CN111852025B - 基于3d打印的高强度混凝土施工方法 - Google Patents

Abstract

基于3D打印的高强度混凝土施工方法，包括S1）3D打印混凝土轮廓；S2)预制钢筋网；S3）嵌入钢筋网；S4）放入骨料；S5）振捣骨料；S6）浇筑砂浆；S7）覆盖面层混凝土。将3D打印技术与混凝土配筋相结合，通过在3D打印好的混凝土中置入预制钢筋网，增加混凝土整体强度，通过优化钢筋网布置方式，进一步增加3D打印混凝土强度，通过加入骨料和砂浆的方式，能够在混凝土构件整体强度高、钢筋网较密无法振捣的情况下，加快达到最大整体强度，通过流程化作业使本专利各道工序可采用流水线生产方式进行，能够满足对整体强度要求较高的混凝土预制构件的大批量生产的要求，是一种基于3D打印技术的快速、高效、经济的高强度混凝土施工方法。

Description

基于3D打印的高强度混凝土施工方法

技术领域

本发明涉及3D打印混凝土施工技术领域，特别是一种基于3D打印的高强度混凝土施工方法。

背景技术

3D打印技术正处于快速发展阶段，已逐步开始应用到工程实践中。但是，目前3D打印技术还不成熟，由于结构强度较高的混凝土要求在混凝土中配置钢筋和径骨料，而3D打印的设备属性使两者难以实现，限制了3D打印混凝土的整体强度。

现有技术中也有使用3D打印进行混凝土施工的方法，例如中国专利文献CN107034917A记载了一种城市管廊施工混凝土无模打印浇筑工艺，工艺流程包括，S1 )绑扎钢筋笼；S2)配比并搅拌混凝土；S3 )采用行走式3D打印机打印管廊地 面层外模板，打印时加入速凝外加剂；S4)行走式3D打印机拖带振捣器对混凝土泵车浇注的地面 混凝土进行拖拽式振捣整平；S5 )采用混凝土管廊3D打印机进行垂直墙体打印，打印时加入速凝外加剂；S6)完成竖向垂直墙体打印后，绑扎管廊顶层钢筋笼，并支护边模；S7)由行走式打印机按地面控制系统的打印程序完成顶层浇注、振捣和平整。采用3D打印混凝土新工艺，彻底颠覆传统的管廊施工工艺， 可以节约数以万计的建造成本，并且极大的加快了管廊的施工速度，本工艺不仅可以节约 大量支护资材，而且将混凝土浇注中的钢筋工、模板工、混凝土工三个工种缩减成为一个工 种，节省人工50％以上。但此工艺只能对特定的建筑构型进行施工，且不能解决对结构强度要求高的混凝土施工。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于3D打印的高强度混凝土施工方法，通过结合3D打印的立体属性，先打印出外轮廓，再在外轮廓内设置钢筋网和混凝土，可以批量化的生产出高强度混凝土构件。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

基于3D打印的高强度混凝土施工方法，施工的具体步骤为：

步骤一、3D打印混凝土轮廓；

步骤二、预制钢筋网；

步骤三、嵌入钢筋网；

步骤四、放入骨料；

步骤五、振捣骨料；

步骤六、浇筑砂浆；

步骤七、覆盖面层混凝土。

上述的步骤一具体过程为：使用3D打印设备打印出混凝土构件的底部和侧面周围的外部轮廓，此外部轮廓内容积方便进行后续的钢筋网放置和混凝土浇筑。

上述的步骤二具体过程为：根据混凝土构件内部形体尺寸，预制多层立体钢筋网，钢筋网上、下层间由竖向钢筋连接成一个整体，通过设置一体的立体钢筋网，增加钢筋之间的结构强度，便于后续嵌入放置时的起吊和放置作业。

上述的立体钢筋网每层的网孔间距不同，最上面一层网孔最大，下面各层网孔间距依次减小，每层网孔间距与使用骨料的分级粒径相匹配，也可设计为大小网孔间排布置的形式，以便让上层网孔在后续步骤中保留部分细骨料，钢筋网制作成多层立体形式，可以让钢筋网和骨料在混凝土构件中合理、均匀地分布；

每层钢筋网不一定为平面形式，可选择台阶式或斜坡式，使各个端面均有钢筋，使钢筋布置更为均匀。

上述的步骤三的具体过程为：在3D打印的外廓混凝土还未初凝时嵌入放置所预制的钢筋网，由于钢筋网比3D打印成型的混凝土预制件内部尺寸略大，每层钢筋网的钢筋端头部分嵌入外轮廓混凝土中，放入的过程中钢筋网各个方向的钢筋端头会部分嵌入外轮廓混凝土中，以便内部钢筋网和后续浇筑的混凝土与外轮廓混凝土紧密结合，而且混凝土的浆液还会填充至钢筋嵌入外轮廓混凝土时在外轮廓混凝土上留下的槽痕中，使外轮廓混凝土、钢筋网、内部填充混凝土更好形成一个整体，从而确保整体连接的紧密性，形成更高的整体强度。

上述的步骤四具体过程为：在钢筋网最上层放入混合骨料，混合骨料由与每层钢筋网网孔间距相匹配到的分级粒径骨料混合而成，每种粒径骨料总量和由每层钢筋网之间空间容积和混凝土骨料配比计算得出，上部钢筋网优选设计为凹形结构，可以放入更多骨料，以便后续骨料的分级振捣。

上述的步骤五具体过程为：使用振捣器在混凝土轮廓上方计最上层钢筋网上所铺设混合骨料上进行振捣，使上层混合骨料通过钢筋网孔依次落到钢筋网上，优选使用平板振捣器，为使振捣均匀，可以批次放入骨料，多次进行振捣。

上述的步骤六具体过程为：所浇筑砂浆为自密实砂浆或含小粒胫骨料的混凝土，小粒径股料粒径小于所述的最小网孔钢筋网对于的骨料粒径，这样在混凝土构件整体强度较高、钢筋网较密，在无法振捣的情况下，可以快速达到最大的整体强度。

上述的步骤七具体过程为：在混凝土构件的顶面用3D打印的方法覆盖一层面层混凝土，以形成美观的整体效果。

使用上述方法可以对整体强度要求高、批量大的混凝土预制构件进行快速、流水线式的制造方法，使得生产高效、经济。

以下两种方法属于上述施工方法的简化，针对不同的施工要求和硬件条件作出不同的施工策略变化：

1）基于3D打印的高强度混凝土施工方法，施工的具体步骤为：

步骤一、使用3D打印设备打印出混凝土构件的底部和侧面周围的外部轮廓；

步骤二、待3D打印混凝土轮廓成型凝固后，浇筑混凝土；

步骤三、对浇筑的混凝土进行振捣；

步骤四、覆盖面层混凝土；

此方法混凝土选用掺入丹强丝等的强化纤维混凝土，可以批量生产强度较高的混凝土预制件。

此方法在3D打印轮廓直接成型后不设置钢筋网直接进行浇筑混凝土，并在3D打印混凝土轮廓内进行适当振捣，此方法在3D打印外轮廓内不设置钢筋网，利于混凝土在轮廓内的混合均匀，通过掺入强化纤维混凝土可以提高强度，适合在整体外形尺寸不大不便于设置钢筋网，但对结构强度要求较高的场合使用。

2）基于3D打印的高强度混凝土施工方法，施工的具体步骤为：

步骤一、使用3D打印设备打印出混凝土构件的底部和侧面周围的外部轮廓；

步骤二、根据混凝土构件内部形体尺寸，预制多层立体钢筋网，钢筋网上、下层间由竖向钢筋连接成一个整体；

步骤三、在3D打印的外廓混凝土还未初凝时嵌入放置所预制的钢筋网，每层钢筋网的钢筋端头部分嵌入外轮廓混凝土中；

步骤四、浇筑，浇筑砂浆或者自密实混凝土，并分层进行振捣；

步骤五、覆盖面层混凝土；

此方法放置钢筋网后，不放入骨料即进行混凝土浇筑，使用自密实混凝土浇筑即可形成高强度混凝土，省去了骨料的添加和振捣，使得生产效率更高。

本发明提供一种基于3D打印的高强度混凝土施工方法，在充分利用3D打印技术在立体成型上快速、高效、异性结构方便化的基础上，很好地解决了3D打印高强度、结构配筋混凝土的难题，同时兼有快速、经济、简便、流水线、自动化生产的优势，在各施工领域有很好地应用和推广价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明3D打印混凝土轮廓示意图；

图2为嵌入钢筋网示意图；

图3为下层钢筋网端面的示意图；

图4为添加骨料示意图；

图5为振捣骨料示意图；

图6为浇筑砂浆示意图；

图7为浇筑完毕示意图。

具体实施方式

如图1-7中所示，基于3D打印的高强度混凝土施工方法，施工的具体步骤为：

步骤一、3D打印混凝土轮廓；

步骤二、预制钢筋网；

步骤三、嵌入钢筋网；

步骤四、放入骨料；

步骤五、振捣骨料；

步骤六、浇筑砂浆；

步骤七、覆盖面层混凝土。

如图1中所示，3D打印混凝土轮廓的具体过程为：使用3D打印设备打印出混凝土构件的底部和侧面周围的外部轮廓，在轮廓的底部和侧面轮廓之间形成上部开口的容积空间，此外部轮廓内容积方便进行后续的钢筋网放置和混凝土浇筑。

如图2中所示，预制钢筋网的具体过程为：根据混凝土构件内部形体尺寸，预制多层立体钢筋网，钢筋网上、下层间由竖向钢筋连接成一个整体，通过设置纵横交错一体的立体钢筋网，增加钢筋之间的结构强度，便于后续嵌入放置时的起吊和放置作业。

如图2和3中所示，立体钢筋网每层的网孔间距不同，最上面一层网孔最大，下面各层网孔间距依次减小，每层网孔间距与使用骨料的分级粒径相匹配，也可设计为大小网孔间排布置的形式，以便让上层网孔在后续步骤中保留部分细骨料，钢筋网制作成多层立体形式，可以让钢筋网和骨料在混凝土构件中合理、均匀地分布；

如图4-7中所示， 每层钢筋网不一定为平面形式，可选择台阶式或斜坡式，可以使各个端面均有钢筋，使钢筋布置更为均匀，具体钢筋网的形式还可根据混凝土构件的尺寸结构进行优化设计，也可在每层钢筋网设置导流孔，方便对每层钢筋网进行骨料添加和混凝土浇筑，具体以构件和施工环境的实际情况为考量要素。

如图3中所示，嵌入钢筋网的具体过程为：在3D打印的外廓混凝土还未初凝时嵌入放置所预制的钢筋网，由于钢筋网比3D打印成型的混凝土预制件内部尺寸略大，每层钢筋网的钢筋端头部分嵌入外轮廓混凝土中，放入的过程中钢筋网各个方向的钢筋端头会部分嵌入外轮廓混凝土中，以便内部钢筋网和后续浇筑的混凝土与外轮廓混凝土紧密结合，而且混凝土的浆液还会填充至钢筋嵌入外轮廓混凝土时在外轮廓混凝土上留下的槽痕中，使外轮廓混凝土、钢筋网、内部填充混凝土更好形成一个整体，从而确保整体连接的紧密性，形成更高的整体强度。

如图4中所示，放入骨料的具体过程为：在钢筋网最上层放入混合骨料，混合骨料由与每层钢筋网网孔间距相匹配到的分级粒径骨料混合而成，每种粒径骨料总量和由每层钢筋网之间空间容积和混凝土骨料配比计算得出，上部钢筋网优选设计为凹形结构，可以放入更多骨料，以便后续骨料的分级振捣。

如图5中所示，放入骨料振捣具体过程为：使用振捣器在混凝土轮廓上方计最上层钢筋网上所铺设混合骨料上进行振捣，使上层混合骨料通过钢筋网孔依次落到钢筋网上，优选使用平板振捣器，为使振捣均匀，可以批次放入骨料，多次进行振捣。

如图6中所示，浇筑砂浆的具体过程为：所浇筑砂浆为自密实砂浆或含小粒胫骨料的混凝土，小粒径股料粒径小于所述的最小网孔钢筋网对于的骨料粒径，这样在混凝土构件整体强度较高、钢筋网较密，在无法振捣的情况下，可以快速达到最大的整体强度。

如图7中所示，在混凝土构件的顶面用3D打印的方法覆盖一层面层混凝土，以形成美观的整体效果。

使用上述方法可以对整体强度要求高、批量大的混凝土预制构件进行快速、流水线式的制造方法，使得生产高效、经济。

以下两种方法属于上述施工方法的简化，针对不同的施工要求和硬件条件作出不同的施工策略变化：

1）基于3D打印的高强度混凝土施工方法，施工的具体步骤为：

步骤一、使用3D打印设备打印出混凝土构件的底部和侧面周围的外部轮廓；

步骤二、待3D打印混凝土轮廓成型凝固后，浇筑混凝土；

步骤三、对浇筑的混凝土进行振捣；

步骤四、覆盖面层混凝土；

此方法混凝土选用掺入丹强丝等的强化纤维混凝土，可以批量生产强度较高的混凝土预制件。

此方法在3D打印轮廓直接成型后不设置钢筋网直接进行浇筑混凝土，并在3D打印混凝土轮廓内进行适当振捣，此方法在3D打印外轮廓内不设置钢筋网，利于混凝土在轮廓内的混合均匀，通过掺入强化纤维混凝土可以提高强度，适合在整体外形尺寸不大不便于设置钢筋网，但对结构强度要求较高的场合使用。

2）基于3D打印的高强度混凝土施工方法，施工的具体步骤为：

步骤一、使用3D打印设备打印出混凝土构件的底部和侧面周围的外部轮廓；

步骤二、根据混凝土构件内部形体尺寸，预制多层立体钢筋网，钢筋网上、下层间由竖向钢筋连接成一个整体；

步骤三、在3D打印的外廓混凝土还未初凝时嵌入放置所预制的钢筋网，每层钢筋网的钢筋端头部分嵌入外轮廓混凝土中；

步骤四、浇筑，浇筑砂浆或者自密实混凝土，并分层进行振捣；

步骤五、覆盖面层混凝土；

此方法放置钢筋网后，不放入骨料即进行混凝土浇筑，使用自密实混凝土浇筑即可形成高强度混凝土，省去了骨料的添加和振捣，使得生产效率更高。

如整体强度要求不高，还可根据结构设计情况选择结构型钢筋网（即钢筋量很少，不会影响混凝土中大骨料的流动），这样在注入普通混凝土后可插入小型振捣棒进行适当振捣。

下面以桥墩的3D打印混凝土施工为实施例：

步骤一、根据桥墩的外形尺寸，决定3D打印混凝土外轮廓结构参数，将需要3D打印的桥墩混凝土外轮廓在3D混凝土施工设备上进行加工程序编制，利用3D打印混凝土施工设备打印出桥墩的混凝土外轮廓，形成以桥墩外壳和底部为基础的内部容积空间；

步骤二、根据桥墩混凝土外轮廓的内部尺寸制作多层立体桥墩钢筋网，钢筋网上、下层间由竖向钢筋连接成一个整体，钢筋网每层的网孔间距不同，最上面一层网孔最大，下面各层网孔间距依次减小；

步骤三、在桥墩的3D打印混凝土外轮廓还未初凝时嵌入预制好的多层立体桥墩钢筋网，确保每层钢筋网的放入的过程中钢筋网各个方向的钢筋端头会部分嵌入外轮廓混凝土中，嵌入过程中调整好钢筋网与外轮廓之间的相对位置，使钢筋端头嵌入外轮廓的内的长度尽量一致，也可使用专用工装对嵌入钢筋网过程进行导向以便更好控制嵌入长度；

步骤四、待外轮廓和钢筋网的混合体充分凝固后，在钢筋网的最上层利用传送装置添加不同粒径的混合骨料，每种粒径对应相应层钢筋网的网孔间距，每张粒径的骨料总量对应相应钢筋网层的容积；

步骤五、在添加骨料后，使用平板振捣器对骨料进行振捣，使上层骨料依次落至相应的钢筋网层空间中，振捣和骨料添加间隔进行以便充分振捣；

步骤六、骨料添加和振捣完成后，向桥墩内部添加自密实混凝土，浇筑的同时使用混凝土振动棒对每层混凝土层进行充分振动，随着混凝土的升高振动棒对每层混凝土依次进行振动均匀；

步骤七、再浇筑完成后，在桥墩的顶面使用3D打印设备覆盖一层面层混凝土，使得顶面平整美观，方便凝固后在桥墩上添加其他装置。

本专利采用创新性方法，在充分将3D打印技术与混凝土配筋相结合，通过在3D打印好的混凝土中置入预制钢筋网，增加混凝土整体强度，通过优化钢筋网布置方式，进一步增加3D打印混凝土强度，通过加入骨料和砂浆的方式，能够在混凝土构件整体强度高、钢筋网较密无法振捣的情况下，加快达到最大整体强度，通过流程化作业使本专利各道工序可采用流水线生产方式进行，能够满足对整体强度要求较高的混凝土预制构件的大批量生产的要求，是一种基于3D打印技术的快速、高效、经济的高强度混凝土施工方法。

Claims (5)

1.基于3D打印的高强度混凝土施工方法，其特征在于，施工的具体步骤为：

步骤一、3D打印混凝土轮廓；

步骤二、预制钢筋网；

步骤三、嵌入钢筋网；

步骤四、放入骨料；

步骤五、振捣骨料；

步骤六、浇筑砂浆；

步骤七、覆盖面层混凝土；

所述的步骤二具体过程为：根据混凝土构件内部形体尺寸，预制多层立体钢筋网，钢筋网上、下层间由竖向钢筋连接成一个整体；

所述的立体钢筋网每层的网孔间距不同，最上面一层网孔最大，下面各层网孔间距依次减小，每层网孔间距与使用骨料的分级粒径相匹配；

所述的钢筋网每层可选择台阶式或斜坡式；

所述的步骤三具体过程为：在3D打印的外廓混凝土还未初凝时嵌入放置所预制的钢筋网，每层钢筋网的钢筋端头部分嵌入外轮廓混凝土中。

2.根据权利要求1所述的基于3D打印的高强度混凝土施工方法，其特征在于，所述的步骤一具体过程为：使用3D打印设备打印出混凝土构件的底部和侧面周围的外部轮廓。

3.根据权利要求1所述的基于3D打印的高强度混凝土施工方法，其特征在于，所述的步骤四具体过程为：在钢筋网最上层放入混合骨料，混合骨料由与每层钢筋网网孔间距相匹配到的分级粒径骨料混合而成，每种粒径骨料总量和由每层钢筋网之间空间容积和混凝土骨料配比计算得出。

4.根据权利要求3所述的基于3D打印的高强度混凝土施工方法，其特征在于，所述的步骤五具体过程为：使用振捣器在混凝土轮廓上方计最上层钢筋网上所铺设混合骨料上进行振捣，使上层混合骨料通过钢筋网孔依次落到钢筋网上。

5.根据权利要求4所述的基于3D打印的高强度混凝土施工方法，其特征在于，所述的步骤六具体过程为：浇筑自密实砂浆或含小粒径骨料的混凝土，小粒径骨料粒径小于最小网孔钢筋网对应的骨料粒径。

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