CN113884357A - 一种基于挤压成型工艺的打印混凝土力学指标的表征方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于挤压成型工艺的打印混凝土力学指标的表征方法。根据打印条带的基本布置方式，提出了材料方向的确定方法和打印混凝土试件的制作要求。利用提出的名义值统一表征不同材料方向的力学指标，并采用各向异性系数和换算系数表示该名义值与不同材料方向力学指标的实测值、相同配合比现浇混凝土力学指标的实测值之间的关系。本发明提出的表征方法简单实用，有利于打印混凝土技术在工程中的推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及到3D打印建筑材料领域，具体涉及一种用于表征基于挤压成型工艺的打印混凝土力学指标的方法。
背景技术
基于挤压成型工艺的3D打印混凝土技术是一种用于工程建设领域的增材制造技术，具有绿色环保、节省人工、多样成型等优势。然而，逐条打印、逐层堆叠的打印工艺会引起条带之间出现空隙、条带之间粘结弱等初始缺陷(LE T T,AUSTIN S A,LIM S,etal.Hardened properties of high-performance printing concrete[J].Cement andConcrete Research,2012,42(3):558-566.)，造成不同材料方向上的力学性能存在明显差异，即材料的各向异性。采用现浇混凝土力学指标的表征方法则不能反映打印混凝土的各向异性。
目前国内外还没有关于打印混凝土力学指标的表征方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于挤压成型工艺的打印混凝土力学指标的表征方法，用力学指标名义值和各向异性系数来表征材料力学指标，用换算系数反映打印混凝土与现浇混凝土力学指标之间的关系。本发明提出的表征方法实用简便，有利于打印混凝土技术在工程中的应用推广。
本发明采用以下技术方案：一种基于挤压成型工艺的打印混凝土力学指标的表征方法，包括以下步骤：
(1)确定待测试的力学指标，所述力学指标包括立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗弯强度、轴心抗拉强度、抗剪强度、劈裂抗拉强度、弹性模量、剪切模量、泊松比和断裂能，进而确定加载测试方法；
(2)采用打印条带的两种基本组合形式，即各层打印条带之间相互平行、相邻层打印条带之间相互垂直；
(3)确定材料方向，即以任意选取的打印层上的条带之间界面的法线方向作为1轴(正方向任意指定)，以任意选取的相邻打印层之间界面的法线方向作为2轴(正方向任意指定)，按照右手螺旋法则确定3轴；
(4)试件轴线方向根据所采用打印条带的组合形式、所要测试的力学指标以及材料方向确定，进而根据测试试件尺寸和轴线方向确定初始打印试件的尺寸；
(5)选用直径合适的打印喷嘴，根据所采用的打印条带的组合形式进行打印，制作出初始打印试件；
(6)将初始打印试件切割成测试试件；
(7)根据GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》开展相应的加载试验；
(8)打印混凝土在不同材料方向上测得的力学指标用名义值表征，其与相同配合比的现浇混凝土的力学指标之间的关系用换算系数来表示；
所述力学指标名义值为不同材料方向上的力学指标实测结果的均方根，并以不同材料方向力学指标实测值与名义值的比值作为相应材料方向上的各向异性系数；
所述力学指标名义值f按下式计算：
第i个材料方向上的各向异性系数ki按下式计算：
其中，fi(i＝1,2,3)是在第i个材料方向上的力学指标的实测值(例如轴心抗压强度、抗剪强度、弹性模量和泊松比等)。
所述换算系数是指打印混凝土力学指标名义值与相同配合比现浇混凝土的相应的力学指标之间的比值；
所述换算系数q按下式计算：
其中，f′是相同配合比的现浇混凝土的同一力学指标的实测值。
作为优选，所述步骤(6)中测试试件表面应光滑平整，内部打印条带分布均匀且相对测试试件几何中心对称，内部的打印层应与试件轴线方向垂直或平行。
作为优选，所述步骤(6)中测试试件的尺寸误差控制在±0.5mm以内，
作为优选，所述步骤(6)中测试试件的样本数不少于6。
有益效果：本发明打印混凝土的力学指标根据规定的材料方向进行表征，提出的表征方法简单实用，便于打印混凝土技术在工程中的应用。
附图说明
图1为本发明各层打印条带之间相互平行时所规定的材料方向。
图2为本发明相邻层打印条带之间相互垂直时所规定的材料方向。
图中：图中1为材料方向1轴，2为材料方向2轴，3为材料方向3轴，4为条间界面，5为层间界面，6为打印条带。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明作出进一步地详细阐述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行的实施，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种基于挤压成型工艺的打印混凝土，按重量份数计，包括以下组分：普通硅酸盐水泥100份；砂100份；调凝剂5份；减水剂0.3份；增稠剂0.1份；消泡剂0.06份；水26份。
所述的普通硅酸盐水泥的型号P.O.42.5R。所述的调凝剂为快硬硫铝酸盐水泥，成分包括赤泥、铝灰、电石渣和脱硫石膏。所述的砂为中国ISO标准砂，最大粒径为2mm。所述的减水剂为粉末状保坍型聚羧酸减水剂，减水率大于30％。所述的增稠剂为10万粘度的羟丙基甲基纤维素醚。所述的消泡剂为水泥砂浆专用的粉状消泡剂，成分包括由硅聚醚、羟基硅油、白炭黑，PH值为7-8。
一种基于挤压成型工艺的打印混凝土的抗拉强度的表征方法，包括以下步骤：
(1)确定待测的力学指标为打印混凝土的抗拉强度，进行单轴直接拉伸加载方法。
(2)打印条带的布置采用相邻层打印条带之间相互垂直的组合形式。
(3)以任意选取的打印层上条带之间界面的法线方向作为1轴(正方向任意指定)，以任意选取的相邻打印层之间界面的法线方向作为2轴(正方向任意指定)，按照右手螺旋法则确定3轴。如图2所示，图中1为材料方向1轴，2为材料方向2轴，3为材料方向3轴，4为条间界面，5为层间界面，6为打印条带。
如图1所示，也可以选择各层打印条带之间相互平行的组合形式，图中1为材料方向1轴，2为材料方向2轴，3为材料方向3轴，4为条间界面，5为层间界面，6为打印条带。
(4)加载试件尺寸取为100×100×300mm，根据打印条带的组合形式和所要测试的材料方向确定加载试件的轴线方向，进而根据加载试件尺寸确定初始打印试件尺寸。
(5)按重量份数计，原料按照一定的顺序加入到混凝土电动搅拌机。混凝土配制步骤为：首先将减水剂、增稠剂和消泡剂与水混合并搅拌均匀制成混合液；然后开动搅拌机，将砂、水泥和调凝剂缓慢投入搅拌机，待混合均匀后，将混合液加入并搅拌8min即得到所述的打印混凝土拌合物。
(6)选用直径20mm的打印喷嘴，打印出的条带尺寸宽约25mm，高约12mm。根据打印条带组合形式进行打印，制作出初始测试试件。
(7)将初始打印试件切割成测试试件时，试件表面应光滑平整，内部打印条带分布均匀且相对试件几何中心对称，试件的尺寸误差控制在±0.5mm以内。试件的样本数不少于6。标距中心与加载试件正截面几何中心对齐。
(8)根据GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》对加载试件进行单轴直接拉伸加载测试。
(9)所测试件在1、2、3轴的抗拉强度实测值分别为f1＝2.25MPa、f2＝2.12MPa、f3＝2.25MPa，所测得的相同配合比的现浇混凝土的抗拉强度实测值为2.46MPa。
(10)计算得到抗拉强度名义值
各向异性系数分别为k1＝1.018、k2＝0.959、k3＝1.018，换算系数q＝0.898。
Claims (4)
1.一种基于挤压成型工艺的打印混凝土力学指标的表征方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)确定待测试的力学指标，所述力学指标包括立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗弯强度、轴心抗拉强度、抗剪强度、劈裂抗拉强度、弹性模量、剪切模量、泊松比和断裂能，进而确定加载测试方法；
(2)采用打印条带的两种基本组合形式，即各层打印条带之间相互平行、相邻层打印条带之间相互垂直；
(3)确定材料方向，即以任意选取的打印层上的条带之间界面的法线方向作为1轴，以任意选取的相邻打印层之间界面的法线方向作为2轴，按照右手螺旋法则确定3轴；
(4)试件轴线方向根据所采用打印条带的组合形式、所要测试的力学指标以及材料方向确定，进而根据测试试件尺寸和轴线方向确定初始打印试件的尺寸；
(5)选用打印喷嘴，根据所采用的打印条带的组合形式进行打印，制作出初始打印试件；
(6)将初始打印试件切割成测试试件；
(7)根据GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》开展相应的加载试验；
(8)打印混凝土在不同材料方向上测得的力学指标用名义值表征，其与相同配合比的现浇混凝土的力学指标之间的关系用换算系数来表示；
所述力学指标名义值为不同材料方向上的力学指标实测结果的均方根，并以不同材料方向力学指标实测值与名义值的比值作为相应材料方向上的各向异性系数；
所述力学指标名义值f按下式计算：
第i个材料方向上的各向异性系数ki按下式计算：
其中，fi(i＝1,2，3)是在第i个材料方向上的力学指标的实测值；
所述换算系数是指打印混凝土力学指标名义值与相同配合比现浇混凝土的相应的力学指标之间的比值；
所述换算系数q按下式计算：
其中，f′是相同配合比的现浇混凝土的同一力学指标的实测值。
2.根据权利要求1所述的一种基于挤压成型工艺的打印混凝土力学指标的表征方法，其特征在于：所述步骤(6)中测试试件表面应光滑平整，内部打印条带分布均匀且相对测试试件几何中心对称，内部的打印层应与试件轴线方向垂直或平行。
3.根据权利要求1所述的一种基于挤压成型工艺的打印混凝土力学指标的表征方法，其特征在于：所述步骤(6)中测试试件的尺寸误差控制在±0.5mm以内。
4.根据权利要求1所述的一种基于挤压成型工艺的打印混凝土力学指标的表征方法，其特征在于：所述步骤(6)中测试试件的样本数不少于6。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220104 |
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