CN113175217A - 记忆合金纤维增强3d打印混凝土层间性能的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种记忆合金纤维增强3D打印混凝土层间性能的方法及装置，包括：S1取记忆合金纤维，并进行预拉伸；S2采用3D打印机打印混凝土结构；S3在混凝土挤出后并且完全硬化前，将预拉伸后的的记忆合金纤维以一定角度喷射入混凝土并贯穿层间界面；S4重复步骤S2‑S3，直至整个混凝土结构打印完成，最后对整个混凝土结构中的记忆合金纤维加热至预定温度，加热结束后自然冷却至室温。本方法解决了3D打印混凝土层间薄弱问题，在不影响混凝土3D打印的同时提高了打印混凝土结构的层间性能，可显著提升3D打印混凝土结构的力学性能。

Description

记忆合金纤维增强3D打印混凝土层间性能的方法及装置

技术领域

本发明涉及土木建筑技术领域，尤其涉及一种记忆合金纤维增强3D打印混凝土层间性能的方法及装置。

背景技术

由于3D打印混凝土具有成本低、污染少、可设计性强、建造速度快等优点，其在建筑领域具有较大的应用潜力，因而受到了国内外研究人员的极大关注。目前，国内外已经涌现出了多种3D打印混凝土方法，3D打印混凝土结构正逐渐进入人类的生活中。

然而，由于3D打印的技术特点，3D打印混凝土结构目前面临的主要瓶颈问题在于相邻打印混凝土层之间的粘结性能较差，加之在打印混凝土的同时难以打印钢筋，导致3D打印混凝土结构容易发生层间破坏，这严重阻碍了3D打印混凝土在实际工程中的应用。

因此，对于3D打印混凝土结构，亟需提高相邻混凝土打印层之间的力学性能。

发明内容

本发明提供了一种记忆合金纤维增强3D打印混凝土层间性能的方法及装置，通过利用记忆合金纤维对层间界面施加预压应力以改善界面力学性能，从而有效解决3D打印混凝土层间力学性能薄弱问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种记忆合金纤维增强3D打印混凝土层间性能的方法，包括如下步骤：

S1取记忆合金纤维，进行预拉伸并使之产生残余变形；

S2采用3D打印机打印混凝土结构；

S3在混凝土挤出后并且完全硬化前，将拉伸后的记忆合金纤维以一定角度喷射入混凝土并贯穿两个相邻打印层；

S4重复步骤S2-S3，直至整个混凝土结构打印完成，对整个混凝土结构中的记忆合金纤维加热至预定温度，然后自然冷却至室温。

优选地，S1步骤中的预拉伸应变为2％-6％。

优选地，S3步骤中，喷射出的记忆合金纤维至少贯穿一个3D打印混凝土层间界面。

优选地，S4步骤中，采用电磁加热装置或水浴加热或空气加热方式对整个混凝土结构中的记忆合金纤维进行加热。

优选地，记忆合金纤维直径为0.1mm～2.0mm，记忆合金纤维为直线型或椭圆形或圆形。

优选地，S3步骤中将拉伸后的记忆合金纤维以与混凝土打印面90°的角度进行喷射。

优选地，记忆合金纤维由镍钛记忆合金或其他具有形状记忆功能的金属合金制成。

优选地，预定温度大于或等于记忆合金纤维原材料的奥氏体相变开始温度。

优选地，预定温度高于奥氏体相变结束温度。

本发明还提供了一种记忆合金纤维增强3D打印混凝土层间性能的装置，包括：纤维喷头、混凝土3D打印机和加热装置；

所述3D打印机用于打印混凝土结构；

所述的纤维喷头用于在混凝土挤出后并且完全硬化前，将拉伸后的记忆合金纤维以一定角度喷射入混凝土并贯穿两个相邻打印层；

当整个混凝土结构打印完成，所述加热装置用于对整个混凝土结构中的记忆合金纤维加热至预定温度，然后自然冷却至室温。

由上述本发明的记忆合金纤维增强3D打印混凝土层间性能的方法及装置提供的技术方案可以看出，本发明采用记忆合金纤维贯穿于混凝土层间界面，利用记忆合金纤维的形状记忆功能在3D打印混凝土层间施加预压力。首先对记忆合金纤维进行预张拉使之产生残余变形，然后加热使残余变形恢复从而产生收缩效应，进而在3D打印混凝土层间施加预压力，可解决3D打印混凝土结构层间薄弱问题。这一技术在不影响混凝土正常3D打印的同时提高了3D打印混凝土结构的层间性能，保证3D打印混凝土结构的安全可靠。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些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

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例提供的一种记忆合金纤维增强3D打印混凝土层间性能的方法流程示意图；

图2是实施例提供的记忆合金纤维增强3D打印混凝土层间性能的方法场景示意图；

图3是实施例提供的记忆合金纤维增强3D打印混凝土层间性能的方法的加热场景示意图；

图4为实施例提供的记忆合金纤维增强3D打印混凝土层间性能的装置结构示意图；

附图标记说明：

1混凝土2纤维喷头33D打印机的喷头4记忆合金纤维5电磁加热设备。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式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方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例

图1为本实施例提供的一种记忆合金纤维增强3D打印混凝土层间性能的方法流程示意图，参照图1，该方法具体包括如下步骤：

S1取记忆合金纤维，并进行一定范围的拉伸。

记忆合金纤维直径为0.1mm～2.0mm，记忆合金纤维为直线型。记忆合金纤维由具有形状记忆功能的金属材料制成，具体为镍钛记忆合金或其他具有形状记忆功能的合金。

S2采用3D打印机打印混凝土结构。

混凝土结构包含纤维、砂石、粘度调节剂的硅酸盐水泥基材料或硫铝酸盐水泥基材料，所述低掺量纤维为聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、碳纤维、玻璃纤维或钢纤维。

3D打印机为机械臂式打印机或龙门架式打印机，3D打印机的打印工艺为挤出工艺。

S3在混凝土挤出后并且完全硬化前，将拉伸后的记忆合金纤维以与混凝土打印面一定角度的方向进行喷射。优选地，该角度为90°。

喷射出的记忆合金纤维至少贯穿一个3D打印混凝土层间界面。记忆合金纤维喷射的驱动力可来源于但不限于气动装置。通过调整纤维喷头的喷射压力来控制记忆合金纤维在混凝土中的贯穿深度。

S4重复步骤S2-S3，直至整个混凝土结构打印完成，对整个混凝土结构中的记忆合金纤维加热预定温度，加热结束后自然冷却至室温。

采用电磁加热装置或其他加热方法对整个混凝土结构中的记忆合金纤维进行加热，使记忆合金纤维产生收缩，从而在混凝土打印层间施加预压力。

预定温度与记忆合金纤维原材料有关。记忆合金纤维具有形状记忆效应是由于改变温度会在合金中引发热弹性马氏体相变或逆相变。对于不同记忆合金材料，相变温度并不相同，因此记忆合金纤维加热温度应视具体合金材料而定。预定加热温度大于或等于记忆合金奥氏体相变开始温度，优选地，预定温度高于奥氏体相变结束温度。以镍钛记忆合金为例，加热温度为70摄氏度，而铁基记忆合金加热温度则可选择260摄氏度。

图2是本实施例提供的记忆合金纤维增强3D打印混凝土层间性能的方法场景示意图，如图2所示，混凝土3D打印机，喷头3首先打印混凝土1。打印机在打印每层混凝土1后，使用纤维喷头2以特定频率和特定方向喷射如图2所示记忆合金纤维4。需要说明的是，纤维喷射方向不局限垂直于混凝土打印面，且在打印过程中是可以变化的。示意性地，纤维喷头2枪与混凝土打印喷头3相对位置如图2所示。

图3是实施例提供的记忆合金纤维增强3D打印混凝土层间性能的方法的加热场景示意图，如图3所示，将打印完成的包含记忆合金纤维4的3D打印混凝土构件通过电磁加热设备5进行通电加热，使记忆合金纤维4产生收缩变形，从而使得记忆合金纤维4产生对混凝土1的预应力，达到加固增强混凝土的作用。需要说明的是，这里关于3D打印混凝土后处理设备的形状描述仅是示意性的，不能理解为是对本发明的一种限制。

图4为实施例提供的记忆合金纤维增强3D打印混凝土层间性能的装置结构示意图，参照图4，该装置包括：纤维喷头、混凝土3D打印机和加热装置；

3D打印机用于打印混凝土结构；

纤维喷头用于在混凝土挤出后并且完全硬化前，将拉伸后的记忆合金纤维以一定角度喷射入混凝土并贯穿两个相邻打印层；

当整个混凝土结构打印完成，所述加热装置用于对整个混凝土结构中的记忆合金纤维加热至预定温度，然后自然冷却至室温。

本领域技术人员应能理解上述的应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种记忆合金纤维增强3D打印混凝土层间性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1取记忆合金纤维，进行预拉伸并使之产生残余变形；

S2采用3D打印机打印混凝土结构；

S3在混凝土挤出后并且完全硬化前，将拉伸后的记忆合金纤维以一定角度喷射入混凝土并贯穿两个相邻打印层；

S4重复步骤S2-S3，直至整个混凝土结构打印完成，对整个混凝土结构中的记忆合金纤维加热至预定温度，然后自然冷却至室温。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的S1步骤中的预拉伸应变为2％-6％。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的S3步骤中，喷射出的记忆合金纤维至少贯穿一个3D打印混凝土层间界面。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的S4步骤中，采用电磁加热装置或水浴加热或空气加热方式对整个混凝土结构中的记忆合金纤维进行加热。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的记忆合金纤维直径为0.1mm～2.0mm，记忆合金纤维为直线型或椭圆形或圆形。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的S3步骤中将拉伸后的记忆合金纤维以与混凝土打印面90°的角度进行喷射。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的记忆合金纤维由镍钛记忆合金或其他具有形状记忆功能的金属合金制成。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的预定温度大于或等于记忆合金纤维原材料的奥氏体相变开始温度。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的预定温度高于奥氏体相变结束温度。

10.一种记忆合金纤维增强3D打印混凝土层间性能的装置，其特征在于，包括：纤维喷头、混凝土3D打印机和加热装置；

所述混凝土3D打印机用于打印混凝土结构；

所述的纤维喷头用于在混凝土挤出后并且完全硬化前，将拉伸后的记忆合金纤维以一定角度喷射入混凝土并贯穿两个相邻打印层；

当整个混凝土结构打印完成，所述加热装置用于对整个混凝土结构中的记忆合金纤维加热至预定温度，然后自然冷却至室温。

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