重庆大学团队综述：3D打印混凝土结构的最新进展、挑战与机遇
重庆大学团队综述：3D打印混凝土结构的最新进展、挑战与机遇
3D打印混凝土技术集材料制备、几何造型、结构设计、施工于一体，具有绿色、低碳、智能建筑的本质优势，近年来得到蓬勃发展。近日，重庆大学土木工程学院陈朝晖教授、张志刚副教授团队在《Construction and Building Materials》（中科院1区，Top，影响因子7.4）期刊发表最新综述文章“3D printing concrete structures: State of the art, challenges, and opportunities”，对凝混土结构3D打印技术进行了详细阐述。陈朝晖教授和张志刚副教授为共同通讯作者。
由于打印材料和打印技术的特殊性，3D打印混凝土表现出独特的宏观各向异性，而目前对3D打印混凝土本构关系的研究还不够。虽然3D打印混凝土的工程案例众多，但成熟的结构加固增强方法以及定量的结构承载力分析理论和方法仍有待研究。为了适应材料和打印工艺的特定要求，实现材料的高效利用，优化设计对于3D打印混凝土结构至关重要。3D打印混凝土优化设计领域目前还处于起步阶段。最后，板、壳、梁、拱结构的打印、连接和施工方法为3D打印混凝土结构提供多方面的参考。总的来说，3D打印混凝土材料和结构的选择以及结构的设计和施工都存在问题。在此基础上，结合工程实例，从材料力学性能、结构形式、优化设计、连接施工方法四个方面进行综述。
工作亮点
- 回顾了3D打印混凝土结构的最新技术。
- 描述了3D打印混凝土结构当前面临的挑战。
- 给出了3D打印混凝土结构的未来机遇。
图1. 3DPC柱的轮廓制作：(a)不规则空间桁架形柱；(b) 可变截面柱。
图2. 3DPC拱桥：(a)钢筋混凝土拱桥；(b) 挤压拱桥。
自1997年提出混凝土3D打印概念以来，人们对3DPC技术进行了广泛的研究。在3DPC结构的设计、优化和施工方面的深入知识和丰富经验促使3DPC技术作为一种施工方法得到有益的使用，这可以减少对材料和工人的需求。论文从材料特性、结构形式、优化设计、连接方式四个方面对3DPC结构进行了全面综述，并探讨了3DPC技术进一步发展面临的挑战和未来机遇。可以得出以下结论。
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。这种特殊的施工技术导致3DPC的层间和带间界面处产生初始缺陷，从而降低了3DPC结构的性能。与普通混凝土不同，3DPC在不同荷载方向上的性能并不一致，即各向异性。合适的3DPC混合物应同时具备可打印性和强度，这往往需要工程师在设计材料成分时达到平衡。此外，打印技术（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的机械性能。
与普通结构类似，3DPC结构主要分为两类：受压构件（墙、柱、拱）和受弯构件（梁、板）。受压构件是3DPC结构中应用最广泛的形式，因为它可以充分利用混凝土的抗压性能，而且也更易于分段设计。对于3DPC的弯曲构件，桁架系统适合代替普通的梁结构。此外，传统的板结构采用肋设计，可以减轻3DPC结构的自重。另一方面，也提出了适用于3DPC结构的加固技术。横向加固技术广泛应用于受压构件，而后张加固技术主要应用于受弯构件。
结构优化设计可以利用3DPC的高自由度，以更少的材料实现更好的性能。常用的优化方法有基于材料密度的拓扑优化和基于边界条件的拓扑优化。弯曲构件的优化设计比压缩构件的优化设计更为复杂。研究表明，矩形网格和桁架网格分别在压缩和弯曲性能方面具有优势。此外，打印技术还需要根据材料特性和结构形式进行优化。总体而言，结构与印刷技术的协同优化是结构优化的最终目标。
对于装配式3DPC结构，构件的连接措施是保证结构可靠性的基础。目前3DPC结构采用的连接方式有后张钢筋连接方式、机械连接方式、挤压连接方式等。挤压连接方式有利于传递压力，常用于拱形或壳结构。受弯构件主要采用后张法钢筋连接方式和机械连接方式。另外，组装结构中的连接方法也可以参考3DPC结构。
论文引用
Liu D, Zhang Z, Zhang X, et al. 3D printing concrete structures: State of the art, challenges, and opportunities[J]. Construction and Building Materials, 2023, 405: 133364.
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.133364