3D打印混凝土高度预测误差从146%降至5.4%：我国团队破解“层压变形”难题

3D混凝土打印时，为何设计打印10层却在第8层就坍塌？传统预测模型常因忽略打印层自重压缩变形，导致误差高达146%。近日，东南大学团队研发出一种非线性建造速率预测模型，通过考虑打印丝材的弹性压缩效应，将3D打印混凝土的破坏高度预测误差降至5.4%-10.5%。这项发表于《Frontiers of Structural and Civil Engineering》的研究，为高层建筑3D打印施工提供了更精准的“安全计算器”。

打印层“隐形坍塌”：传统模型的致命盲区

3D混凝土打印（3DPC）通过层层堆叠建造复杂结构，无需模板，被誉为“建筑业的革命”。但打印过程中，每层混凝土丝材需承受上方所有层的重量，就像“叠罗汉”时底层人被不断加压，会发生微小但累积的弹性压缩。传统模型假设每层高度均匀，将建造速率简化为线性增长，如同“假设每块积木都不会被压变形”，导致预测结果与实际偏差巨大。

“比如设计打印20层，实际可能在15层就因底层压缩过度而坍塌。”研究团队解释。实验显示，采用线性模型时，两种打印材料（V0和V1）的预测误差分别达42.1%和146%。这种“算不准”不仅浪费材料，更可能引发结构安全隐患——2023年某建筑3D打印项目就因预测偏差导致墙体倾斜，被迫拆除重建。

破解“压缩密码”：给模型装上“变形传感器”

团队通过三组创新实验，为模型补上了“压缩变形”这一关键拼图：

第一步：测量丝材“抗压能力”
采用无侧限单轴压缩试验（UUCT），测试不同长径比（L/D=0.25至2）的新鲜混凝土试件。结果发现，丝材的“绿色强度”（打印初期强度）随长径比减小呈指数增长（如L/D=0.25时强度是L/D=2时的1.3倍），而杨氏模量则线性增加。这意味着矮胖的打印层（L/D<1）比瘦长试件更抗压，传统用L/D=2试件的测试数据会低估实际强度。

第二步：捕捉“层压累积效应”
通过空心圆筒打印实验观察到，前几层丝材受打印头挤压保持设计高度（12mm），但随着层数增加，底层在自重下逐渐压缩，就像“弹簧被持续按压”。当累积压缩量达8mm（临界高度差）时，打印头无法再维持设计高度，丝材开始“自由生长”至20mm（喷嘴直径）。此时，建造速率从非线性转为线性，这个转折点被称为“临界层n0”。

第三步：构建非线性预测模型
基于临界层和压缩变形规律，团队推导出非线性建造速率公式。该模型将打印过程分为两段：前n0层因压缩呈非线性增长，n0层后转为线性。例如，不含钢纤维的V0材料n0=5层，含钢纤维的V1材料n0=10层，与实验结果误差仅1层。

误差从146%到5.4%：新模型如何“校准”打印高度？

实验验证显示，新模型预测精度显著提升：

• V0材料：传统线性模型预测27层，实际仅打印19层，误差42.1%；新模型预测17层，误差降至10.5%。
• V1材料：传统模型预测78层，实际打印37层，误差146%；新模型预测35层，误差仅5.4%。

“关键在于把‘静态积木’变成‘动态弹簧’。”团队指出，新模型首次量化了压缩变形对建造速率的影响，通过修正强度因子（FAR）和临界层参数，让预测更贴近真实打印过程。例如，含1%钢纤维的V1材料因纤维增强了抗变形能力，临界层n0从5层增至10层，可打印层数翻倍。

未来展望：让3D打印混凝土“又快又稳”

这项研究得到国家自然科学基金支持，已在某地铁管片3D打印项目中试用。团队表示，下一步将结合时间依赖性材料性能，优化模型在大型结构打印中的适用性。“比如打印高层建筑时，混凝土强度会随时间增长，需动态调整压缩参数。”