3D打印混凝土异形模板在混凝土浇筑过程中的力学性能：实验研究与有限元分析

本文系统研究了3D打印混凝土（3D Printed Concrete, 3DPC）异形模板在混凝土浇筑过程中的力学响应。通过侧压力测试、理论计算（考虑振动效应）及有限元分析（Finite Element Analysis, FEA），发现模板整体变形小于0.375 mm，层间位移低于1.122×10-4 mm，展现出优异的结构完整性。研究证实，采用每浇筑0.5 m振动一次、浇筑完成后整体振动的方案可实现更均匀的侧压力分布。所有测点组合应力（正应力、剪应力及侧压力）均低于设计荷载理论值，有限元模拟与实验结果高度吻合。该模板有效解决了复杂结构中传统模板易变形、组装难、成本高等问题，为几何复杂建筑的精准可持续施工提供了新途径。

　　

Highlight

原材料与配合比

本研究所用3D打印混凝土（3D Printed Concrete, 3DPC）混合物主要由胶凝材料和改性添加剂组成，旨在优化其打印性能、结构强度和稳定性。基于前期研究[25]，相应配合比总结于表1。材料包括普通硅酸盐水泥（Ordinary Portland Cement, OPC）、硫铝酸盐水泥（Sulfoaluminate Cement, SAC）、粒径为0.2 mm至0.4 mm的石英砂（Sand）、纳米级硅灰（Silica Fume, SF）等。

混凝土浇筑过程中的侧压力分析

在混凝土浇筑过程中，混凝土模板需要承受来自混凝土自重的侧压力以及浇筑过程中产生的振动。这些压力显著影响模板的稳定性和形状[36]。因此，3D打印混凝土模板必须具备足够的抗弯和抗剪强度，以抵抗浇筑振动和混凝土自重施加的侧压力。这确保了模板在施工过程中的结构安全性和形状保持能力。

实验结果分析

本实验中，每种工况均在3D打印混凝土模板表面的三个区域（即上、中、下区域）均匀分布七个测点，编号从顶部到底部为1-7。测点1和2位于上部区域，测点3和4位于中部区域，测点5、6和7位于下部区域，如图11所示。当前分析侧重于最大侧压力、侧压力变化规律等。

有限元建模

使用ABAQUS软件对工况M1下的试件S进行了有限元建模和数值分析。模型尺寸、边界条件和混凝土的材料属性均根据实验数据定义。材料属性如下：质量密度为2.5 × 10³ kg/m³，弹性模量为3.45 × 10⁴ MPa，泊松比为0.25，膨胀角为35°，偏心率为0.1，k值为0.6667，粘度参数为5 × 10^-4。

工程应用进展

利用数字建模和分层制造技术，3D打印混凝土模板在处理复杂曲面和不规则几何构件时，相比传统模板具有显著优势。通过结合实验测试、理论分析和数值模拟的多方面方法，本研究探讨了3D打印混凝土异形模板在浇筑过程中的力学行为。研究结果为相关工程应用的设计优化和性能评估提供了直接参考。

结论

本研究通过首次将研究重点从组装构件性能延伸至混凝土浇筑过程中3D打印混凝土模板的力学响应，解决了工程中复杂曲线和不规则结构的施工挑战。通过不同工况下的侧压力测试，结合有限元分析和稳定性评估，系统研究了此类模板的力学行为。主要结论包括模板变形小、结构完整性好，以及优化的振动方案能实现更均匀的侧压力分布，为复杂几何建筑的精准施工提供了重要依据。