过程信息驱动的3D打印混凝土受弯构件数值分析：层间退化与复合作用转变

《Structures》：Process-informed behaviour of 3D-printed concrete flexural members: A numerical analysis

　　

挤出式混凝土构件（extrusion-based concrete members）的结构响应可能保留制造过程的可测量印记，但该过程历史很少被显式纳入结构评估。该研究建立了过程信息数值框架（process-informed numerical framework），将新鲜态沉积历史与3D打印混凝土（3DCP）梁的硬化受弯行为联系起来。首先采用顺序层激活（sequential layer activation）与龄期依赖新鲜态属性（age-dependent fresh-state properties）再现打印态构型（as-printed configuration），随后将其转入硬化四点弯曲模型（four-point-bending model），并纳入时变层间退化（time-dependent interlayer degradation）。研究考察了新鲜态变形、打印速度、层间延迟、界面位置和混凝土强度的影响。还引入互补的力学模型（mechanics-based model），以评估残余层间剪切传递能力（residual interlayer shear-transfer capacity）是否足以维持复合作用（composite action）。数值结果表明，层间退化可导致从以受弯为主的行为向开裂-脱粘耦合（coupled cracking–debonding）并最终向非复合作用（non-composite action）转变。解析模型通过识别可用界面力不足以维持复合行为所需纵向力的阈值，再现了该转变。所提出的过程-结构框架（process-to-structure framework）与基于力学的容量-需求解释（capacity–demand interpretation）是该研究的主要概念成果。文中具体峰值荷载、粘结保留水平（bond-retention levels）和临界延迟（critical delay）特定于所研究几何、材料属性、界面公式和采用的经验时间间隔关系（empirical time-gap relationship），包括部分工况下超出原始校准范围的外推。因此，结果支持将制造历史视为打印混凝土构件力学状态显式贡献因素的过程信息结构评估（process-informed structural assessment）。

论文主体解读

3D打印混凝土（3DCP）不仅是成型技术，也被视为可制造承重构件的建造过程。与浇筑混凝土不同，挤出式打印构件经历顺序沉积、挤出、自重变形、材料龄期演化及与后续层反复接触，最终构件承载的是制造历史而非瞬时浇筑结果。已有研究表明，新鲜态打印混凝土的刚度、黏聚力和强度随龄期显著演化，沉积几何具有过程依赖性，层间粘结受层间等待时间、表面状态和材料龄期影响。尽管新鲜态打印模拟与硬化结构分析均取得进展，但二者常被分开处理；全受弯构件的时间打印历史、层间中断位置与时长及其与新鲜态变形的交互仍研究不足。该研究据此检验“名义相同但制造历史不同的打印混凝土构件可表现不同受弯行为”的假设，并将打印态几何与界面历史显式转入硬化结构评估。

研究人员建立了过程信息数值框架：先以顺序层激活模拟十层梁的新鲜态打印，考虑龄期依赖新鲜态材料、重力、打印历时与层间休息；再将变形后的节点几何转入硬化模型，去除新鲜态应力、塑性应变与场变量，赋予混凝土损伤塑性（Concrete Damaged Plasticity, CDP）模型；层间界面依据沉积时间间隔计算粘结保留因子β，分别采用完全粘结、部分粘结黏聚力界面和完全脱粘处理，并进行位移控制四点弯曲分析。补充的力学解析模型以EN 1992-1-1开裂基准和EN 1994-1-1临界长度概念为类比，比较可用界面纵向力与维持复合作用所需纵向力，识别复合到非复合转变阈值。该研究未开展新实验，采用文献中Wolfs et al.打印圆柱试验验证新鲜态建模，采用Tay et al.层间拉伸数据定义时变粘结关系；关键技术包括顺序层激活、龄期依赖Mohr–Coulomb新鲜态模型、几何继承、Abaqus/Explicit四点弯曲CDP分析、推挤模拟校准黏聚力参数及容量-需求解析模型。

3.1 新鲜态变形对受弯行为的影响（Influence of fresh-state deformation on flexural behaviour）：比较名义几何模型与过程信息模型且界面全粘结，梁高由120.0 mm降至119.4 mm，峰值荷载由2.39 kN降至2.32 kN，降约2.9%；后峰值略提前，破坏仍以弯曲拉伸开裂为主。结论为该几何与打印条件下新鲜态变形对峰值抗弯能力影响次要。

3.2 打印速度的影响（Influence of printing speed）：无额外休息时，5000与2500 mm/min对应β=1.0，峰值约2.32 kN；1500 mm/min及更低速度使β降至0.919及以下，峰值约1.44 kN，较前者降约37.9%。响应呈阈值型而非随速度渐变；一旦界面不足以维持复合作用，进一步降速对峰值影响有限。该框架中打印速度仅通过沉积时序、龄期和层间间隔起作用，不改变预定丝几何。

3.3 层间打印延迟的影响（Influence of interlayer printing delay）：在5–6层间施加0–2400 s延迟。0 s峰值2.32 kN；60–900 s峰值约2.16–2.11 kN，降约6.9%–9.1%；1715 s时β≈0.05，峰值1.70 kN，降约26.7%；2400 s时β=0，峰值1.19 kN，降约48.7%。540 s工况出现混凝土开裂与界面脱粘同增量耦合；完全脱粘后十层梁近似为两个五层非复合子构件，五层梁峰值0.65 kN，2×0.65=1.30 kN与1.19 kN接近，差约8.5%。结论为局部粘结退化与整体抗力呈强非线性，并存在由复合向非复合转变的阈值。

3.4 打印中断位置的影响（Influence of the position of the printing interruption）：在九个界面分别施加2400 s完全脱粘延迟，响应关于梁中深对称，1–2与9–10、2–3与8–9等互补位置近似一致；5–6中央界面最不利。界面越接近中深，截面被分割得越均匀，剩余抗弯刚度、承载力和破坏机制受位置控制越显著。结论为制造中断的结构后果取决于退化程度及其在截面中的位置。

3.5 固定层间粘结条件下混凝土强度的影响（Influence of concrete strength under a fixed interlayer bond condition）：在5–6界面完全脱粘条件下比较f_c=25、28.5、40 MPa，峰值分别约1.19、1.35、1.51 kN，较25 MPa增约13.4%和26.9%；f_c提高60%而峰值仅增约27%，40 MPa后峰值下降更陡。结论为提高硬化混凝土强度可提高分离子构件抗力，但不能恢复界面复合作用；受弯响应更多受拉伸强度、软化和损伤演化控制，制造界面条件限制材料收益。

解析预测表明，临界粘结保留因子β_cr≈0.099，经所采用时间间隔关系对应附加延迟约1440 s，位于900与1715 s数值工况之间；1715 s解析归一化抗力0.763与有限元0.733差约4.1%，完全脱粘解析0.520与有限元0.513差约1.4%。解析模型用于解释相对复合作用损失和转变位置，而非独立预测绝对抗弯承载力。

讨论部分指出，制造历史可影响结构抗力及荷载传递与破坏机制；新鲜态变形影响较小，打印速度主要通过层间时间间隔起作用，直接层间中断影响显著。局部粘结降低不必然引起整体抗力比例下降，只有当残余界面容量低于维持复合作用所需纵向力时，结构才明显转入非复合机制。设计评估应纳入打印态几何、层间条件、沉积龄期和中断历史；但该研究属概念验证，丝几何未与挤出力学完全耦合，新鲜态应力未传递，收缩、固化、湿度与残余应力被忽略，层间律部分外推，解析模型采用简化弹性与均匀界面动员假设，定量值不宜直接外推。

研究结论（第6节）可概括为：该框架将新鲜态制造历史与硬化受弯响应统一起来；新鲜态变形对所研究梁峰值抗力影响有限；打印速度通过层间间隔产生阈值型影响；层间延迟呈强非线性，并从复合受弯向开裂-脱粘耦合及非复合作用转变；完全脱粘响应可由两个五层子构件近似解释；中断位置显著影响剩余抗力，中央界面最不利；提高混凝土强度不能恢复已丧失的复合作用；解析模型识别β_cr≈0.099及约1440 s转变阈值，并较好再现1715 s与完全脱粘工况。总体而言，研究识别了以界面容量-需求平衡为核心的过程信息结构机制，该概念具有可迁移性，但绝对荷载、临界粘结保留因子和对应打印延迟均特定于本文几何、材料、界面本构和经验时间间隔关系，不应直接作为其他打印构件的设计值。未来需开展不同法向应力下推挤试验、考虑非均匀层厚、对打印梁四点弯曲进行直接验证，并耦合打印速度与挤出几何，传递残余应力、收缩、固化、湿度损失及演化各向异性。