《Case Studies in Construction Materials》：Hybrid RC columns with 3D printed formworks: A case study on process-informed structural integrity
编辑推荐：
本研究针对3D打印永久模板与后浇混凝土界面质量不稳定的问题，通过电学电阻率(ER)和超声波脉冲速度(UPV)监测建立最优浇筑窗口(OCW)，系统评估了混合钢筋混凝土(RC)柱在轴向压力下的结构性能。结果表明，OCW内浇筑的试件(HRC-QC)比传统RC柱表现出更高的峰值荷载和能量吸收能力，其优越性能源于几何扩张效应和工艺驱动的界面完整性。核心区域加载试验进一步验证了打印模板可有效发挥被动约束作用。该研究为3D打印混凝土模板在结构工程中的可靠应用提供了工艺验证框架。
随着3D混凝土打印技术在全球建筑领域的快速发展，这项被誉为变革性的制造技术正通过减少人工、取消临时模板和缩短工期等优势改变传统建造模式。特别是在钢筋混凝土(RC)结构中，3D打印永久模板作为一种创新的混合方法展现出巨大潜力——打印模板不仅能精确界定构件几何形状、保护钢筋，还能为结构构件提供轴向强度和约束作用。然而，这种新型混合系统的可行性面临关键挑战：打印模板必须具备足够刚度来抵抗新拌混凝土产生的侧向静水压力，同时需要精确把握后浇混凝土的浇筑时机，这对打印-浇筑界面完整性具有决定性影响。
目前研究存在明显空白：尽管已有大量文献记载了3D打印模板的几何和施工优势，但打印模板早期结构演化很少被作为混合RC系统的工艺控制变量。大多数实验程序依赖固定的时间间隔（如1、3或7天）进行浇筑，而未验证打印材料的凝结或硬化状态。这种基于日历的调度方法无法捕捉材料的真实机械状态，往往导致粘结质量不一致、过早剥落和抗压强度数据离散性大等问题。因此，如何实现从基于时间的调度向基于状态的工艺控制转变，建立打印过程与结构可靠性之间的可量化联系，成为该领域亟待解决的核心问题。
针对这一挑战，韩国釜山国立大学土木工程系的Jin Soo Bang等研究人员在《Case Studies in Construction Materials》上发表了一项案例研究，系统探讨了采用3D打印模板的混合RC柱的结构完整性。研究团队通过电学电阻率(ER)和超声波脉冲速度(UPV)监测建立了最优浇筑窗口(OCW)，并对比评估了不同浇筑时机下混合柱的轴向压缩性能，为3D打印混凝土模板在结构工程中的可靠应用提供了工艺验证框架。
关键技术方法包括：首先开发了具有21MPa标称28天强度的可打印混凝土混合物，采用三元粘结剂体系（波特兰水泥、硅灰和粉煤灰）并添加PVA纤维；其次通过门式3D混凝土打印机制作永久模板，采用挤出式增材制造技术，打印高度1.0米，共50层；第三利用ER和UPV双指标监测系统定义OCW，其中ER捕获与界面可靠性最相关的状态转变，UPV通过反映刚度发展提供抵抗侧向压力的机械保障；最后通过全截面和核心聚焦截面两种加载方案进行轴向压缩测试，以分离打印模板的直接荷载分担效应和被动约束效应。
研究结果方面，在"整个区域压缩下的承载能力评估"中，HRC-QC试件表现出2243kN的峰值荷载，比传统RC柱(1971kN)提高14%，且能量吸收能力提升51%。归一化应力分析表明，性能差异源于几何扩张和工艺驱动界面质量的共同作用。在"核心聚焦截面加载下的承载能力评估"中，HRC-QC试件的极限荷载和峰值位移分别达到传统试件的1.24倍和1.31倍，表明打印模板能有效调动被动约束机制。
通过"讨论"部分深入分析发现，混合RC柱的力学响应显著受打印-浇筑界面连续性影响。当在OCW内浇筑时，模板可能发展出足够刚性来抵抗侧压，同时保持足够的表面反应性以维持界面连续性，促进周向约束机制，这与HRC-QC试件中观察到的侧向膨胀抑制和更平缓的峰后响应相一致。而延迟浇筑会导致冷接缝形成，界面主要通过摩擦互锁而非粘结力相互作用，限制了模板有效维持环向张力的能力。
研究结论明确指出，采用3D打印永久模板的RC柱的结构可靠性与打印-浇筑界面的连续性密切相关，而不仅仅是材料强度的函数。在工艺验证的OCW内进行浇筑是获得稳健结构行为的关键因素。该研究将Liu约束模型推进为工艺条件化公式，其中约束效率不再被视为固定常数，而是通过现场监测与观测力学性能耦合操作推断得出。
这项研究的重要意义在于首次将ER和UPV监测与结构校准相结合，为数据驱动的自适应制造提供了初步基础。实时评估可使工艺监控超越简单的质量保证，支持旨在提高结构一致性的浇筑决策。该框架致力于将工艺监控、界面完整性和约束行为连接成一个性能导向的方法论，为混合混凝土系统的可靠设计和施工提供了新范式。虽然当前数据集基于有限样本提供了初步见解，但这一工艺验证方法为3D混凝土打印在结构工程中的应用开辟了新途径，对未来智能建造技术的发展具有重要指导价值。
