3D混凝土打印時，為何設計打印10層卻在第8層就坍塌？傳統預測模型常因忽略打印層自重壓縮變形，導致誤差高達146%。近日，東南大學團隊研發出一種非線性建造速率預測模型，通過考慮打印絲材的彈性壓縮效應，將3D打印混凝土的破壞高度預測誤差降至5.4%-10.5%。這項發表于《Frontiers of Structural and Civil Engineering》的研究，為高層建筑3D打印施工提供了更精準的“安全計算器”。

打印層“隱形坍塌”：傳統模型的致命盲區

3D混凝土打印（3DPC）通過層層堆疊建造復雜結構，無需模板，被譽為“建筑業的革命”。但打印過程中，每層混凝土絲材需承受上方所有層的重量，就像“疊羅漢”時底層人被不斷加壓，會發生微小但累積的彈性壓縮。傳統模型假設每層高度均勻，將建造速率簡化為線性增長，如同“假設每塊積木都不會被壓變形”，導致預測結果與實際偏差巨大。

“比如設計打印20層，實際可能在15層就因底層壓縮過度而坍塌。”研究團隊解釋。實驗顯示，采用線性模型時，兩種打印材料（V0和V1）的預測誤差分別達42.1%和146%。這種“算不準”不僅浪費材料，更可能引發結構安全隱患——2023年某建筑3D打印項目就因預測偏差導致墻體傾斜，被迫拆除重建。

破解“壓縮密碼”：給模型裝上“變形傳感器”

團隊通過三組創新實驗，為模型補上了“壓縮變形”這一關鍵拼圖：

第一步：測量絲材“抗壓能力”
采用無側限單軸壓縮試驗（UUCT），測試不同長徑比（L/D=0.25至2）的新鮮混凝土試件。結果發現，絲材的“綠色強度”（打印初期強度）隨長徑比減小呈指數增長（如L/D=0.25時強度是L/D=2時的1.3倍），而楊氏模量則線性增加。這意味著矮胖的打印層（L/D<1）比瘦長試件更抗壓，傳統用L/D=2試件的測試數據會低估實際強度。

第二步：捕捉“層壓累積效應”
通過空心圓筒打印實驗觀察到，前幾層絲材受打印頭擠壓保持設計高度（12mm），但隨著層數增加，底層在自重下逐漸壓縮，就像“彈簧被持續按壓”。當累積壓縮量達8mm（臨界高度差）時，打印頭無法再維持設計高度，絲材開始“自由生長”至20mm（噴嘴直徑）。此時，建造速率從非線性轉為線性，這個轉折點被稱為“臨界層n0”。

第三步：構建非線性預測模型
基于臨界層和壓縮變形規律，團隊推導出非線性建造速率公式。該模型將打印過程分為兩段：前n0層因壓縮呈非線性增長，n0層后轉為線性。例如，不含鋼纖維的V0材料n0=5層，含鋼纖維的V1材料n0=10層，與實驗結果誤差僅1層。

誤差從146%到5.4%：新模型如何“校準”打印高度？

實驗驗證顯示，新模型預測精度顯著提升：

  • V0材料：傳統線性模型預測27層，實際僅打印19層，誤差42.1%；新模型預測17層，誤差降至10.5%。
  • V1材料：傳統模型預測78層，實際打印37層，誤差146%；新模型預測35層，誤差僅5.4%。

“關鍵在于把‘靜態積木’變成‘動態彈簧’。”團隊指出，新模型首次量化了壓縮變形對建造速率的影響，通過修正強度因子（FAR）和臨界層參數，讓預測更貼近真實打印過程。例如，含1%鋼纖維的V1材料因纖維增強了抗變形能力，臨界層n0從5層增至10層，可打印層數翻倍。

未來展望：讓3D打印混凝土“又快又穩”

這項研究得到國家自然科學基金支持，已在某地鐵管片3D打印項目中試用。團隊表示，下一步將結合時間依賴性材料性能，優化模型在大型結構打印中的適用性。“比如打印高層建筑時，混凝土強度會隨時間增長，需動態調整壓縮參數。”

來源: FrontCIVlL