CN111975926B - 一种3d打印混凝土缓粘结预应力增强构件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D打印混凝土缓粘结预应力增强构件及制备方法，该构件包括，3D打印混凝土层、粘性砂浆层、层间强化钢丝网和缓凝结预应力筋，3D打印混凝土层由并列的混凝土条构成，混凝土条内部纵向方向上设有缓凝结预应力筋；所述混凝土条由3D打印用超高性能混凝土砂浆进行3D打印制成，其组分包括：细砂、标号P·II52.5或以上的硅酸盐水泥、矿渣粉、硅灰、钢纤维、葡萄糖酸钠缓凝剂、淀粉醚、纤维素醚、触变润滑剂、聚羧酸系减水剂与水；本发明采用缓凝结预应力筋与3D打印混凝土结合，运用缓凝结预应力筋，在较少增加重量和厚度的前提下提高了3D打印混凝土抗裂性能和层间强度，提高了3D打印混凝土建筑承载力。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印混凝土领域，特别是涉及一种3D打印混凝土缓粘结预应力增强构件及其制备方法。
背景技术
3D打印是作为一种近年崛起的高新技术，已在模具制造、工业设计等领域取得较多成果，在建筑等领域的运用方兴未艾。而3D打印混凝土技术更是3D打印的一种全新尝试，有着巨大的发展空间，必将成为建筑工程发展史上的重大转折点。广泛地研究和推广3D打印混凝土技术，可以极大地推动建筑领域机械化、智能化、个性化以及绿色化的进程，甚至将大幅改变传统的建筑领域。
但是，现有的3D打印混凝土建筑，由于其各向同性差，导致打印混凝土缺乏整体性，使3D打印建筑的承载能力较低，无法满足部分房屋或构筑物中墙体的承载能力要求。因此，现有的3D打印混凝土技术，仍无法广泛地运用于一般混凝土建筑物。为推广3D打印混凝土技术，找到提高3D打印混凝土构件力学性能的方法是必要的。
缓粘结预应力是一种介于有粘结与无粘结预应力的新型混凝土技术，施工阶段可以如无粘结预应力技术一样自由拉伸预应力钢绞线，经养护后可达到与有粘结预应力相同的粘结强度。施工灵活，强度可靠，应用范围较广，在国际上得到了广泛的研究和应用。
3D打印技术为缓凝结预应力筋布置的自动化、机械化提供了有利的条件，将进一步扩展缓凝结预应力技术的应用范围。同时缓凝结预应力筋与 3D打印混凝土的结合，将有效提高3D打印混凝土的抗裂性能及整体性，提高其抗弯承载能力。并为钢筋加固3D打印混凝土提出了大胆设想，有望促进3D打印混凝土的广泛运用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种3D打印混凝土缓粘结预应力增强构件及其制备方法，可以大幅提升3D打印构件及建筑的结构强度和结构承载能力。
为实现上述的目的，本发明提供如下的技术方案：
本发明公开了一种3D打印混凝土缓粘结预应力增强构件，包括，3D打印混凝土层、粘性砂浆层、层间强化钢丝网和缓凝结预应力筋。
所述3D打印混凝土层设有多层，每层所述3D打印混凝土层由两条或多条并列的混凝土条构成，所述混凝土条长度相等，其中一层或者多层的所述混凝土条内部纵向方向上设有缓凝结预应力筋，所述缓凝结预应力筋两端均超出所在混凝土条；设有缓凝结预应力筋的3D打印混凝土层为含筋层；所述混凝土条由3D打印用超高性能混凝土砂浆进行3D打印制成，所述粘性砂浆层，由粘性砂浆构成；所述层间强化钢丝网，包括网体、缠绕部和突出部，所述层间强化钢丝网垂直于水平面沿所述3D打印混凝土层纵向设置，所述层间强化钢丝网通过所述缠绕部与所述缓凝结预应力筋连接，所述网体设置在含筋层的上一层及多层，所述突出部嵌入含筋层的下一层。
优选的，所述3D打印用超高性能混凝土砂浆按照重量百分比计算，包括以下组分：细砂45.0％、标号P·II52.5或以上的硅酸盐水泥30.0％、矿渣粉11.0％、硅灰9.0％、钢纤维5.0％、葡萄糖酸钠缓凝剂0.095％、淀粉醚0.0025％、纤维素醚0.0025％、触变润滑剂0.09％、聚羧酸系减水剂0.81％与水9％；
所述粘性砂浆选用：环氧树脂改性砂浆、氯丁胶乳改性砂浆、纤维增强砂浆或稀释的3D打印用超高性能混凝土砂浆。
优选的，所述缓凝结预应力筋包括，钢绞线束、波纹状高分子聚乙烯护套及缓凝胶粘剂，所述钢绞线束公称直径不大于10mm；所述缓凝结预应力筋任意位置处曲率半径不小于1m；所述缓凝结预应力筋两端均超出所在 3D打印混凝土层200mm；所述层间强化钢丝网的材质为镀锌钢丝，所述镀锌钢丝的直径为0.5mm，网孔1cm×1cm，网宽9cm，所述突出部的长度为 2cm。
优选的，所述缓凝结预应力筋设置在所述3D打印混凝土层的内部中线位置处；所述缓凝结预应力筋的公称直径为8.74mm；所述网体的长度等于所述钢绞线束的长度。
本发明公开了一种3D打印混凝土缓粘结预应力增强构件的制备方法，步骤如下：
步骤1、制备所述3D打印用超高性能混凝土砂浆。
步骤2、制作所述层间强化钢丝网以及所述缓凝结预应力筋。
步骤3、使用3D打印机，根据所需构件所需尺寸，打印并列的混凝土条形成所述3D打印混凝土层。
步骤4、在3D打印混凝土层上表面涂抹所述粘性砂浆形成所述粘性砂浆层。
步骤5、使用3D打印机在所述粘性砂浆层上表面继续打印所述3D打印混凝土层，根据所需构件所需尺寸，重复步骤4以及步骤5直至达到需要排布缓凝结预应力筋的层数。
步骤6、根据构件的尺寸、构件种类、力学性能，确定所述缓凝结预应力筋的平面排布位置，在所述含筋层铺设所述缓凝结预应力筋，并且在5 分钟内完成铺设。
步骤7、设置所述层间强化钢丝网，所述层间强化钢丝网的网体一侧钢丝伸出6cm，将伸出的钢丝依次从所述缓凝结预应力筋的两侧各缠绕一圈，形成所述缠绕部，并且留出2cm的竖直钢丝，该竖直的钢丝为突出部，所述突出部嵌入含筋层的下层混凝土中，所述网体垂直于水平面，沿所述3D 打印混凝土层纵向设置。
步骤8、根据构件的尺寸，重复步骤3、步骤4、步骤5以及步骤6，并且确保所述3D打印混凝土层与所述层间强化钢丝网结合紧密。
步骤9、在打印完成的3D打印混凝土缓粘结预应力增强构件表面覆盖塑料膜，在常温的条件进行自然养护，使其达到具有足够的自支撑能力，然后取下塑料膜，移入80℃蒸汽养护箱，通过蒸汽养护提高早期强度，从而达到张拉要求，养护72h后冷却至室温。
步骤10、对所述缓凝结预应力筋施加预应力进行张拉，施加的预应力小于200kN，并用夹片式单孔锚具固定，再次养护30天。
优选的，所述步骤9中，升温降温速率均不超过10℃/h。
优选的，所述缓凝结预应力筋以及层间强化钢丝网的铺设均可通过3D 打印机进行。
优选的，在所述步骤9中，所述3D打印混凝土缓粘结预应力增强构件进行蒸汽养护过程中，升温的速率不超过10℃/h，在养护72h后进行冷却时，降温的速率也不超过10℃/h。
本发明的有益效果是：
本发明采用缓凝结预应力筋与3D打印混凝土结合，运用缓凝结预应力筋，在较少增加重量和厚度的前提下提高了3D打印混凝土抗裂性能和层间强度，有利于提高3D打印混凝土建筑承载力、整体刚度和耐久性，促进3D 打印混凝土在实际工程中的广泛运用。
附图说明
图1为实施例一中3D打印混凝土缓粘结预应力增强构件的局部剖面图。
图2为实施例一中层间强化钢丝网缠绕缓凝结预应力筋的示意图。
图3为实施例一中缓凝结预应力筋的内部结构示意图。
图4为实施例二中夹片式单孔预应力锚具示意图。
图5为实施例二中3D打印机示意图。
图6为实施例二中3D打印机A-A截面图。
附图标号：
101-3D打印混凝土层、102-粘性砂浆层、103-层间强化钢丝网、104- 缓凝结预应力筋、105-混凝土条、201-网体、202-缠绕部、203-突出部、 301-钢绞线束、302-缓凝胶粘剂、303-波纹状高分子聚乙烯护套、4-夹片式单孔锚具、401-锚环，402-夹片、5-3D打印机、501-砂浆料筒、502-步进马达、503-离式喷嘴。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
本实施例1公开了一种3D打印混凝土缓粘结预应力增强构件，该构件运用缓凝结预应力筋，在较少增加重量和厚度的前提下提高了3D打印混凝土抗裂性能和层间强度。
参见图1，图2以及图3，本实施例1公开的一种3D打印混凝土缓粘结预应力增强构件，包括，3D打印混凝土层101、粘性砂浆层102、层间强化钢丝网103和缓凝结预应力筋104；3D打印混凝土层101设有多层，具体有几层，要根据构件的实际尺寸进行确定，具体的说，需要根据构件的高度来确定3D打印混凝土层101的层数；每层3D打印混凝土层101由两条或多条并列的混凝土条105构成，具体需要几条并列的混凝土条105，也需要根据构件的实际尺寸进行确定，具体的说，就是根据构件的宽度来确定并列混凝土条105的数量，并且混凝土条105的长度都是相等的。
混凝土条105由3D打印用超高性能混凝土砂浆进行3D打印制成，3D 打印用超高性能混凝土砂浆重量百分比组成为：细砂45.0％、标号P·II52.5 或以上的硅酸盐水泥30.0％、矿渣粉11.0％、硅灰9.0％、钢纤维5.0％、葡萄糖酸钠缓凝剂0.095％、淀粉醚0.0025％、纤维素醚0.0025％、触变润滑剂 0.09％、聚羧酸系减水剂0.81％与水9％。
在其中某一层或者某几层的混凝土条105内部纵向方向上设有缓凝结预应力筋104，具体需要在哪一层或哪几层设置缓凝结预应力筋104要根据构件的尺寸、构件种类和力学性能，来进行确定；设有缓凝结预应力筋104 的3D打印混凝土层101为含筋层；缓凝结预应力筋104的公称直径优选为 8.74mm，缓凝结预应力筋104包括，钢绞线束301、波纹状高分子聚乙烯护套303及缓凝胶粘剂302；钢绞线束301公称直径不大于10mm。
缓凝结预应力筋104要根据构件的尺寸、构件种类、力学性能，以及规范来确定缓凝结预应力筋104在混凝土105中的平面排布位置，在本实施例中缓凝结预应力筋104设置在3D打印混凝土层101的内部中线位置处，缓凝结预应力筋104任意位置处曲率半径不小于1m；缓凝结预应力筋104 两端均超出所在混凝土条105，优选超出200mm，超出的部分作为后续进行预应力张拉工艺时的锚固长度。
粘性砂浆层102，由粘性砂浆构成，粘性砂浆层102设置在3D打印混凝土层101之间，起到凝结上下相邻两层3D打印混凝土层101的作用，粘性砂浆可以选用：环氧树脂改性砂浆、氯丁胶乳改性砂浆、纤维增强砂浆或者稀释的3D打印用超高性能混凝土砂浆。
层间强化钢丝网103的材质优选为镀锌钢丝，包括网体201、缠绕部 202和突出部203，层间强化钢丝网103垂直于水平面沿所述3D打印混凝土层101纵向设置，网体201的长度等于钢绞线束301的长度，层间强化钢丝网103通过缠绕部202与缓凝结预应力筋104连接，网体201设置在含筋层的上一层及多层，突出部203嵌入含筋层的下一层。镀锌钢丝的直径优选为0.5mm，网孔优选为1cm×1cm，网宽优选为9cm，突出部203的长度为优选为2cm。
参见图4、图5和图6，本实施例2公开了一种3D打印混凝土缓粘结预应力增强构件的制备方法，具体步骤如下：
步骤1、制备3D打印用超高性能混凝土砂浆，3D打印用超高性能混凝土砂浆的重量百分比组成为：细砂45.0％、标号P·II52.5或以上的硅酸盐水泥30.0％、矿渣粉11.0％、硅灰9.0％、钢纤维5.0％、葡萄糖酸钠缓凝剂0.095％、淀粉醚0.0025％、纤维素醚0.0025％、触变润滑剂0.09％、聚羧酸系减水剂0.81％与水9％。
3D打印用超高性能混凝土砂浆的制备过程为，首先将硅酸盐水泥、细砂、硅灰、淀粉醚、钢纤维、纤维素醚和矿渣粉按比例混合干拌，拌匀后加入触变润滑剂、葡萄糖酸钠缓凝剂和聚羧酸系减水剂的水溶液，继续搅拌，直至形成黏性胶状物，完成超高性能3D打印混凝土砂浆。
步骤2、制作层间强化钢丝网103以及缓凝结预应力筋104；层间强化钢丝网103选用镀锌钢丝进行制作，镀锌钢丝的直径为0.5mm，网孔1cm× 1cm，网宽9cm，层间强化钢丝网103包括网体201、缠绕部202和突出部 203，缓凝结预应力筋104包括，钢绞线束301、波纹状高分子聚乙烯护套303及缓凝胶粘剂302，钢绞线束301公称直径不大于10mm，缓凝结预应力筋104的公称直径优选为8.74mm。
步骤3、使用3D打印机5，根据所需构件所需尺寸，打印并列的混凝土条105形成所述3D打印混凝土层101，在本实施例中，图1所示的构件，混凝土条105的数量为2条。
步骤4、在3D打印混凝土层101上表面涂抹粘性砂浆形成粘性砂浆层 102；粘性砂浆可以选用：环氧树脂改性砂浆、氯丁胶乳改性砂浆、纤维增强砂浆以及稀释的3D打印用超高性能混凝土砂浆。
步骤5、使用3D打印机5在所述粘性砂浆层102上表面继续打印所述 3D打印混凝土层101，根据所需构件所需尺寸，构件种类以及力学性能，重复步骤4以及步骤5直至达到需要排布缓凝结预应力筋104的层数。
步骤6、根据构件的尺寸、构件种类、力学性能，确定缓凝结预应力筋 104的平面排布位置，在含筋层中的铺设缓凝结预应力筋104，并且在5分钟内完成铺设，铺设缓凝结预应力筋104的操作可以通过人工进行铺设，也可以通过3D打印机5进行铺设。
步骤7、设置层间强化钢丝网103，层间强化钢丝网103的网体一侧钢丝伸出，形成一段竖直的钢丝，长度优选为6cm，将伸出的竖直的钢丝依次从缓凝结预应力筋104的两侧各缠绕一圈，形成缠绕部202，并且留出2cm 竖直的钢丝，该竖直的钢丝为突出部203，突出部203嵌入含筋层的下层混凝土中，网体201垂直于水平面，沿所述3D打印混凝土层101纵向设置，设置层间钢丝网103的这一操作可以通过人工进行设置，也可以通过3D打印机5进行设置。
步骤8、根据构件的尺寸，重复步骤3、步骤4、步骤5以及步骤6，并且确保所述3D打印混凝土层101与层间强化钢丝网103结合紧密，该项操作可以通过人工进行，也可以通过3D打印机5进行。
步骤9、在打印完成的3D打印混凝土缓粘结预应力增强构件表面覆盖塑料膜，在常温的条件进行自然养护，使其达到具有足够的自支撑能力，然后取下塑料膜，移入80℃蒸汽养护箱，通过蒸汽养护提高早期强度，从而达到张拉要求，养护72h后冷却至室温，具体的，3D打印混凝土缓粘结预应力增强构件进行蒸汽养护过程中，升温的速率不超过10℃/h，在养护72h后进行冷却时，降温的速率也不超过10℃/h，养护完成之后，进行抗压强度测试，测试方法参照的规范为《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)，测试结果应大于120MPa。
步骤10、对所述缓凝结预应力筋104施加预应力进行张拉，用夹片式单孔锚4具固定住缓凝结预应力筋104两端超出所在混凝土条105的部分，该部分作为锚固长度，具体的说，是夹片式单孔锚4固定住缓凝结预应力筋104中的钢绞线束301，在张拉的过程中，单根缓凝结预应力筋104上施加的应力小于200kN，优选的应力是150KN，然后再施加应力的状态下继续养护30天，最后得到3D打印混凝土缓粘结预应力增强构件。步骤10所用的夹片式单孔锚具4的具体结构如图4所示，包括，锚环401，锚环401内设有夹片402，夹片402夹住缓凝结预应力筋104中的钢绞线束301。
图5和图6公开了一种上述步骤中所用的3D打印机5，3D打印机5包括，砂浆料筒501、步进马达502和离式喷嘴503，具体的工作原理是：将制备好的3D打印用超高性能混凝土砂浆倒入砂浆料筒501，然后通过分离式喷嘴503在缓凝结预应力筋104以及层间强化钢丝网103上喷洒3D打印用超高性能混凝土砂浆，喷洒位置的移动依靠步进马达502来实现。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种3D打印混凝土缓粘结预应力增强构件，其特征在于，包括，3D打印混凝土层、粘性砂浆层、层间强化钢丝网和缓凝结预应力筋；
所述3D打印混凝土层设有多层，每层所述3D打印混凝土层由两条或多条并列的混凝土条构成，所述混凝土条长度相等，其中一层或者多层的所述混凝土条内部纵向方向上设有缓凝结预应力筋，所述缓凝结预应力筋两端均超出所在混凝土条；设有缓凝结预应力筋的3D打印混凝土层为含筋层；所述混凝土条由3D打印用超高性能混凝土砂浆进行3D打印制成，所述粘性砂浆层，由粘性砂浆构成；
所述层间强化钢丝网，包括网体、缠绕部和突出部，所述层间强化钢丝网垂直于水平面沿所述3D打印混凝土层纵向设置，所述层间强化钢丝网通过所述缠绕部与所述缓凝结预应力筋连接，所述网体设置在含筋层的上一层及多层，所述突出部嵌入含筋层的下一层。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印混凝土缓粘结预应力增强构件，其特征在于，所述缓凝结预应力筋包括，钢绞线束、波纹状高分子聚乙烯护套及缓凝胶粘剂，所述钢绞线束公称直径不大于10mm；所述缓凝结预应力筋任意位置处曲率半径不小于1m；所述缓凝结预应力筋两端均超出所在3D打印混凝土层200mm；所述层间强化钢丝网的材质为镀锌钢丝，所述镀锌钢丝的直径为0.5mm，网孔1cm×1cm，网宽9cm，所述突出部的长度为2cm。
3.根据权利要求2所述的一种3D打印混凝土缓粘结预应力增强构件，其特征在于，所述缓凝结预应力筋设置在所述3D打印混凝土层的内部中线位置处；所述缓凝结预应力筋的公称直径为8.74mm；所述网体的长度等于所述钢绞线束的长度。
4.根据权利要求1-3其中一项权利所述的一种3D打印混凝土缓粘结预应力增强构件的制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1、制备所述3D打印用超高性能混凝土砂浆；
步骤2、制作所述层间强化钢丝网以及所述缓凝结预应力筋；
步骤3、使用3D打印机，根据所需构件所需尺寸，打印并列的混凝土条形成所述3D打印混凝土层；
步骤4、在3D打印混凝土层上表面涂抹所述粘性砂浆形成所述粘性砂浆层；
步骤5、使用3D打印机在所述粘性砂浆层上表面继续打印所述3D打印混凝土层，根据所需构件所需尺寸，重复步骤4以及步骤5直至达到需要排布缓凝结预应力筋的层数；
步骤6、根据构件的尺寸、构件种类、力学性能，确定所述缓凝结预应力筋的平面排布位置，在所述含筋层铺设所述缓凝结预应力筋，并且在5分钟内完成铺设；
步骤7、设置所述层间强化钢丝网，所述层间强化钢丝网的网体一侧钢丝伸出6cm，将伸出的钢丝依次从所述缓凝结预应力筋的两侧各缠绕一圈，形成所述缠绕部，并且留出2cm的竖直钢丝，该竖直的钢丝为突出部，所述突出部嵌入含筋层的下层混凝土中，所述网体垂直于水平面，沿所述3D打印混凝土层纵向设置；
步骤8、根据构件的尺寸，重复步骤3、步骤4、步骤5以及步骤6，并且确保所述3D打印混凝土层与所述层间强化钢丝网结合紧密；
步骤9、在打印完成的3D打印混凝土缓粘结预应力增强构件表面覆盖塑料膜，在常温的条件进行自然养护，使其达到具有足够的自支撑能力，然后取下塑料膜，移入80℃蒸汽养护箱，通过蒸汽养护提高早期强度，从而达到张拉要求，养护72h后冷却至室温；
步骤10、对所述缓凝结预应力筋施加预应力进行张拉，施加的预应力小于200kN，并用夹片式单孔锚具固定，再次养护30天。
5.根据权利要求4所述的一种3D打印混凝土缓粘结预应力增强构件的制备方法，其特征在于，所述步骤9中，升温降温速率均不超过10℃/h。
6.根据权利要求4所述的一种3D打印混凝土缓粘结预应力增强构件的制备方法，其特征在于，所述缓凝结预应力筋以及层间强化钢丝网的铺设均可通过3D打印机进行。
7.根据权利要求4所述的一种3D打印混凝土缓粘结预应力增强构件的制备方法，其特征在于，在所述步骤9中，所述3D打印混凝土缓粘结预应力增强构件进行蒸汽养护过程中，升温的速率不超过10℃/h，在养护72h后进行冷却时，降温的速率也不超过10℃/h。
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