3D打印混凝土打印性能评价参数的提出及试验验证

3D打印混凝土需要同时满足泵送性、挤出性和建造性的要求,其中,对混凝土拌合物的泵送性和建造性的综合评价尤为重要。提出了以流坍比和稠坍比表征的材料触变参数,并以3种外加剂(羟丙基甲基纤维素醚(HPMC-6)、可再分散乳胶粉(RLP)、硅酸镁铝(TL))为研究对象,基于正交试验研究了3种外加剂对3D打印混凝土触变参数的影响规律。研究表明:可以采用提出的触变参数定量地对3D打印混凝土泵送性和建造性进行综合评价,3种外加剂对触变参数的影响程度为HPMC-6>RLP/TL,3种外加剂的掺入都会使材料触变参数的下降。

3D混凝土打印进程中柱壳结构的力学性能研究

3D混凝土打印(3DCP)技术由于其快速制造的优势,在过去几十年里得到了迅速的发展。然而,在印刷过程中仍有许多问题需要解决,例如:目前的相关研究尚未建立能准确预测与分析3DCP圆柱壳的力学模型。该文利用Goldenveizer-Novozhilov壳体理论,加入打印进程参数,包括打印速率、打印材料固化特征、柱壳几何特征、以及自重作用影响,对3DCP圆柱壳的两种破坏机理:弹性屈曲和塑性破坏进行了分析,并在此基础上描述了柱壳形直立墙弹性屈曲与塑性坍塌间的竞争关系。参数模型、有限元模拟与已有相关试验的对比结果表明:该文提出的模型可以较好地预测3DCP圆柱壳的失效高度与失效形式,并为找寻最佳打印参数集给予理论指导。

纤维对3D打印混凝土打印性能与力学性能的影响

为了研究纤维掺入对3D打印混凝土(3DPC)性能的影响,通过掺入聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯(PP)纤维以及剑麻纤维,探究了纤维对3DPC流变性能、打印性能、力学性能以及孔结构的影响规律。流变性能测试结果表明,3DPC的静态屈服应力与三种纤维的掺量均呈线性上升关系,但纤维对3DPC流变性能的影响程度有所差异。打印性能测试结果表明PVA纤维的掺入会降低3DPC的可挤出性,但能明显提高挤出后混凝土的尺寸均匀性。力学性能与孔结构的测试结果表明,PP纤维对3DPC抗压强度有明显的提升效果,剑麻纤维对3DPC抗折强度有最显著的增强效果,而纤维掺量提高会降低3DPC表观密度,使内部孔隙率增加,从而导致高掺量纤维的增强效果弱于低掺量纤维。

3D混凝土打印技术现状及发展前景

钢筋混凝土被大量用于永久性结构，如：码头、堤防护岸、挡土墙、防波堤等。施工过程中需要支模、拆模等一系列繁琐程序，施工工期长、材料浪费、耗能大，施工困难，而3D混凝土打印技术不需要支模、拆模等一系列繁琐程序，制造时间降低1／10～1／5，费用降低到1／3左右，相对于传统方式具有价格低、耗能小、绿色环保、高效、安全等优点。3D混凝土打印技术在大型工程施工领域还处于实验研究阶段，但非常具有研究价值。虽然我国3D混凝土打印技术处于起步阶段，但随着3D混凝土打印技术的快速发展，不久的将来，3D混凝土打印技术将成为现实，3D混凝土打印将会给工程施工带来巨大变革。

3D打印混凝土永久模板叠合柱的抗压性能数值模拟研究

为深入研究3D打印混凝土永久模板叠合柱的抗压性能,基于3D打印混凝土永久模板叠合柱及同尺寸整体现浇对照柱试验建立构件数值模型,模拟分析其轴压荷载-位移响应及失效形态。针对界面粘结性能、现浇混凝土抗压强度、打印模板厚度、荷载偏心距等参数开展3D打印混凝土永久模板叠合柱的抗压性能计算分析,研究表明:叠合柱轴压极限承载力随着薄弱界面剪切强度、刚度及现浇混凝土抗压强度的增大而增大。由于打印材料的抗压强度高于现浇混凝土,叠合柱抗压极限承载力提升率与打印模板厚度呈近似线性关系,叠合圆柱的抗压极限承载力随着荷载偏心距的增大而降低,呈近似线性负相关。此外,偏心距对叠合圆柱极限承载力下降幅度的影响大于现浇圆柱。

采用欧拉回路的混凝土3D打印路径优化算法

针对混凝土3D打印过程中成型质量不好、打印时间长的问题,以欧拉回路模型为基础,设计一种混凝土3D打印路径优化算法,实现了混凝土构件更优、更快的成型。该算法先通过不断寻找打印路径中的欧拉回路来确保打印喷头在抬头次数尽可能少的情况下遍历整个打印路径,然后应用蚁群算法寻找打印喷头在各个欧拉回路之间运行的最短路径,最后确定整个混凝土构件的打印路径来减少打印喷头抬头次数和运行路径中的空行程。实验结果表明:打印喷头抬头次数和打印路径空行程对混凝土3D打印的成型质量和打印时间有着非常重要的影响。该文算法打印结果与传统算法相比,打印喷头抬头次数减少了57.14%,喷头运行行程减少了23.21%。该文算法对于混凝土3D打印中存在的问题有着明显的改善,为混凝土3D打印构件的成型质量和打印时间的优化提供了有效的参考。

3D打印混凝土界面力学行为及其对材料弹性常数影响的数值分析

应用复合材料细观力学分析理论,提出了基于界面模型的3D打印混凝土(3DPC)各向异性数值模拟方法,定量揭示了层、条界面力学行为及其对3DPC各向异性弹性常数的影响规律。采用界面单元和连续体单元相结合,模拟界面滑移开裂行为与基体的力学性能,设计单轴压缩、劈拉、十字交叉拉伸和斜剪试验确定模型所需参数及相应取值范围。结果表明:界面拉伸和剪切张力-位移曲线均呈双线性特征,条间界面强度总体高于层间;界面剪切行为在两个剪切主方向上无显著差异;条间和层间弹性模量对整体弹性模量具有线性影响,对整体泊松比具有指数函数影响,条间和层间界面剪切模量对整体剪切模量具有综合影响。

3D打印环保混凝土的研究进展及发展趋势

探讨了将各类固体废弃物作为骨料、胶凝材料和纤维掺入混凝土制成可再生、可循环利用的绿色环保建筑材料的研究现状及进展,并对其制成的3D打印环保混凝土的可打印性、流变特性、可挤出性、可建造性、力学各向异性及耐久性作出评估和论证。

再生细骨料和砖粉双掺对3D打印混凝土性能的影响

为减少3D打印混凝土中天然骨料及胶凝材料的用量,本文采用再生混凝土细骨料替代部分天然细骨料,砖粉替代部分水泥,首先开展单掺再生细骨料(取代率为0、25%、50%、75%和100%)、单掺砖粉(取代率为0、5%、10%、15%、20%和30%)和两者双掺的现浇混凝土的流动性和抗压强度试验,以获得再生细骨料和砖粉的适宜取代率;然后探究50%再生细骨料和10%砖粉双掺及配合比调整方式(附加水、提高减水剂用量)对3D打印混凝土拌合物性能及硬化后力学性能的影响。试验结果表明,当再生细骨料的掺量不超过50%时,现浇混凝土抗压强度降低幅度在10%以内;随着砖粉掺量从0增加到30%,现浇混凝土抗压强度总体呈现先增后减、再稍有增加的趋势,当砖粉掺量为10%时,混凝土抗压强度最高;相比于单掺50%再生细骨料的混凝土,50%再生细骨料和10%砖粉双掺时混凝土强度有所增加,而流动性基本不变。对于3D打印混凝土,同时掺入50%再生细骨料和10%砖粉,并采用添加附加水的方式保持3D打印混凝土初始扩展度不变,会使得混凝土的可建造性提高,但坍落度、开放时间、抗压和劈裂抗拉强度降低,强度各向异性加剧;而提高减水剂用量不仅能显著提升3D打印混凝土的流动性能、开放时间和抗压强度,还能降低打印试件的强度各向异性。

3D打印混凝土抗碳化性能各向异性及成因分析

受挤出式工艺的影响,3D打印混凝土中存在较多的界面,影响着打印混凝土的耐久性能。为了探明3D打印成型混凝土抗碳化性能的各向异性变化规律,通过碳化试验研究了三种水胶比3D打印混凝土沿X、Y、Z三个方向的碳化行为。基于压汞试验和X-CT扫描获取了3D打印混凝土的孔隙特征和分布规律,从微观层面阐释3D打印混凝土抗碳化性能的变化机理。结果表明:孔隙与3D打印混凝土的碳化行为有着密切联系,层条间界面因条带堆叠产生了更多孔隙,因而CO_(2)在界面位置扩散速度更快,碳化深度更大;受界面的影响,打印混凝土的抗碳化性能具有明显的各向异性;基体部位材料的抗碳化性能优于层间界面,层间界面的抗碳化性能优于条间界面;水灰比越低,材料抗碳化性能越好;当CO_(2)在混凝土中扩散时,受层条间大孔隙的影响,打印成型混凝土中形成了未碳化岛。

玄武岩纤维对3D打印混凝土力学性能的影响

为探究玄武岩纤维对3D打印混凝土力学性能的影响,设计0%、0.25%、0.50%、0.75%和1.00%共5种不同玄武岩纤维掺量,通过单轴压缩、三点弯曲和层间双剪试验分析玄武岩纤维掺量对3D打印混凝土力学性能的影响,并利用双目倒置金相显微镜和扫描电子显微镜从微观形貌层面分析玄武岩纤维增强混凝土力学性能的作用机制。研究结果表明:掺加玄武岩纤维可显著提升3D打印混凝土结构的力学性能。随着纤维掺量的增加,抗压和层间抗剪强度呈现出先增加后减小的趋势,掺量为0.50%时共同达到最优,相较于未掺入玄武岩纤维的混凝土分别提高了28%和61%;抗折强度则随着纤维掺量增加一直增加,掺量为1.00%时效果最佳,相较于未掺入玄武岩纤维的混凝土提高了21%。打印材料力学性能存在各向异性,沿Z方向加载时抗压和抗折强度最高,Y方向最低;随着纤维掺量增加,力学性能各向异性逐渐增大。结合试验结果和电镜扫描结果可知,玄武岩纤维优异的抗拉性能够抑制裂缝的产生与扩展,从而提升3D打印混凝土结构的整体力学性能。

隧道结构3D打印修复混凝土特性试验研究

基于3D打印的隧道结构修复技术是应对隧道结构修复需求快速增长的技术途径之一,在当前城市化进程中,特别是对于地铁隧道来说,修复技术的研究和应用显得尤为重要。在对地铁隧道结构修复需求分析的基础上开展掺生物炭的3D打印混凝土特性试验,探究了掺有生物炭的3D打印混凝土的特性。全面研究了不同剂量生物炭条件下3D打印混凝土的水化性能、流动性和可泵性,以及在不同龄期的力学表现和收缩性能,并评估了其对3D打印混凝土可建造性的潜在影响。试验结果表明生物炭的加入会显著改变3D打印混凝土的性能,这为3D打印混凝土在隧道结构修复技术中的应用提供了科学依据。

3D打印混凝土配筋增强基础研究进展

近年来,3D打印混凝土因无模板、自动化与智能化等优势,在建筑业智能建造方向受到越来越多的关注,结合工程实践已形成诸多应用示范。工程应用需求也对3D打印混凝土性能提出了更高要求,常常需要选择配筋增强实现安全与可靠性设计。但3D打印混凝土配筋增强技术受制备工艺影响与传统混凝土工程有所差异,应针对打印条件下配筋增强方法进行科学优化与性能调控。因此,本文聚焦配筋工艺、材料与性能、细微观表征及数值分析等方面阐述了3D打印混凝土配筋增强的基础研究进展;聚焦工程应用存在的问题,对配筋增强基础研究面临的挑战与未来发展也进行了简要讨论,力求为配筋3D打印混凝土结构安全应用提供参考。

基于倾斜摄影的混凝土3D打印成型精度分析与预测

混凝土3D打印技术是一项新型的增材制造技术,为了实现采用混凝土3D打印技术来快速打印高质量的成型构件,综合利用迭代最近点(iterative closest point,ICP)算法和倾斜摄影测量技术来分析3D打印构件的整体偏差、局部边界偏差和圆弧角半径,并根据整体偏差和边界偏差对成型精度及可建造性进行研究,最后利用边界偏差和圆弧角半径对打印模型进行预测。结果表明:在混凝土3D打印配合比为水泥∶砂∶粉煤灰∶减水剂∶混凝剂∶水=1∶1.12∶0.09∶0.004∶0.006∶0.32,打印速度V_(d)为45 mm/s,最佳挤出速度V_(j)为138 mm/s时构件成型精度最高;对倾斜摄影模型拟合对齐,并对其具体位置偏差标注色谱图,可知混凝土3D打印构件在第4层时压缩变形较大,可建造性较低;利用预测模型与混凝土3D打印实体构件进行拟合,可知预测模型与基准模型相比误差约1 mm,验证了所提方法及预测模型的合理性。

打印路径对3D打印混凝土构件力学性能的影响

在3D打印混凝土配合比研究基础上,对打印路径进行了优化设计。采用三种路径打印成型构件,评估了打印路径对3D打印混凝土构件力学性能的影响,并分析了打印构件的力学各向异性,提出了力学各向异性系数,确定了最佳受力方向。此外,通过SEM分析了打印构件的层间界面对力学性能的影响。结果表明:3D打印混凝土构件在Z方向受力最大,打印路径优化后,可有效改善层间薄弱面;打印构件在层间界面处的水化产物未能充分填充,存在空隙、气泡、裂缝等缺陷,使打印构件的力学性能降低。

3D打印粗骨料混凝土的研究进展及应用

混凝土3D打印近年来备受瞩目,3D打印混凝土也迅速发展,但目前大多数的3D打印的混合料中只有细集料,最大尺寸仅为4 mm。由于混合料中缺少粗骨料,水泥成分较多,导致混凝土成本增加,减少了固废利用,资源消耗多,造成了巨大的环境负担。3D打印粗骨料混凝土不仅减少了水泥用量和碳排放、降低施工成本,还可以回收建筑固体废物。此外增加粗骨料的掺量还可以使混凝土的水化热收缩明显降低,体积稳定性提高。分析粗骨料掺入对其可打印性、流变性、可挤出性、可建造性、力学各向异性及耐久性的影响,介绍了3D打印粗骨料的建造应用。

基于连续顶点分区的混凝土3D打印路径规划算法

针对混凝土3D打印构件成形质量差和打印时间长的问题,提出了一种基于连续顶点分区的路径规划算法。首先,采用基于哈密顿回路的连续顶点分区方法,将打印区域划分为多个连续的区域,以确保在打印过程中打印喷头不会多次经过同一顶点,从而避免了重复打印和成形质量差的问题。然后,使用遗传算法搜索每个区域,通过迭代和优化来确定最短的打印路径。实验结果表明,与其他路径规划算法相比,所提出的算法能够显著减少打印喷头的空行程和启停次数,且缩短打印时间10%以上,有效地提升了混凝土构件的成形质量与打印效率。基于连续顶点分区的混凝土3D打印路径规划算法通过有效划分打印区域、智能搜索最短路径以及合并优化路径的方式,解决了混凝土3D打印构件成形质量差和打印时间长的问题,这可为混凝土3D打印技术的发展和应用提供有力的技术支持。

低水泥用量3D打印混凝土流变性能及打印性能研究

3D打印混凝土(3DPC)在配合比设计、性能测试及评价、打印实践方面取得突破性进展,但普遍存在水泥用量过高的问题。采用青岛地区常用掺合料替代水泥,设计替代量为40%和50%两组别,并结合水胶比、胶砂比等共设计了6组不同配合比进行流动性能、流变性能以及打印性能等测试,分别归纳了流动性能、流变性能对打印性能的影响规律,并给出了所设计混凝土的可打印流变参数范围。结果发现,当跳桌扩展度在160~180 mm,静态屈服应力在(2300±200)Pa,动态屈服应力在(310±30)Pa时,所设计的3DPC具有较好的打印性能。

3D打印纤维再生细骨料混凝土孔隙结构与力学性能

3D打印纤维再生混凝土宏观力学性呈现显著的各向异性特征,与细观孔隙结构和层间界面区域存在密切相关。基于计算机断层扫描(CT)可视化分析3D打印混凝土试样可见,3D打印再生混凝土试样内孔隙呈椭球形定向分布。3D打印再生混凝土内孔隙平均紧密度显著低于浇筑试样,聚乙烯(PE)纤维和玄武岩纤维的掺入导致了紧密度均值的降低。同时,3D打印再生混凝土试样中孔隙长轴与Z轴在60°~90°夹角的孔隙占比高达58.0%,远高于相同配合比的浇筑试样。纤维的掺入也对3D打印再生混凝土内部孔隙方向趋势产生了影响,PE纤维3D打印再生混凝土试样内垂直于Z轴的孔隙占比有所提高,玄武岩纤维试样内所占比例则有所降低。

3D打印全再生粗骨料混凝土各向异性力学性能研究

选用粒径4.75~10mm的粗骨料,制备成天然粗骨料混凝土和再生粗骨料混凝土,对比分析了作为3D打印油墨的可打印性,并探讨了不同养护条件对3D打印混凝土硬化后各向异性力学性能的影响。试验结果表明,相较于天然粗骨料,全再生粗骨料有助于加速打印油墨由流动性向塑性转化;通过配合比调整,打印油墨在静置10min后仍能维持可打印性,连续打印下的可工作时间增至20min;相较于标准养护,自然养护7d的天然及再生打印试样X方向的抗压强度降低分别为19.84%及20.13%;抗压强度关系为X轴(打印方向)>Z轴(叠层方向)>Y轴(传动轴方向),标准养护28d天然及再生打印试样Y轴抗压强度分别为X轴的83.41%与84.27%,表现出明显的各向异性。最后,从细微观角度阐释了骨料类型及3D打印层间性能对各向异性的形成机理。