3D打印混凝土結(jié)構(gòu)：技術(shù)現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)和機遇

來源：Construction and Building Materials
課題組：重慶大學土木工程學院陳朝暉課題組

3D打印技術(shù)集材料制備、結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)制造于一體，具有無需模具支撐、打印過程高效、模塊化生產(chǎn)等技術(shù)優(yōu)勢。與傳統(tǒng)設(shè)計制造工藝相比，3D打印技術(shù)的建模自由度大、材料消耗少、環(huán)境污染小，適合應(yīng)用于綠色建筑的智能建造。然而，相比于在醫(yī)學、金屬制造和航空航天領(lǐng)域中的成功應(yīng)用，3D打印技術(shù)尚未在土木建筑工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。這歸因于除普通混凝土的拉伸/壓縮各向異性外，混凝土打印過程中的逐層堆疊還導(dǎo)致獨特的層間和條間各向異性。為滿足打印所需的流動性和可建造性，該技術(shù)也對材料成分、配比以及打印設(shè)備功能提出特殊要求。此外，3D打印工藝特點也對傳統(tǒng)加固方法在3D打印混凝土（3DPC）結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。

近年來，研究人員在3DPC可打印性、可建造性和力學性能等方面取得重大突破，對3DPC結(jié)構(gòu)的探索和應(yīng)用已從受壓構(gòu)件逐步擴展到各種側(cè)彎結(jié)構(gòu)。同時，3DPC結(jié)構(gòu)的各種加固方法如輪廓成形技術(shù)、鋼筋混凝土共打印方法、鋼絲網(wǎng)布置、后張加固等也得到了發(fā)展。目前，3DPC結(jié)構(gòu)施工方式主要分為現(xiàn)場全尺寸打印和預(yù)制裝配兩種。由于打印設(shè)備限制和結(jié)構(gòu)性能不足，3DPC難以實現(xiàn)現(xiàn)場全尺寸打印，并且3DPC材料和結(jié)構(gòu)性能受周圍環(huán)境和打印精度的影響較大。因此，全尺寸3DPC只能用于功能和平面簡單的低層房屋。預(yù)制裝配式是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件在室內(nèi)打印并在施工現(xiàn)場組裝。這樣可嚴格控制打印材料、環(huán)境、設(shè)備精度。因此，這種施工方式可有效解決工程規(guī)模受限、形狀復(fù)雜等問題，是3DPC結(jié)構(gòu)發(fā)展的必然趨勢。

研究出發(fā)點
由于打印材料和打印技術(shù)的特殊性，3DPC呈現(xiàn)出獨特的宏觀各向異性。目前，對3DPC本構(gòu)關(guān)系的研究尚不充分。雖然3DPC的工程案例眾多，但成熟的結(jié)構(gòu)加固方法和定量的結(jié)構(gòu)承載力分析理論和方法仍有待研究。3DPC優(yōu)化設(shè)計領(lǐng)域還處于起步階段。3DPC結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用存在以下關(guān)鍵問題亟待解決：材料力學性能的定量描述、加固方法、高效合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計以及可行的連接施工方法


研究內(nèi)容
本文旨在對3DPC的研究現(xiàn)狀進行梳理和分析，探討目前存在的技術(shù)難點以及未來的發(fā)展趨勢，為進一步研究3DPC結(jié)構(gòu)提供參考。本文從4個方面綜述了3DPC結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀：
1）材料的力學性能和本構(gòu)關(guān)系；
2）結(jié)構(gòu)形式及其加固方法；
3）3DPC結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計；
4）打印模塊的連接。

主要結(jié)論
本文從材料性能、結(jié)構(gòu)形式、優(yōu)化設(shè)計和連接方式共4個方面對3DPC結(jié)構(gòu)進行了全面綜述，并探討了3DPC技術(shù)進一步發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)和機遇。主要結(jié)論如下：

（1）3DPC技術(shù)是一種通過增材制造工藝形成混凝土結(jié)構(gòu)的3D打印技術(shù)。這種特殊的制造工藝導(dǎo)致3DPC層間和條間界面出現(xiàn)初始缺陷，從而降低3DPC結(jié)構(gòu)的性能。與普通混凝土不同，3DPC存在各向異性。工程師需在設(shè)計材料成分時進行平衡，以使其同時具備可打印性和力學性能。此外，打印工藝（層間間隔時間和打印速度）和打印噴嘴參數(shù)（高度、形狀和尺寸）也會影響3DPC的力學性能。

（2）與普通結(jié)構(gòu)類似，3DPC結(jié)構(gòu)主要分為兩類：抗壓構(gòu)件（墻、柱和拱）和抗彎構(gòu)件（梁和板）。受壓構(gòu)件是應(yīng)用最廣泛的3DPC結(jié)構(gòu)形式，歸因于其可充分利用混凝土抗壓性能，更容易進行截面設(shè)計。對于3DPC抗彎構(gòu)件，桁架系統(tǒng)適合取代普通梁結(jié)構(gòu)。此外，傳統(tǒng)的板結(jié)構(gòu)設(shè)計有肋條，而3DPC結(jié)構(gòu)可減輕這部分自重。另一方面，適合3DPC結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)也被提出。橫向加固技術(shù)廣泛用于受壓構(gòu)件，而后張加固技術(shù)主要用于受彎構(gòu)件。

（3）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計可利用3DPC的高自由度優(yōu)勢，以較少材料獲得更優(yōu)性能。常用優(yōu)化方法有基于材料密度和基于邊界條件的拓撲優(yōu)化。與抗壓構(gòu)件相比，抗彎構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計更為復(fù)雜。研究表明，矩形網(wǎng)格和桁架網(wǎng)格分別在抗壓和抗彎性能方面具有優(yōu)勢。此外，打印技術(shù)也需根據(jù)材料性能和結(jié)構(gòu)形式進行優(yōu)化�？傊�，結(jié)構(gòu)與打印技術(shù)的協(xié)同優(yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最終目標。

（4）對于預(yù)制3DPC結(jié)構(gòu)而言，構(gòu)件的連接措施是確保結(jié)構(gòu)可靠性的基礎(chǔ)。目前，用于3DPC結(jié)構(gòu)的連接方式有后張法鋼筋連接、機械連接和擠壓連接。擠壓連接有利于傳遞壓力，常用于拱形或殼體結(jié)構(gòu)；后張法鋼筋連接和機械連接主要用于抗彎構(gòu)件。此外，3DPC結(jié)構(gòu)的連接方式還可參考裝配式結(jié)構(gòu)。