3Dプリントコンクリート材料とコンクリート建設技術の進歩

著者: Zhang Dawang 他

米国材料試験協会（ASTM）の3D印刷技術委員会（F42委員会）が発表した定義によると、3D印刷は、減算製造や等材料製造などの従来の製造技術とは大きく異なる技術です。モデルの3次元データに基づいて、プリンターのノズルから材料を押し出し、層ごとに材料を印刷して追加し、3Dエンティティを生成します。そのため、積層製造（AM）とも呼ばれます。モデリング技術、電気機械制御技術、情報技術、材料科学など、多くの面で最先端の技術的知識が含まれており、高度な科学技術コンテンツを備えています。現在、輪郭技術、D-Shape、プリントコンクリートは、公共分野、特に建設分野で大きな将来性を持つ3つの主要な付加製造プロセスです。 3D 印刷技術は、図 1 に示すように、主に 3D モデリング、3D セグメンテーション、印刷スプレー、後処理の 4 つの部分で構成されています。 3Dモデリングは3Dプリントの基礎であり、3Dモデリングの品質が3Dプリントの品質を決定します。3Dセグメンテーションはモデルを薄い層にカットすることであり、このプロセスはコンピュータソフトウェアによって実現されます。印刷スプレーは、成形材料を層ごとに3次元空間にスプレーまたは融合することです。近年では、最初に接着剤の層をスプレーし、次にその上に材料の層を散布し、このプロセスを繰り返すことが一般的に受け入れられています。後処理とは、印刷が完了した後にバリや表面の荒れが発生することが一般的であり、この時点で後処理が必要になることを指します。このことから、3Dプリントは従来の材料加工方法とはまったく異なることがわかります。3次元データを基に、3Dプリンターで層ごとに印刷します。これにより、事前に金型を作る必要がなく、製造プロセス中に大量の材料を処理する必要がなく、複雑な鍛造プロセスを経る必要もありません。最終的には、構造の最適化、材料の節約、生産時のエネルギー節約を実現できます。

3D プリント技術は 19 世紀後半にアメリカで生まれ、1980 年代に実現され開発されました。当初は価格が高く、技術が未熟だったため普及しませんでした。しかし、30年以上の開発を経て、3Dプリント技術は徐々に成熟し、価格も大幅に下がりました。現在、3Dプリントは「第三次産業革命の重要な生産ツール」として急速に発展し、さまざまな研究分野で広く使用されています。たとえば、バイオメディカル分野では、3Dプリント技術を使用して人工骨などの人体組織や臓器の開発に成功し、バイオメディカル技術の発展に大きな役割を果たしています。航空宇宙分野では、3Dプリント技術を使用して複雑で微細なサイズと特殊性能の部品とメカニズムを直接製造し、微細な製造を実現しています。パーソナライゼーションの分野では、3Dプリント技術をジュエリー、衣類、靴、おもちゃ、クリエイティブなDIY作品の設計と製造に応用できます。さらに、3Dプリント技術は、金型製造、電子情報、自動車製造にも広く使用されています。

伝統的なコンクリート材料と建設技術<br /> コンクリートは現代中国において最大かつ最も広く使用されている土木資材であり、都市化のペースが加速するにつれてその役割はますます重要になっています。コンクリートの強度と耐久性は建設技術と密接に関係しています。 ASTM C125 (コンクリートおよびコンクリート骨材に関する用語の標準定義) および ACI 委員会 116 (セメントおよびコンクリート技術の用語) によれば、コンクリートは主に結合剤媒体とその中に埋め込まれた骨粒子または骨片で構成される複合材料です。

コンクリートの施工にかかる時間は、予想される耐用年数と比較するとごくわずかですが、この期間中に多くの施工作業が行われます。これらの操作手順は、材料の特性に影響を受けるだけでなく、材料の性能にも影響を及ぼします。一般的に、コンクリート材料の施工には、主にコンクリートの注入、圧縮、塗り付け、養生、脱型という工程が含まれます。

コンクリートは水平方向に均一な厚さの層状に敷かれるため、新しい層を敷くときに、そのすぐ下の層がまだ塑性状態にあることを保証できるほどの速さで注入する必要があります。そうすることで、2 つの層の接合部でコールドジョイント、フローライン、および弱い表面が発生しなくなります。圧縮とは、型枠にコンクリートを充填し、埋め込まれた部品と鉄筋の周囲にコンクリートを成形して、空隙と空気を除去するプロセスです。振動はコンクリートを圧縮するのに最も一般的に使用される方法です。振動させるときは、バイブレーターを混合物に素早く挿入し、ゆっくりと上下に動かして空気を逃がす必要があります。左官工事は、特にコンクリート舗装や床などの平面プロジェクトにおいて、コンクリート表面の平坦性と密度を確保するための効果的な方法の 1 つです。メンテナンスはコンクリートの強度と耐久性に重要な影響を及ぼします。養生の目的は 2 つあります。1 つは、必要な強度レベルに達するまでの期間中にコンクリートの水分損失を防ぎ、温度を制御することです。もう 1 つは、表面を密閉することでコンクリートの水分損失を防ぐことです。道路や地面の場合は、水を流して維持することができます。他の構造物の場合は、水を噴霧または霧吹きするか、袋または綿布を水に浸してからコンクリートで覆って保湿維持することができます。速硬化性の建物の場合は、防水養生紙、ポリエチレンフィルム、またはフィルム形成養生剤を使用できます。型から取り外すのは、通常、コンクリート建設の最後のステップです。型枠を外す際には、コンクリートの強度が固定荷重と強制構造荷重によって発生する応力に耐えられるまで待つ必要があります。同時に、型枠を外すなどの作業中に表面が損傷しないように、コンクリートには一定の硬度も必要です。多くの場合、型から取り出した後、一定期間硬化させます。伝統的なコンクリート材料とその建設技術を理解することは、3D プリントコンクリートなどの新しい技術の開発にとって重要かつ不可欠な基盤です。

3Dプリントコンクリート材料とプロセス

コンクリート材料の3Dプリント
3Dプリントコンクリート技術は、3Dプリント技術と商業コンクリート分野の技術を組み合わせた新しい応用技術です。その主な原理は、コンピューターを使用してコンクリート部品の3Dモデリングとセグメンテーションを実行して3次元情報を作成し、準備されたコンクリート混合物を機械制御によって設定されたプログラムに従って押し出し装置に通し、ノズルから押し出して印刷し、最終的にコンクリート部品を得ることです。実際の建設印刷プロセスでは、3Dプリントコンクリート技術は可塑性が高く、成形プロセス中にサポートを必要としません。振動を必要としない自己充填コンクリートの利点と、複雑な部品を製造しやすい吹付コンクリートの利点の2つの利点を備えた新しいタイプのコンクリートフォームレス成形技術です。

NASA と南カリフォルニア大学は協力して「Contour Process」3D 印刷技術を開発しました。この技術により、24 時間以内に約 232 m2 の 2 階建ての建物を印刷することができ (図 2 を参照)、建設時間とコストを大幅に節約し、グリーン製造への扉を開きます。現在、3Dプリント建築物の無機ゲル化基材としては、ガラス繊維強化石膏、ガラス繊維強化モルタルなどが使用可能です。例えば、上海銀創装飾設計エンジニアリング株式会社は、GPR（ガラス繊維強化石膏）とFRP（ガラス繊維強化プラスチック家具）を製造しています（図3を参照）。

3Dプリントコンクリートは、建物の建設後に内部の鉄骨構造の補強を必要としないにもかかわらず、その質感は大理石などの素材に似ており、従来のコンクリートよりも強度が高くなります。このことから、通常のセメントコンクリートではその技術的要件を満たすことが困難であり、3Dプリント建設技術のニーズを満たすためにコンクリートの性能に対してより高い要件が提示されていることは容易に理解できます。

3D プリントされた建物のニーズを満たすには、コンクリート混合物が特定の要件を満たす必要があります。以下はコンクリートの組成の分析です。まず、普通のポルトランドセメントは、強度や硬化時間などの点で 3D プリントの要件を満たさない可能性があるため、この点についてはさらなる研究が必要です。セメントの鉱物組成やクリンカーの細かさなどを変えることなど。たとえば、硫酸アルミネートセメントまたはアルミネート改質ケイ酸塩セメントを使用すると、硬化時間が短縮され、初期強度が向上します。第二に、3D プリントはノズルを通じて実現されます。ノズルのサイズによってコンクリート混合物の粒子サイズが決まるため、最も適切な骨材粒子サイズを見つける必要があります。骨材の粒径が大きすぎるとノズルが詰まり、粒径が小さすぎると骨材を包むのに必要なスラリーの比表面積が大きくなり、スラリー量が多くなり、水和速度が速くなり、単位時間あたりの水和熱が高くなり、コンクリートのさまざまな特性が劣化します。第三に、調製されたコンクリート混合物は適切な混合比を持つ必要があります。3Dプリントの要件を満たす新しいタイプのコンクリートは従来のコンクリートとは異なるため、そのさまざまな特性は大きく変化しており、従来の水セメント比、砂比などでは決定できません。その基本的な特性は劇的に変化しています。強度、耐久性、水和など、コンクリートに関する現在の理論は、3D プリントされたコンクリートの要件を満たすことができません。高強度、良好な耐久性、良好な混練性、適切な凝結時間、良好な作業性、ポンプ圧送性、施工性など、プリントコンクリートの理想的な状態を実現するためには、新たな観点から理論を改良する必要がある。最後に、混和剤は現代のコンクリートの必須成分の 1 つであり、コンクリートの改質のための重要な方法と技術です。 3Dプリントコンクリートは、押し出しを容易にし、空気中で素早く固化して、プリントコンクリートの構造が重力によって破壊されるのを防ぐために、より優れたレオロジー特性を備えている必要があります。骨材の最大粒子サイズはより小さくなり、その形態は円形に近づくため、粒度分布はより複雑になります。最終的には、層間の固化の問題を解決する必要があり、これを解決するために新しい混和剤が必要になります。材料レオロジーの観点から見ると、3Dプリントコンクリートは、塑性粘度が高く、極限せん断応力が低いため、流動せず、良好な可塑性を持つ必要があります。同時に、硬化時間が短く、初期強度が高くなければなりません。

さらに、混合比が印刷コンクリートの収縮に及ぼす影響や、細孔構造が印刷コンクリートに及ぼす影響も考慮する必要があります。たとえば、Le らによる研究では、水結合剤比とフライアッシュ比を低くすると、印刷プロセス中の収縮を減らすことができ、また、細孔構造を小さくすると、印刷されたコンクリートの品質が向上することが示されました。これを踏まえると、印刷コンクリートの鋳造性と押し出し性は、コンクリートの作業性と硬化時間の影響を受けます。 3Dコンクリート印刷プロセス中、印刷された部品の完全性も保証されなければならず、印刷された部品が重力によって崩壊したり、傾いたり、変形したりしないようにする必要があります。これには、良好な可塑性、短い凝固時間、高い初期強度、印刷プロセス中の自重と動的負荷に耐えることができ、次の印刷層の結合が影響を受けないようにする必要があります。

3D プリントされたコンクリート構造と 3D プリントされた建物<br /> 3Dプリントコンクリート技術の継続的な発展と深化に伴い、3Dプリント建物も登場しました。現在、最初の一連の 3D プリント住宅が中国上海市青浦区に登場しています (図 4 を参照)。これらは主に高級セメント、建設廃棄物、ガラス繊維で印刷されています。また、このプロジェクトは従来の 3D プリントではなく、3D プリンターで印刷した住宅構造を現場で層ごとに手作業で組み立てることで完成します。近い将来、オランダの建築家ヤンヤップ・ルイセナールス氏とイタリアの発明家エンリコ・ディーニ氏（D-Shape 3Dプリンターの発明者）が協力し、3Dプリント技術を使用して「ランドスケープハウス」と呼ばれる建物を建設する予定です。これらは 3D プリント建物における大きな進歩であり、3D プリント建物技術を実用的なものにします。

新しいタイプの建設技術として、輪郭プロセスにより 3D プリントコンクリートの実用性が大幅に向上しました。コンターリングは、コンピューター制御のノズルを通して材料を層状に押し出す建築技術です。輪郭加工はハイブリッド技術で、主に外部輪郭と内部輪郭の 2 つの部分から構成されます。外部輪郭は押し出し成形によって形成され、その後、内部は押し出し鋳造または射出成形によって充填されます。構造補強材として充填コアを備えた押し出し成形品のモデルシステム。この技術の重要な特徴は、こてです。こては、各層の表面と上面を滑らかにし、正確に形を整えるために使用されます。これにより、実際の建設プロセスでは、3Dプリントされた建物は層ごとに積み重ねるプロセスであるため、必然的に階層的な積み重ね効果をもたらし、表面が粗くなり、横縞が目立つという問題が解決されます（図5を参照）。

輪郭プロセスを使用した 3D プリントコンクリートは、印刷プロセス中の表面粗さを低減できるため (図 6 を参照)、その後の表面の平坦化と精密な構築の必要性が軽減されます。さらに、印刷設計中に内部システムを充填することで、印刷された建物の構造性能を向上させることができます。

3D プリント建築用ドライミックスモルタル材料とプロセス<br /> ドライミックスモルタルは、ドライパウダーモルタル、ドライミックスモルタルとも呼ばれ、セメント、砂、鉱物混和剤、機能性添加剤を一定の割合で粒状または粉末状に混合したもので、専門メーカーで乾燥した状態で均一に混合、混練されています。その後、ドライパウダー包装またはバルクの形で建設現場に輸送され、水を加えて指定された割合で混合した後、直接使用できるドライパウダーモルタル材料です。ドライミックスモルタルは、その利便性と柔軟性からエンジニアリング業界で好まれ、近年ますます広く使用されるようになっています。

3D プリント技術の登場により、乾式混合モルタルも現在の一般的なモルタルのイメージから脱却し、複合材料として、その製造方法は建築構造の主機能と補助機能の両方を提供する統合された道へと進んでいきます。 3Dプリントされた建物では、ドライミックスモルタルがプリンターの「インク」として広く使用されます。 3D プリントされた建築用ドライミックスモルタルの材料要件は、プリントされたコンクリートの要件と同様であり、どちらも優れた可塑性やその他の特性を備えていることが求められます。印刷コンクリートとは異なり、印刷ドライミックスモルタルは通常、結合沈殿成形法を使用して印刷されます。接着沈殿成形の原理は、CADモデルデータに従って機械制御により砂利粉末の各層の設計領域に接着剤を印刷し、反応硬化後に余分な部分を取り除き、印刷物を得ることです（図7を参照）。 3D プリントドライミックスモルタルは、コンポーネントの関連特性を向上させることができます。例えば、3Dプリントされたドライミックスモルタルのボードは連結設計になっており、より強固で安全です。3Dプリントバイオニック技術を使用して設計された構造は、建設期間を効果的に短縮し、リスクを軽減し、簡単には落ちないという利点があります。

3Dプリントコンクリート建物の問題点

従来の建物と比較して、3D プリントされた建物には、高強度、建築形態の自由度、建設時間、環境保護、省エネなど、いくつかの優れた利点があります。しかし、現在研究開発・試験段階にある新技術であるため、以下のような問題は避けられません。

（１）原材料の問題従来のコンクリート建設技術と比較して、3D プリントコンクリートでは、原材料のレオロジーおよび可塑性に対する要件が高くなります。通常のセメントでは、建築性能と印刷技術の両方の要件を同時に満たすことができない可能性があります。骨材は、新しい粉砕プロセスを使用して、粒子サイズが小さく、粒子の形状が円形に近い骨材を生産する場合があります。コンクリートの混和剤は、既存の性能を維持するだけでなく、層を完璧に組み合わせる方法の問題も解決する必要があります。

（２）正確さの問題建築設計は冗談ではなく、その完成には厳密な精度が求められます。しかし、3Dプリント技術が逸脱するかどうか、またどのような予防策を講じるべきかは、建築設計モデルへの3Dプリント技術の応用において注意すべき問題です。 3Dプリントの具体的な技術はまだ未発達であるため、迅速に試作された部品の精度と表面品質は、エンジニアリング用途の要件を満たすことができないことがほとんどです。これらは機能部品として使用できず、試作品としてのみ使用できます。

（３）ソフトウェアの問題従来のコンクリート構造とは異なり、3D プリントコンクリートは次元削減製造プロセスであり、印刷を容易にするために 3D モデルを 2D モデルに変換する必要があります。したがって、コンピューター上で関連作業を完了し、自動化プログラムを介してそれを物理的なオブジェクトに変換するには、関連ソフトウェアが必要です。したがって、ソフトウェアは 3D プリントの重要な部分であり、モデルをデジタル化する上で重要なリンクです。ソフトウェア開発は非常に重要です。現在、我が国には3Dプリントに対応し、完全な産業チェーンを形成している専門ソフトウェア会社はありません。

（４）印刷装置に問題がある。技術の発展に伴い、3D プリンター設備は急速に発展しています。3D プリンター設備の価格は当初数十万ドルでしたが、現在では数千ドルにまで上昇し、その後、わが国では 5,000 元を超えています。 3D プリンター機器はますます普及し、さまざまな分野に導入されています。しかし、現在の 3D プリントコンクリート機器は、その適用環境の特殊性の要件を完全に満たすことができません。例えば、現在使用されている印刷設備は平面拡張段階にしか対応できず、低層の大面積の建物の建設に使用できますが、広く使用されている高層ビルの印刷にはまだ対応できません。

さらに、3D プリントされたコンクリートは従来のコンクリートに比べて大きな変化を遂げており、新たな一連の建設プロセスと安全基準および対策を再確立する必要があります。

結論と展望

（１）伝統的な建設技術では、建設廃棄物が大量に発生します。中国では年間20億平方メートルを超える建設が10年から15年続くと予測されており、毎年約6億トンの建設廃棄物が発生するとみられる。 3Dプリントコンクリート技術は、コンクリートを最大限に活用し、セメントの使用量を削減し、建設プロセス中の型枠の支持と除去の面倒な手順を排除することで建設廃棄物の発生を減らすことができ、これは今日のグリーン開発のテーマと一致しています。

（2）3Dプリントコンクリートとモルタルは新しい技術であるため、原材料の選択、配合設計と配合理論、混和剤の使用に関する継続的な詳細な研究が必要であり、その性能要件を向上させる必要があります。3Dプリントをより自動化し、最良の結果を達成するには、サポートソフトウェアの継続的な研究が必要です。また、高層プリントを実現し、プリントされた建物が高層ビルの方向でより良く発展できるように、3Dプリント機械の継続的な研究も必要です。また、微細構造と表面の洗練の要件を達成し、プリントが洗練された製品に発展できるように、輪郭技術の継続的な改善が必要です。

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