CN109311770A - 用于3d打印的建筑材料的流变性的在线控制 - Google Patents

用于3d打印的建筑材料的流变性的在线控制 Download PDF

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Abstract

一种放置可流动构造材料的方法，所述可流动构造材料包括用于逐层建造结构部件的水硬性粘结料，诸如用于3D混凝土打印，所述方法包括：制备由以下各者制成的新制可流动构造材料：波特兰水泥、细石灰岩填料材料、细沙、水、以及减水外加剂、以及可能地定型或硬化速凝剂，将可流动构造材料输送到沉积头，通过沉积头的出口来放置构造材料以便形成一层构造材料，在放置构造材料之前，将流变改性剂添加到构造材料中，使得当与输送步骤期间的材料相比时，所放置的材料具有增加的屈服应力。

Description

用于3D打印的建筑材料的流变性的在线控制
技术领域
本发明涉及一种放置可流动构造材料的方法，所述可流动构造材料包括用于逐层建造结构部件的水硬性粘结料（hydraulic binder），诸如用于3D混凝土或灰浆打印。
背景技术
3D打印是一种通常被称为“增材制造”的建筑技术，并且由根据3D模型数据或其他电子数据源一层又一层地加入材料以生产出物体组成。特别地，借助于工业机器人在计算机控制下形成连续的材料层。已经提出开发能够由可以是灰浆或混凝土的构造材料生产出结构建筑物的3D打印机。根据这些提议，通过喷嘴挤出构造材料以逐层建造结构部件，而不使用模架（formwork）或任何后续振动。在没有模架的情况下建造结构的可能性是就生产率、建筑自由度和成本降低方面而言的主要优势。
通常，构造材料的3D打印是一个连续过程，其包括将新制混凝土或灰浆输送到沉积头并通过沉积头的出口来放置构造材料以便形成一层混凝土。在放置混凝土或灰浆时，在计算机控制下移动沉积头，以便根据作为基础的（underlying）3D模型产生一层构造材料。特别地，沉积头对呈带状的新制混凝土或灰浆材料进行放置。为允许新制混凝土或灰浆通过递送过程的每一部分而顺利地移动到沉积头，必须保证新制材料的一致的流变性。
然而，构造材料不仅必须是充分流动的以达到输送和挤出目的，而且还必须是充分稳固的以便在水硬性粘结料定型之前提供3D打印结构的所需的机械稳定性。特别地，构造材料的下层应承受住由上层施加的负荷而不会塌陷。因此，本领域技术人员将倾向于监控随时间的推移材料的硬化和定型。材料必须定型得足够早并充分硬化以承受住后续放置层的重量。然而，材料的硬化通常需要延长的时间，这不仅导致生产时间延长，而且还导致层之间的粘合强度降低。为了增强层之间的粘合强度，在前一层仍为新制的时放置一层将是有益的。这进而有个缺点，即一层新近放置的混凝土不具有能够承受住后续放置层的重量的足够的机械强度。
发明内容
因此，本发明旨在改进初始限定的种类的3D打印过程，以便克服上文提及的问题。特别地，本发明旨在提供一种特定的水硬性组合物和一种方法，其允许利用在连续构造材料层的放置之间的短时间间隙的快速构造进度，且同时提供层的足够的机械强度，该机械强度能够承受住后续放置的层的重量。
为了解决该目的，根据本发明的方法包括：
将可流动构造材料输送到沉积头，
通过沉积头的出口来放置构造材料以便形成一层构造材料，
在放置构造材料之前，将流变改性剂添加到构造材料中，使得当与输送步骤期间的材料相比时，所放置的材料具有增加的屈服应力。
因此，本发明是基于这样的概念：所放置的层承受住其自身重量的能力与其流变性有关，且更具体地与其屈服应力有关。在结构的逐层建造期间，第一个放置的层经受最重的负荷。为了确保该过程期间的结构稳定性，屈服应力必须足以承受住该负荷。通过就在放置流体构造材料前不久将流变改性剂添加到该材料中，构造材料保持它的如下能力：在处于其新制状态时相对低的剪切应力下流动到沉积头，但在被放置时受到足够高的屈服应力以便防止材料在其自重或下一层的重量下塌陷。因此，本发明方法结合了两个看似相对的特性：构造材料易于泵送和材料一旦被放置就具有增加的屈服应力。
构造材料可以是灰浆，即水硬性粘结料的混合物，潜在地附加的矿物组分，诸如磨碎的石灰岩、水、沙子和化学外加剂。
构造材料还可以是混凝土，即水硬性粘结料、潜在地附加的矿物组分的混合物，附加的矿物组分诸如磨碎的石灰岩、水、沙子、砾石和化学外加剂。
在优选实施例中，构造材料是可流动的超高性能混凝土，即水泥、细石灰岩材料、微砂和/或沙子、高效减水外加剂、潜在地速凝剂和水的混合物，其在28天产生至少为100Mpa的抗压强度。
可在构造材料就要到达沉积头或在沉积头中之前将流变改性剂添加到构造材料中。
优选地，在放置构造材料之前，使流变改性剂和构造材料彼此混合，其中，优选地使用静态混合器以进行混合。
优选地，将流变改性剂连续地添加到输送的构造材料流中，使得实现连续过程。优选地，不仅流变改性剂的添加是连续实施的，而且流变改性剂与输送的构造材料流的混合也是连续实施的，使得当依照所根据的3D数据来移动沉积头时，可实现构造材料与流变改性剂的混合物的连续沉积。
优选地控制每单位时间连续地添加到构造材料流的流变改性剂的量，以便调节逐层放置的最终混合物中的流变改性剂与构造材料的限定的比。特别地，测量输送到沉积头的构造材料的流速，并调节添加到构造材料流的流变改性剂的流速以实现该限定的比。替代地，调节输送到沉积头的构造材料的固定流速并且选择添加到构造材料流中的流变改性剂的流速，以便实现该限定的比。
优选地，放置构造材料的步骤包括通过沉积头的喷嘴挤出呈糊状形式的构造材料。
优选地，选择添加到构造材料的流变改性剂的量，使得一层所放置的材料具有足够的稳定性以便在其自重或放置在顶部上的（一个或多个）后续层的重量下不会塌陷。在这方面，优选的操作模式包括：在放置第一层构造材料之后，将至少一层后续的构造材料放置到第一层上，其中，选择添加到构造材料中的流变改性剂的量以便增加屈服应力，使得第一层在所述至少一个后续层的负荷下不会塌陷。
在这方面，“不会塌陷”意指该层的高度在至少一个后续层的负荷下不会降低超过10％，优选地超过5％。
由于本发明方法旨在实现快速构造进度，所以应优选地以最小构造速度来满足以上稳定性标准，该最小构造速度由两个相继材料层的放置之间的最大时间间隙限定。根据优选的操作模式，在将后续层的构造材料放置到第一层的构造材料上之前，允许第一层的所述构造材料在不超过2分钟的时间段期间、优选地在30至60秒的时间段期间稳定下来（rest）。
根据本发明的优选实施例，新近放置的构造材料的屈服应力为600至4000 Pa。因此，优选地继续进行，使得添加到构造材料中的流变改性剂的量被选择成以便将屈服应力增加到600至4000 Pa。用剪式仪（scissometer）测量屈服应力。剪式仪由叶片组成，该叶片被插入到待测式的材料中并施加有增加的扭矩。当材料中发生故障时，叶片开始旋转，通常在扭矩达到其最大值时，所述最大值被认为是代表材料屈服应力的特性值。优选地，在材料已被放置之后的30至60秒内实施屈服应力测量。
根据本发明的流变改性剂的添加导致在放置后几乎立即（也就是说，在定型发生之前）获得了增加的屈服应力性质。因此，通过本发明实现的屈服应力的增加与构造材料的水硬性粘结料的定型过程无关。因此，本发明通常不用控制或加速定型过程。
然而，在本发明的优选实施例中，通过附加地加速定型过程可取得甚至更好的结果。这允许进一步提高施工速度。特别地，在输送步骤之前、期间和/或之后，优选地将定型或硬化加速剂盐添加到水硬性粘结料中，所述定型或硬化加速剂盐诸如为：例如，氯化钠、氯化钙、氢氧化铝、硫酸铝钾、硅酸钠、硝酸钙和/或亚硝酸钙、硫氰酸钠和/或硫氰酸钙。还可使用速凝剂，其既用作定型促进剂又用作流变改性剂。可提到硫酸铝钾和硅酸钠以作为提供两种功能的外加剂的示例。
还可使用通常用于喷射混凝土应用的商业加速剂，诸如Sika 40 AF或CHRYSO®Jet产品，其用量（dosage）包括在水硬性粘结料的总重量的1.0与10％之间、更优选地在3.0％与7％之间。
流变改性剂可以是在水硬性粘结料发生定型之前增加所放置的材料的屈服应力的任何外加剂。优选地，将增稠剂或粘度增强剂用作所述流变改性剂。该试剂优选地以液体形式使用。特别地，将淀粉醚、纤维素醚和/或韦兰胶用作流变改性剂或用作流变改性剂的一种组分。已利用以下外加剂取得了特别好的结果： 由Avebe提供的Foxcrete S200（淀粉醚）、由SNF Floerger SAS提供的Aquasorb 2611（水溶性聚丙烯酰胺）、由SE TyloseGmbH＆Co.KG提供的Tylose MHS 300000 P6（水溶性、非离子、高度醚化的甲基羟乙基纤维素）、由CP Kelco提供的KelcoCrete（定优胶）、以及酪蛋白。
本发明方法的输送步骤包括将处于可流动状态的构造材料输送到沉积头。特别地，通过泵送来执行构造材料的输送。优选地，材料在潮湿状态下输送并且准备好放置，而不需要添加任何附加的组分（流变改性剂除外）。
优选地，新制构造材料（诸如，新制混凝土或新制灰浆）被存储在筒仓或任何其他存储容器中或者预拌混凝土（ready-mix）运送车的混合器中，并从存储场所直接输送到沉积头。
优选地，在输送步骤期间（即，在添加流变改性剂之前），构造材料被设计成自流平的。特别地，当用剪式仪测量时，待输送的材料的屈服应力在200至400 Pa之间。
为了实现上述的可输送性或可泵送性，在输送步骤之前，优选地将减水剂添加到构造材料中，所述减水剂特别地为塑化剂或超塑化剂，优选地为基于聚氧聚羧酸盐或膦酸盐的塑化剂。
减水剂使得有可能针对给定的可加工性将混合水的量减少通常10至15％。以减水剂为例，可提及木质素磺酸盐、羟基羧酸、碳水化合物和其他特定的有机化合物（例如，丙烯酸、聚乙烯醇、铝甲基硅酸钠和对氨基苯磺酸，如Concrete Admixtures Handbook（Properties Science and Technology，V.S. Ramachandran，Noyes Publications，1984年）中所描述的那样。
超塑化剂属于一类新的减水剂，并且能够针对给定的可加工性将混合水的水含量减少近似30%（以质量计）。以超塑化剂为例，可注意到PCP超塑化剂。根据本发明，术语“PCP”或“聚氧聚羧酸盐（polyoxy polycarboxylate）”应理解为丙烯酸或甲基丙烯酸及其聚氧乙烯（POE）酯的共聚物。
已利用以下类型的超塑化剂取得了良好的结果： CHRYSO®Premia、基于PCP的高效减水剂、BASF MasterGlenium 27、基于PCP的高效减水剂、以及CHRYSO®Optima 100、基于膦酸盐的高效减水剂。
优选地，构造材料包括0.05至1％、更优选地0.05至0.5％的减水剂、塑化剂或超塑化剂，百分比是以相对于干水泥质量以质量计来表达的。
为了减少和控制灰浆中夹带的空气量，可添加消泡剂。灰浆或混凝土中不受控制的更高的空气水平将降低所有阶段的机械强度，并且以不受控制的方式增加新制构造材料的流变性。
消泡剂可例如选自由以下各者的组：矿物油、有机聚合物、表面活性剂和矿物混合物、聚醚硅氧烷和硅粉（fume silica）混合物、聚二甲基硅氧烷及其混合物。
已利用Dehydran 1922实现了良好的效果。由BASF生产的这种消泡剂是表面活性剂和矿物的混合物。优选地，构造材料包括0.1至0.3重量％的这种添加剂。
在本发明方法中使用的构造材料是基于水硬性粘结料的材料，即通过与水接触凝固和固化产生强度形成阶段的任何材料（诸如，灰浆或混凝土）。水硬性粘结料优选地包括普通或白色波特兰水泥或由其组成。如本发明中使用的波特兰水泥可以是任何类型的波特兰水泥。合适的水泥是2012年4月的欧洲NF EN 197-1标准中描述的水泥或其混合物，优选地CEM I、CEM II、CEM III、CEM IV或CEM V类型的水泥。
当使用Le Teil水泥厂生产的白水泥CEM I 52.5N或Le Teil水泥厂生产的HTS水泥时，已取得了良好的结果。
可将各种矿物添加剂（诸如为：例如，粒状高炉矿渣（gbfs）、飞灰、天然火山灰、煅烧粘土或经研磨的石灰岩）添加到波特兰水泥中，以便获得波特兰复合水泥。在大多数应用中，矿物添加剂（通常在总粘结料重量的10与50重量％之间）是经研磨的粒状高炉矿渣、飞灰、火山灰、经研磨的石灰岩或其混合物。
本发明中使用的构造材料的水/粘结料比（重量/重量比）优选地为0.25至0.5，更优选地为0.3至0.4。水/粘结料比可能变化，例如由于在使用这些矿物添加剂时它们对水的需求量不同。水/粘结料比被限定为水的量与水硬性粘结料（波特兰水泥和矿物添加剂）的干质量的以质量计的比。
在优选实施例中，构造材料是由沙子、波特兰水泥、石灰岩填料和超塑化剂制成的自流平灰浆。
具体实施方式
现将通过参考以下示例和图1中所示的设备的示例性实施例来更详细地描述本发明，该设备适合于实施本发明的方法。
示例1
制备具有以下组合物的灰浆：
- 2058.6克NAG3 Ductal预混料，
- 11.33克CHRYSO®Optima 100，
- 201.7克水。
该灰浆具有根据流度台法（ASTM C230）测量的140 mm的坍落流动度（slumpflow）。由于新制灰浆是自密实的，其屈服应力是低的，并且低于400 Pa。
以在0.7与1.3 L/min之间的流速泵送材料。在机器人的沉积头中，将一定量的Sika 40 AF与灰浆混合，灰浆的用量在21与36 g/L之间。
利用剪式仪测量的所放置的材料的屈服应力被估计为在800与1200 Pa之间。
将连续的材料层放置在彼此的顶部上，总高度近似为1米，持续时间为2小时。
观察到这些层没有塌陷，并且完全遵守打印物体的预期形状。
允许这些层定型和硬化达24小时，之后可操纵所打印的元件。
示例2
制备具有以下组合物的灰浆：
- 569.3克白水泥CEM I 52.5N Le Teil，
- 来自Omya的350.1克石灰岩填料BL 200，
- 来自Sibelco的1004.8克沙子Sablon 0/0.315，
- 来自BASF的11.16克Glenium 27，
- 270.0克水。
该灰浆具有根据流度台Marsh Cone法（ASTM C230）测量的210 mm的坍落流动度。由于新制灰浆是自密实的，其屈服应力是低的，并且低于400 Pa。
在泵送系统上测试该配方，而无需任何机器人沉积装置。
以1.9 L/min的流速泵送材料。在挤出头中，以0.4 g/L的灰浆剂量添加FoxcreteS200。
在2500 Pa时测量所放置的材料的屈服应力。
在挤出步骤之后，该材料是自支撑的。20分钟之后，以一层在另一层之上的方式手动地放置多达4层，并且这些层不会塌陷。
图1示出了适合于实施本发明的方法的设备。在图1中，从存储设施或从现场配料厂供应自流平（self-leveling）灰浆1。灰浆被输送到灰浆泵2，所述灰浆泵通过管3输送灰浆。管3穿过安全区4，该安全区包括至管3的各种连接。第一连接用于将冲洗水源5连接到管3，以便不时地清洁输送系统的管道。此外，紧急出口6连接到管3，以用于在管3中发生超压的情况下去除灰浆。借助于压力计7来测量管3中的压力。此外，提供破裂盘8，其可被设计为保护管3免于过量增压的非重闭式压力释放装置。
在离开安全区4之后，管3通向机器人9，所述机器人包括沉积头10。机器人9包括驱动单元（未示出），所述驱动单元沿由电子控制模块基于待要构建的物体的3D模型数据所确定的路径来移动沉积头10。机器人9包括静态混合器11，灰浆通过管3输送到该静态混合器。混合器11用于将灰浆与从储罐12馈送到机器人9的流变改性剂混合。流变改性剂被供应到泵13，所述泵通过管14将该试剂输送到机器人9。管14包括布置在泵13下游的若干连接，即一个连接用于紧急出口15，一个连接用于破裂盘16，以及一个连接用于压力计17。
管14进入管3中，其中插入了止回阀18。借助于压力计19来测量混合器11之后的压力。离开混合器11的混合物可被馈送到用于排出混合物的废物部分的管20，或可被馈送到通向沉积头以用于通过喷嘴挤出混合物的管21。

Claims (13)

1.一种放置可流动构造材料的方法，所述可流动构造材料包括用于逐层建造结构部件的水硬性粘结料，诸如用于3D混凝土打印，所述方法包括：
将所述可流动构造材料输送到沉积头，
通过所述沉积头的出口来放置所述构造材料以便形成一层构造材料，
在放置所述构造材料之前，将流变改性剂添加到所述构造材料中，使得当与所述输送步骤期间的所述材料相比时，放置的材料在发生定型之前具有增加的屈服应力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，放置所述构造材料的步骤包括通过所述沉积头的喷嘴挤出呈糊状形式的所述构造材料。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在放置第一层构造材料之后，将构造材料的至少一个后续层放置到所述第一层上，其中，添加到所述构造材料中的流变改性剂的量被选择成以便增加所述屈服应力，使得所述第一层在所述至少一个后续层的负荷下不会塌陷。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述新近放置的构造材料的屈服应力为600至4000 Pa。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在将构造材料的后续层放置到所述第一层的构造材料上之前，允许所述第一层的所述构造材料在不超过2分钟的时间段期间、优选地在30至60秒的时间段期间稳定下来。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，将所述流变改性剂连续地添加到输送的构造材料流中。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在放置所述构造材料之前，使所述流变改性剂和所述构造材料彼此混合，其中，优选地使用静态混合器以进行混合。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，在所述输送步骤之前，将减水剂添加到所述水硬性粘结料中，所述减水剂特别地为塑化剂或超塑化剂，优选地为基于聚氧聚羧酸盐或膦酸盐的塑化剂，其中，通过泵送来执行所述构造材料的输送。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，在所述输送步骤之前，优选地将定型加速剂添加到水硬性粘结料中，所述定型加速剂诸如为：例如，氯化钠、氯化钙、氢氧化铝、硫酸铝钾、硅酸钠、硝酸钙和/或亚硝酸钙、硫氰酸钠和/或硫氰酸钙。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，将增稠剂或粘度增强剂用作所述流变改性剂。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，将淀粉醚、纤维素醚、水溶性聚丙烯酰胺、酪蛋白、和/或韦兰胶用作所述流变改性剂或用于所述流变改性剂中。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述构造材料是混凝土或水泥灰浆。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述构造材料是超高性能混凝土。
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