南極のクマが3Dプリントで使用されるコンクリート材料の詳細な説明を紹介します

この投稿は、Little Soft Bear によって 2016-8-1 16:29 に最後に編集されました。

以前、南極熊は熊の友達を組織して、マグニチュード8の地震にも耐えられる通州の3Dプリント別荘を見学しました。多くの熊の友達は、建築用3Dプリンターの印刷材料の主な成分が何であるかを知りません。なぜ 3D プリントなのか?建築用 3D プリントコンクリート材料にはどのような特性が必要ですか?さて、Antarctic Bear が建築用 3D プリントコンクリートの性能と構成について詳しく説明します。

セメント系建築3Dプリント材料の主な原料は、速硬性硫酸アルミネートセメントと鉱物混和剤、および尾鉱機械砂からなる複合セメント質材料を指します。複合凝結調整剤と複合容積安定剤を添加して製造され、建設3Dプリンターに直接注入して建設に使用できます。実験結果によると、製造された 3D プリント材料は、初期強度が高く、後期強度が安定しており、2 時間圧縮強度が 10 ～ 20 MPa、3 日間圧縮強度が 40 ～ 50 MPa、28 日間圧縮強度が 50 ～ 60 MPa であることがわかりました。設定時間は調整可能で、通常、初期設定時間は 20 ～ 50 分、最終設定時間は 30 ～ 60 分です。建築 3D プリント構造の継続性と強度の要件を満たすことができます。

1. 建築技術における3Dプリントの発展

3Dプリント技術は、宝飾品、履物、工業デザイン、自動車、航空宇宙、医療、軍事などの分野で応用されており、建設業界でも流行を引き起こしています。従来の建築と比較すると、3Dプリント建築技術の利点は、スピードが速く、テンプレートを使用する必要がないため、コストを大幅に節約できること、多数の建設作業員を必要としないため、生産効率が大幅に向上すること、他の方法では建設が難しい高コストの曲面建物を簡単に印刷できること、低炭素でグリーンで環境に優しいことです。 3Dプリント建設技術は建設業界の発展方向を変える可能性があり、それが環境保護、建設業界、生コンクリート業界にもたらす変化は明らかです。

2012 年 1 月、NASA は南カリフォルニア大学に資金を提供し、最新の「輪郭プロセス」 3D 印刷技術の開発に協力しました。 2013 年 1 月、オランダのデザイナー Janjaap Ruijssenaars 氏は、3D プリント技術を使用して、メビウスの輪を模した 3D プリントの家を建てる計画を立てました。 2013年1月、欧州宇宙機関は建設会社フォースター・アンド・パートナーズと協力し、月面に宇宙ステーションを印刷するプロジェクトの開発に着手した。月面にある土などを使い、3Dプリント技術で建築資材を作り、宇宙ステーションの建設を完了させる計画だ。 2013年2月、英国の設計会社Softkill Designは、3Dプリント技術を利用して、繊維ナイロンを構造材料として大量の民間住宅を建設する取り組みを行っていました。 2013年3月、オランダの建築会社DASの建築家たちは、3Dプリントで「初の」運河沿いの家を作ると主張するプリンターを製作した。 2014年1月に、3Dプリントカナルハウスのコンポーネントの実際の3Dプリントが達成され、組み立てが完了するまでに3年かかると予想されています。 2013年1月、中国の上海Yingchuang社は高級セメントとガラス繊維を使用して最初の一連の3Dプリント建物を製造し、国内外で大きな注目を集めました。同社は2015年2月、蘇州工業園区で1,100平方メートルの別荘と6階建ての住宅ビルの3Dプリントを実演した。

2. 建築用3Dプリント材料の研究状況

現在、3Dプリントの素材は主にプラスチック、金属、セラミック、ワックスなどの4種類に分けられます。これらの 3D プリント材料はコストが大きく異なり、特定の用途要件があります。プラスチック材料は、消費者向け印刷などの用途や、さまざまな業界での消費者向け製品の製造に使用されています。金属は航空宇宙、防衛、自動車、医療、歯科などのハイエンド産業で使用され、セラミックは家の装飾に使用され、ワックスは芸術や彫刻などの分野で使用されます。これら 4 つの材料のうち、最初のタイプのプラスチック有機材料が建築 3D プリントに使用される可能性が最も高いです。しかし、フォトポリマー、ABS、PLA、ナイロンなどの熱可塑性材料に繊維を加えると、これらの有機材料は高温で溶融した状態で印刷され、層ごとに堆積して固まるため、酸化や分解などの化学反応が起こりやすく、製造および施工プロセスで不快な有毒ガスが放出され、環境や人体に有害です。また、有機材料は印刷条件に対する要求が高く、コストが高く、機械的特性が悪いため、有機材料で形成された建物は居住性が悪く、建築3Dプリント技術の応用がある程度制限されます。

既存の一般的なコンクリート材料は凝結時間が長く、通常、初期凝結時間は6〜10時間、最終凝結時間は約24時間であり、3Dプリントプロセス中に材料を短時間で急速に凝結するという性能要件を満たすことができません。また、一般的に流動性があり、3Dプリントプロセス中の垂直積み重ね性能を満たすことができないため、3Dプリント材料として使用することはできません。本研究では、建築用3Dプリントに適したセメント系複合材料を提供し、従来の3Dプリント技術で使用されている材料のほとんどが有機材料であるという問題を解決します。また、既存の一般的なセメント系材料は硬化時間が長く、一般的に流動性があり、チキソトロピー特性がなく、3Dプリントプロセスに適していないという技術的な問題も解決します。

3 建築用3Dプリント材料の主要技術と機械的特性に関する研究

3.1 セメント系建築3Dプリントに使用される原材料（1）セメント：河北省唐山ポーラーベア42.5R速硬化型硫酸アルミネートセメント。
（２）減水剤：ポリカルボン酸系PC減水剤。混合水の量を減らし、材料の強度を向上させます。
（３）細骨材：20～40メッシュ、40～70メッシュの機械製尾鉱砂。 3Dプリント材料に尾鉱砂を使用すると、材料コストを効果的に削減できると同時に、産業固形廃棄物による環境への汚染を減らし、一定の省エネおよび環境保護効果が得られます。
（4）3Dプリント材料の重要な技術は、主に材料の凝固時間と強度の制御であり、これら2つの指標を正確に制御することで、建築3Dプリントの継続性と安全性を確保できます。この研究では、さまざまな促進剤と遅延剤の中から利用可能な混和剤を実験的に選択しました。その中で選択された早期強化剤は、炭酸リチウム（J1）、水酸化リチウム（J2）、硫酸ナトリウム（J3）です。選択された遅延剤: ホウ酸 (H1)、グルコン酸ナトリウム (H2)、酒石酸 (H3)、クエン酸 (H4)、四ホウ酸ナトリウム (H5)、トリポリリン酸ナトリウム (H6)
（５）自家製複合ボリュームスタビライザー（VS）。材料の接着性が良好で、安定性が強く、ポンプの形状保持能力と接着性能が良好であり、印刷された建物の形状と体積の安定性が良好であることを確認します。複合混和剤には、チキソトロピー剤、セルロースエーテル、繊維複合材などがある。
3.2 セメント系3Dプリント材料の硬化時間を制御する鍵技術

3.2.1 セメント急速硬化混和剤の選択

速硬化型硫酸アルミネートセメントは、通常のケイ酸塩セメントよりも硬化速度が速く、初期強度が高いが、3Dプリント材料の実際の応用には、より速い硬化速度と高い初期強度が必要である[9]。促進剤はセメントの水和過程において触媒として作用し、C3Aと無水硫酸アルミン酸カルシウムの急速な水和を促進して大量のアルミン酸カルシウムを形成し、セメントの凝結時間を急速に短縮します。したがって、本論文では、J1、J2、および J3 の促進剤を選択し、促進剤が急速硬化性サルフォアルミネートセメントに及ぼす影響を調査し、SAC セメントに適した促進剤を決定します。

J1は硫酸アルミネートセメントに対して顕著な促進効果があります。0.01％の添加量で顕著な促進効果があり、凝結時間を半分に短縮します。0.05％の添加量では初期凝結時間を9分に短縮でき、添加量が0.3％に達すると初期凝結時間は5分になります。 J2は強アルカリであり、R-SACの硬化時間への影響はJ1、J3よりも強い。J2の添加量が0.01％の場合、硬化時間を9分に短縮することができ、J1の添加量が0.05％の場合と同じ効果が得られる。しかし、普通ポルトランドセメントに一般的に使用される早強促進剤 J3 は、速硬化性硫酸アルミネートセメントに対する促進効果が乏しい。したがって、実験結果から、凝固剤による硫酸アルミネートセメント J1 および J2 の促進効果は明らかですが、J3 については明らかではありません。さまざまな凝固剤が R-SAC の凝結時間と強度特性に与える影響をテストした結果、J1 が R-SAC の凝固剤として使用されていることが示されました。

3.2.2 セメント遅延剤の選択

速硬性硫酸アルミネートセメントは、初期強度が高く、膨張が少ないという利点がありますが、水和速度が速いため、特に夏場の高温環境では、実際の使用時に一定の作業時間が必要になることが多く、そのため、適切な遅延剤と組み合わせて使用して、施工時間を制御する必要があります。遅延剤はセメント粒子の表面に吸着して不溶性の膜を形成し、セメント粒子の水和に対するバリアとして機能し、セメントとペースト構造の急速な形成を遅らせ、セメントの水和速度を低下させ、セメントの急速な凝固と強度の増加を比較的遅くし、3Dプリント材料の凝固時間をより安定させ、制御しやすくします。

この論文では、一般的に使用されている 6 種類の遅延剤を選択し、急速硬化型硫酸アルミネートセメントの凝結時間と強度に対する影響をテストしました。速硬化性硫酸アルミネートセメントに適した特殊な遅延剤を見つける試みがなされた。

異なる遅延剤が R-SAC の硬化時間に与える影響は H1>H2>H3>H5>H6 の傾向に従い、H4 は R-SAC の異常な硬化時間を引き起こすことがわかります。 H1 の遅延効果は添加量に応じて増加し、硬化時間が大幅に長くなるため、制御に役立たず、実際の使用時に一定のリスクが発生します。 H2 は普通ポルトランドセメントの遅延剤として一般的に使用されていますが、R-SAC に対しても優れた遅延効果があり、硫酸アルミネートセメントに適した遅延剤として使用できます。 H3を遅延剤として添加すると、0.05%の添加量でわずかに促進効果があり、0.1%～0.3%の添加量で遅延効果が明らかとなり、H2と同様の傾向を示します。 H4 は、普通ポルトランドセメントの遅延剤としてもよく使用されますが、R-SAC に添加した場合の凝結時間への影響が不安定であるため、R-SAC の遅延剤としての使用には適していません。 H5の遅延効果は、添加量の増加とともに徐々に現れます。添加量が0.1％から0.3％に変化すると、初期硬化時間は28分から109分に延長され、最終硬化時間は49分から148分に延長されます。その遅延効果はH1よりも安定しており、R-SACの遅延剤として使用できます。 H6 を R-SAC の抑制剤として使用すると、促進効果が生じる可能性があります。H6 を R-SAC の抑制剤として使用することは推奨されません。

3.2.3 3Dプリント材料の硬化時間複合硬化剤

実際の生産およびエンジニアリングアプリケーションでは、促進剤と遅延剤の配合調整の原理を使用して、硫酸アルミネートセメントの凝結時間を調整することが推奨されています[10]。実験によれば、炭酸リチウム、凝固剤、無水ホウ砂、グルコン酸ナトリウム、酒石酸の組み合わせにより、硫酸アルミネートセメントの凝結時間を効果的に調整できる。

本研究では、多数の実験を通じて、異なる周囲温度下で硫酸アルミネートセメント系材料を効果的に調整できる複合硬化調節剤JHをまとめました。この規則に従って、遅延剤の投与量を微調整することで、10分〜1時間の任意に制御された硬化時間を持つ硫酸アルミネートセメントベースの建築3Dプリント材料を準備できます。

3 つの異なる周囲温度下で、複合硬化剤中の促進剤と遅延剤の組成を調整することにより、材料の硬化時間を 10 分～ 60 分の範囲内で広い調整範囲で柔軟に制御できることがわかります。さまざまな季節や環境における 3D プリントプロジェクトのニーズを満たすことができます。この3Dプリント材料は、早期強度が高く、急速凝固機能を備えています。圧縮強度は2時間以内に10〜20MPaに達します。圧縮強度は3日後に40〜50MPa、28日後には約60MPaです。3Dプリント建物の耐荷重壁や柱の強度要件を満たすことができ、印刷された部品に優れた機械的特性を持たせることもできます。

この3Dプリント材料の原材料コストは低く、環境や人体に無害であり、材料は接着性、安定性が強く、ポンプ形状保持能力と接着性能が良好で、印刷された建物は形状と体積の安定性が良好で、建物3Dプリントの建設継続性と建物強度の要件を満たすことができ、印刷された建物と部品は短時間で移動および組み立ての性能を備え、建物3Dプリントにおける幅広い応用見通しがあり、3Dプリント技術の応用と推進を大幅に促進することができます。
4 結論

（１）建築用３Ｄプリント材料におけるセメント質材料として硫酸アルミネートセメントを使用することで、凝結時間が長い、初期強度が低いなどの通常のポルトランドセメント系材料の欠点を克服することができる。製造された 3D プリント材料は、2 時間圧縮強度が 10 ～ 20 MPa、28 日圧縮強度が 50 ～ 60 MPa と、初期強度が高いです。

（２）異なる施工温度下で、促進剤Ｊ１と遅延剤Ｈ２、Ｈ３、Ｈ５の比率を調整することで、このタイプの建築用３Ｄプリント材料に適した複合硬化剤を調製することができ、材料の硬化時間は施工要件に応じて２０分から６０分の間で柔軟に制御することができる。

（３）R-SACセメント系3Dプリント材料は、各種機能性混和剤によって調整されており、その作業性能、形態安定性、強度は建築3Dプリントの継続性と構造安全性を満たすことができます。

（4）このセメント系3Dプリント材料の原料は入手しやすく、大量の産業廃棄物を応用でき、コストが低く、準備や施工の過程で有毒ガスを放出せず、環境や人体に無害であり、建築3Dプリント技術の普及と応用を促進することができる。

著名な市場調査機関MarketsandMarkets（M&M）は最新の分析レポートを発表し、2021年までに世界のコンクリート3Dプリント市場規模が現在の2,450万米ドルから5,640万米ドル（約3億7,000万人民元）に拡大し、年間複合成長率（CAGR）は15.2％になると予測しています。南極熊は、国内の不動産業界がこれほど盛り上がっている中、建築用3Dプリンターは今後10年間で中国国内の建築業界の様相を変えると予想している。もちろん、これは3Dプリント住宅の安全性と適用性が権威ある組織や消費者に認められているという事実に基づいている。現在の国内不動産業界はバブルが大きすぎる。改革が継続的に進むにつれ、不動産は国内GDPを占めるようになるだろう。総量は減少し続け、それに応じて泡も減少します。特に地方では、3Dプリント住宅が人々の間で人気が高まるでしょう。

出典: 中鼎グループ

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