CN112408917A - 混凝土管片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种混凝土管片的制备方法，步骤如下：（1）修复材料制备：将玻璃纤维管一端封闭、另一端注入胶黏剂，两端封闭后得到功能玻璃纤维管；（2）预埋件安装：将钢筋笼和功能玻璃纤维管进行固定，完成预埋件的安装；（3）配比并搅拌混凝土：配制具有乱向分布钢纤维的3D打印混凝土；（4）3D打印：根据管片形状和尺寸，控制3D打印机的三维定位，再将步骤（3）制备的3D打印混凝土倒入3D打印机给料系统中，进行3D打印。本发明采用3D打印技术，不需要在模具中成型，增强管片的连续性生产，提高生产效率，而且3D打印技术是基于计算机控制，由计算机设计出图，减少了人工干预，大量节省劳工人员，降低施工成本。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印领域及隧道管片生产技术领域，具体涉及混凝土管片的制备方法。
背景技术
伴随着我国经济的高速发展，隧道工程在全国得到大规模的开发。盾构隧道技术对周围土体的扰动小，对地层的沉降影响低，由于其施工工艺的优势，越来越多的隧道工程采用盾构法施工。而管片是盾构设计施工的主要配件，管片在隧道中起到支护和防护的作用，需要承担土压力、水压力以及各种特殊压力，其设计使用关乎到隧道的整体安全和质量。
目前的隧道管片主要采用混凝土与钢筋进行组合的材料，但混凝土为脆性材料，基本没有抗拉性能，在生产、堆放、运输和拼装等过程中易出现开裂破损，威胁到地铁安全使用；同时管片裂缝使其抗渗、耐腐蚀等耐久性能降低。因此修复混凝土裂缝就显得十分必要。目前修复混凝土裂缝方法主要有表面处理法、堵漏法、灌浆法、结构补强法等，但都是事后维修方法，几乎不能完成混凝土内部微裂纹的修复，且混凝土修复工程大都是劳动密集型工程，修复成本较高，并且处于修复阶段的混凝土工程是不可用的，这会严重影响到经济建设和人们的生产生活。
CN111347537A公开了一种盾构隧道管片的生产工艺及其拼装方法，其施工流程主要包括模具组装-喷涂脱模剂-预埋件安装-砼浇筑-管片养护-管片脱模-管片养护-运输和组装，对混凝土早期的塑性收缩、沉降裂纹及螺栓与混凝土接触时的应力集中进行了充分考虑和处理，但施工流程复杂，施工效率低下。
CN107963839A公开了一种3D打印混凝土打印原料及其工艺，通过使用钢纤维及直径8mm碎石材料，考虑混凝土的脆性，提高了打印混凝土的抗拉性能和抗压性能，但存在混凝土自修复能力不强的问题。
发明内容
本发明提出了一种混凝土管片的制备方法，利用3D打印自修复混凝土制备，可提高管片生产效率，使管片具有良好的抗拉、抗压等综合力学性能，并形成智能自修复混凝土系统，延长管片的使用寿命。
一种混凝土管片的制备方法，步骤如下：
（1）修复材料制备：将玻璃纤维管一端封闭、另一端注入胶黏剂，两端封闭后得到功能玻璃纤维管；
具体如下：
采用的修复材料为环氧树脂胶黏剂，修复载体长度为20-25cm，内径为3-6mm、壁厚为0.5-1mm的薄壁玻璃纤维管。用热熔胶胶枪向玻璃管内注射约2-3mm热熔胶封闭薄壁玻璃纤维管一端，之后向薄壁玻璃纤维管中注射环氧树脂胶黏剂。由于玻璃纤维管一端封闭，向其中注射胶黏剂时由于压力的作用会比较困难，胶黏剂的灌注方法效仿钻孔灌注桩中浇筑混凝土采用的提升导管法，这样能够加快注射速度，同时最大限度的避免了空气柱的出现，当注射的环氧树脂距离薄壁玻璃纤维管端口2-3mm时停止注入，再使用热熔胶枪向玻璃管内注射热熔胶，完成玻璃管的密封，得到自制的功能玻璃纤维管；
（2）预埋件安装：预埋件包括钢筋笼以及自制的功能玻璃纤维管，按照施工需要进行钢筋笼的绑扎，并进行检查；利用塑料垫块对钢筋笼和功能玻璃纤维管预埋件的位置进行固定，检查钢筋骨架混凝土保护层支架数量、保护层高度以及安装预埋件数量，功能玻璃纤维管的体积掺量为2%-3%，分布方式设置为均匀分布；
（3）配比并搅拌混凝土：配制具有乱向分布钢纤维的3D打印混凝土；
所述3D打印混凝土包括以下重量份的组分：硅酸盐水泥42-46份、粉煤灰16-21份、细集料100-110份、水15-19份、超细微粉30-35份、减水剂1.72-2份、缓凝剂0.48-0.55份、触变剂0.4-0.6份。
所述的普通硅酸盐水泥的标号为P·O·42.5，所述粉煤灰的细度为1.0，细集料为普通河砂，最大粒径为2mm，连续级配；所述的超细微粉比表面积高于600m2/Kg，具体为矿渣、钢渣等工业废弃物，能够提高混凝土的早期强度；所述的减水剂为西卡减水剂，能够提高3D打印管片混凝土材料的流动性，减小打印混凝土管道输送过程中阻塞导管的可能性；缓凝剂为葡萄糖酸钠，能够延长纤维混凝土砂浆的硬化时间，确保混合砂浆挤出后仍保持塑性，满足层与层间的叠加需求；触变剂为羟丙基甲基纤维素醚，能使砂浆在静止时有较高的稠度，在外力作用下又变成低稠度流体；
所述3D打印混凝土中还包括钢纤维，钢纤维长度为10-25mm，直径为0.5mm-1mm，弹性模量为210GPa，抗拉强度不低于1.2GPa，钢纤维的掺杂量为0.5%-1%。
3D打印混凝土的制备步骤如下：将硅酸盐水泥、粉煤灰、细集料、超细微粉、水按比例放入搅拌机，搅拌器转速设定为40-80r/min，搅拌时间2-4min，混合均匀后加入减水剂、缓凝剂和触变剂，搅拌时间1-2min，制备粘性砂浆，之后向粘性砂浆中放入钢纤维，搅拌时间1-2min，得到具有乱向分布钢纤维的高性能3D打印混凝土。
（4）3D打印：根据管片形状和尺寸，利用计算机辅助设计软件生成3D数字模型，之后将模型转换导入到3D打印软件中并进行切片计算，规划管片的打印路径，并对其合理优化，进而控制打印机的三维定位，再将混有钢纤维的高性能3D打印混凝土倒入3D打印机给料系统中，由3D打印机的喷嘴挤出到指定位置，3D打印机将遵循预先设置的切片及打印路径信息进行自动化打印操作，打印出每一层薄层并层层叠加，直至完成管片的3D打印。
打印完成后，为确保管片混凝土内部有足够的水分进行水化反应，保证混凝土强度正常增长以及避免出现裂纹，确保管片的强度和耐久性，对管片进行养护。即在管片表面覆盖塑料膜，保证水分不蒸发，进行静停养护24h，之后进行水池养护7-14天，若有必要进行喷淋养护约0-7天，最后自然养护至28天龄期。管片在28天龄期达到设计强度即可出场。
本发明的有益效果是：
（1）该隧道管片的生产工艺是采用3D打印技术，不需要在模具中成型，增强管片的连续性生产，提高生产效率，而且3D打印技术是基于计算机控制，由计算机设计出图，减少了人工干预，大量节省劳工人员，降低施工成本。
（2）向混凝土中添加弹性模量较高的钢纤维，钢纤维在混凝土中杂乱分布并搭建成网状结构，改善了混凝土的脆性，提高了其抗拉、抗弯和抗剪性能，同时对管片裂纹的扩展也起到了抑制作用，另外可以减少钢筋的使用甚至不使用钢筋，可减少生产工序，降低材料成本，进一步提高管片经济效益。
（3）采用矿渣、钢渣等工业废弃物粉磨成的超细微粉作为添加物，缩短混凝土凝固时长，使混凝土具有更高的早期强度，不仅能够减少水泥制造对石灰石原材料的消耗，而且可以使矿渣、钢渣等变废为宝，减少对环境的污染。
（4）添加修复材料，即将胶黏剂注入到薄壁玻璃纤维并埋入混凝土中，从而形成智能仿生自修复网络系统。当混凝土结构在外部荷载和环境作用下出现损伤和裂缝时，纤维内胶黏剂流出渗入裂缝，在化学作用下胶黏剂发生固结，从而抑制开裂，修复裂缝。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明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付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。
实施例1
混凝土管片的制备方法，步骤如下：
（1）选用长度为25cm，内径为6mm、壁厚为1mm的薄壁玻璃纤维管，用热熔胶胶枪向玻璃管内注射3mm热熔胶封闭薄壁玻璃纤维管一端，之后向薄壁玻璃纤维管中注射环氧树脂胶黏剂，当注射的环氧树脂距离薄壁玻璃纤维管端口3mm时停止注入，再使用热熔胶枪向玻璃管内注射热熔胶，完成玻璃管的密封，得到自制的功能玻璃纤维管。
（2）同时按照施工需要进行钢筋笼的绑扎，并进行两次检查。之后利用塑料垫块对钢筋笼和功能玻璃纤维管的位置进行固定，功能玻璃纤维管的体积掺量为3%，放置方式为均匀分布。
（3）选取如下重量份的原料：普通硅酸盐水泥46份；粉煤灰21份；细集料110份；水19份；超细微粉35份；西卡减水剂2份；葡萄糖酸钠缓凝剂0.55份；羟丙基甲基纤维素醚触变润滑剂0.6份；钢纤维长度25mm，直径1mm，体积掺量1%。
（4）将硅酸盐水泥、粉煤灰、细集料、超细微粉、水按比例放入搅拌机，搅拌器转速设定为40r/min，搅拌时间4min，待混合均匀后，将高效减水剂、缓凝剂和触变润滑剂加入搅拌机，搅拌时间2min，制备粘性砂浆，之后向砂浆中放入钢纤维，搅拌时间2min，得到具有乱向分布钢纤维的高性能3D打印混凝土。
（5）根据管片形状与尺寸，利用计算机辅助设计软件生成3D数字模型，之后将模型转换导入到3D打印软件中并进行切片计算，规划管片的打印路径，并对其合理优化，控制打印机的三维定位，再将混有钢纤维的高性能3D打印混凝土倒入3D打印机给料系统中，由3D打印机的喷嘴挤出到指定位置，3D打印机遵循预先设置的切片及打印路径信息进行自动化打印操作，打印出每一层薄层并层层叠加，直至完成管片的3D打印。
（6）打印完成后，在表面覆盖塑料膜，保证水分不蒸发，进行静停养护24h，之后进行水池养护14天，最后自然养护至28天龄期。
实施例2
混凝土管片的制备方法，步骤如下：
（1）选用长度为20cm，内径为3mm、壁厚为0.5mm的薄壁玻璃纤维管，用热熔胶胶枪向玻璃管内注射2mm热熔胶封闭薄壁玻璃纤维管一端，之后向薄壁玻璃纤维管中注射环氧树脂胶黏剂，当注射的环氧树脂距离薄壁玻璃纤维管端口2mm时停止注入，再使用热熔胶枪向玻璃管内注射热熔胶，完成玻璃管的密封，得到自制的功能玻璃纤维管。
（2）同时按照施工需要进行钢筋笼的绑扎，并进行两次检查。之后利用塑料垫块对钢筋笼和功能玻璃纤维管的位置进行固定，功能玻璃纤维管的体积掺量为3%，放置方式为均匀分布。
（3）选取如下重量份的原料：普通硅酸盐水泥42份；粉煤灰16份；细集料100份；水15份；超细微粉30份；西卡减水剂1.72份；葡萄糖酸钠缓凝剂0.48份；羟丙基甲基纤维素醚触变润滑剂0.4份；钢纤维长度10mm，直径0.5mm，体积掺量0.5%。
将硅酸盐水泥、粉煤灰、细集料、超细微粉、水按比例放入搅拌机，搅拌器转速设定为80r/min，搅拌时间2min，待混合均匀后，将高效减水剂、缓凝剂和触变润滑剂加入搅拌机，搅拌时间1min，制备粘性砂浆，之后向砂浆中放入钢纤维，搅拌时间1min，得到具有乱向分布钢纤维的高性能3D打印混凝土。
（4）根据管片形状与尺寸，利用计算机辅助设计软件生成3D数字模型，之后将模型转换导入到3D打印软件中并进行切片计算，规划管片的打印路径，并对其合理优化，控制打印机的三维定位，再将混有钢纤维的高性能3D打印混凝土倒入3D打印机给料系统中，由3D打印机的喷嘴挤出到指定位置，3D打印机遵循预先设置的切片及打印路径信息进行自动化打印操作，打印出每一层薄层并层层叠加，直至完成管片的3D打印。
（5）打印完成后，在表面覆盖塑料膜，保证水分不蒸发，进行静停养护24h，之后进行水池养护14天，最后自然养护至28天龄期。
实施例3
混凝土管片的制备方法，步骤如下：
（1）选用长度为23cm，内径为4mm、壁厚为0.8mm的薄壁玻璃纤维管，用热熔胶胶枪向玻璃管内注射2.5mm热熔胶封闭薄壁玻璃纤维管一端，之后向薄壁玻璃纤维管中注射环氧树脂胶黏剂，当注射的环氧树脂距离薄壁玻璃纤维管端口2.5mm时停止注入，再使用热熔胶枪向玻璃管内注射热熔胶，完成玻璃管的密封，得到自制的功能玻璃纤维管。
（2）同时按照施工需要进行钢筋笼的绑扎，并进行两次检查。之后利用塑料垫块对钢筋笼和功能玻璃纤维管的位置进行固定，功能玻璃纤维管的体积掺量为2.5%，放置方式为均匀分布。
（3）选取如下重量份的原料：普通硅酸盐水泥45份；粉煤灰19份；细集料105份；水17份；超细微粉32份；西卡减水剂1.4份；葡萄糖酸钠缓凝剂0.51份；羟丙基甲基纤维素醚触变润滑剂0.5份；钢纤维长度17.5mm，直径0.7mm，体积掺量0.75%。
将硅酸盐水泥、粉煤灰、细集料、超细微粉、水按比例放入搅拌机，搅拌器转速设定为60r/min，搅拌时间3min，待混合均匀后，将高效减水剂、缓凝剂和触变润滑剂加入搅拌机，搅拌时间1.5min，制备粘性砂浆，之后向砂浆中放入钢纤维，搅拌时间1.5min，得到具有乱向分布钢纤维的高性能3D打印混凝土。
（4）根据管片形状与尺寸，利用计算机辅助设计软件生成3D数字模型，之后将模型转换导入到3D打印软件中并进行切片计算，规划管片的打印路径，并对其合理优化，控制打印机的三维定位，再将混有钢纤维的高性能3D打印混凝土倒入3D打印机给料系统中，由3D打印机的喷嘴挤出到指定位置，3D打印机遵循预先设置的切片及打印路径信息进行自动化打印操作，打印出每一层薄层并层层叠加，直至完成管片的3D打印。
（5）打印完成后，在表面覆盖塑料膜，保证水分不蒸发，进行静停养护24h，之后进行水池养护10天，进行喷淋养护4天，最后自然养护至28天龄期。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种混凝土管片的制备方法，其特征在于，步骤如下：
（1）修复材料制备：将玻璃纤维管一端封闭、另一端注入胶黏剂，两端封闭后得到功能玻璃纤维管；
（2）预埋件安装：将钢筋笼和步骤（1）的功能玻璃纤维管进行固定，完成预埋件的安装；
（3）配比并搅拌混凝土：配制具有乱向分布钢纤维的3D打印混凝土；
（4）3D打印：根据管片形状和尺寸，生成3D数字模型，将3D数字模型导入到3D打印软件中，控制3D打印机的三维定位，再将步骤（3）制备的3D打印混凝土倒入3D打印机给料系统中，进行3D打印。
2.根据权利要求1所述的混凝土管片的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中玻璃纤维管长20-25cm，内径为3-6mm、壁厚为0.5-1mm；玻璃纤维管一端注入2-3mm热熔胶进行封闭，另一端注入2-3mm环氧树脂胶黏剂，注入环氧树脂胶黏剂的端部再利用热熔胶密封。
3.根据权利要求1所述的混凝土管片的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中按照施工要求对钢筋笼进行绑扎，利用塑料垫块对钢筋笼和功能玻璃纤维管预埋件的位置进行固定。
4.根据权利要求3所述的混凝土管片的制备方法，其特征在于：所述预埋件中功能玻璃纤维管的体积掺量为2%-3%，分布方式设置为均匀分布。
5.根据权利要求1-4任一项所述的混凝土管片的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中3D打印混凝土包括以下重量份的组分：硅酸盐水泥42-46份、粉煤灰16-21份、细集料100-110份、水15-19份、超细微粉30-35份、减水剂1.72-2份、缓凝剂0.48-0.55份、触变剂0.4-0.6份。
6.根据权利要求5所述的混凝土管片的制备方法，其特征在于：所述粉煤灰的细度为1.0，细集料为普通河砂，最大粒径为2mm，连续级配；所述的超细微粉比表面积高于600m2/Kg，缓凝剂为葡萄糖酸钠，触变剂为羟丙基甲基纤维素醚。
7.根据权利要求5所述的混凝土管片的制备方法，其特征在于：所述3D打印混凝土中还包括钢纤维，钢纤维长度为10-25mm，直径为0.5mm-1mm，弹性模量为210GPa，抗拉强度不低于1.2GPa，钢纤维的掺杂量为0.5%-1%。
8.根据权利要求6或7所述的混凝土管片的制备方法，其特征在于，3D打印混凝土的制备步骤如下：将硅酸盐水泥、粉煤灰、细集料、超细微粉、水按比例放入搅拌机，混合均匀后加入减水剂、缓凝剂和触变剂，搅拌时间1-2min，制备粘性砂浆，之后向粘性砂浆中放入钢纤维，搅拌时间1-2min，得到具有乱向分布钢纤维的高性能3D打印混凝土。
9.根据权利要求1所述的混凝土管片的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中将3D打印混凝土倒入3D打印机给料系统中，由3D打印机的喷嘴挤出到指定位置，3D打印机按照预先设置的切片及打印路径信息进行自动化打印操作，打印出每一层薄层并层层叠加，直至完成管片的3D打印。
10.根据权利要求5所述的混凝土管片的制备方法，其特征在于：所述3D打印完成后，在管片表面覆盖塑料膜，进行静停养护24h，之后进行水池养护7-14天，最后自然养护至28天龄期；管片在28天龄期达到设计强度即可出场。
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