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3D打印混凝土结构:技术现状、挑战和机遇

核心提示:3D打印技术集材料制备、结构设计和生产制造于一体,具有无需模具支撑、打印过程高效、模块化生产等技术优势。与传统设计制造工艺相比,3D打印技术的建模自由度大、材料消耗少、环境污染小,适合应用于绿色建筑的智能建造。

来源:Construction and Building Materials


课题组:重庆大学土木工程学院陈朝晖课题组


3D打印技术集材料制备、结构设计和生产制造于一体,具有无需模具支撑、打印过程高效、模块化生产等技术优势。与传统设计制造工艺相比,3D打印技术的建模自由度大、材料消耗少、环境污染小,适合应用于绿色建筑的智能建造。然而,相比于在医学、金属制造和航空航天领域中的成功应用,3D打印技术尚未在土木建筑工程领域广泛应用。这归因于除普通混凝土的拉伸/压缩各向异性外,混凝土打印过程中的逐层堆叠还导致独特的层间和条间各向异性。为满足打印所需的流动性和可建造性,该技术也对材料成分、配比以及打印设备功能提出特殊要求。此外,3D打印工艺特点也对传统加固方法在3D打印混凝土(3DPC)结构中的应用提出了挑战。


近年来,研究人员在3DPC可打印性、可建造性和力学性能等方面取得重大突破,对3DPC结构的探索和应用已从受压构件逐步扩展到各种侧弯结构。同时,3DPC结构的各种加固方法如轮廓成形技术、钢筋混凝土共打印方法、钢丝网布置、后张加固等也得到了发展。目前,3DPC结构施工方式主要分为现场全尺寸打印和预制装配两种。由于打印设备限制和结构性能不足,3DPC难以实现现场全尺寸打印,并且3DPC材料和结构性能受周围环境和打印精度的影响较大。因此,全尺寸3DPC只能用于功能和平面简单的低层房屋。预制装配式是指结构构件在室内打印并在施工现场组装。这样可严格控制打印材料、环境、设备精度。因此,这种施工方式可有效解决工程规模受限、形状复杂等问题,是3DPC结构发展的必然趋势。


研究出发点


由于打印材料和打印技术的特殊性,3DPC呈现出独特的宏观各向异性。目前,对3DPC本构关系的研究尚不充分。虽然3DPC的工程案例众多,但成熟的结构加固方法和定量的结构承载力分析理论和方法仍有待研究。3DPC优化设计领域还处于起步阶段。3DPC结构的工程应用存在以下关键问题亟待解决:材料力学性能的定量描述、加固方法、高效合理的结构优化设计以及可行的连接施工方法。


研究内容


本文旨在对3DPC的研究现状进行梳理和分析,探讨目前存在的技术难点以及未来的发展趋势,为进一步研究3DPC结构提供参考。本文从4个方面综述了3DPC结构的研究现状:


1)材料的力学性能和本构关系;


2)结构形式及其加固方法;


3)3DPC结构的优化设计;


4)打印模块的连接。


主要结论


本文从材料性能、结构形式、优化设计和连接方式共4个方面对3DPC结构进行了全面综述,并探讨了3DPC技术进一步发展所面临的挑战和机遇。主要结论如下:


(1)3DPC技术是一种通过增材制造工艺形成混凝土结构的3D打印技术。这种特殊的制造工艺导致3DPC层间和条间界面出现初始缺陷,从而降低3DPC结构的性能。与普通混凝土不同,3DPC存在各向异性。工程师需在设计材料成分时进行平衡,以使其同时具备可打印性和力学性能。此外,打印工艺(层间间隔时间和打印速度)和打印喷嘴参数(高度、形状和尺寸)也会影响3DPC的力学性能。


(2)与普通结构类似,3DPC结构主要分为两类:抗压构件(墙、柱和拱)和抗弯构件(梁和板)。受压构件是应用最广泛的3DPC结构形式,归因于其可充分利用混凝土抗压性能,更容易进行截面设计。对于3DPC抗弯构件,桁架系统适合取代普通梁结构。此外,传统的板结构设计有肋条,而3DPC结构可减轻这部分自重。另一方面,适合3DPC结构的加固技术也被提出。横向加固技术广泛用于受压构件,而后张加固技术主要用于受弯构件。


(3)结构优化设计可利用3DPC的高自由度优势,以较少材料获得更优性能。常用优化方法有基于材料密度和基于边界条件的拓扑优化。与抗压构件相比,抗弯构件优化设计更为复杂。研究表明,矩形网格和桁架网格分别在抗压和抗弯性能方面具有优势。此外,打印技术也需根据材料性能和结构形式进行优化。总之,结构与打印技术的协同优化是结构优化的最终目标。


(4)对于预制3DPC结构而言,构件的连接措施是确保结构可靠性的基础。目前,用于3DPC结构的连接方式有后张法钢筋连接、机械连接和挤压连接。挤压连接有利于传递压力,常用于拱形或壳体结构;后张法钢筋连接和机械连接主要用于抗弯构件。此外,3DPC结构的连接方式还可参考装配式结构。