CN108318381A - 一种水泥基材料3d可打印性能的优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水泥基材料3D可打印性能的优化方法，该方法的步骤是：S1：开放时间的确定；S2：水泥基材料的流动扩展度时间相关性测试；S3：水泥基材料的坍落度时间相关性测试；S4：水泥基材料的贯入阻力时间相关性测试；S5：挤出性系数时间相关性曲线绘制；S6：建造性系数时间相关性曲线绘制；S7：求得步骤S5绘制的挤出性系数时间相关性曲线与步骤S6绘制的建造性系数时间相关性曲线的交叉点，此交叉点所对应的时间即为最优打印时间。该方法综合考虑了水泥基材料的3D可打印性能与3D打印工艺参数，能够找到水泥基材料打印材料特性与打印工艺参数的平衡对应关系，保证水泥基材料具有良好地3D打印建造效果。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种水泥基材料3D可打印性能的优化方法。
背景技术
3D打印混凝土技术具有设计自由化、建造灵活性、施工速度快、人工成本低、自动化程度高、环境污染小等诸多优点，近几年在土木建筑领域获得广泛的关注和显著的发展。3D打印桥梁、3D打印房屋等实例常有报道，这些在很大程度上证实了将3D打印技术运用到土木建筑领域的可行性。
3D打印水泥基材料的制备是促进该技术在工程实践中应用的关键。打印过程的优化设计依赖于对新拌材料的物理力学特性和打印工艺的过程控制。水泥基打印材料特性(挤出性、建造性、流动性、早期刚度和凝结特性)与打印工艺参数(打印速度、电机旋转速度、喷嘴开口、挤出速度、打印路径等)存在一个合理的平衡对应关系。只有满足该合理的平衡关系，3D打印混凝土过程才能顺利进行，并确保无模建造的稳定性。
新拌水泥基材料的3D可打印性能，即挤出性、建造性、流动性、早期刚度和凝结特性等的实验测量与表征可通过坍落度、扩展直径、开放时间、贯入阻力、粘度和粒度分布等实验进行测量。
影响和控制3D打印过程的参数较多，而且各个参数之间相互影响作用，对3D打印水泥基材料的配制以及3D打印过程的控制造成了较大的困难。例如：减少材料的坍落度可促进建造性的升高，但是可能会牺牲可挤出性，甚至导致堵塞。延长开放时间有助于水泥基材料保持表面化学活性，形成层间的强结合面，然而可能会降低早期的刚度发展。然而，目前针对水泥基材料的3D可打印性能的平衡和优化方法尚无相关报道。因此，提出一种水泥基材料3D可打印性能的优化设计方法对促进建筑级3D打印技术的推广应用具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是，提供一种水泥基材料3D可打印性能的优化方法，该方法综合考虑了水泥基材料的3D可打印性能与3D打印工艺参数，能够找到水泥基材料打印材料特性与打印工艺参数的平衡对应关系，保证水泥基材料具有良好地3D打印建造效果。
本发明的技术方案是：
一种水泥基材料3D可打印性能的优化方法，该方法的步骤是：
S1：开放时间的确定：
将新拌水泥基材料装于一种挤出型的3D打印装置内，选定打印工艺参数，然后每间隔一定时间测试一次挤出性；在某一时刻下，材料发生了堵塞或者挤出过程发生了中断，则证明材料的挤出性能失效，所对应的失效时间则为该新拌水泥基材料的开放时间；
S2：水泥基材料的流动扩展度时间相关性测试：
在开放时间内进行流动扩展度测试，新拌水泥基材料在搅拌机内拌合完成后，每间隔固定时间间隔，测试一次流动扩展度Ds并记录，得到水泥基材料的流动扩展度时间相关性；
S3：水泥基材料的坍落度时间相关性测试：
在开放时间内进行坍落度测试，新拌水泥基材料在搅拌机内拌合完成后，每间隔固定时间间隔，测试一次坍落度Hs并记录，得到水泥基材料的坍落度时间相关性；
S4：水泥基材料的贯入阻力时间相关性测试：
在开放时间内进行贯入阻力测试，水泥基材料在搅拌机内拌合完成后，每间隔固定时间间隔，测试一次贯入阻力Pr并记录，得到水泥基材料的贯入阻力时间相关性；
S5：挤出性系数时间相关性曲线绘制：
根据步骤S2得到的流动扩展度时间相关性，确定流动扩展度的最大值Dsmax和对应的最小静置时间tmin，利用每个静置时间下的流动扩展度按照公式(1)计算不同静置时间下的挤出性系数的数值，并以时间为横轴，以挤出性系数为纵轴绘制挤出性系数时间相关性曲线；
S6：建造性系数时间相关性曲线绘制：
根据步骤S4确定贯入阻力的最大值Prmax，根据步骤S3确定坍落度的最小值Hsmin，然后利用每个静置时间下的贯入阻力及对应的坍落度按照公式(2)计算不同静置时间下的建造性系数的数值，并以时间为横轴，以建造性系数为纵轴绘制建造性系数时间相关性曲线，
S7：最优打印时间的确定：
求得步骤S5绘制的挤出性系数时间相关性曲线与步骤S6绘制的建造性系数时间相关性曲线的交叉点，此交叉点所对应的时间即为最优打印时间。
本发明的有益效果是：
本发明方法首先将打印机的参数确定下来，在该打印机参数的基础上，再去评价材料的打印性能，最后找到两者相互匹配的结果。
本发明方法简单易行，在水泥基材料拌和完成之后，按照本发明所述的方法进行优化设计，确定了水泥基材料的可3D打印的参数条件，可以保证良好的打印建造效果，节省了可3D打印水泥基材料的设计研发时间。传统的打印材料的测试是基于实际经验进行的，无理论的指导，因此会花费大量的时间方可找到最优的打印参数条件，而采用本发明所述方法可迅速确定最优的打印时间参数，大大节省了设计研发的时间。
附图说明：
图1为本发明水泥基材料3D可打印性能的优化方法的流程图；
图2实施例1中材料的开放时间测定实验过程；
图3为流动扩展度的时间相关性曲线；
图4为坍落度的时间相关性曲线；
图5为贯入阻力的时间相关性曲线；
图6为挤出性系数和建造性系数时间相关性曲线绘制时间相关性曲线绘制；
图7为实施例1静置时间延长至优化时间前后的建造效果对比；
图8为实施例2静置时间延长至优化时间前后的建造效果对比；
具体实施方式：
下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
本发明水泥基材料3D可打印性能的优化方法，该方法的步骤是：
S1：开放时间的确定：
将新拌水泥基材料装于一种挤出型的3D打印装置内，选定打印工艺参数，所述打印工艺参数包括打印喷头出口截面积、挤出速度、水平向打印速度等，然后每间隔一定时间测试一次挤出性；在某一时刻下，材料发生了堵塞或者挤出过程发生了中断，则证明材料的挤出性能失效，所对应的失效时间则为该新拌水泥基材料的开放时间；
S2：水泥基材料的流动扩展度时间相关性测试：
水泥基材料的流动扩展度测试过程是：先用新拌水泥基材料填满一个锥形模具，随后移除锥形模具，使材料在某一固定时间内自由地震动，使新拌水泥基材料扩展开；然后，用直尺测量新拌水泥基材料在两个垂直的方向的拓展直径并计算平均值Ds，该平均值Ds用于表征材料的流动扩展度；
在开放时间内进行流动扩展度测试，新拌水泥基材料在搅拌机内拌合完成后，每间隔固定时间间隔，测试一次流动扩展度并记录，得到水泥基材料的流动扩展度时间相关性；
S3：水泥基材料的坍落度时间相关性测试：
水泥基材料的坍落度测试过程是：将新拌水泥基材料浆液填满坍落筒，然后，提起坍落筒，材料的高度自然下降，下降的高度值即为坍落度值Hs，Hs用于表征材料的坍落度特征；
在开放时间内进行坍落度测试，新拌水泥基材料在搅拌机内拌合完成后，每间隔固定时间间隔，测试一次坍落度并记录，得到水泥基材料的坍落度时间相关性；
S4：水泥基材料的贯入阻力时间相关性测试：
水泥基材料的贯入阻力测试过程是：首先将新拌和好的水泥基材料装入砂浆试样筒内，然后将具有一定截面积的测针压进砂浆一定的深度，记录所产生的贯入阻力Pr；
在开放时间内进行贯入阻力测试，水泥基材料在搅拌机内拌合完成后，每间隔固定时间间隔，测试一次贯入阻力并记录，得到水泥基材料的贯入阻力时间相关性；
S5：挤出性系数时间相关性曲线绘制：
根据步骤S2得到的流动扩展度时间相关性，确定流动扩展度的最大值Dsmax和对应的最小静置时间tmin，利用每个静置时间下的流动扩展度按照公式(1)计算不同静置时间下的挤出性系数的数值，并以时间为横轴，以挤出性系数为纵轴绘制挤出性系数时间相关性曲线；
S6：建造性系数时间相关性曲线绘制：
根据步骤S4确定贯入阻力的最大值Prmax，根据步骤S3确定坍落度的最小值Hsmin，然后利用每个静置时间下的贯入阻力及对应的坍落度按照公式(2)计算不同静置时间下的建造性系数的数值，并以时间为横轴，以建造性系数为纵轴绘制建造性系数时间相关性曲线，
S7：最优打印时间的确定：
求得步骤S5绘制的挤出性系数时间相关性曲线与步骤S6绘制的建造性系数时间相关性曲线的交叉点，此交叉点所对应的时间即为最优打印时间。在最优打印时间处对应最优的静置时间t，此时材料的各项性能如挤出性、建造性等能与该打印机工艺参数达到平衡点，实现良好地打印建造效果，满足工程要求。
本发明的进一步特征在于步骤S1中的打印工艺参数分别设定为：打印喷头出口截面积180～200mm2，挤出速度0.3-0.4m3/h，水平向打印速度250-290m/h。
3D打印性能包括挤出性、建造性、流动性、早期刚度和凝结特性等并不是一个具体的参数或者指标，而是众多参数的一个综合性能，这些参数是相互制约的关系，提高一个，就会降低另外一个。因此，优化的目的就是确定最优的打印参数条件，使得各个参数之间达到一种平衡。通过本发明所述的方法，可准确地得到3D打印参数条件，即打印时间。众多的参数均与时间相关，最优打印时间确定了，所有的参数也就达到最优。
实施例1：
本实施例中新拌水泥基材料Mix-1的制备过程是：首先将聚丙烯纤维1.2kg/m3、水泥0.7份、粉煤灰0.2份、硅灰0.1份、天然砂0.72份和铜尾矿砂0.48份等干粉进行混合搅拌三分钟；然后，加入水0.27份和减水剂1.083％的混合溶液的一半，搅拌两分钟；随后，加入剩下的一半用量的水和减水剂的混合液，搅拌三分钟后获得新拌水泥基材料Mix-1。
具体步骤是：
S1：将新拌材料Mix-1装于一种挤出型的3D打印装置内，选定打印工艺参数，打印喷头出口截面积设定为185mm2，挤出速度设定为0.35m3/h，水平向打印速度设定为280m/h，前期每间隔5min，挤出一条长度为25cm的结构，后期每隔10min挤出一条长度为25cm的结构，具体测试过程如图2所示。测试结果显示，在时间为90min时，所配材料挤出性能失效，则Mix-1的开放时间确定为0～90min。
S2：将材料Mix-1填满一个锥形模具，锥形模具的高度为60mm、上口直径为70mm、下口直径为100mm。随后移除锥形模具，使材料在25±1s的时间内自由地震动25次，使水泥基材料扩展开。然后，用直尺测量水泥基材料在两个垂直的方向的拓展直径并计算平均值Ds。
在开放时间内进行流动扩展度测试，水泥基材料在搅拌机内拌合完成后，静置10min，开始进行流动扩展度测试，然后每间隔10min，再测试一次流动扩展度并记录，得到水泥基材料的流动扩展度时间相关性，并绘制流动扩展度的时间相关性曲线如图3所示。
S3：将新拌Mix-1填满坍落筒，实验测试所用的坍落度筒底部直径100mm，顶部直径为50mm，高度为150mm。然后，提起坍落筒，材料的高度自然下降，下降的高度值即坍落度值Hs。
在开放时间内进行坍落度测试，水泥基材料在搅拌机内拌合完成后，静置10min，开始进行流动扩展度测试，然后每间隔10min，再测试一次坍落度并记录，得到水泥基材料的坍落度时间相关性，并绘制坍落度的时间相关性曲线如图4所示。
S4：将新拌水泥基材料装入上口径为160mm，下口径为150mm，净高为150mm的砂浆试样筒内，然后将截面积为100m2的测针压进砂浆25±2mm的深度，记录所产生的贯入阻力。
在开放时间内进行贯入阻力测试，水泥基材料在搅拌机内拌合完成后，静置10min，开始进行贯入阻力测试，每间隔10min，测试一次贯入阻力并记录，得到水泥基材料的贯入阻力时间相关性，并绘制贯入阻力的时间相关性曲线如图5所示。
S5：根据步骤S2得到的流动扩展度时间相关性，确定流动扩展度的最大值Dsmax和对应的最小静置时间tmin，利用每个静置时间下的流动扩展度按照公式(1)计算不同静置时间下的挤出性系数的数值，并以时间为横轴，以挤出性系数为纵轴绘制相关曲线，如图6所示。
S6：根据步骤S4确定贯入阻力的最大值Prmax，根据步骤S3确定坍落度的最小值Hsmin，然后利用每个静置时间下的贯入阻力及对应的坍落度按照公式(2)计算不同静置时间下的建造性系数的数值，并以时间为横轴，以建造性系数为纵轴绘制相关曲线，如图6所示。
S7：求得步骤S5绘制的挤出性系数时间相关性曲线与步骤S6绘制的建造性系数时间相关性曲线的交叉点，此交叉点所对应的时间为30min，即最优静置时间toptimal为30min。
图7给出了Mix-1在静置时间为10min与30min进行打印的建造效果对比。图7左图为打印时间确定为10min时，打印20层的最终成型效果图。图7右图为打印时间确定为30min时，打印20层的最终成型效果图。结果显示，在优化打印时间打印的模型的建造成型效果良好，打印结构稳定，分层均匀，而不在该优化打印时间打印的模型的建造成型效果则相对较差，在最优静置时间之前进行打印，材料由于流动性较高，打印结构发生了明显的坍塌。
实施例2
本实施例中新拌水泥基材料Mix-2的制备过程是：首先将聚丙烯纤维1.2kg/m3、水泥0.7份、粉煤灰0.2份、硅灰0.1份、天然砂0.6份和铜尾矿砂0.6份等干粉进行混合搅拌三分钟。然后，加入水0.27份和减水剂1.083％的混合溶液的一半，搅拌两分钟。随后，加入剩下的一半用量的水和减水剂的混合液，搅拌三分钟后获得新拌水泥基材料Mix-2。
对上述的新拌水泥基材料Mix-2按照实施例1的优化方法进行优化，具体步骤同实施例1，优化后得到本实施例所制备材料的最优打印时间为40min。
图8给出了Mix-2在静置时间为10min与40min进行打印的建造效果对比。图8左图为打印时间确定为10min时，打印20层的最终成型效果图。图8右图为打印时间确定为40min时，打印20层的最终成型效果图。结果显示，在优化打印时间打印的模型的建造成型效果良好，打印结构稳定，分层均匀，而不在该优化打印时间打印的模型的建造成型效果则相对较差，打印结构发生了明显的坍塌。
打印机的参数和水泥基材料的参数是相互依赖，相辅相成的。本发明方法可以用来对新水泥基材料进行寻找在设定打印工艺参数条件下，对应的什么打印时间进行打印能使水泥基材料表现出良好的打印建造性，有效节约了实验研究时间。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (2)
1.一种水泥基材料3D可打印性能的优化方法，该方法的步骤是：
S1：开放时间的确定：
将新拌水泥基材料装于一种挤出型的3D打印装置内，选定打印工艺参数，然后每间隔一定时间测试一次挤出性；在某一时刻下，材料发生了堵塞或者挤出过程发生了中断，则证明材料的挤出性能失效，所对应的失效时间则为该新拌水泥基材料的开放时间；
S2：水泥基材料的流动扩展度时间相关性测试：
在开放时间内进行流动扩展度测试，新拌水泥基材料在搅拌机内拌合完成后，每间隔固定时间间隔，测试一次流动扩展度Ds并记录，得到水泥基材料的流动扩展度时间相关性；
S3：水泥基材料的坍落度时间相关性测试：
在开放时间内进行坍落度测试，新拌水泥基材料在搅拌机内拌合完成后，每间隔固定时间间隔，测试一次坍落度Hs并记录，得到水泥基材料的坍落度时间相关性；
S4：水泥基材料的贯入阻力时间相关性测试：
在开放时间内进行贯入阻力测试，水泥基材料在搅拌机内拌合完成后，每间隔固定时间间隔，测试一次贯入阻力Pr并记录，得到水泥基材料的贯入阻力时间相关性；
S5：挤出性系数时间相关性曲线绘制：
根据步骤S2得到的流动扩展度时间相关性，确定流动扩展度的最大值Dsmax和对应的最小静置时间tmin，利用每个静置时间下的流动扩展度按照公式(1)计算不同静置时间下的挤出性系数的数值，并以时间为横轴，以挤出性系数为纵轴绘制挤出性系数时间相关性曲线；
S6：建造性系数时间相关性曲线绘制：
根据步骤S4确定贯入阻力的最大值Prmax，根据步骤S3确定坍落度的最小值Hsmin，然后利用每个静置时间下的贯入阻力及对应的坍落度按照公式(2)计算不同静置时间下的建造性系数的数值，并以时间为横轴，以建造性系数为纵轴绘制建造性系数时间相关性曲线，
S7：最优打印时间的确定：
求得步骤S5绘制的挤出性系数时间相关性曲线与步骤S6绘制的建造性系数时间相关性曲线的交叉点，此交叉点所对应的时间即为最优打印时间。
2.根据权利要求1所述的水泥基材料3D可打印性能的优化方法，其特征在于步骤S1中的打印工艺参数分别设定为：打印喷头出口截面积180～200mm2，挤出速度0.3-0.4m3/h，水平向打印速度250-290m/h。
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