研究成果介绍-3D打印UHPC电动车棚

第一作者简介：董恩来，东南大学 材料学院23级博士生

研 究 方 向：3D打印超高性能混凝土

论 文 doi:

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

研究背景

3D打印混凝土（3DPC)作为一种新兴的建筑结构智能建造技术，它有望有效解决建筑业中的劳动力短缺、劳动强度大、智能化水平低、施工效率低等一系列问题，展现出巨大的应用潜力和价值。尽管3DPC具备上述优势，但目前面临的最大挑战之一仍是配筋问题，特别是竖向配筋的设计与实现。超高性能混凝土（UHPC）以其卓越的强度、韧性和耐久性而闻名，UHPC与3D打印的结合有望有效解决传统3D打印混凝土结构在抗弯强度和抗剪强度方面的不足，减少结构设计厚度、重量以及钢筋用量。

研究亮点

1. 基于纤维定向设计原理，开发了一种性能优异的3D打印UHPC，并将其应用到防火抗爆的充电站。

2. 通过有限元模拟与“原位逐级荷载”实验，验证了3D打印UHPC应用于大尺寸无筋结构的可行性。

3. 对比分析了3D打印UHPC结构与3D打印钢筋混凝土结构，为3D打印UHPC应用提供参考。

主要研究内容

1.理论支撑

通过调控流变参数、打印工艺参数、钢纤维参数，UHPC中钢纤维取向优化，提高了钢纤维的利用效率，沿打印方向的力学性能显著提升。

1 3D打印UHPC中纤维定向排列原理

2.工厂打印与结构承载力评估

优化后的UHPC配合比可实现连续打印，单个打印结构的高度为2.38米，底板长度为2.8米，宽度为1米，整个打印过程为201min。采用有限元仿真软件和“原位逐级荷载”，验证了所设计的3DP-UHPC构件能够承受中国标准GB 50009-2012规定的极端天气条件下的荷载。即使上部结构在4kN /m²的荷载下，其挠度也仅为悬臂长度的1/250。

2 有限元模拟仿真与承载力测试

3.3DP-UHPC结构与3D打印钢筋混凝土结构对比分析

通过将3D打印UHPC单个构件与3D打印钢筋混凝土单个构件相比，使用3DP-UHPC，减轻了结构的重量，加快了施工速度，并增强了环境友好性。具体来说，它实现了重量减少约40%，截面积减少83%，人工减少50%，施工时间缩短90%，同时固体废弃物消耗量增加了七倍。

3 3DP-UHPC结构与3D打印钢筋混凝土结构对比分析

总结

基于纤维定向调控技术的3DP-UHPC具有优异的力学性能，设计的无筋3DP-UHPC构件能够承受极端气候条件下的荷载，不仅减轻了重量、缩短了施工时间，还提高了环保性，为3D打印混凝土中减少配筋提供了思路。

4 实际安装使用效果图

来源：东南大学-张亚梅团队

编辑：陈丽媛

审核：徐洁

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