包括了墙体的外观质量、实体质量和功能测试方面的内容。外观质量包括了墙体的垂直度、墙体厚度、平整度、以及脱粘、裂缝、连续性等缺陷。实体质量检验包括了3d打印混凝土的各向异性条件下的力学性能。功能测试包括了其保温性能、声学性能方面的指标要求。

实施例二

下面结合图1、图4、图5，以某多层混凝土结构住宅为例，采用3d打印建筑保温隔声墙体的方法完成室内分户墙、内部隔墙的建造。结构层高度为4.5m，墙体净高3.8m，墙体厚度为190mm，实施案例中墙体最大长度为3.9m。

实施案例中，墙体方案设计见附图4，墙体截面厚度为190mm，方形孔，墙体体积开孔率25%-65%之间，墙体外壁1，2厚度≥25mm、墙体内支撑3厚度≥50mm。

实施案例中，墙体路径轨迹见附图5。每层打印由“凹型”、“凸型”组合打印形成轨迹路线。凹型和凸形组合，循环打印，可以形成单排孔、双排孔等截面组合形式。打印成型的的空腔内注入防水保温材料形成保温隔声填充体4，最后形成保温隔声墙体。

实施案例中，墙体厚度与混凝土剪力墙厚度相同，建筑平立面在一个平面，室内空间效果优良。墙体满足砌筑墙体的强度要求，后砌墙体和结构之间的结合好，材料线膨胀系数非常接近，后期装修不会出现裂缝、变形等不良效果。墙体内部注入保温隔声材料，采用上下部预留孔压入模式，墙体空气声隔声指标可以达到53db以上，隔声效果明显；测试墙体传热系数0.37-0.43w/(m²k)，保温隔热性能较好。实施步骤和方法同实施例1。

实施例三

下面结合图1、图6，以某多层混凝土剪力墙结构为例，后砌筑的墙体，截面厚度为120-150mm，有直线型、弧型、折线型。结构层高度为3.3m，墙体净高2.8m，实施案例中墙体长度为900-2600mm。采用3d打印建筑保温隔声墙体的方法完成室内分户墙、内部隔墙的建造。

实施案例中，墙体方案设计见附图6，墙体截面厚度为150mm，椭圆形孔，墙体体积开孔率35%-50%之间，墙体外壁厚度≥25mm、墙体内支撑厚度≥25mm。

实施案例中，墙体路径轨迹见附图6。每层打印由“倒s”或“正玄波”、“余弦波”的形式打印形成轨迹路线。打印成型的的空腔内注入保温隔声材料，最后形成保温隔声墙体。

3d打印水平行走速度≥200mm/min，竖向堆叠速率≥300mm/min，层间间歇时间间隔比初凝时间提前5min以上。墙体传热系数0.41-0.45w/(m²k)，墙体空气声隔声指标可以达到50db以上。形成的3d打印保温隔声墙体，特别适应非标准截面、曲线、折线墙体的砌筑和建造，墙体强度、3d打印混凝土强度、挤出堆叠正向的抗压强度、抗折强度和层间粘结强度均满足设计要求，墙体截面能与结构构件保持一致，满足建筑设计点、线面的协调统一，实施步骤和方法同实施例1。