CN111945876A - 记忆合金增强3d打印混凝土结构及加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种记忆合金增强3D打印混凝土结构及加工方法，其中，记忆合金增强3D打印混凝土结构包括3D打印混凝土本体和记忆合金组件；3D打印混凝土本体采用3D逐层打印方式制成；记忆合金组件包括记忆合金箍筋和记忆合金棒，记忆合金箍筋锚固于3D打印混凝土本体的层间位置；记忆合金棒沿3D打印混凝土本体的纵向方向锚固于3D打印混凝土本体中；记忆合金箍筋及记忆合金棒均呈收缩变形状态，为3D打印混凝土本体提供环向和纵向的预应力。本发明的记忆合金增强3D打印混凝土结构整体力学性能大大增强，延性性能和耗能能力高，能够保证建筑结构的安全可靠。

Description

记忆合金增强3D打印混凝土结构及加工方法
技术领域
本发明涉及土木建筑技术领域，尤其是涉及一种记忆合金增强3D打印混凝土结构及加工方法。
背景技术
由于3D打印技术效率高、成本低、用料少、污染少、能够制造异形结构等特点，其在建筑领域的运用越来越广泛，各类3D打印混凝土建筑不断出现。但无论是一体式 3D打印混凝土建筑还是装配式3D打印混凝土建筑，其均需要与常规钢筋混凝土建筑一样为人类提供安全可靠的生活工作场所。
但由于3D打印的技术特点，建筑3D打印中往往只有混凝土这一单一材料，缺乏常规钢筋混凝土结构中的钢筋部分，因此其受力性能往往只能依靠于混凝土本身来提供。在地震等情况下，3D打印混凝土建筑缺乏足够的延性和耗能能力，当混凝土发生开裂时往往结构面临倒塌的风险。而相比于常规浇筑混凝土，3D打印混凝土的层间界面受力为其薄弱部位，较易率先出现层间受拉破坏。因此针对于建筑中3D打印混凝土结构，需要采用合适的预应力技术来增强混凝土的整体力学性能，提高其延性性能和耗能能力，保证建筑结构的安全可靠。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种记忆合金增强3D打印混凝土结构，其整体力学性能大大增强，延性性能和耗能能力高，能够保证建筑结构的安全可靠。
根据本发明第一方面实施例的记忆合金增强3D打印混凝土结构，包括：
3D打印混凝土本体，所述3D打印混凝土本体采用3D逐层打印方式制成；
记忆合金组件，所述记忆合金组件包括记忆合金箍筋和记忆合金棒，所述记忆合金箍筋锚固于所述3D打印混凝土本体的层间位置，所述记忆合金箍筋在发生收缩变形之前在打印所述3D打印混凝土本体的过程中由连接在打印喷头处的记忆合金丝线同步打印制成；所述记忆合金棒沿所述3D打印混凝土本体的纵向方向锚固于所述3D打印混凝土本体中；所述记忆合金箍筋及所述记忆合金棒均呈收缩变形状态，为所述3D打印混凝土本体提供环向和纵向的预应力。
根据本发明第一方面实施例的记忆合金增强3D打印混凝土结构，利用记忆合金箍筋的收缩变形为3D打印混凝土结构本体提供环向的预应力，来约束3D打印混凝土的环向膨胀，利用记忆合金棒的收缩变形为3D打印混凝土本体提供纵向的预应力，从而能够对3D打印混凝土本体提供整体的预压力，达到增强记忆合金增强3D打印混凝土结构的作用，使得记忆合金增强3D打印混凝土结构的力学性能增强，并保证记忆合金增强3D打印混凝土结构中混凝土破坏时的延性性能和耗能能力，保证建筑结构的安全可靠。
根据本发明第一方面的一个实施例，所述记忆合金箍筋的形状为环形或田字形。
根据本发明第一方面的一个实施例，所述记忆合金箍筋的表面为光圆状、螺纹状或带肋状。
根据本发明第一方面的一个实施例，所述3D打印混凝土本体中设有沿所述3D打印混凝土本体的纵向方向贯通的预留孔，所述记忆合金棒在发生收缩变形之前设置在所述预留孔中，所述记忆合金棒在发生收缩变形之前与所述预留孔的孔壁之间的间隙填充有通过浇筑超高性能水泥基材料而形成的浇筑件，所述浇筑件分别与所述记忆合金棒和所述3D打印混凝土本体粘结固定。
根据本发明第一方面进一步的实施例，所述记忆合金棒的表面为螺纹状或带肋状或磨砂状。
根据本发明第一方面进一步的实施例，所述记忆合金箍筋的收缩变形及所述记忆合金棒的收缩变形通过电加热方式得到。
根据本发明第一方面进一步的实施例，所述浇筑件为采用包含纤维的高强度水泥基材料浇筑而成。
根据本发明第一方面的一个实施例，所述3D打印混凝土本体为采用包含低掺量纤维、砂石、粘度调节剂的硅酸盐水泥基材料加工而成，或所述3D打印混凝土本体为采用包含低掺量纤维、砂石、粘度调节剂的硫酸铝盐水泥基材料加工而成。
本发明还提出了一种记忆合金增强3D打印混凝土结构的加工方法。
根据本发明第二方面实施例的记忆合金增强3D打印混凝土结构的加工方法，所述记忆合金增强3D打印混凝土结构为根据本发明第一方面任意一个实施例的所述的记忆合金增强3D打印混凝土结构，包括如下步骤：
利用混凝土3D打印机的打印喷头同时打印所述3D打印混凝土本体和未收缩变形的记忆合金箍筋，其中，所述未收缩变形的记忆合金箍筋位于所述3D打印混凝土本体的层间位置，所述3D打印混凝土本体中预留有沿所述3D打印混凝土本体的纵向方向的预留孔；
然后，将未收缩变形的记忆合金棒放在所述预留孔中后，向所述预留孔中浇筑超高性能水泥基材料，以填充所述未收缩变形的记忆合金棒与所述3D打印混凝土本体之间的间隙，待所述超高性能水泥基材料固化成所述浇筑件，将未收缩变形的记忆合金棒锚固于所述3D打印混凝土本体中；
最后，对所述未收缩变形的记忆合金棒及所述未收缩变形的记忆合金箍筋利用电加热设备进行电加热，使得所述未收缩变形的记忆合金棒及所述未收缩变形的记忆合金箍筋发生收缩变形，分别得到呈收缩变形状态的所述记忆合金棒和呈收缩变形状态的所述记忆合金箍筋。
根据本发明第二方面实施例的记忆合金增强3D打印混凝土结构的加工方法，可以获得记忆合金增强3D打印混凝土结构，利用记忆合金箍筋2的收缩变形为3D打印混凝土结构本体提供环向的预应力，来约束3D打印混凝土的环向膨胀，利用记忆合金棒 3的收缩变形为3D打印混凝土本体1提供纵向的预应力，从而能够对3D打印混凝土本体1提供整体的预压力，达到增强记忆合金增强3D打印混凝土结构的作用，使得记忆合金增强3D打印混凝土结构的力学性能增强，并保证记忆合金增强3D打印混凝土结构中混凝土破坏时的延性性能和耗能能力，保证建筑结构的安全可靠。
根据本发明第二方面的一个实施例，所述未收缩变形的记忆合金箍筋由打印喷头处的记忆合金丝线制成，所述记忆合金丝线连接的所述打印喷头为打印所述3D打印混凝土本体的打印喷头或另一个打印喷头。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明第一方面实施例的记忆合金增强3D打印混凝土结构的示意图。
图2为本发明第二方面实施例的记忆合金增强3D打印混凝土结构的加工方法的一个过程状态示意图。
图3为本发明第二方面实施例的记忆合金增强3D打印混凝土结构的加工方法的另一个过程状态示意图。
图4为本发明第二方面实施例的记忆合金增强3D打印混凝土结构的加工方法的再一个过程状态示意图。
附图标记：
记忆合金增强3D 打印混凝土结构1000
3D打印混凝土本体1 预留孔11
记忆合金箍筋2 记忆合金丝线21 未收缩变形的记忆合金箍筋2’
记忆合金棒3 未收缩变形的记忆合金棒3’
浇筑件4
与记忆合金丝线 21连接的打印喷头5
螺帽6
电加热设备7
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合图1来描述本发明第一方面实施例的记忆合金增强3D打印混凝土结构1000。
如图1所示，根据本发明第一方面实施例的记忆合金增强3D打印混凝土结构1000，包括：3D打印混凝土本体1和记忆合金组件。其中，3D打印混凝土本体1采用3D逐层打印方式制成；记忆合金组件包括记忆合金箍筋2和记忆合金棒3，记忆合金箍筋2 锚固于3D打印混凝土本体1的层间位置，记忆合金箍筋2在发生收缩变形之前在打印 3D打印混凝土本体1的过程中由连接在打印喷头5处的记忆合金丝线同步打印制成，以方便将记忆合金箍筋2锚固于3D打印混凝土本体1的层间；记忆合金棒3沿3D打印混凝土本体1的纵向方向锚固于3D打印混凝土本体1中，该纵向方向可以理解为3D 打印混凝土本体1的层增加方向；记忆合金箍筋2及记忆合金棒3均呈收缩变形状态，为3D打印混凝土本体1提供环向和纵向的预应力。
根据本发明第一方面实施例的记忆合金增强3D打印混凝土结构1000，利用记忆合金箍筋2的收缩变形为3D打印混凝土结构本体提供环向的预应力，来约束3D打印混凝土的环向膨胀，利用记忆合金棒3的收缩变形为3D打印混凝土本体1提供纵向的预应力，从而能够对3D打印混凝土本体1提供整体的预压力，达到增强记忆合金增强3D 打印混凝土结构1000的作用，使得记忆合金增强3D打印混凝土结构1000的力学性能增强，并保证记忆合金增强3D打印混凝土结构1000中混凝土破坏时的延性性能和耗能能力，保证建筑结构的安全可靠。
需要说明的是，记忆合金箍筋2和记忆合金棒3由具有形状记忆功能的金属材料制成，不限于镍钛合金，铁基形状记忆合金。
根据本发明第一方面的一个实施例，记忆合金箍筋2的形状为环形或田字形，其中该环形可以为三角形、方形、圆形等形状。由此，记忆合金箍筋2的形状为环形或田字形，有利于记忆合金箍筋2在收缩状态时为3D打印混凝土结构本体提供环向的预应力，来约束3D打印混凝土的环向膨胀，有利于增强3打印混凝土结构的作用。
根据本发明第一方面的一个实施例，记忆合金箍筋2的表面为光圆状、螺纹状或带肋状。记忆合金箍筋2的表面形状可以根据实际需要进行选择，例如记忆合金箍筋2的表面为螺纹状或带肋状，可以增加记忆合金箍筋2与3D打印混凝土本体1之间的锚固强度作用。
根据本发明第一方面进一步的实施例，3D打印混凝土本体1中设有沿3D打印混凝土本体1的纵向方向贯通的预留孔11，记忆合金棒3在发生收缩变形之前设置在预留孔 11中，记忆合金棒3在发生收缩变形之前与预留孔11的孔壁之间的间隙填充有通过浇筑超高性能水泥基材料而形成的浇筑件4浇筑件4，浇筑件4浇筑件4分别与记忆合金棒3和3D打印混凝土本体1粘结固定。由此，通过设置预留孔11，可以方便地将记忆合金棒3设置在3D打印混凝土本体1中，在记忆合金棒3与预留孔11的孔壁之间的间隙设有通过浇筑超高性能水泥基材料而形成的浇筑件4浇筑件4，从而使得浇筑件4浇筑件4分别与记忆合金棒3和3D打印混凝土本体1粘结固定，使得3D打印混凝土2 与记忆合金棒34之间形成稳定可靠的锚固连接，保证记忆合金棒3后期收缩变形对3D 打印混凝土本体1的加固增强作用。
根据本发明第一方面进一步的实施例，记忆合金棒3的表面为螺纹状、带肋状或磨砂状。可以理解的是，记忆合金棒3的表面形状可以根据实际需要选择螺纹状、带肋状或磨砂状，以增加记忆合金棒3与3D打印混凝土本体1之间的锚固强度。
根据本发明第一方面进一步的实施例，记忆合金箍筋2的收缩变形及记忆合金棒3的收缩变形通过电加热未发生变形的记忆合金箍筋及未发生收缩变形的记忆合金棒方式得到。由此，操作方便。
根据本发明第一方面进一步的实施例，浇筑件4浇筑件4为采用包含纤维的高强度水泥基材料浇筑而成。该纤维可以为聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、碳纤维、玻璃纤维或钢纤维等。通过在在高强度水泥基材料中掺入适量的纤维，可以获得超高性能水泥基材料，利用该超高性能水泥基材料来浇注预留孔11并固化形成浇筑件4浇筑件4，使得记忆合金棒3与3D打印混凝土本体1之间的锚固强度好，实现牢靠稳固的连接。
根据本发明第一方面的一个实施例，3D打印混凝土本体1为采用包含低掺量纤维、砂石、粘度调节剂的硅酸盐水泥基材料加工而成，或3D打印混凝土本体1为采用包含低掺量纤维、砂石、粘度调节剂的硫酸铝盐水泥基材料加工而成。由此，3D打印混凝土本体1的强度好。
根据本发明第一方面的一个实施例，记忆合金增强3D打印混凝土结构1000与其他部件进行组装时可由螺帽6通过紧固记忆合金棒3连接。
需要说明的是，如图1所示，记忆合金增强3D打印混凝土结构1000可以包括横梁和立梁，横梁和立梁形成T形结构。
本发明还提供一种记忆合金增强3D打印混凝土结构的加工方法。
根据本发明第二方面实施例的记忆合金增强3D打印混凝土结构的加工方法，记忆合金增强3D打印混凝土结构为根据本发明第一方面任意一个实施例的记忆合金增强 3D打印混凝土结构1000，包括如下步骤：
如图2所示，利用混凝土3D打印机的打印喷头同时打印3D打印混凝土本体1和未收缩变形的记忆合金箍筋2’，其中，未收缩变形的记忆合金箍筋2’位于3D打印混凝土本体1的层间位置，3D打印混凝土本体1中预留有沿3D打印混凝土本体的纵向方向贯通的预留孔11；
然后，如图3所示，将未收缩变形的记忆合金棒3’放在预留孔11中后，向预留孔 11中浇筑超高性能水泥基材料，以填充未收缩变形的记忆合金棒2’与3D打印混凝土本体1之间的间隙，待超高性能水泥基材料固化成浇筑件4，将未收缩变形的记忆合金棒3’锚固于3D打印混凝土本体1中；
最后，如图4所示，对未收缩变形的记忆合金棒3’及未收缩变形的记忆合金箍筋2’利用电加热设备7进行电加热，使得未收缩变形的记忆合金棒3’及未收缩变形的记忆合金箍筋2’发生收缩变形，分别得到呈收缩变形状态的记忆合金棒2(如图1所示) 和呈收缩变形状态的记忆合金箍筋3(如图1所示)。
根据本发明第二方面实施例的记忆合金增强3D打印混凝土结构的加工方法，可以获得记忆合金增强3D打印混凝土结构1000，利用记忆合金箍筋2的收缩变形为3D打印混凝土结构本体提供环向的预应力，来约束3D打印混凝土的环向膨胀，利用记忆合金棒3的收缩变形为3D打印混凝土本体1提供纵向的预应力，从而能够对3D打印混凝土本体1提供整体的预压力，达到增强记忆合金增强3D打印混凝土结构1000的作用，使得记忆合金增强3D打印混凝土结构1000的力学性能增强，并保证记忆合金增强3D 打印混凝土结构1000中混凝土破坏时的延性性能和耗能能力，保证建筑结构的安全可靠。
根据本发明第二方面的一个实施例，未收缩变形的记忆合金箍筋2’由打印喷头5处的记忆合金丝线21制成，记忆合金丝线21连接的打印喷头5为打印3D打印混凝土本体的打印喷头或另一个打印喷头。也就是说，记忆合金丝线21可以连接在打印3D打印混凝土本体1的同一打印喷头上(如图2所示)，即利用打印3D打印混凝土本体1 的同一打印喷头可以同步打印3D打印混凝土本体1和未收缩变形的记忆合金箍筋2’；记忆合金丝线21也可以连接在另一个打印喷头上，即利用两个打印喷头分别同步对应地打印3D打印混凝土本体1和未收缩变形的记忆合金箍筋2’。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨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，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种记忆合金增强3D打印混凝土结构，其特征在于，包括：
3D打印混凝土本体，所述3D打印混凝土本体采用3D逐层打印方式制成；
记忆合金组件，所述记忆合金组件包括记忆合金箍筋和记忆合金棒，所述记忆合金箍筋锚固于所述3D打印混凝土本体的层间位置，所述记忆合金箍筋在发生收缩变形之前在打印所述3D打印混凝土本体的过程中由连接在打印喷头处的记忆合金丝线同步打印制成；所述记忆合金棒沿所述3D打印混凝土本体的纵向方向锚固于所述3D打印混凝土本体中；所述记忆合金箍筋及所述记忆合金棒经过电加热后均呈收缩变形状态，为所述3D打印混凝土本体提供环向和纵向的预应力。
2.根据权利要求1所述的记忆合金增强3D打印混凝土结构，其特征在于，所述记忆合金箍筋的形状为环形或田字形。
3.根据权利要求1所述的记忆合金增强3D打印混凝土结构，其特征在于，所述记忆合金箍筋的表面为光圆状、螺纹状或带肋状。
4.根据权利要求1所述的记忆合金增强3D打印混凝土结构，其特征在于，所述3D打印混凝土本体中设有沿所述3D打印混凝土本体的纵向方向贯通的预留孔，所述记忆合金棒在发生收缩变形之前设置在所述预留孔中，所述记忆合金棒在发生收缩变形之前与所述预留孔的孔壁之间的间隙填充有通过浇筑超高性能水泥基材料而形成的浇筑件，所述浇筑件分别与所述记忆合金棒和所述3D打印混凝土本体粘结固定。
5.根据权利要求4所述的记忆合金增强3D打印混凝土结构，其特征在于，所述记忆合金棒的表面为螺纹状或带肋状或磨砂状。
6.根据权利要求4所述的记忆合金增强3D打印混凝土结构，其特征在于，所述记忆合金箍筋的收缩变形及所述记忆合金棒的收缩变形通过电加热方式得到。
7.根据权利要求4所述的记忆合金增强3D打印混凝土结构，其特征在于，所述浇筑件为采用包含纤维的高强度水泥基材料浇筑而成。
8.根据权利要求1所述的记忆合金增强3D打印混凝土结构，其特征在于，所述3D打印混凝土本体为采用包含低掺量纤维、砂石、粘度调节剂的硅酸盐水泥基材料加工而成，或所述3D打印混凝土本体为采用包含低掺量纤维、砂石、粘度调节剂的硫酸铝盐水泥基材料加工而成。
9.一种记忆合金增强3D打印混凝土结构的加工方法，其特征在于，所述记忆合金增强3D打印混凝土结构为根据权利要求1-8中任意一项所述的记忆合金增强3D打印混凝土结构，包括如下步骤：
利用混凝土3D打印机的打印喷头同时打印所述3D打印混凝土本体和未收缩变形的记忆合金箍筋，其中，所述未收缩变形的记忆合金箍筋位于所述3D打印混凝土本体的层间位置，所述3D打印混凝土本体中预留有沿所述3D打印混凝土本体的纵向方向的预留孔；
然后，将未收缩变形的记忆合金棒放在所述预留孔中后，向所述预留孔中浇筑超高性能水泥基材料，以填充所述未收缩变形的记忆合金棒与所述3D打印混凝土本体之间的间隙，待所述超高性能水泥基材料固化成所述浇筑件，将未收缩变形的记忆合金棒锚固于所述3D打印混凝土本体中；
最后，对所述未收缩变形的记忆合金棒及所述未收缩变形的记忆合金箍筋利用电加热设备进行电加热，使得所述未收缩变形的记忆合金棒及所述未收缩变形的记忆合金箍筋发生收缩变形，分别得到呈收缩变形状态的所述记忆合金棒和呈收缩变形状态的所述记忆合金箍筋。
10.根据权利要求9所述的记忆合金增强3D打印混凝土结构的加工方法，其特征在于，所述未收缩变形的记忆合金箍筋由打印喷头处的记忆合金丝线制成，所述记忆合金丝线连接的所述打印喷头为打印所述3D打印混凝土本体的打印喷头或另一个打印喷头。
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