CN114174029B - 用于制造各向异性纤维混凝土的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造各向异性纤维混凝土的方法，该方法的特征在于，具有高密度和小直径的连续纤维(9)的砂浆束被挤出，这些纤维沿着该砂浆束的纵向方向定向。

Description

用于制造各向异性纤维混凝土的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于制造各向异性纤维混凝土的方法和装置。

背景技术

纤维混凝土，即通过金属、植物、矿物或合成纤维增强的水泥或粘土的砂浆，在现有技术中是已知的。

如本身已知的，向砂浆中添加很少或非常轻微定向的纤维，可以赋予最终混凝土改进的机械性能(准各向同性)，显著地是更好的抗剪切和开裂应力。

如同样已知的，砂浆还可以通过细长且定向的元件、钢或复合棒、金属丝、纱线进行更为局部地增强，这使得可以赋予所制造的混凝土元件更好的抗拉伸应力性，同时赋予整体延展性，因为元件在第一次开裂后不会由于拉伸应力而断裂。

本发明旨在提供一种用于制造与现有技术相比具有改进的机械特性的各向异性纤维混凝土材料的方法和装置。

发明内容

本发明的此目的是通过一种用于通过挤出各向异性纤维混凝土来进行添加剂制造的装置来实现的，所述装置包括多轴机器人，所述多轴机器人具有承载挤出组件的头部，所述挤出组件包括挤出喷嘴，所述挤出喷嘴用于挤出砂浆珠粒连带沿着所述珠粒的纵向方向定向的连续纤维。

由于这些特性，可以将所述连续纤维沿所述砂浆内的有利方向定向，并获得这些纤维的最佳排列，赋予混凝土的最终珠粒各向异性，从而能够更好地抵抗(显著地为)此珠粒的拉伸应力。

由于珠粒连续挤出的这一原理，可以获得沿着所述珠粒的纵向方向具有重要水平的纤维的混凝土，所述混凝土与现有技术的纤维混凝土最大3％的量级相比，在垂直于此方向的截面中典型地为5-10％或更大，所述混凝土是通过在模制或挤出之前在一批砂浆中混合、搅拌纤维而获得的，因此没有获得真正有利的定向：所述纤维或多或少是随机定向的。高于这3％时，混合物更难工作(纤维成团、系统堵塞)。

引入直径几十微米的连续纤维的事实，使得能够精心制作与传统存在的材料完全不同的材料，其中直径几十微米的连续纤维在这里将与一般的毫米尺寸的纱线和更大尺寸的纱线区分开来。这样的纤维/基质组件能够实现类似于传统复合材料(例如碳/环氧树脂)的机械操作的机械操作，因为双材料可以被认为在某一尺度上是均匀的，这意味着在所述珠粒的所述截面的所有点上具有相同的机械性能。

这是有效的情况，因为大量纤维在浆糊中的准均匀分布实现应力的最佳分布，所述纤维承担所述拉伸应力，而所述基质通过剪切确保正确的分布。

对于用截面更大、数量更少的元件(棒材或纱线)增强珠粒来说，情况并非如此，这些元件的结构性能比材料性能更强。

因此，这种更好的分布实现更好地分布的微开裂，从而避免在硬化状态下在垂直于束带(cordon)的方向上出现重大宏观裂隙。它还实现在加工过程中对所述珠粒进行非常不同的保持(流变，在新鲜状态下)，因为砂浆由于纤维而“保持”得更好，这对于通过例如添加剂制造方法(没有模具)进行沉积是非常有趣的。

小直径纤维在挤出过程中也更容易被浆糊推动，因为它们与浆糊的接触表面与它们的质量/刚性之间的比率是有利的。因此，可以更容易地避免驱动金属丝或粗纱线所需的快速机动。

最后，使用小直径纤维，因此具有低抗挠刚度，赋予所述珠粒更好的可加工性，因为在沉积期间，例如通过添加剂方法，可以使其弯曲更多。

本发明还涉及这样限定的装置，其中所述挤出组件包括位于所述挤出喷嘴上游的砂浆混合器。

本发明还涉及这样限定的装置，其中所述挤出组件包括位于所述混合器与所述挤出喷嘴之间的收缩区域。

本发明还涉及这样限定的装置，其中所述挤出组件包括用于将促凝剂添加剂注射到所述砂浆中的装置。

本发明还涉及这样限定的装置，所述装置包括位于所述混合器与所述收缩区域之间的用于注射所述促凝剂添加剂的注射头部。

本发明还涉及这样限定的装置，其中所述挤出喷嘴包括径向桥，径向桥设置有孔口以用于引入所述纤维。

本发明还涉及这样限定的装置，其中所述挤出喷嘴包括周边孔口以用于引入所述纤维。

本发明还涉及一种如此限定的装置，所述装置包括缠绕有所述纤维的线圈的料盒，以及用于将所述纤维从所述线圈引导至所述挤出喷嘴的构件。

本发明还涉及一种包括如此限定的装置和用于向所述混合器供应并泵送所述砂浆的系统的设备。

本发明还涉及一种实施如此限定的装置的添加剂制造方法，其中是所述纤维与所述砂浆的粘附将这些纤维驱动到所述珠粒中。

本发明还涉及一种实施如此限定的装置的添加剂制造方法，其中所述纤维在用所述砂浆挤出之前经受表面处理和/或机械处理。

本发明还涉及一种实施如此限定的装置的添加剂制造方法，其中使用引入到所述砂浆的中心部中的挠曲柔性纤维。

本发明还涉及一种实施如此限定的装置的添加剂制造方法，其中使用引入到所述砂浆的周边中的挠曲刚性纤维。

本发明还涉及一种实施如此定义的装置的添加剂制造方法，其中所述纤维选自包括由碳、金属、玻璃、玄武岩、聚合物整体或绞合制成的纤维的组。

本发明还涉及一种实施如此限定的装置的添加剂制造方法，其中所述促凝剂添加剂的注射导致所述砂浆的剪切阈值在所述促凝剂添加剂的注射区域与所述喷嘴的端部之间增加至少六倍。

附图说明

通过阅读下面的描述，并通过研究附图，本发明的其他特征和优点将变得清楚，在附图中：

图1是根据本发明的设备的整体透视图；

图2是根据本发明的挤出组件的实施例的轴向截面视图；

图3是图2的组件的挤出喷嘴的侧视图；

图4是此喷嘴的透视图；

图5是沿着图4的截面V-V截取的此喷嘴的横向截面视图；

图6是类似于图2的视图，其中砂浆和纤维的混合物处于挤出过程中；

图7是由图2的挤出组件挤出的混凝土珠粒的横向截面视图；

图8是根据本发明的挤出组件的另一个实施例的轴向截面视图；

图9是图8的组件的挤出喷嘴的侧视图；

图10是此喷嘴的透视图；

图11是沿着图9的截面XI-XI截取的此喷嘴的横向截面视图；

图12是类似于图8的视图，其中砂浆和纤维的混合物处于挤出过程中；和

图13是由图8的挤出组件挤出的混凝土珠粒的横向截面视图；

图14是示出向挤出组件中添加加速剂的总视图。

具体实施方式

在所有这些附图中，相同或类似的参考标记标示相同或类似的构件或构件集合。

现在将参考图1，其中示出了根据本发明的用于制造纤维混凝土的设备。

从此附图中可以看出，此装置包括机器人1，诸如例如由ABB公司制造的商用6轴机器人。

根据本发明的装置安装在此机器人的头部3上。此装置包括挤出组件5，挤出组件5一方面由砂浆泵7供给，另一方面由来自安装在料盒13上的线圈11的连续纤维9供给，并由多个纱线引导件15a、15b、15c引导。

连续纤维可以例如由碳、金属、玻璃、玄武岩、聚合物或这些不同材料的组合制成。它们是小直径纤维，也就是说，数量级为微米而不是毫米(金属纱线除外，它可以达到100微米)。这些纤维通常可以组装成纱线，纱线将几千根纤维组在一起，并形成直径为毫米数量级的纱线。

线圈11可以仅由纤维9的牵引力可旋转地驱动，或者由机动化装置可旋转地辅助。

现在将参考图2，其中示出了根据本发明的装置的挤出组件5的第一实施例。

在此附图中，砂浆和纤维的循环方向由箭头F表示：术语“上游”和“下游”将在下文中相对于此箭头的方向理解。

此第一实施例非常特别地适合于具有相对刚性的纤维9，相对刚性也就是说相对重要的抗挠曲应力性。这些足够刚性的纤维可以很好地支撑并渗透，同时在珠粒的截面(包括中央区域)中展开。针对这样的更柔软纤维的另一种装置将在下文中描述，并且是图8至图13的主题。

挤出组件5在其上游部分包括大致圆柱形的砂浆混合器17，混合叶轮19可以在马达(未示出)的作用下在砂浆混合器17内部转动。此混合器在其下游部分由大致圆锥形的收缩区域21延伸。

此收缩区域21本身在其下游部分通过挤出喷嘴23延伸，挤出喷嘴23的下部部分基本为圆柱形的，其直径小于混合器17的直径。

如图2、图3、图4和图5所示，在其上游部分，此挤出喷嘴23具有周边膨胀部25，周边膨胀部25设置有以规则方式分布(周向和轴向都是如此)的贯通的周边孔口27。

如图6所示，提供这些周边孔口27用于接收图1所示的纤维9，纤维9来自于布置在料盒13上的线圈11。

根据本发明的设备的操作模式由前面的描述直接产生。

这种设备使得可以制造各向异性纤维混凝土珠粒，珠粒通过挤压从喷嘴23中出来。

机器人1将挤出喷嘴23的端部29输送到希望其沉积纤维混凝土珠粒的区域：这可以是例如希望其通过添加剂印刷(也就是说通过纤维混凝土珠粒的叠加)制造混凝土墙的区域。

然后将砂浆(例如水泥或粘土与骨料的混合物)引入砂浆泵7中，以这样的方式将其送入挤出组件5的混合器17中，然后在混合器17中通过叶轮19对其进行捏合。

如果必要的话，在混合器17中，在此砂浆中结合不同的助剂，使得可以改变其物理和/或化学特性，显著地是为了确保其与纤维9的完美相容性和粘附性。

将砂浆混合在混合器17中的参数(时间、速度等)适应流变特性，也就是说，最后具有所期望的粘度和剪切阈值。

砂浆接下来被叶轮19推入收缩区域21中，在那里砂浆受到有助于混合物的良好均匀性的剪切应力。

当砂浆接下来到达喷嘴23时，砂浆遇到来自线圈11的纤维9，并被纱线引导件15a、15b、15c引导到周边孔口27的内部。

有利的是，这些纤维可以由小直径(即微米量级)单根纤维、纱线、金属丝、或纱线束或金属丝束组成，在它们的制造过程中，或者在它们从线圈11展开与它们到达周边孔口27之间，这些纤维能够经历旨在优化这些纤维与砂浆的粘附性的不同的物理化学处理(表面侵蚀、预浸渍等)或机械处理(张紧、拉紧等)。

通过这样做，砂浆在挤出喷嘴23内部循环时，沿着这些纤维9驱动并结合这些纤维9；此喷嘴的特性(长度、内径)以这样的方式确定，使得砂浆能够达到足以抵消砂浆相对于纤维的相对速度的剪切阈值(即导致砂浆流动所需的力)。

应该理解的是，只有砂浆粘附到纤维9上，才可以随着砂浆的移动驱动它们。

在喷嘴23的端部29的出口处，然后可以获得纤维混凝土珠粒，其典型的横向截面如图7所示：在此第一实施例中，纤维9以基本均匀的方式分布在由砂浆形成的基质31的整个截面上，砂浆在一定时间结束时固化。

典型地，与现有技术的各向同性纤维混凝土不同，通过现有技术难以使超过3％的纤维或多或少地随机分布在所有方向上，这种用砂浆挤出连续纤维9的方法可以在截面上获得5％至10％或甚至更多的纤维9，这些纤维相对于基质31在珠粒的轴线上对齐：因此，与现有技术的混凝土相比，可以说对齐的纤维的密度更大，并因此各向异性砂浆的密度更大，因为珠粒确实将具有不同的机械性能，并且在珠粒方向上的性能比在横向上的性能更好。

理论上，甚至可以获得更大密度的纤维，唯一的物理限制是纤维间的距离不能小于砂浆中包含的最大骨料，如果希望增加这种密度，就必须选择尽可能小的骨料。

可以注意到，起作用的不同的参数，诸如例如砂浆在混合器17中混合的时间和速度、收缩区域21的几何形状、周边孔口27的密度和几何分布、喷嘴23的直径和长度、砂浆助剂的特性和数量、纤维9的性质和施加到其上的处理的特性等，是希望在挤出喷嘴23的出口处的混凝土珠粒具有的物理化学特性(显著地是流变性)的函数。

应当注意，挤出喷嘴23的截面与纤维9的累积截面之间的比率表征了希望在基质31内部获得的所述密度的纤维。

图8至图13表示根据本发明的装置的挤出组件5的另一个实施例，其适合于相对柔性的纤维，也就是说具有相对低的抗挠性。

在此另一个实施例中，用于引入纤维9的孔口21分布在径向桥33上，使得可以在挤出喷嘴23的周边与其中心之间径向分布这些纤维，从而在图13中可见的砂浆31的基质中获得这些纤维的“一缕阳光”排列。此装置能够比意欲针对更为刚性的纤维的图4至图6中描述的装置更好地引导纤维。孔口在径向桥33上的这种分布使得可以帮助柔性纤维渗透到砂浆珠粒的中心部(其穿过位于图11中径向桥33之间的以白色三角形形式出现的剩余空白空间)，并避免它们被砂浆流推出到周边(这在图4至图10所示的装置中会发生)。

根据前述内容可以理解，本发明使得可以获得设置有完美分布的纵向纤维的纤维混凝土珠粒，因此具有可以在砂浆凝固之前根据希望利用此珠粒进行调节的物理化学特性。

一旦砂浆凝固，就获得了各向异性纤维混凝土珠粒，其对不同应力(特别是拉伸应力)的抵抗力明显优于现有技术的纤维混凝土所获得的抵抗力，并且表现出包括基质和特定几何排列的纤维的复合材料的性能。

尤其有可以大大限制这种各向异性纤维混凝土开裂的风险。

如图14所示，在此砂浆通过端部29沉积之前，向挤出组件5中的砂浆31加入促凝剂添加剂34，以确保沉积的砂浆31珠粒在沉积到支撑件36上之后快速凝固，此支撑件36能够为预先沉积的砂浆珠粒。

在这些条件下，由喷嘴23沉积在由同一喷嘴预先沉积的砂浆上的砂浆因此由已经凝固的砂浆支撑，这要归功于加速剂的添加，这使得可以以适当的快速速度进行添加剂印刷循环。

添加剂34的加入使得可以在端部29的高度处产生足够柔性或液态的砂浆珠粒，从而可以将其轻微压碎或压到大致垂直于喷嘴23的定向延伸的支撑件36上，此支撑件36本身能够为通过3D打印预先沉积的层。

沉积期间的这种低稠度允许喷嘴与支撑件之间或多或少的任何角度，并避免弯曲沉积物需要喷嘴绕其轴线进行一定程度的额外旋转。如果珠粒以高稠度从端部29出来，同时因此具有由喷嘴形状限定的互补形状，则这种额外的旋转将是必要的。如果没有在头部39的高度处添加添加剂，则材料将不得不从混合器17的出口具有高稠度，以使得可以堆叠层，这将不会使得在沉积期间破碎。

如图14所示，根据3D打印过程，喷嘴23具有近似垂直于支撑件36的定向，并且喷嘴23平行于支撑件36位移。喷嘴23产生柔性材料的事实使得可以确保珠粒的适当沉积，并且其包含添加剂34的事实确保其足够快地凝固以构成形成用于接收另一个砂浆珠粒的稳定底座的刚性支撑件。

换句话说，由于添加了添加剂，当砂浆从喷嘴23出来的时刻，可以使用非常柔韧或液态的砂浆，同时保证此砂浆在沉积后会快速凝固。

在实践中，添加剂34尽可能晚地加入到砂浆，以使砂浆在从喷嘴中出来时具有柔性，并在沉积后快速凝固。

在这一方面，如图14所示，在挤出组件5中直接将添加剂34添加到砂浆31。添加剂34包含在能够由组件5承载的容器37中，并且添加剂34被注射到混合器17下游和收缩区域21上游的砂浆31中。实际上，添加剂34通过导管38从其接收器37输送到砂浆31，导管38位于砂浆31中的端部配备有注射头部39，注射头部39确保添加剂在来自混合器17并接合在收缩部21中的砂浆31流中扩散。

在注射头部39的高度上布置相对流动的砂浆31的事实使得可以更好地浸渍随后引入的纤维9。这构成了各向异性混凝土机械操作的重要条件，当砂浆为液体时，浸渍更加有效。

由于添加了加速剂，使用在通过注射头部39之后粘度迅速增加的砂浆的事实确保了砂浆与纤维之间的重要剪切，从而砂浆31流随其带动纤维9，这使得无需借助外部装置就可以展开线圈。

实际上，当砂浆到达注射头部39的高度时，砂浆的粘度的特征在于剪切阈值大约等于100Pa，并且在喷嘴23的端部29的高度处，在例如长度为10cm的喷嘴的情况下，此粘度增加到大约600Pa至1000Pa之间的剪切阈值。如果喷嘴23更长，则端部29的高度处的剪切阈值可以减小，此时砂浆对纤维的驱动长度更大。

更一般而言，有利地调节了砂浆的性质、加速添加剂和砂浆的流速，使得剪切阈值在添加剂的注射区域与喷嘴23的端部29之间增加至少六倍。

Claims (13)

1.一种通过挤出各向异性纤维混凝土进行添加剂制造的方法，包括多轴机器人(1)，所述多轴机器人(1)具有承载挤出组件(5)的头部(3)，所述挤出组件(5)包括挤出喷嘴(23)以及用于将促凝剂添加剂(34)注射到砂浆(31)中的装置，所述挤出喷嘴(23)用于挤出砂浆(31)珠粒连带沿着所述珠粒的纵向方向定向的连续纤维(9)，所述促凝剂添加剂(34)的注射导致所述砂浆(31)的剪切阈值在所述促凝剂添加剂(34)的注射区域与所述喷嘴(23)的端部(29)之间增加至少六倍。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述挤出组件(5)包括位于所述挤出喷嘴(23)上游的砂浆混合器(17)。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述挤出组件(5)包括位于所述混合器(17)与所述挤出喷嘴(23)之间的收缩区域(21)。

4.根据权利要求3所述的方法，其中用于注射所述促凝剂添加剂(34)的装置包括注射头部(39)，所述注射头部(39)位于所述混合器(17)与所述收缩区域(21)之间用于注射所述促凝剂添加剂(34)。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述挤出喷嘴(23)包括径向桥(33)，所述径向桥(33)设置有孔口(27)以用于引入所述纤维(9)。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述挤出喷嘴(23)包括周边孔口(27)以用于引入所述纤维(9)。

7.根据权利要求1所述的方法，所述装置包括缠绕有所述纤维(9)的线圈(11)的料盒(13)，以及用于将所述纤维(9)从所述线圈(11)引导至所述挤出喷嘴(23)的构件(15a、15b、15c)。

8.根据权利要求2所述的方法，包括提供用于向所述混合器(17)供应并泵送(7)所述砂浆(31)的系统。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述纤维(9)与所述砂浆(31)的粘附将这些纤维驱动到所述珠粒中。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述纤维(9)在用所述砂浆(31)挤出之前经受表面处理和/或机械处理。

11.根据权利要求1所述的方法，其中使用引入到所述砂浆(31)的中心部中的纤维(9)。

12.根据权利要求1所述的方法，其中使用引入到所述砂浆(31)的周边中的纤维(9)。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述纤维(9)选自包括由碳、金属、玻璃、玄武岩、聚合物整体或绞合制成的纤维的组。