3D打印技术在混凝土材料的最新应用研究

 

本文提出了一种无粘结后张预制节段混凝土（3DPCPSC）柱的3D打印混凝土永久模板。通过准静态试验研究了其滞回性能和破坏模式，并与预制节段钢筋混凝土（PSRC）柱进行了比较。提出了不锈钢钉内剪结合和预应力钢箍外主动约束两种界面增强方法，并对两种界面加固方法对3DPCPSC柱的加固效果和机理进行了研究。此外，利用三维实体有限元模型有限元模型对3D打印混凝土模板的浇筑和振动荷载进行了分析。结果表明，当3DPC模板不剥落时，3DPCPSC柱的耗能能力优于PSRC柱。3DPCPSC试件的最大累积能量耗散是PSRC柱的1.14倍。没有界面增强的3DPCPSC柱存在模板剥落现象，其承载力低于PSRC柱，并且采用两种界面增强方法的3DPCPSCs柱的承载力接近或高于PSRC柱。所有3DPCPSC试件的初始刚度都大于PSRC柱。提出了一个综合评价因子η来评价预制节段混凝土柱的滞回性能。通过综合评价因子η对3DPCPSC和PSRC的综合性能进行了比较。

 

 

 

 

随着3D混凝土打印（3DCP）技术建造了许多令人印象深刻的大型3D打印混凝土结构，人们越来越关注该技术的自动化、准确性和可靠性。脑-眼-手循环（BEH循环）的概念被定义用于自动构建，描述了设计、评估和构建之间的关系。本文提出了一种创新的纤维增强聚合物（FRP）柔性织物和工程水泥基复合材料（ECC）连续加固方法，为3D打印混凝土结构中钢筋缺乏抗拉钢筋和锈蚀提供了有效的解决方案。钢筋3D打印混凝土墙在准静态循环荷载下进行了施工、评估和测试。通过数字化重建和几何评价，实现了对墙体试件印刷质量的访问和保证。在力学试验的基础上，得到了墙体试件的抗震性能，发现其主要为弯曲破坏。证明了所提出的加固方法可以延缓破碎并改善力学性能。端柱和较小的高宽比也显示出机械性能的显著改善。与传统的浇注混凝土墙相比，采用该加固方法加固的3DCP墙试件具有更好的材料利用效率和力学性能。因此，根据BEH环的框架，柔性FRP织物增强的3DCP结构在未来大规模复杂结构的全自动施工中显示出巨大的应用潜力。

 

 

 

 

 

三维混凝土打印作为一种先进的施工技术，对各种自由形式的结构具有较高的制造自由度。使用拓扑优化的3D打印数字设计致力于从制造的结构中获得最大的性能潜力。然而，由于设计过程中尚未考虑的各种制造约束，通过拓扑优化获得的大多数数字设计结构无法使用3DCP直接制造。本文提出了一种3DCP的集成设计方法，将基于挤压的制造特性纳入拓扑优化算法中。拓扑优化是基于具有惩罚作用的固体各向同性材料（SIMP）方法，因为它易于适应多个约束。在优化迭代过程中，将喷嘴尺寸和路径连续性的制造特性视为3D打印结构的设计要求，通过使用拓扑优化的间歇性中断来修改设计变量，实现高质量制造。同时，引入材料约束的各向异性行为以及设计约束的体积和蔡武准则，以获得轻量化设计所需的力学性能。此外，结合了闭合区域的数量和悬挑角度控制，以确保优化的3D结构的全局路径连续性和稳定堆叠。对混凝土拱结构进行了三维打印，验证了所提出的集成方法，并证明了断点和短路径的去除和完全填充率。该集成方法以高效、高质量的方式促进了3DCP的工程应用。

 

 

 

 

 

相似模型试验是研究地下洞室稳定性最常用的方法之一。3D打印可以方便地创建不同尺寸的相似模型，并研究尺寸对测试结果的影响。这项研究使用类似岩石的材料来3D打印各种大小的洞穴模型。通过实验试验探讨了尺寸对强度、破坏机制、模型储能和洞室变形的影响，并通过考虑材料非均质性的数值模拟进行了验证。实验和数值结果一致表明，试验模型的整体强度随着模型尺寸的增加而降低。当模型洞室失效时，较大的试验模型会产生更剧烈的破坏。洞室的允许最大变形与模型尺寸之间存在线性关系。材料不均匀性是造成试验模型上述尺寸效应的主要因素，大模型中的大裂缝也起着重要作用。基于三维打印的地下工程试验模型为稳定性评价和设计提供了支持。

 

 

 

 

 

为了增强三维混凝土打印（3DCP）对自由形式和拓扑优化的预制结构的适应性，开发悬挑结构的倾斜三维打印是非常必要的。在本研究中，建立了添加剂堆叠稳定可构建性的预测标准，以促进倾斜3D打印。优化3D打印混凝土材料的工作性能是实现快速施工的先决条件。因此，混合胶凝材料同时采用了缓凝剂和促进剂的复合方法，以优化挤出性和早期刚度，进一步提高超早期性能与悬挑结构添加剂印刷工艺的协调性。定量分析了混凝土材料绿色强度的发展。HB-CSA对OPC的最佳替代率确定为15%，设定时间可控制在35-96min内。最后，通过数值分析和试验研究验证了所提出的评价方法的有效性，所提出的可施工性评价标准的偏差可控制在9.0%以内。