3D打印混凝土相关性能研究进展

从流动性、黏结强度、凝结时间、纤维增强等方面概括了目前3D打印混凝土的研究进展,分析了外加剂、骨料级配和特殊材料应用于改善3D打印混凝土流动性的现状;总结了3D打印混凝土层间黏结强度的不足及改善措施;从外加剂和水泥的选择上探讨了3D打印混凝土凝结时间的控制方案,分析了纤维用于3D打印混凝土中的优势以及特殊性;结合现状对3D打印混凝土未来研究方向进行了展望。     

3D打印混凝土技术的研究现状与发展趋势

三维(3D)打印混凝土技术因数字化、自动化、智能化程度高等优势成为智慧建造的主要手段。介绍混凝土3D打印技术的基本原理和相关工艺,然后对3D打印混凝土材料性能需求、硬化混凝土力学性能、混凝土钢筋布置技术、结构层次受力性能和建造实例等方面的国内外研究现状进行对比分析和国内外混凝土3D打印设备调研总结。最后,对3D打印混凝土技术的研究进行了展望,包括:含粗骨料的混凝土3D打印、打印混凝土配合比设计、组合布筋技术、混凝土3D打印技术适用性分析、现场组装式打印设备和平台集成等方面。     

混凝土3D打印技术的研究与应用进展

3D打印技术是一种热门的新兴技术,与传统技术相比,其更加系统,也更加便捷,已经在很多行业和领域得到应用。本文综合相关研究成果,阐述了混凝土3D打印技术的材料与工艺研究、3D打印混凝土的性能试验方法研究及混凝土3D打印技术的应用研究,并分析了3D打印技术现阶段存在的问题与不足,对混凝土3D打印技术的研究方向进行了展望。     

快硬早强混凝土3D打印施工方法及应用

建筑3D打印技术对混凝土的性能要求主要是快硬早强。结合实际打3D打印混凝土应用技术,对适合于建筑3D打印的快硬早强混凝土的工作性能、凝结时间、力学性能提出了参数指标。通过研究混凝土的3D打印工艺、配合比设计和施工流程,对3D打印混凝土的施工方法进行了阐述。利用工业型3D打印机实现快硬早强打印混凝土在建筑构件、房屋的应用。     

3D打印混凝土材料制备方法研究

3D打印混凝土是一项新的基于增材制造成型工艺的建造技术。混凝土材料能否保持连续、均匀的可挤出性,保持足够的层间黏结性以及拥有足够的强度去支撑后打印层的可塑造性,是实现混凝土3D打印的关键。另外,在处理打印混凝土后期强度以及耐久性等问题时,材料的选择与匹配是打印结果的直接影响因素。以满足3D混凝土技术要求的胶凝材料、骨料、矿物掺合料、纤维材料及外加剂等原材料的选择与优化为研究对象,并针对其配合比设计方法进行性能分析,为实现混凝土打印和性能控制提供理论支撑。     

3D打印混凝土永久模板叠合梁抗弯性能研究

为深入研究3D打印混凝土永久模板叠合梁受力性能，开展3D打印混凝土永久模板叠合梁四点弯曲试验，在叠合梁与现浇梁对照分析的基础上，考虑打印工艺造成的力学性能各向异性和打印层条界面存在微细观缺陷，建立数值模型，针对混凝土应力分布、荷载挠度曲线开展仿真分析，考虑材料强度、打印层条界面几何尺寸估计开展叠合梁设计参数敏感性分析。结果表明：打印模板上部层间缺陷是影响叠合梁抗弯承载能力及破坏失效的关键部位，3D打印混凝土层条界面几何尺寸影响叠合梁应力分布。随着层条界面厚度估计值增大，应力集中程度逐渐降低，承载能力逐渐增大。打印基体和现浇混凝土强度对打印模板叠合梁结构极限荷载的影响不显著，钢筋强度对叠合梁承载能力作用显著。     

3D打印混凝土材料的研究现状与展望

随着3D打印技术的快速发展和3D打印建筑材料的研发,3D打印技术在建筑行业得到了迅速发展,它是一种基于增材制造的建造技术,而混凝土是该技术最常用的打印材料。重点阐述了3D建筑打印技术,3D打印混凝土材料的可建造性、临界失效时间、层间黏结强度、干燥收缩率等性能要求,总结了3D打印混凝土材料国内外研究现状,最后着重阐述了3D打印混凝土施工技术中存在的问题,并对其发展前景进行了展望,希望为以后该方向此类问题的研究提供借鉴。     

3D打印混凝土力学性能试验方法

总结了国内外3D打印混凝土力学性能的试验方法,介绍和比较了3D打印混凝土抗压强度、抗折强度、层间结合强度、劈拉强度、抗拉强度和弹性模量试验方法,提出了为规范3D打印混凝土的力学性能制定3D打印混凝土力学性能试验方法相关标准的必要性。     

3D打印技术在建筑领域的应用现状与展望

为进一步了解3D打印技术在建筑行业的应用与发展趋势,介绍3D打印建筑技术在国内外的发展现状,对D型工艺、轮廓工艺、全尺寸3D打印及3D打印混凝土技术等3D打印建筑技术的特点进行分析。结合现有技术的不足与当前研究的难题,展望3D打印建筑技术的建筑方式、施工工艺、建筑材料、建筑结构及打印设备等未来研究方向。     

混凝土建筑3D打印技术工程应用分析

混凝土建筑3D打印技术的研究目前处于起步阶段,打印材料、设备、工艺间的研究相互割裂,缺少实践配合。由于缺少相关标准规范作为建造依据,且现有示范项目未能充分体现3D打印技术的优势,因此该技术的市场认可程度不高,距投入市场化应用还有极大难度。梳理国内外混凝土建筑3D打印技术的打印工艺、打印材料、打印设备、打印实践发展,通过分析混凝土建筑3D打印技术在不同工程场景下的实际应用案例,总结其存在的主要问题与不足,并立足适合该技术的不同应用场景进行系统分析,提出高效、合理的生产建造过程,推动3D打印在混凝土建筑领域的智能化、工业化、可持续化的研究与发展。     

中国3D打印混凝土技术应用历程与趋势

为了全面分析中国3D打印混凝土技术的研究现状,从“油墨”材料、施工工艺和应用场景等方面对3D打印混凝土技术的研究进展进行了回顾,从时间和逻辑2条线路分析了该技术的发展历程,介绍了主要的施工工艺及在建筑物和基础设施上的应用案例,并分析了3D打印混凝土技术在生态“油墨”材料、仿生设计、大型打印设备开发及施工工艺、3D打印混凝土技术标准与验收规范等发展趋势。最后分析总结了目前中国3D打印混凝土技术所面临的问题,并结合实际应用场景给出了部分研究思路。结果表明:3D打印材料是影响混凝土性能最根本的因素,混凝土须具有更好的流变性能,并能够在环境中快速凝固; 现有3D打印混凝土设备还不能够完全满足不同应用环境的特殊性要求,需要在机械设计和施工流程方面进行协调开发,促进面向建筑领域新型3D打印设备的精细化与自动化发展; 3D打印混凝土结构和普通混凝土结构形式不同,现有的混凝土结构设计施工标准和国家规程并不适合3D打印混凝土技术,缺乏面向3D打印建筑的标准和验收规范; 企业、高校和科研机构需加强合作,以工程应用为导向指引3D打印混凝土的研究和发展。     

建筑3D打印力学性能研究综述

3D打印试样的力学性能具有各向异性,其抗压强度与抗折强度的测试方法与传统混凝土相似,但需经过加工与切割,这会造成3D打印试件的变化。在3D打印力学性能中,层间强度最差,大多数试验采用与劈裂强度相似的方法进行测量。由于需加入增稠剂等来调节原材料的流动性,这会影响3D打印试样的力学性能。3D打印接触空气的面积较大,容易造成收缩开裂,可通过加入纤维等来减少收缩。在实际工程中,也可以通过预埋支架等来提高3D打印试样的力学性能。     

原位建筑3D打印两层办公室的施工关键技术

总结了两层办公室项目的原位3D打印施工关键技术。设计开发了具有模块化、高精度、多功能等技术特点大型建筑3D打印机;开发了适合现场3D打印施工的专用添加剂,现场搅拌制备出性能优良的、适合现场施工的3D打印混凝土;提出了一种打印建筑竖向钢筋笼放置和连接方法,解决了打印混凝土结构构造柱根部节点与基础连接的施工难题;通过材料技术和自动化喷雾养护施工技术,有效克服了普通硅酸盐水泥基打印材料的收缩开裂。     

基于月壤成分和月球环境的3D打印混凝土结构可行性分析

3D打印工艺在高辐射低温失重的月球环境下凸显巨大的技术潜力,针对月球基地结构的建造技术参数,结合月壤成分、材料比例和细度分布开展了3D打印混凝土配合比设计分析,归纳了月球混凝土3D打印结构的材料配合比,力学性能,工作参数和结构型式等相关研究进展,探讨了真空和低温失重环境下月球3D打印混凝土结构的技术可行性和未来发展趋势。     

Experimental study of a 3D printed geogrid embedded with FBG sensor for reinforcement of subgrade with underlying cave

Road construction in karst areas is a challenging task. Combining the advantages of geosynthetics and fiber Bragg grating (FBG), this paper creatively presents a new type of FBG-3D printed geogrid, which allows reinforcement and accurate deformation monitoring. A series of model tests were carried out to investigate the mechanical and deformation characteristics of the subgrade with underlying karst cave reinforced by FBG-3D printed geogrid. The experimental results indicated that the fully coordinated deformation between FBG sensor and geogrid was successfully achieved by 3D printing technology, and the relationship between fiber wavelength and strain was obtained. The existence of cave had an adverse effect on the subgrade, but the FBG-3D printed geogrids effectively improved the bearing capacity and footing settlement, and the reinforcement effect increased with the decrease of geogrid spacing. In the cyclic loading experiments, the earth pressure inside the subgrade reinforced by geogrid changed as a half-sine wave in each cycle. The FBG sensors accurately measured the strain change inside the subgrade, and the data showed that the deformation of measuring point above the cave model was the largest. The research conclusions provide important basic data for the construction and monitoring of highway and geotechnical engineering projects.     

3D打印混凝土硬化后断裂机理试验研究

为了研究3D打印混凝土硬化后的断裂机理，针对常规浇筑混凝土和三种不同打印路径混凝土，开展了劈裂抗拉强度和三点弯试验，利用声发射技术监测了断裂过程。结果表明：打印混凝土的劈裂抗拉强度、抗弯强度、延性和断裂能均小于常规浇筑混凝土；当平行于荷载方向上条间界面（水平条带之间界面）数量增加时，断裂面上材料完整性被削弱的程度愈大，劈裂抗拉强度、抗弯强度、延性和断裂能愈小；打印混凝土内部界面对微裂缝的开裂模式有影响，随着材料完整性削弱程度的增大，剪切裂缝数量占比愈大；通过衰减系数反映微观断裂与打印混凝土宏观断裂力学性能之间的关系，发现随着剪切微裂缝数量占比衰减系数的增加，抗弯强度、延性、断裂能衰减系数减小，两者近似呈线性关系。     

Experimental study on fracture mechanism of hardened 3D printed concrete

为了研究3D打印混凝土硬化后的断裂机理，针对常规浇筑混凝土和三种不同打印路径混凝土，开展了劈裂抗拉强度和三点弯试验，利用声发射技术监测了断裂过程。结果表明：打印混凝土的劈裂抗拉强度、抗弯强度、延性和断裂能均小于常规浇筑混凝土；当平行于荷载方向上条间界面（水平条带之间界面）数量增加时，断裂面上材料完整性被削弱的程度愈大，劈裂抗拉强度、抗弯强度、延性和断裂能愈小；打印混凝土内部界面对微裂缝的开裂模式有影响，随着材料完整性削弱程度的增大，剪切裂缝数量占比愈大；通过衰减系数反映微观断裂与打印混凝土宏观断裂力学性能之间的关系，发现随着剪切微裂缝数量占比衰减系数的增加，抗弯强度、延性、断裂能衰减系数减小，两者近似呈线性关系。     

挤出形状/尺寸对3D打印混凝土力学性能的影响

为了揭示3D打印挤出形状和尺寸对成型混凝土性能的影响机制,对比了模具成型、同挤出流量条件下不同挤出形状（三角形、方形和圆形）成型、同挤出形状条件下不同挤出尺寸成型、同挤出形状和同尺寸下不同打印条排列成型的混凝土断面形态、力学性能和空间孔隙分布,分析了不同挤出形状和尺寸条件下打印试件的层/条缺陷特征,探讨了打印试件孔隙率与其力学性能的对应关系.结果表明：层间和条间缺陷会显著影响打印试件的密实度,在同挤出流量条件下,由于层/条间的压紧作用,挤出形状呈三角形的打印试件具有最少的层间缺陷和最佳的力学性能;同形状的打印试件随着挤出尺寸的增大,其缺陷降低、力学性能提高;在挤出形状和尺寸均不变的情况下,打印口交错排列可提升打印试件力学性能13%～47%.     

3D打印混凝土负压医疗舱一体化建造技术研究

3D打印混凝土可实现数字设计、一体化快速打印建造成型,具有整体性好、气水密闭、保温隔热、灵活定制、经济耐用以及安全可靠等技术优越性。基于负压医疗标准和技术参数,提出一种可拼接组装、快速就位、安全耐久的3D打印混凝土负压医疗舱空间胶囊结构。基于打印工艺和材料参数开展数值模拟,分析了负压医疗舱结构在承载能力极限状态、正常使用极限状态和建造安装阶段的结构性能,并通过模态分析研究了不同激励工况下的结构振动舒适度。结果表明：3D打印胶囊型混凝土负压医疗舱最大拉压应力小于其抗拉与抗压强度,具有良好的安全性;正常使用极限状态下结构变形满足使用限定条件,适用性良好;负压医疗舱吊装过程中结构具有很好的安全储备,施工安全可行。与传统装配式负压病房相比,3D打印混凝土负压医疗舱的一阶竖向自振频率提高了99.95%,更不易在日常使用工况下产生激励共振。在行走激励下,3D打印负压医疗舱均满足振动舒适度要求;在奔跑激励下,3D打印负压医疗舱的加速度响应处于振动有感阶段;而传统负压舱病房在行走激励下难以满足振动舒适度要求,在奔跑激励工况下的加速度响应超出人体对于振动响应的忍受范围。     

Integrated construction of negative pressure medical cabin using 3D printed concrete

3D打印混凝土可实现数字设计、一体化快速打印建造成型，具有整体性好、气水密闭、保温隔热、灵活定制、经济耐用以及安全可靠等技术优越性。基于负压医疗标准和技术参数，提出一种可拼接组装、快速就位、安全耐久的3D打印混凝土负压医疗舱空间胶囊结构。基于打印工艺和材料参数开展数值模拟，分析了负压医疗舱结构在承载能力极限状态、正常使用极限状态和建造安装阶段的结构性能，并通过模态分析研究了不同激励工况下的结构振动舒适度。结果表明：3D打印胶囊型混凝土负压医疗舱最大拉压应力小于其抗拉与抗压强度，具有良好的安全性；正常使用极限状态下结构变形满足使用限定条件，适用性良好；负压医疗舱吊装过程中结构具有很好的安全储备，施工安全可行。与传统装配式负压病房相比，3D打印混凝土负压医疗舱的一阶竖向自振频率提高了99.95%，更不易在日常使用工况下产生激励共振。在行走激励下，3D打印负压医疗舱均满足振动舒适度要求；在奔跑激励下，3D打印负压医疗舱的加速度响应处于振动有感阶段；而传统负压舱病房在行走激励下难以满足振动舒适度要求，在奔跑激励工况下的加速度响应超出人体对于振动响应的忍受范围。