全新3D打印建筑引领未来 一条生产线年处理50万-60万吨建筑垃圾

2024-03-27来源:交汇点新闻
核心摘要:水泥、粉煤灰、硅灰、外加剂、钢纤维……六七种不同原料依序加入水泥搅拌机,通过泵管相连,一旁的3D打印机头以这种新型混凝土为

水泥、粉煤灰、硅灰、外加剂、钢纤维……六七种不同原料依序加入水泥搅拌机,通过泵管相连,一旁的3D打印机头以这种新型混凝土为“油墨”,一圈圈将其按照规定路线“挤出”。不到两小时,一个免模板数字化成型、曲面线条灵动自然的3D打印非机动车车棚就呈现在记者眼前。几天后,这些非机动车车棚将“走出”南京绿色增材智造研究院的生产车间,被放置于南京江北新区研创园作为试点,后续会向全市居民小区、办公楼宇等推广。

“懂材料的”与“懂设备的”携手

“这款新型车棚所使用的材料是我们的新研究成果——超高性能混凝土(UHPC),这种材料抗弯强度高,具有很强的防火、抗爆和抗冲击能力,非常适合用作非机动车停放及充电车棚。”作为南京绿色增材智造研究院的主要技术支持,东南大学材料科学与工程学院张亚梅教授团队今天首次尝试将这种超高性能材料用于大尺度构件3D打印。看着原料一袋一袋地被添加进搅拌机,张亚梅告诉记者,其中不少材料都来自工业副产品。“粉煤灰是电厂出来的,硅灰是从硅铁合金厂出来的。因为材料特殊,所以配比尤为重要。为了保证成品性能,我们在实验室已经进行过多次试配和性能测试。”这些原本会被丢掉的工业废弃物到了她这里成了“宝贝”,是研发这种新型混凝土的关键。

实际上,这并不是团队第一次挑战“不可能”。国内首个3D打印绿色装配式智慧建筑、国内首例原位3D打印可交付二层单体建筑……在张亚梅看来,将固废绿色再利用技术和3D打印技术相结合其本身就是建筑领域的一次变革,而他们无疑走在了行业的最前沿。

随着人口老龄化的加剧,劳动力紧缺逐渐成为建筑行业面临的一大挑战。与此同时,传统的依赖模具的建造模式往往会造成极大的资源浪费。过去想要造一幢房子,施工现场首先要把模板立起来,再把钢筋笼放进去,等混凝土浇筑好并硬化后再将模板拆除,这整个流程都大量依赖人工,劳动效率低。

此外,一个构件中模板的成本约占建造总成本的15%~20%。而当建筑的造型不规则时,模板只能一次性使用,这无疑是一个巨大的浪费。据统计,我国每年建筑垃圾产生量近35亿吨,占城市垃圾总量的30%~40%,但回收利用率却很低。

能否在对传统建造模式转型升级的同时,实现建筑垃圾资源化利用?“我们刚做3D打印项目应用的时候,全球范围内示范项目非常少,尽管国内也有团队在做,但在应用方面仍有不少局限。”搞设备的不懂材料,搞材料的缺少设备。张亚梅认为,传统建筑建造想要向3D智能建造转型一定要确保从材料研发到打印设备再到应用端,全产业链的问题都要解决。抱着这样的想法,2018年,张亚梅团队与南京嘉翼精密机器制造股份有限公司团队一拍即合。两支团队携手江北新区产业技术研创园管委会组建南京绿色增材智造研究院,共同攻克固废绿色再利用技术与建筑3D打印技术融合的难关。

“对我们而言,制造一台3D打印的机器并不算难,难的是材料。第一台机器建好后,我们足足等了8个月才等到合适的打印原料。”南京嘉翼董事长李进坦言,3D打印建筑对材料要求特别高,混凝土硬化的时间尤为讲究。如果材料一“挤”出来就“滩”了下来,或者还没打完第二圈,第一圈就已经硬化了,这些都不行。在产学研合作之前,工厂曾尝试自制打印材料,然而均以失败告终。“直到张教授团队新材料的加入,我们的机器才真正有了用武之地。”

要可持续,也要高性能、低成本

走上研究院三楼,材料研发实验室里,张亚梅向记者展示了十多种3D打印原材料。再生粗骨料、再生砖粉、再生砂、尾矿砂……尽管看上去与普通3D打印材料无异,但想要让这些再生材料真正用于3D打印,对研究人员来说是不小的挑战。

实验室里,张亚梅指导博后、博士生们反复测试,不断改良用于3D打印的混凝土配方。“土地、道路开挖后的表层土及沥青混凝土块、旧建筑物拆房后的砖头及旧混凝土、废金属、废塑料、装潢废弃物等都属于建筑废弃物,因其来源复杂,性能不稳定,在进行资源再利用时必须满足使用性能要求,合理科学地使用。”张亚梅以粗骨料为例,将这种材料加入混凝土中,不仅可以减少水泥用量,还可以减少硬化混凝土的收缩变形等,但再生粗骨料的再利用,必须考虑其长期性能,添加需要掌握好尺度。“针对不同项目的需求,我们会将不同固废扬长避短复合使用,合理调整配比,真正让材料为建筑物服务。这也是我们材料研发与后端应用紧密结合的优势。”

2023年,南京市六合区雄州街道灵岩社区卫生服务中心新矗立起一座二层小楼,红蓝两色、波浪曲线型的外观格外抢眼。这座建筑面积52.8平方米,建筑高度6米的项目是国内首个真正意义上可居住、已经交付使用的原位3D打印二层建筑。“通常来说,这种二层建筑会选用质地较为细腻的砂浆进行打印,但很多结构专家对此并不那么认可。我们希望能够加一些粗骨料,一方面增强建筑本身刚度,有效控制收缩开裂等问题,另一方面减少水泥用量,减少碳排放,同时降低建造成本。但因为项目难度大,不可控因素多,此前国际上也几乎没有团队做过类似的项目”,张亚梅说。

“不同于以往在工厂打印好构件后现场进行装配式安装,我们这个项目需要现场原位进行3D打印,这也就意味着所有的突发情况只能在现场解决。”李进回忆,尽管在实验室小范围的试验很成功,但当打印过程“搬”到了现场,盛夏的暴雨、高温恶劣天气之下,加了粗骨料的打印材料现场泵送难度倍增。泵管爆了,现场将新的换上;材料因为高温还没挤出就凝固了,就地调整原料配比。“尽管很难,但遇到的问题很快被解决。对我们而言这是一个全新的尝试,这也是十三五国家重点研发计划项目的一个示范工程。”

随着3D打印机按照指令稳稳打印完建筑结构的最后一圈,团队的所有人都长吁一口气,现代房屋建造的智能化转型又往前迈了一步。

产业要“走出去”更要“落下来”

2023年3月,中国工业品展会在阿联酋首都阿布扎比开幕。团队带着3D打印机器与产品在中阿(联酋)产能合作示范园集中展示。李进告诉记者,江苏3D打印建筑产业首次“出海”,便受到众多国外企业的关注,迪拜投资发展局官员更是连续两天来到展区进行深度沟通。据悉,迪拜政府2018年推出“3D打印战略”,计划到2030年时有25%的新建筑由3D打印而成。“但在建筑垃圾处理上,他们还没有更好的办法。将建筑固废回收处理后用于3D打印建筑材料,这恰恰是我们团队的擅长。”

2023年9月,团队正式签约进驻中阿(联酋)产能合作示范园,从首次接触到落地,仅用时半年。“我们是首个进入园区的南京企业,将在后期园区建设中尽力做到‘应打尽打’。”李进表示,一条生产线投用后,预估年处理建筑垃圾能力可达50万—60万吨,年利润可达到5000万元左右。李进说:“这仅仅是开始,相信未来还会有更多江苏造的绿色低碳3D打印建筑出现在迪拜街头。”

3D打印设备及材料的迭代创新,使得建筑产业进入了深度转型升级时期,智能建造也正源源不断激发新质生产力。相较传统浇筑建造,3D打印建筑的碳排放降低约39%,是建筑全生命周期实现碳中和的重要一环。“发展新质生产力不是忽视、放弃传统产业,相反,3D打印建造使得人类建造技术的生产效率和新材料的使用效能呈大幅度提高。城市固废再利用技术则让智能建造更低碳绿色,解决了当下城市建设进程中出现的现实难题。”李进说。

截至目前,团队已经实施百余个3D打印项目,共拥有相关核心专利技术121件(其中发明30多件),13条生产线分布在国内9个省及阿联酋、加拿大、新加坡等多个国家和地区。2022年,南京绿色增材智造研究院作为建筑设施整体制造的装备制造商和服务提供商入选工信部公布的首批增材制造典型应用场景名单,这也是建筑领域唯一入选单位。

产业要“走出去”更要“落下来”。“在这过程中,所有技术都要相当成熟才能做大规模推广应用。眼下还没到这个阶段,所以我们希望在一个个示范项目中,不断发现新问题并解决问题,通过一系列标准的制定,加快推进智能建造技术的推广应用。”张亚梅说。

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