研究成果介紹-3D打印UHPC電動車棚

第一作者簡介：董恩來，東南大學(xué) 材料學(xué)院23級博士生

研 究 方 向：3D打印超高性能混凝土

論 文 doi:

https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2025.139983

研究背景

3D打印混凝土（3DPC)作為一種新興的建筑結(jié)構(gòu)智能建造技術(shù)，它有望有效解決建筑業(yè)中的勞動力短缺、勞動強(qiáng)度大、智能化水平低、施工效率低等一系列問題，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力和價(jià)值。盡管3DPC具備上述優(yōu)勢，但目前面臨的最大挑戰(zhàn)之一仍是配筋問題，特別是豎向配筋的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。超高性能混凝土（UHPC）以其卓越的強(qiáng)度、韌性和耐久性而聞名，UHPC與3D打印的結(jié)合有望有效解決傳統(tǒng)3D打印混凝土結(jié)構(gòu)在抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度方面的不足，減少結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度、重量以及鋼筋用量。

研究亮點(diǎn)

1. 基于纖維定向設(shè)計(jì)原理，開發(fā)了一種性能優(yōu)異的3D打印UHPC，并將其應(yīng)用到防火抗爆的充電站。

2. 通過有限元模擬與“原位逐級荷載”實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了3D打印UHPC應(yīng)用于大尺寸無筋結(jié)構(gòu)的可行性。

3. 對比分析了3D打印UHPC結(jié)構(gòu)與3D打印鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為3D打印UHPC應(yīng)用提供參考。

主要研究內(nèi)容

1.理論支撐

通過調(diào)控流變參數(shù)、打印工藝參數(shù)、鋼纖維參數(shù)，UHPC中鋼纖維取向優(yōu)化，提高了鋼纖維的利用效率，沿打印方向的力學(xué)性能顯著提升。

1 3D打印UHPC中纖維定向排列原理

2.工廠打印與結(jié)構(gòu)承載力評估

優(yōu)化后的UHPC配合比可實(shí)現(xiàn)連續(xù)打印，單個(gè)打印結(jié)構(gòu)的高度為2.38米，底板長度為2.8米，寬度為1米，整個(gè)打印過程為201min。采用有限元仿真軟件和“原位逐級荷載”，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的3DP-UHPC構(gòu)件能夠承受中國標(biāo)準(zhǔn)GB 50009-2012規(guī)定的極端天氣條件下的荷載。即使上部結(jié)構(gòu)在4kN /m2的荷載下，其撓度也僅為懸臂長度的1/250。

2 有限元模擬仿真與承載力測試

3.3DP-UHPC結(jié)構(gòu)與3D打印鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對比分析

通過將3D打印UHPC單個(gè)構(gòu)件與3D打印鋼筋混凝土單個(gè)構(gòu)件相比，使用3DP-UHPC，減輕了結(jié)構(gòu)的重量，加快了施工速度，并增強(qiáng)了環(huán)境友好性。具體來說，它實(shí)現(xiàn)了重量減少約40%，截面積減少83%，人工減少50%，施工時(shí)間縮短90%，同時(shí)固體廢棄物消耗量增加了七倍。

3 3DP-UHPC結(jié)構(gòu)與3D打印鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對比分析

總結(jié)

基于纖維定向調(diào)控技術(shù)的3DP-UHPC具有優(yōu)異的力學(xué)性能，設(shè)計(jì)的無筋3DP-UHPC構(gòu)件能夠承受極端氣候條件下的荷載，不僅減輕了重量、縮短了施工時(shí)間，還提高了環(huán)保性，為3D打印混凝土中減少配筋提供了思路。

4 實(shí)際安裝使用效果圖

來源：東南大學(xué)-張亞梅團(tuán)隊(duì)

編輯：陳麗媛

審核：徐潔

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