CN115504719B - 一种用于3d打印建筑的水泥基材料配合比确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于3D打印建筑的水泥基材料配合比确定方法，属于3D打印技术领域，包括如下步骤：根据砂种类确定砂级配影响系数，并计算得到水灰比；基于水灰比，计算得到砂浆比；根据砂的稠度和最佳坍塌落度范围，得到不同稠度砂在最佳坍落度范围内的单位用水量；根据水灰比、砂浆比和单位用水量，计算得到单位水泥用量和单位砂用量；基于单位用水量、单位水泥用量和单位砂用量，得到初始水泥基准配合比；根据外加剂关键参数调整表优化初始水泥基准配合比，得到水泥基材料配合比；本发明解决了在3D打印建筑的水泥基材料配合比确定过程中试验次数过多和材料损耗过多的问题。

Description

一种用于3D打印建筑的水泥基材料配合比确定方法
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，尤其涉及一种用于3D打印建筑的水泥基材料配合比确定方法。
背景技术
3D打印建筑混凝土技术拥有高效率、数字化、环保性等诸多优势，同时具有广阔的应用前景，能够极大缩短工期建设周期、保证绿色环保施工、提升建筑结构可设计性，给土木工程行业带来了无限的可能性。
然而，3D打印建筑是一个全新领域，尽管国内外许多学者提出3D打印建筑材料性能测试方法，但在建筑行业内还没有可行的规范条例，目前对于3D打印混凝土的配合比设计大多基于多次试验而得。传统水泥建筑材料的设计、制备方法和相关理论存在部分不适用于新型建造方式，因此，需要迫切给出一种适用于3D打印的水泥基材料配合比计算方法，过多的配合比试验次数与材料损耗问题亟需得以解决。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种用于3D打印建筑的水泥基材料配合比确定方法综合考虑了砂石种类与需制备水泥基材料稠度及强度，初步确定水灰比、砂浆比和单位用水量，解决了在3D打印建筑的水泥基材料配合比确定过程中试验次数过多和材料损耗过多的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供一种用于3D打印建筑的水泥基材料配合比确定方法，包括如下步骤：
S1、根据砂种类确定砂级配影响系数，并计算得到水灰比；
S2、基于水灰比，计算得到砂浆比；
S3、根据砂的稠度和最佳坍塌落度范围，得到不同稠度砂在最佳坍落度范围内的单位用水量；
S4、根据水灰比、砂浆比和单位用水量，计算得到单位水泥用量和单位砂用量；
S5、基于单位用水量、单位水泥用量和单位砂用量，得到初始水泥基准配合比；
S6、根据外加剂关键参数调整表优化初始水泥基准配合比，得到水泥基材料配合比。
本发明的有益效果为：本发明提供的一种用于3D打印建筑的水泥基材料配合比确定方法，从需制备的3D打印水泥基材料稠度及强度出发，科学确定基准水灰比、砂浆比以及单位用水量，便于在此基础上进行调整优化，与常规设计3D打印混凝土方法相比，能够减少试验次数，降低成本和材料损耗；本发明提出外加剂关键参数调整表，在初始水泥基准配合比的基础上能够进行快速优化调整，便于实际应用时根据3D打印机喷头性能，提高其工作性能；本发明适用于建筑3D打印行业，根据原材料性能和需制备的混凝土强度进行计算，得到满足结构设计强度等级要求以及和易性要求的基准配合比。
进一步地，所述步骤S1中水灰比的计算表达式如下：
其中，W表示水，C表示灰，α表示第一水灰比拟合系数，β表示第二水灰比拟合系数，γ表示第三水灰比拟合系数，fcu表示混凝土配制强度，δ表示砂级配影响系数，fce表示水泥28d抗压强度。
采用上述进一步方案的有益效果为：提供水灰比计算方法，通过对不同种类砂的砂级配影响系数的调整，计算得到对应种类砂的水灰比，为得到砂浆比提供基础。
进一步地，所述步骤S2中砂浆比的计算表达式如下：
其中，S表示砂，x表示砂浆比第一拟合系数，y表示砂浆比第二拟合系数，z表示砂浆比第三拟合系数。
采用上述进一步方案的有益效果为：提供砂浆比的计算方法，基于水灰比进行拟合得到砂浆比拟合系数，为计算得到单位用砂量，获取初始水泥基准配合比提供基础。
进一步地，所述步骤S3中砂的稠度包括粒径为0.25mm～0.35mm的细砂、粒径为0.35～0.5mm中砂和粒径大于0.5mm的粗砂；所述最佳坍塌落度范围为15cm～20cm；细砂在最佳坍落度范围内的单位用水量为340kg/m2，中砂在最佳坍落度范围内的单位用水量为320kg/m2，粗砂在最佳坍落度范围内的单位用水量为320kg/m2。
采用上述进一步方案的有益效果为：提供砂的稠度和和最佳坍塌落度范围，得到不同稠度砂在最佳坍落度范围内的单位用水量的对应关系，为得到单位水泥用量和单位砂用量提供基础。
进一步地，所述步骤S4中单位水泥用量的计算表达式如下：
其中，mc表示单位水泥用量，mw表示单位用水量。
采用上述进一步方案的有益效果为：提供单位水泥用量的计算方法，为得到单位砂用量提供基础。
进一步地，所述步骤S4中的计算表达式如下：
其中，ms表示单位用砂量。
采用上述进一步方案的有益效果为：提供单位砂用量的计算方法，为得到初始水泥基准配合比提供基础。
进一步地，所述步骤S6包括如下步骤：
S61、基于初始水泥基准配合比进行制备用于3D打印建筑的待用水泥基材料；
S62、判断待用水泥基材料是否需要调整流动度，若是则进入步骤S63，否则将待用水泥基材料作为目标水泥基材料，并进入步骤S66；
S63、判断待用水泥基材料是否需要提高流动度，若是则进入步骤S64，否则进入步骤S65；
S64、根据外加剂关键参数调整表向待用水泥基材料中添加减水剂或缓凝剂直至达到预设流动度，得到目标水泥基材料，并进入步骤S66；
S65、根据外加剂关键参数调整表向待用水泥基材料中添加早强剂直至达到预设流动度，得到目标水泥基材料，并进入步骤S66；
S66、根据目标水泥基材料，得到用于3D打印建筑的水泥基材料配合比。
采用上述进一步方案的有益效果为：提供根据外加剂关键参数调整表优化初始水泥基准配合比，得到水泥基材料配合比的方法，为初始水泥基准配合比制备材料更适用于3D打印建筑提供优化参数与方法。
附图说明
图1为本发明实施例中用于3D打印建筑的水泥基材料配合比确定方法的步骤流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，本发明提供一种用于3D打印建筑的水泥基材料配合比确定方法，包括如下步骤：
S1、根据砂种类确定砂级配影响系数，并计算得到水灰比；
所述步骤S1中水灰比的计算表达式如下：
其中，W表示水，C表示灰，α表示第一水灰比拟合系数，β表示第二水灰比拟合系数，γ表示第三水灰比拟合系数，fcu表示混凝土配制强度，δ表示砂级配影响系数，fce表示水泥28d抗压强度；
本实施例中，通过大量实验与拟合得到，第一水灰比拟合系数为-15.824，第二水灰比拟合系数为9.209，第三水灰比拟合系数为0.107，砂级配影响系数δ对应砂稠度为细砂时取值为0.95，对应砂稠度为中砂时取1，对应砂稠度为粗砂时取1.04；
S2、基于水灰比，计算得到砂浆比；
所述步骤S2中砂浆比的计算表达式如下：
其中，S表示砂，x表示砂浆比第一拟合系数，y表示砂浆比第二拟合系数，z表示砂浆比第三拟合系数；本实施例中砂浆比第一拟合系数x取值为-1.771，砂浆比第二拟合系数y取值为3.327，砂浆比第三拟合系数z取值为2.172；
S3、根据砂的稠度和最佳坍塌落度范围，得到不同稠度砂在最佳坍落度范围内的单位用水量；
所述步骤S3中砂的稠度包括粒径为0.25mm～0.35mm的细砂、粒径为0.35～0.5mm中砂和粒径大于0.5mm的粗砂；所述最佳坍塌落度范围为15cm～20cm；细砂在最佳坍落度范围内的单位用水量为340kg/m2，中砂在最佳坍落度范围内的单位用水量为320kg/m2，粗砂在最佳坍落度范围内的单位用水量为320kg/m2，如表1所示：
表1
S4、根据水灰比、砂浆比和单位用水量，计算得到单位水泥用量和单位砂用量；
所述步骤S4中单位水泥用量的计算表达式如下：
其中，mc表示单位水泥用量，mw表示单位用水量；
所述步骤S4中单位砂用量的计算表达式如下：
其中，ms表示单位用砂量；
S5、基于单位用水量、单位水泥用量和单位砂用量，得到初始水泥基准配合比；
S6、根据外加剂关键参数调整表优化初始水泥基准配合比，得到水泥基材料配合比；
所述步骤S6包括如下步骤：
S61、基于初始水泥基准配合比进行制备用于3D打印建筑的待用水泥基材料；
S62、判断待用水泥基材料是否需要调整流动度，若是则进入步骤S63，否则将待用水泥基材料作为目标水泥基材料，并进入步骤S66；
S63、判断待用水泥基材料是否需要提高流动度，若是则进入步骤S64，否则进入步骤S65；
S64、根据外加剂关键参数调整表向待用水泥基材料中添加减水剂或缓凝剂直至达到预设流动度，得到目标水泥基材料，并进入步骤S66；
S65、根据外加剂关键参数调整表向待用水泥基材料中添加早强剂直至达到预设流动度，得到目标水泥基材料，并进入步骤S66；
所示外加剂关键参数调整表如表2所示：
表2
其中，提高流动度为“+”，减小流动度为“-”。例如：当减水剂掺量从0.3％增加到0.4％时，相应时刻材料的流动度提高0.5cm；减水剂掺量从0.4％增加到0.5％时，相应时刻材料的流动度提高0.3cm；当减水剂掺量从0.5％增加到0.6％时，相应时刻材料的流动度增加0.1cm，而后再改变减水剂掺量流动性变化不明显，不予考虑，表2中掺量占比均以胶凝材料为基准；基于表2，根据3D打印机性能及喷头性质，在基础配合比上进行快速修正，优化水泥基材料的工作性能；
S66、根据目标水泥基材料，得到用于3D打印建筑的水泥基材料配合比。
本发明提供的一种用于3D打印建筑的水泥基材料配合比确定方法，从需制备的3D打印水泥基材料稠度及强度出发，科学确定基准水灰比、砂浆比以及单位用水量，便于在此基础上进行调整优化，与常规设计3D打印混凝土方法相比，能够减少试验次数，降低成本和材料损耗；本发明提出外加剂关键参数调整表，在初始水泥基准配合比的基础上能够进行快速优化调整，便于实际应用时根据3D打印机喷头性能，提高其工作性能；本发明适用于建筑3D打印行业，根据原材料性能和需制备的混凝土强度进行计算，得到满足结构设计强度等级要求以及和易性要求的基准配合比。
实施例2
在本发明的一个实用实例中，本发明以稠度为2.5的天然砂与P.O42.5普通硅酸盐水泥作为原材料进行配合比设计，混凝土配置强度为60Mpa；
天然砂粗细按细度模数分为4级，粗砂：细度模数为3.7～3.1，平均粒径为0.5mm以上；中砂：细度模数为3.0～2.3，平均粒径为0.5～0.35mm；细砂：细度模数为2.2～1.6，平均粒径为0.35～0.25mm；特细砂：细度模数为1.5～0.7，平均粒径为0.25mm以下；特细砂成本过高且不适于本方案实施；
天然砂细度模数为2.5，属于中砂，取其砂级配影响系数为δ＝1；混凝土配制强度fcu＝60Mpa，水泥28d抗压强度fce＝44.6Mpa；根据砂种类确定砂级配影响系数，并计算得到水灰比：
基于水灰比，计算得到砂浆比：
本实施例中砂浆比第一拟合系数x取值为-1.771，砂浆比第二拟合系数y取值为3.327，砂浆比第三拟合系数z取值为2.172；
根据表1得到单位用水量为mc＝320kg/m3；
根据水灰比、砂浆比和单位用水量，计算得到单位水泥用量和单位砂用量；
单位水泥用量：
单位砂用量：
基于本试验所使用的3D打印机喷头性能和预打印效果，水泥基材料流动度在17cm时工作性能表现良好。经过试验表明，目前该配合比下的水泥基材料流动度为15.8cm，且需提高其早强性能和提高初凝时间；根据外加剂关键参数调整表，确定加入1.2％早强剂、0.3％缓凝剂以及0.4％减水剂；得到目标水泥基材料：28d抗压强度为63.1Mpa，流动度为17.3cm，其用于3D打印建筑的水泥基材料配合比(kg/m3)为mc:ms:mw＝241：173：64。

Claims (3)

1.一种用于3D打印建筑的水泥基材料配合比确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、根据砂种类确定砂级配影响系数，并计算得到水灰比；
S2、基于水灰比，计算得到砂浆比；
S3、根据砂的稠度和最佳坍塌落度范围，得到不同稠度砂在最佳坍落度范围内的单位用水量；
S4、根据水灰比、砂浆比和单位用水量，计算得到单位水泥用量和单位砂用量；
S5、基于单位用水量、单位水泥用量和单位砂用量，得到初始水泥基准配合比；
S6、根据外加剂关键参数调整表优化初始水泥基准配合比，得到水泥基材料配合比；
其中，所述外加剂关键参数调整表具体为：
其中，提高流动度为“+”，减小流动度为“-”，表中掺量占比均以胶凝材料为基准，当减水剂掺量为0.3％时，相应时刻材料的流动度为16.5cm，当减水剂掺量从0.3％增加到0.4％时，相应时刻材料的流动度提高0.5cm，当减水剂掺量从0.4％增加到0.5％时，相应时刻材料的流动度提高0.3cm，当减水剂掺量从0.5％增加到0.6％时，相应时刻材料的流动度增加0.1cm；
当早强剂掺量为0.6％时，相应时刻材料的流动度为17.5cm，当早强剂掺量从0.6％增加到0.9％时，相应时刻材料的流动度减少0.3cm，当早强剂掺量从0.9％增加到1.2％时，相应时刻材料的流动度减少0.2cm，当早强剂掺量从1.2％增加到1.5％时，相应时刻材料的流动度减少0.1cm；
当缓凝剂掺量为0.1％时，相应时刻材料的流动度为15.8cm，当缓凝剂掺量从0.1％增加到0.2％时，相应时刻材料的流动度提高1.0cm，当减水剂掺量从0.2％增加到0.3％时，相应时刻材料的流动度提高0.7cm，当减水剂掺量从0.3％增加到0.4％时，相应时刻材料的流动度增加0.2cm；
所述步骤S1中水灰比的计算表达式如下：
其中，W表示水，C表示灰，α表示第一水灰比拟合系数，β表示第二水灰比拟合系数，γ表示第三水灰比拟合系数，fcu表示混凝土配制强度，δ表示砂级配影响系数，fce表示水泥28d抗压强度；第一水灰比拟合系数为-15.824，第二水灰比拟合系数为9.209，第三水灰比拟合系数为0.107，砂级配影响系数δ对应砂稠度为细砂时取值为0.95，对应砂稠度为中砂时取1，对应砂稠度为粗砂时取1.04；
所述步骤S2中砂浆比的计算表达式如下：
其中，S表示砂，x表示砂浆比第一拟合系数，y表示砂浆比第二拟合系数，z表示砂浆比第三拟合系数；砂浆比第一拟合系数x取值为-1.771，砂浆比第二拟合系数y取值为3.327，砂浆比第三拟合系数z取值为2.172；
所述步骤S3中砂的稠度包括粒径为0.25mm～0.35mm的细砂、粒径为0.35～0.5mm中砂和粒径大于0.5mm的粗砂；所述最佳坍塌落度范围为15cm～20cm；细砂在最佳坍落度范围内的单位用水量为340kg/m2，中砂在最佳坍落度范围内的单位用水量为320kg/m2，粗砂在最佳坍落度范围内的单位用水量为320kg/m2；
所述步骤S6包括如下步骤：
S61、基于初始水泥基准配合比进行制备用于3D打印建筑的待用水泥基材料；
S62、判断待用水泥基材料是否需要调整流动度，若是则进入步骤S63，否则将待用水泥基材料作为目标水泥基材料，并进入步骤S66；
S63、判断待用水泥基材料是否需要提高流动度，若是则进入步骤S64，否则进入步骤S65；
S64、根据外加剂关键参数调整表向待用水泥基材料中添加减水剂或缓凝剂直至达到预设流动度，得到目标水泥基材料，并进入步骤S66；
S65、根据外加剂关键参数调整表向待用水泥基材料中添加早强剂直至达到预设流动度，得到目标水泥基材料，并进入步骤S66；
S66、根据目标水泥基材料，得到用于3D打印建筑的水泥基材料配合比。
2.根据权利要求1所述的用于3D打印建筑的水泥基材料配合比确定方法，其特征在于，所述步骤S4中单位水泥用量的计算表达式如下：
其中，mc表示单位水泥用量，mw表示单位用水量。
3.根据权利要求2所述的用于3D打印建筑的水泥基材料配合比确定方法，其特征在于，所述步骤S4中单位砂用量的计算表达式如下：
其中，ms表示单位用砂量。
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