CN108548721A - 测量新拌3d打印混凝土承载力及形变量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量新拌3D打印混凝土承载力及形变量的装置及方法，测量装置包括有支架、固定于支架上的压力传感器平台、连接于压力传感器平台上方的测量托盘、弹簧压力筒、以及模拟压片和压力荷载盘；弹簧压力筒包括有竖直设置且与支架固定连接的定位筒、支撑复位弹簧和压力杆，压力杆的底端与模拟压片固定连接，压力杆的顶端依次穿过定位筒、支撑复位弹簧后与压力荷载盘的下端面固定连接，支撑复位弹簧的顶端抵住压力荷载盘的下端面，支撑复位弹簧的底端抵住定位筒的顶端。本发明将待测浆料设置于测量托盘上，采用模拟压片挤压待测浆料，测试待测浆料的承载力及形变量，从而为评价3D打印混凝土材料的承载力及形变量性能提供基础。

Description

测量新拌3D打印混凝土承载力及形变量的装置及方法

技术领域

本发明涉及建筑材料和建筑施工技术领域，具体是一种测量新拌3D打印混凝土承载力及形变量的装置及方法。

背景技术

3D打印技术是一种典型的“增材制造”，又称为“快速成型技术”，是一种通过连续的物理层叠加，增加材料而生成三维实体的技术。近年来，3D打印技术不断成熟，已逐渐扩展到各个领域的研究，尤其是在生物、医学及航天航空领域中，3D打印技术产生了巨大的创造性。同样，3D打印技术与混凝土技术相结合的3D打印混凝土技术，必将是混凝土发展历程上一次重大的转折点。

混凝土材料是目前使用最为广泛且最为重要的土木工程材料之一，在人类社会的发展与建设过程中起到了不可或缺的作用。相较于传统的混凝土材料使用方式，3D打印混凝土技术的应用，在建造过程中取消了支模拆模的繁琐程序，在很大程度上简化了施工的过程，根据初步测算，可使工期缩短50％到70％，节约建筑材料30％到60％，降低建筑业物耗、能耗，减少建筑业对环境的污染。同时，3D打印机械仅需要数名技术人员的控制，能大大节约人工成本。因此，3D打印建造技术被视为建筑业的未来。

由于3D打印混凝土技术对原材料的性能要求相对严苛，目前普通混凝土材料已无法满足打印材料的需求。已建成的3D打印建筑所用的“打印材料”有两种，一种是采用普通素水泥砂浆，缺点是其外观质量差、容易龟裂；另一种是在水泥的基础上复合玻璃纤维，由于玻璃纤维会影响人体呼吸系统，因此某些国家禁止或限制建筑物大量使用玻璃纤维。

作为3D打印材料的水泥基复合材料，其新拌状态的工作性能在3D打印建造的过程中，必须要求已打印完成的部分状态保持良好，不会出现坍塌、倾斜等中断打印施工的现象，这就对水泥基复合材料浆体的粘聚性、挤出性和可建造性等新拌性能提出了特殊的要求。水泥基复合材料打印完成后其凝结硬化特性是影响其力学性能和耐久性的主要因素，打印过程也对混凝土的后期硬化性能会产生较大影响。依据现有的混凝土配合比理论配制的水泥基复合材料能否满足3D打印的工作性要求、达到打印硬化后力学性能及耐久性指标的要求，仍有待确定，这就需要从新的角度去提出新的理论，以便更好适应于3D打印建造技术。

目前3D打印混凝土建造尚没有切实可行的标准可以参考，设备及设备的控制系统技术尚不完善。3D打印混凝土材料的性能决定着整个建造技术的成败，而对于新拌3D打印混凝土材料性能的测试及表征方法均没有可行的标准。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种测量新拌3D打印混凝土承载力及形变量的装置及方法，为评价3D打印混凝土材料的承载力及形变量性能提供基础。

本发明的技术方案为：

一种测量新拌3D打印混凝土承载力及形变量的装置，包括有L形的支架、固定于支架水平部分上端面上的压力传感器平台、连接于压力传感器平台上方的测量托盘、弹簧压力筒、以及模拟压片和压力荷载盘；所述的弹簧压力筒包括有竖直设置且与支架竖直部分固定连接的定位筒、支撑复位弹簧和压力杆，所述的压力杆的底端与模拟压片固定连接，压力杆的顶端由下至上依次穿过定位筒、支撑复位弹簧后与压力荷载盘的下端面固定连接，所述的支撑复位弹簧的顶端抵住压力荷载盘的下端面，支撑复位弹簧的底端抵住定位筒的顶端；所述的支架竖直部分的内侧壁上设置有纵向形变量刻度，所述的模拟压片的侧壁上设置有朝向纵向形变量刻度的模拟压片指针；所述的测量托盘的上端面上设置有X向延伸的基准线、Y向延伸的横向形变量刻度、两条Y向延伸的标定线，所述的横向形变量刻度的中点与基准线的中点相交，两条标定线分别位于横向形变量刻度的两侧且距离基准线中点的最短距离相等。

所述的压力传感器平台上设置有数显屏。

所述的两条标定线之间的最短距离为10cm。

所述的测量托盘的横截面为圆形，所述的基准线的中点、横向形变量刻度的中点均位于测量托盘的圆心位置。

所述的模拟压片为矩形板结构，其X向延伸的中轴线与测量托盘上的基准线重叠。

测量新拌3D打印混凝土承载力及形变量的方法，具体包括有以下步骤：

(1)、将拌好的3D打印混凝土砂浆装入挤出装置内，沿着测量托盘上的基准线挤出，挤出长度为10cm即3D打印混凝土砂浆挤出长度超过两条标定线之间的距离；

(2)、缓慢在压力荷载盘上加压力荷载，使模拟压片的下端面轻微接触3D打印混凝土砂浆的上表面，此时读取纵向形变量刻度即为待测3D打印混凝土砂浆的最高厚度点，通过测量托盘上的横向形变量刻度读取待测3D打印混凝土砂浆的初始宽度，并读取压力传感器平台数显屏上的压力值即为初始压力值；

(3)、继续缓慢在压力荷载盘上加压力荷载，使模拟压片挤压待测3D打印混凝土砂浆，通过不断加压力荷载使待测砂浆受到挤压并产生形变；当待测砂浆形变至开裂或出现明显厚度及宽度变化时，读取纵向形变量刻度值、横向形变量刻度值和压力传感器平台数显屏上的实时压力值，纵向形变量刻度值与最高厚度点的差值即为待测砂浆当前状态下的纵向形变量，横向形变量刻度值与初始宽度的差值即为待测砂浆当前状态下的横向形变量，实时压力值与初始压力值的差值即为待测砂浆当前状态下的最大承载力。

当所述的模拟压片的下端面轻微接触3D打印混凝土砂浆的上表面时，对压力传感器平台的数显屏清零，即初始压力值为0,实时压力值即为最大承载力。

所述的纵向形变量、横向形变量和最大承载力均测量三次并取平均值得到。

所述的挤出装置包括有筒体、与筒体连通的挤出管和伸入到筒体内的活塞式推杆，待测3D打印混凝土砂浆抽入筒体内，将活塞式推杆朝挤出管的方向挤压，从而将筒体内的待测砂浆沿挤出管挤出。

本发明的优点：

(1)、本发明通过模拟3D打印混凝土材料的挤出方式，测量其承载力及形变量，测试结果可真实反映3D打印混凝土材料的工作性能及施工的适用性，同时装置及其使用测量方法较为简便、直观、高效，且易于推广。

(2)、本发明的测量装置，适用于各种组分拌和的3D打印混凝土材料，不仅具有较广泛的适用性，也可用于表征不同环境下的3D打印混凝土材料的工作性能。

附图说明

图1是本发明测量装置的结构示意图。

图2是图1中A-A的剖视图。

图3是本发明测量托盘的俯视图。

图4是本发明待测砂浆在初始状态下的结构示意图。

图5是本发明待测砂浆在初始状态下的俯视图。

图6是本发明测试装置挤压待测砂浆时的结构示意图。

图7是本发明待测砂浆在挤压状态下的俯视图。

图8是挤出装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

见图1-图3，一种测量新拌3D打印混凝土承载力及形变量的装置，包括有L形的支架1、固定于支架1水平部分上端面上带有数显屏的压力传感器平台2、连接于压力传感器平台2上方的测量托盘3、弹簧压力筒、以及矩形板结构的模拟压片4和压力荷载盘5；弹簧压力筒包括有竖直设置且与支架1竖直部分固定连接的定位筒6、支撑复位弹簧7和压力杆8，压力杆8的底端与模拟压片4固定连接，压力杆8的顶端由下至上依次穿过定位筒6、支撑复位弹簧7后与压力荷载盘5的下端面固定连接，支撑复位弹簧7的顶端抵住压力荷载盘5的下端面，支撑复位弹簧7的底端抵住定位筒6的顶端；支架1竖直部分的内侧壁上设置有纵向形变量刻度9，模拟压片4的侧壁上设置有朝向纵向形变量刻度9的模拟压片指针10；测量托盘3的横截面为圆形，测量托盘3的上端面上设置有X向延伸的基准线11、Y向延伸的横向形变量刻度12和两条Y向延伸的标定线13，模拟压片4X向延伸的中轴线与测量托盘3上的基准线11重叠，横向形变量刻度12的中点与基准线11的中点相交且均位于测量托盘3的圆心位置，两条标定线13之间的最短距离为10cm，两条标定线13分别位于横向形变量刻度12的两侧且距离基准线11中点的最短距离相等。其中，纵向形变量刻度9和横向形变量刻度12的单位均精确到毫米。

见图4-图8，一种测量新拌3D打印混凝土承载力及形变量的方法，具体包括有以下步骤：

(1)、将拌好的3D打印混凝土砂浆15装入挤出装置内，沿着测量托盘上的基准线11挤出，挤出长度为10cm即3D打印混凝土砂浆挤出长度超过两条标定线13之间的距离；

(2)、缓慢在压力荷载盘5上加压力荷载14，使模拟压片4的下端面轻微接触3D打印混凝土砂浆15的上表面，对压力传感器平台2的数显屏清零，即初始压力值为0，此时读取纵向形变量刻度9即为待测3D打印混凝土砂浆的最高厚度点，通过测量托盘3上的横向形变量刻度12读取待测3D打印混凝土砂浆15的初始宽度；

(3)、继续缓慢在压力荷载盘5上加压力荷载14，使模拟压片4挤压待测3D打印混凝土砂浆15，通过不断加压力荷载14使待测砂浆15受到挤压并产生形变；当待测砂浆15形变至开裂或出现明显厚度及宽度变化时，读取纵向形变量刻度值、横向形变量刻度值和压力传感器平台2数显屏上的实时压力值，纵向形变量刻度值与最高厚度点的差值即为待测砂浆15当前状态下的纵向形变量，横向形变量刻度值与初始宽度的差值即为待测砂浆15当前状态下的横向形变量，实时压力值即为待测砂浆15当前状态下的最大承载力；

(4)、纵向形变量、横向形变量和最大承载力均测量三次并取平均值得到最终测量值。

其中，挤出装置包括有筒体16、与筒体16连通的挤出管17和伸入到筒体16内的活塞式推杆18，待测3D打印混凝土砂浆15抽入筒体16内，将活塞式推杆18朝挤出管17的方向挤压，从而将筒体16内的待测砂浆15沿挤出管17挤出。

采用4种不同配合比所拌和的3D打印混凝土砂浆，以测量装置测量其承载力及形变量，所得实验结果如表1所示。

表1不同配合比的3D打印材料的承载力及形变量。

由表1可以看出，采用本发明的测量装置可有效测量新拌3D打印混凝土砂浆的承载力及形变量，通过上述测量方法可以对3D打印混凝土新拌砂浆的部分工作性能进行量化，对材料的评价提供了切实可行的方案；通过本发明的测量装置对3D打印混凝土砂浆的承载力及形变量进行测量，能够满足不同材料、工况及环境下使用，有效评价打印材料的工作性能。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种测量新拌3D打印混凝土承载力及形变量的装置，其特征在于：包括有L形的支架、固定于支架水平部分上端面上的压力传感器平台、连接于压力传感器平台上方的测量托盘、弹簧压力筒、以及模拟压片和压力荷载盘；所述的弹簧压力筒包括有竖直设置且与支架竖直部分固定连接的定位筒、支撑复位弹簧和压力杆，所述的压力杆的底端与模拟压片固定连接，压力杆的顶端由下至上依次穿过定位筒、支撑复位弹簧后与压力荷载盘的下端面固定连接，所述的支撑复位弹簧的顶端抵住压力荷载盘的下端面，支撑复位弹簧的底端抵住定位筒的顶端；所述的支架竖直部分的内侧壁上设置有纵向形变量刻度，所述的模拟压片的侧壁上设置有朝向纵向形变量刻度的模拟压片指针；所述的测量托盘的上端面上设置有X向延伸的基准线、Y向延伸的横向形变量刻度、两条Y向延伸的标定线，所述的横向形变量刻度的中点与基准线的中点相交，两条标定线分别位于横向形变量刻度的两侧且距离基准线中点的最短距离相等。

2.根据权利要求1所述的一种测量新拌3D打印混凝土承载力及形变量的装置，其特征在于：所述的压力传感器平台上设置有数显屏。

3.根据权利要求1所述的一种测量新拌3D打印混凝土承载力及形变量的装置，其特征在于：所述的两条标定线之间的最短距离为10cm。

4.根据权利要求1所述的一种测量新拌3D打印混凝土承载力及形变量的装置，其特征在于：所述的测量托盘的横截面为圆形，所述的基准线的中点、横向形变量刻度的中点均位于测量托盘的圆心位置。

5.根据权利要求1所述的一种测量新拌3D打印混凝土承载力及形变量的装置，其特征在于：所述的模拟压片为矩形板结构，其X向延伸的中轴线与测量托盘上的基准线重叠。

6.根据权利要求1所述的装置测量新拌3D打印混凝土承载力及形变量的方法，其特征在于：具体包括有以下步骤：

（1）、将拌好的3D打印混凝土砂浆装入挤出装置内，沿着测量托盘上的基准线挤出，挤出长度为10cm即3D打印混凝土砂浆挤出长度超过两条标定线之间的距离；

（2）、缓慢在压力荷载盘上加压力荷载，使模拟压片的下端面轻微接触3D打印混凝土砂浆的上表面，此时读取纵向形变量刻度即为待测3D打印混凝土砂浆的最高厚度点，通过测量托盘上的横向形变量刻度读取待测3D打印混凝土砂浆的初始宽度，并读取压力传感器平台数显屏上的压力值即为初始压力值；

（3）、继续缓慢在压力荷载盘上加压力荷载，使模拟压片挤压待测3D打印混凝土砂浆，通过不断加压力荷载使待测砂浆受到挤压并产生形变；当待测砂浆形变至开裂或出现明显厚度及宽度变化时，读取纵向形变量刻度值、横向形变量刻度值和压力传感器平台数显屏上的实时压力值，纵向形变量刻度值与最高厚度点的差值即为待测砂浆当前状态下的纵向形变量，横向形变量刻度值与初始宽度的差值即为待测砂浆当前状态下的横向形变量，实时压力值与初始压力值的差值即为待测砂浆当前状态下的最大承载力。

7.根据权利要求6所述的测量新拌3D打印混凝土承载力及形变量的方法，其特征在于：当所述的模拟压片的下端面轻微接触3D打印混凝土砂浆的上表面时，对压力传感器平台的数显屏清零，即初始压力值为0, 实时压力值即为最大承载力。

8.根据权利要求6所述的测量新拌3D打印混凝土承载力及形变量的方法，其特征在于：所述的纵向形变量、横向形变量和最大承载力均测量三次并取平均值得到。

9.根据权利要求6所述的测量新拌3D打印混凝土承载力及形变量的方法，其特征在于：所述的挤出装置包括有筒体、与筒体连通的挤出管和伸入到筒体内的活塞式推杆，待测3D打印混凝土砂浆抽入筒体内，将活塞式推杆朝挤出管的方向挤压，从而将筒体内的待测砂浆沿挤出管挤出。