3D打印可冲刷水泥基材料建造及力学性能EI北大核心CSCD

针对混凝土结构复杂构件的3D打印需求,提出了通过可冲刷模板与现有常规3D打印混凝土组合打印来实现空间结构造型的技术,并基于3D打印可冲刷水泥基材料四面体性能机制模型和层次分析法优化了可冲刷模板设计流程.通过分析硫氧镁水泥中吸水性树脂(SAP)与高岭土掺量对水泥基材料力学性能、可打印性、可建造性和可冲刷性的影响规律,设计出具有良好流动性,适宜可打印性和稳定可建造性的硫氧镁水泥3D打印可冲刷模板.采用数字图像相关方法(DIC)来动态监测打印成型阶段的条带层叠时随变形,建立了可冲刷模板条带层叠时随变形对数模型,为3D打印复杂空间结构建造提供技术支撑.     

3D打印混凝土工作及力学性能研究进展

3D打印混凝土因具有无模化、智能化施工的显著优势,应用潜力巨大,已逐渐成为世界各地快速上升的研究热点。目前国内外研究人员已对其工作性能和力学性能展开了研究,前者主要包括流动性、可挤出性和建造性能,后者主要包括抗压强度、抗折强度和层间粘结强度。为此基于国内外3D打印混凝土的研究现状,首先对其工作性能和力学性能展开具体评述,着重介绍了现阶段对此采取的研究方法和获得的研究成果;然后概述了3D打印混凝土在性能研究和实际应用中存在的主要问题,同时针对其普遍存在的抗拉强度低和延性不足问题总结和分析了目前的解决方法,并指出未来的研究方向,有助于推动3D混凝土打印技术的研究和应用。     

混凝土3D打印材料的性能与评价方法

3D打印技术的关键在于打印材料的性能,要求其具有良好的流动性、可塑性、挤出性、建造性且凝结时间可调,从而实现可连续打印、无坍塌;同时,还要求其硬化后具有较高的力学性能,以保证打印构建能承受自重及抵抗外力冲击。本文针对混凝土打印材料的性能及评价方法进行总结和分析,为混凝土3D打印技术的后续研究提供参考,并指出混凝土3D打印技术存在的挑战和未来的研究方向。     

建筑3D打印胶凝材料工程性能评价体系研究

在相关研究的基础上归纳总结了建筑3D打印胶凝材料的工程性能，包括可打印性、力学性能等，其中，可打印性包括流动性、可挤出性、可建造性、凝结时间、一次打印长度、挤出形态质量等；力学性能包括抗折强度与抗压强度。此外，选取可打印性与力学性能所包含的指标作为影响因子，利用层次分析法确定了因子权重，提出了因子赋值标准及评价结果分级标准，建立了建筑3D打印胶凝材料的工程性能评价体系，并设计正交试验计算性能指标值，对材料的工程性能进行了评价，可为3D打印胶凝材料工程性能相关研究提供参考。     

3D打印建筑砂浆流变性与打印性能及其相关性

3D打印建筑砂浆的打印性能受其流变性能的影响,基于自制的3D打印设备和提出的3D打印建筑砂浆挤出性能与打印性能的测试评价方法,对3D打印建筑砂浆的流变性能、打印性能以及凝结时间的试验结果进行汇总分析,结果表明:具有良好打印性能的3D打印建筑砂浆须具有适宜的流变性能以及合适的凝结时间;可挤出性是实现3D打印堆积过程的前提,随着打印砂浆挤出性能的增加,打印高度有降低的趋势;可打印砂浆的流变性能处在一定的参数范围内,其范围为:表观黏度在4.0~7.0 Pa·s之间、屈服应力在50~80 Pa之间,触变性在900~2000 Pa/s之间。     

快硬早强混凝土3D打印施工方法及应用

建筑3D打印技术对混凝土的性能要求主要是快硬早强。结合实际打3D打印混凝土应用技术,对适合于建筑3D打印的快硬早强混凝土的工作性能、凝结时间、力学性能提出了参数指标。通过研究混凝土的3D打印工艺、配合比设计和施工流程,对3D打印混凝土的施工方法进行了阐述。利用工业型3D打印机实现快硬早强打印混凝土在建筑构件、房屋的应用。     

3D打印水泥基材料性能评价方法研究

3D打印混凝土作为一种新型混凝土,其性能设计不再趋同于传统混凝土。分析了现有检测方法表征3D打印性能的弊端,提出了一种新的3D打印性能测试方法,并通过对比试验探索材料的3D打印性能影响规律,验证新评价方法的可行性。     

3D打印混凝土材料制备方法研究

3D打印混凝土是一项新的基于增材制造成型工艺的建造技术。混凝土材料能否保持连续、均匀的可挤出性,保持足够的层间黏结性以及拥有足够的强度去支撑后打印层的可塑造性,是实现混凝土3D打印的关键。另外,在处理打印混凝土后期强度以及耐久性等问题时,材料的选择与匹配是打印结果的直接影响因素。以满足3D混凝土技术要求的胶凝材料、骨料、矿物掺合料、纤维材料及外加剂等原材料的选择与优化为研究对象,并针对其配合比设计方法进行性能分析,为实现混凝土打印和性能控制提供理论支撑。     

基于BIM技术的智能化混凝土浇筑工艺研究

根据3D建筑打印技术、BIM技术、智能化升降爬架等新兴技术,结合我国建筑发展的需要,提出基于BIM技术的智能化混凝土浇筑工法概念。对智能化混凝土浇筑设备进行智能化的技术集成,该集成系统由智能化操控系统、控制系统、运动系统、挤出系统等模块组成,分析了各系统模块组成和功能,并展开智能化混凝土浇筑工法的关键技术分析。     

混凝土建筑3D打印计算机模拟研究综述

总结了国内外混凝土建筑3D打印计算机模拟研究现状,介绍了计算机模拟技术在建筑3D打印性能以及流动性、堆积性和形态检测中的应用情况,并对计算机模拟技术在建筑3D打印中的应用进行了展望。     

起始点逐层等角度移动时3D打印混凝土圆管可连续打印高度

为研究 3D 打印混凝土圆管可连续打印高度随打印路径等参数变化的规律，开展了打印条带质量测试研究，确定了合适的混凝土材料配合比及打印速度；通过无侧限单轴抗压试验和直接剪切试验，研究了早龄期 3D 打印混凝土本构模型；设计了起始点沿周向逐层等角度移动时圆管的4种打印方案，完成了圆管连续打印高度的试验研究；采用生死单元法对打印过程中圆管的受力进行了有限元模拟。结果表明：建立的基于摩尔库伦屈服准则的早龄期 3D 打印混凝土本构模型与试验数据吻合较好；采用 120°等角度移动方案的圆管可连续打印层数最多，为 24 层，较起始点不移动的方案提高了50%；提出的考虑每层条带结合处薄弱特性的有限元建模方法较为准确，模拟得到的圆管变形、失效模式等结果与试验结果吻合较好，可连续打印层数的模拟相对误差在10%以内。     

3D打印混凝土工作性及可建造性测试与评价方法

介绍了目前国内外关于3D打印混凝土工作性能及可建造性测试与评价方法的研究。基于作者对3D打印混凝土的研究经验,提出3D打印混凝土的工作性能、可建造性能、流变性能的测试与评价方法,可为3D打印混凝土的制备和性能评定提供参考。     

PP纤维对混凝土3D可打印性和力学性能的影响

分析了聚丙烯(PP)纤维掺量和长度对拌和物流动性和流变性的影响,研究了不同打印喷头直径、打印层高下,PP纤维对拌和物挤出性和建造性的影响,探讨了PP纤维3D打印混凝土吸水率、抗压强度和抗折强度的性能特征。结果表明:掺入PP纤维对拌和物的流动性、流变性、挤出性有负面影响,但有利于建造性;当PP纤维掺量为0.6%、长度为9 mm时,试件的抗折强度提升了80.8%;综合可打印性、力学性能和实例验证,当打印喷头直径为20 mm、打印层高为8 mm、PP纤维掺量和长度分别为0.6%、9 mm时,PP纤维3D打印混凝土的各项性能最佳。     

Continuous printed height of 3D printing concrete circular tube with equiangular movements of starting point

为研究 3D 打印混凝土圆管可连续打印高度随打印路径等参数变化的规律，开展了打印条带质量测试研究，确定了合适的混凝土材料配合比及打印速度；通过无侧限单轴抗压试验和直接剪切试验，研究了早龄期 3D 打印混凝土本构模型；设计了起始点沿周向逐层等角度移动时圆管的4种打印方案，完成了圆管连续打印高度的试验研究；采用生死单元法对打印过程中圆管的受力进行了有限元模拟。结果表明：建立的基于摩尔库伦屈服准则的早龄期 3D 打印混凝土本构模型与试验数据吻合较好；采用 120°等角度移动方案的圆管可连续打印层数最多，为 24 层，较起始点不移动的方案提高了50%；提出的考虑每层条带结合处薄弱特性的有限元建模方法较为准确，模拟得到的圆管变形、失效模式等结果与试验结果吻合较好，可连续打印层数的模拟相对误差在10%以内。     

影响黏土3D打印性能的主要参数研究

针对影响以黏土作为原材料的小尺寸3D打印性能的主要参数(包括含水率、打印线速度和打印层高)进行了全面研究,并通过试验确定在不同条件下黏土浆体的打印性能,包括浆体流动性、可挤出性、可堆积性等。试验首先研究3D打印系统中挤出压力与浆体挤出速率的关系,根据二者关系调节气泵压力来控制挤出速率。分别改变黏土含水率、打印线速度、打印层高等影响参数,进行黏土的3D打印,并对打印试件进行流变试验,观察试件的成型情况,测量打印试件的相对偏差,分别用于评估黏土浆体的流动性、可挤出性和可堆积性。结果表明:最适合3D打印的黏土含水率为34%～35%,相比于黏土的液限高出3%～4%; 最佳打印线速度为4～5.5 mm·s^-1; 最佳打印层高为1.4～1.8 mm,约为喷嘴直径的1倍～1.3倍; 打印参数的设置既要考虑打印材料的特性,又要考虑打印系统的特点,各参数取值还应当受质量守恒定律的约束; 进行黏土3D打印试验时,在确定打印机喷嘴尺寸后,应当率先确定黏土的含水率,随之确定打印系统的线速度、层高、挤出速率和挤出压力等参数。     

纤维掺量对速凝3D打印水泥基材料力学各向异性的影响

结合自主研发的物料搅拌和挤出同时进行的3D混凝土打印机（搅拌-挤出-体化打印机），实现了速凝玄武岩纤维改性水泥基材料的3D打印。以水平打印层为XY平面，进行试验测试3D打印混凝土在X、Y、Z方向的抗压、抗弯力学性能，并分析其力学各向异性规律。研究结果表明：在满足打印性能的要求下，玄武岩纤维的掺量范围为0～2.0%，掺量为1.5%时打印材料力学性能最优；随着纤维含量的增加，材料呈现力学各向异性趋势增大；沿X方向加载的打印试样抗压强度最高；沿Y方向加载的打印试样抗折强度最高。     

混凝土3D打印质量影响因素及控制方法

为更好地控制混凝土3D打印构件的成型质量,从构件造型实现程度、成型精度、表面纹理质量、力学性能、非薄壁构件的填充质量等方面介绍了混凝土3D打印质量评价指标。结合混凝土3D打印技术流程,研究了影响3D打印质量的主要因素,如打印材料、打印设备、控制系统、切片及路径规划算法、控制参数、打印环境条件等。并针对主要影响因素,采用定性分析与理论分析相结合的方法,提出了其相应的质量控制方法。     

3D打印混凝土技术的研究现状与发展趋势

三维(3D)打印混凝土技术因数字化、自动化、智能化程度高等优势成为智慧建造的主要手段。介绍混凝土3D打印技术的基本原理和相关工艺,然后对3D打印混凝土材料性能需求、硬化混凝土力学性能、混凝土钢筋布置技术、结构层次受力性能和建造实例等方面的国内外研究现状进行对比分析和国内外混凝土3D打印设备调研总结。最后,对3D打印混凝土技术的研究进行了展望,包括:含粗骨料的混凝土3D打印、打印混凝土配合比设计、组合布筋技术、混凝土3D打印技术适用性分析、现场组装式打印设备和平台集成等方面。     

3D打印建筑砂浆的工作性和可建造性及其影响因素

研究了聚合物、矿物掺和料、骨料等对3D打印建筑砂浆的可挤出性、出料连续性、堆积性能以及层间衔接性能的影响。结果表明:不掺聚合物或乳胶粉(FX)、塑化剂(KHC)单掺及两者复掺时3D打印建筑砂浆的挤出性较差,掺加保塑剂(HMC)有利于打印砂浆的挤出,HMC与FX复掺可进一步改善打印砂浆的挤出性能。掺加复合矿物掺和料,采用合适的骨料,且HMC、FX和KHC同时掺加时,打印砂浆具有良好的挤出性能、出料连续性、较小的塑性变形,实现了较大的有效堆积高度。采用优化配比打印的建筑构件,层间衔接良好,无宏观缺陷。打印砂浆的工作性、可建造性与其流动度或容重没有必然关系,传统的砂浆流动性无法有效表征3D打印砂浆的工作性。     

3D打印混凝土相关性能研究进展

从流动性、黏结强度、凝结时间、纤维增强等方面概括了目前3D打印混凝土的研究进展,分析了外加剂、骨料级配和特殊材料应用于改善3D打印混凝土流动性的现状;总结了3D打印混凝土层间黏结强度的不足及改善措施;从外加剂和水泥的选择上探讨了3D打印混凝土凝结时间的控制方案,分析了纤维用于3D打印混凝土中的优势以及特殊性;结合现状对3D打印混凝土未来研究方向进行了展望。