我们重点关注的问题

21 世纪土木工程材料面临的挑战

• 生态污染
• 生产破坏
• 自然资源消耗

3D 打印建筑材料与 3D 打印建筑

• 3D 打印建筑的耐久性大于现浇混凝土？——谣言
• 要严谨
• 防守——确保基本建筑安全性、强度
• 优点——不规则建筑
  • 传统方法需要先制作模具——钢模板
  • 不能使用塑料模版
• 很难做出高层建筑
• 很难做成抗震建筑
• 与现浇混凝土差异很大！
  • 整体性差
  • 没有钢筋
• 缺点

• 都做功能材料，而非结构材料
• 都有较高的孔隙率

背景介绍

• 北京暴雨
• 2012 年，7·21 北京特大暴雨

地下施工技术

• 快速冷冻技术（试验阶段）
• 北京施工——抽水不可直接回灌
• 交水费——消耗很大
• 水位又涨回来了——地铁渗水（北京地铁很多地方在滴水）

背景——我国工业化进程中排放了大量的工业废渣

粉煤灰的综合利用

• 大掺量粉煤灰混凝土
• 强度高、温升小、弹性模量低、受缩小、结构密实
• 水泥种类：天山 P.O42.5
• 胶凝材料总量：400kg/m^3^
• 粉煤灰掺量：45%
• 水胶比 0.42
• 砂率 43%

建筑节能

• 430 亿平方米的存量建筑中，仅 5%为节能建筑
• 新建筑中 90%仍为高耗能建筑
• 建筑使用能耗占全社会能耗的 30%
• 建筑节能——以节约建筑能耗为核心，对建筑物的围护结构和采暖系统进行控制。——冬暖夏凉、节约能源
• 节能建筑设计 7 大节能技术——小区布局、建筑单体设计、外墙、门窗、屋面、遮阳、通风，涉及到上百条细则
• 主要分为——主动节能和被动节能两类
• 前端与后端（减少能源的损失：保温隔热）

住宅建筑耗热：

• 建筑节能是总体考虑墙、窗、室内电器、燃气等的总能耗减少
• 在整个外立面，窗散热占 30%，其余为墙

例：西坝河小区“住宅节能平改坡”：

概念

Ultra High Performance Concrete

• 1993 年法国 Bouygues 公司研制出超高性能水泥基复合材料——活性粉末混凝土（RPC）

• 现在欧洲通常称为超高性能混凝土（UHPC）

• 究竟是何结构？

• 高铁之前铁路运营的3个特点：

  • 超负荷
  • 慢速度
  • 低效率

• 发展高速铁路势在必行

  • 世界第一条——1964 年

• 时速高于 250km/h——被称为 高铁

• 未来十年——再建 1 万公里——形成八纵八横的铁路网

导论

• 图中农民工一点都不忙
• 混凝土具有流动性
• 但是不太好看，灰色
• 我们使用无机材料给混凝土上色
• 有机材料——影响混凝土的凝固、或是会成膜，影响混凝土的强度
• 为什么用混凝土作艺术建材
  • 耐久性好

3D 打印建筑的发展背景

• 自动化、数字化技术在施工领域的深度应用，推动智慧建造
• 3D 打印技术在施工中的应用处于探索阶段，发展相对缓慢
• 十三五重点专项中……
• 目前困难——钢筋无法打印，3D 打印建筑材料难以制造，3D 打印机器比较大
• 3D 打印的速率既和速度相关又和材料相关——硬化速度
• 3D 打印在工厂可以进行温度控制
• 优点：数字化、自动化、免模板、高效
• 有相应规程拆模板——达到一定强度后拆除
• 异形或是圆柱的模板；长支护模板的稳定性——支护模板的稳定性
• 为了支撑弧形结构——支撑细致
• 为了实现楼梯或是阳台——需要耗费许多木材

土木工程材料基础

水泥的一生

• 两磨一烧——高耗能、高排放、高污染

水泥的形貌

• 不规则的，微米级，大约 20~30$\mu m$，因此本身并不具有胶凝性能
• 水泥的矿物组分：C3S，C2S，C3A，C4AF
• 水泥的水化：C-S-H 凝胶——Hamlin Jennings 教授
• $Ca(OH)_2$的形貌：凝胶是纳米级别、氢氧化钙是微米级别的，所以不具有胶凝性能，因此其起到负面作用、六方片状、六方板状
• 改性混凝土——尽可能减少氢氧化钙、并且不影响 C-S-H 的强度
• 在压蒸的情况下，氢氧化钙为花瓣状