喷嘴行进速度及高度对3D打印混凝土力学性能影响的试验

为研究喷嘴行进速度、喷嘴高度等打印参数对3D打印混凝土力学性能的影响,制备了相同配合比的浇筑试块和不同打印参数组合下的打印试块,通过混凝土立方体抗压试验、棱柱体轴心抗压试验和立方体劈裂抗拉试验,考察了其受力破坏过程和破坏形态,分析了喷嘴行进速度、喷嘴高度对3D打印混凝土力学性能的影响,得到了3D打印混凝土轴心受压应力-应变曲线,建立了3D打印混凝土各强度之间的关系。结果表明：3D打印混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度均随喷嘴行进速度的加快、喷嘴高度的升高而降低,且喷嘴高度对强度的不利影响强于喷嘴行进速度;在较优打印参数组合下,打印试块的抗压强度高于浇筑试块,但因打印试块存在层间粘结弱面,其劈裂断面在其层间界面处,致使断面明显平滑,劈裂抗拉强度低于浇筑试块;通过回归分析,建立了3D打印混凝土各强度与打印参数间的函数关系及轴心抗压强度、劈裂抗拉强度与立方体抗压强度之间的换算关系。     

面向水下智能建造的3D打印混凝土配合比优化研究

随着陆地资源紧缺,水下建造成为工程开发的必经之路.现阶段水下混凝土的研究较为系统,尚无针对水下3D打印混凝土的研究见诸报道.水下智能建造可数字成型、免模施工,有利于推动深地深海工程的发展,3 D打印混凝土为其核心技术.目前面向水下混凝土和陆地3D打印混凝土的设计方法尚未综合考虑水下智能建造工艺和服役环境的特殊性.因此,本工作根据力学性能、可打印性能、水下工作性能建立了水下3D打印混凝土配合比优化设计流程,针对水胶比、矿粉掺量、砂胶比、细骨料级配、絮凝剂掺量、触变剂掺量等材料参数开展序列化试验设计和试验研究.结果表明:成型后混凝土28 d抗压强度随水胶比、矿粉比例和砂胶比等参数的增长呈现降低趋势,其中水胶比影响最显著,其次为矿粉比例,砂胶比和絮凝剂掺量对材料强度的影响较小.基于试验数据和鲍罗米公式提出了具有较高拟合精度的水下3D打印混凝土配合比设计模型.综合考虑打印成型混凝土强度和水下不分散性确定絮凝剂最佳掺量为胶凝材料质量的2％.确定流动度在165～190 mm范围可保障水下打印建造,基于DIC监测信息以砂胶比、触变剂掺量以及细骨料级配为基本变量建立3D打印混凝土建造期竖向变形时变预测模型,可用于水下3D打印混凝土建造稳定性控制.本工作首次面向水下智能建造建立了3D打印混凝土配合比优化设计流程,提出了水下3D打印混凝土强度设计模型和建造期竖向变形预测模型,为水下智能建造提供理论依据和工程借鉴.优化后水下打印成型混凝土28 d抗压强度达到55 MPa,水陆强度比达到93.9％,可满足水下智能建造结构的性能要求.     

碳纳米管对3D打印混凝土流变性能及力学性能的影响

碳纳米管(MWCNTs)是一种性能优良的纳米材料，将其掺入3D打印混凝土(3DPC)中不仅会对基体内部微裂纹的生成和扩展以及3D打印混凝土的宏观力学性能产生显著影响，而且会影响新拌3D打印混凝土的流变性能。为了明确碳纳米管对3D打印混凝土性能的影响，通过设置六种碳纳米管掺量(0%、0.01%、0.02%、0.05%、0.08%、0.1%),研究了碳纳米管的掺量对3D打印凝土流变性能及力学性能的影响，并基于SEM测试结果进行了微观分析。研究结果表明：随着碳纳米管掺量的增加，3D打印混凝土的流动度逐渐下降，静态屈服应力、动态屈服应力逐渐增加。各龄期的抗折强度均随着碳纳米管掺量的增加而增大。随碳纳米管掺量的增加，3D打印混凝土的抗压强度先增大后减小，当碳纳米管掺量为0.05%时，其抗压强度最大。SEM结果显示，碳纳米管可以起到桥接和填充作用，能与基体紧密连接，阻止3D打印混凝土内部微裂缝和孔洞的生成与扩展，在较低掺量(不超过0.05%)下即能显著改善3D打印混凝土的微观结构。     

一种基于原位浸渍工艺的基质自适应挤出方法

为提高纤维增强复合材料的3D打印工件的强度,减少连续路径下熔融长丝制造产生的过填充和欠填充,本文提出一种基于沉积间距的基质自适应进给量的共挤出控制与优化方法。实验证明：该方法可实现不同路径下的基质挤出量自适应调节,减少打印件的孔隙率,提高力学强度;与普通共挤出方法相比,孔隙率降低了54.4%,强度提高了18%;适用于任意连续填充模式的模型,提高了纤维增强打印件的质量,避免了填充不均匀导致的结构破坏。     

3D打印再生粗骨料混凝土抗冻性能试验研究

3D打印技术在建筑领域得到显著发展,为解决混凝土3D打印行业实现可持续发展。通过对再生粗骨料(RCA)取代率为0%、50%、100%的3D打印试件和铸模试件进行抗冻性能研究,结合3D打印再生粗骨料混凝土(3DPRAC)界面过渡区的电镜扫描分析其劣化成因。结果表明,在前200次冻融循环中RCA的掺入并没有明显降低3D打印混凝土的质量和动弹模量;在600次冻融循环后RCA为100%掺量的3D打印再生混凝土抗冻性能表现优于RCA掺量为50%。基于3D打印再生混凝土逐层堆叠的建造特点,提出了3DPRAC孔隙区域集中分布模型,揭示了3DPRAC冻融损伤劣化机理。建立的冻融损伤模型能够较好地反映3DPRAC抗冻性能变化规律。     

基于打印头温度场模拟的织物打印工艺与性能

根据打印头尺寸和材料的热物性参数建立喷头传热模型,利用Solidworks Simulation插件对一定载荷温度条件下稳态传热进行了有限元分析,得到喷头打印稳态温度场。根据有限元分析结果并结合打印实验分析了基础组织(平纹、2/1右斜、5/3经面缎纹)结构的打印织物对其力学性能的影响。结果表明:小截面织物组织中浮长线越长,聚乳酸(PLA)材料本身性能利用率越高,成型质量佳,5/3经面缎纹织物的力学性能表现优异;交织点越多,结构发挥的效果越佳,平纹织物综合力学性能仅次于缎纹,斜纹织物力学测试性能最差;同时实验观察发现,打印层与层界面瞬态温度和层高对打印织物性能及外观也有影响,指明了存在的问题和进一步研究的方向。     

粉煤灰掺量对轻烧氧化镁基制备3d打印用磷酸镁水泥性能的影响

以实现轻烧氧化镁为原料制备低碳磷酸镁水泥材料的3d打印为目标,采用自主研发的混搅挤功能一化建筑3d打印设备,探究了不同粉煤灰掺量对以轻烧氧化镁为基制备磷酸镁水泥材料性能与打印性能的影响规律,并结合XRD与SEM微观试验进一步分析粉煤灰对其水化产物及晶体样貌的影响。结果表明：与重烧氧化镁相比,由轻烧氧化镁制备磷酸镁水泥的凝结时间大幅缩短;粉煤灰的加入对材料凝结时间影响较小,均在2～3 min左右,但对抗压强度与界面粘结强度有负面影响,当粉煤灰掺量为磷酸镁水泥质量的30%时,抗压强度及界面粘结强度分别下降约34.24%、48.94%;粉煤灰掺量在20%以内时,可有效改善轻烧氧化镁基磷酸镁水泥材料的干缩率,提高体积稳定性;粉煤灰中的活性物质参与水化反应,生成的水化产物与磷酸镁水泥展现出良好的化学相容性,使结构内部更为密实;当粉煤灰掺量为20%～25%时,制备的3d打印用轻烧氧化镁基磷酸镁水泥具有良好的工作性能、体积稳定性能、挤出性能以及建造性能,且满足3d打印对水泥基材料的力学要求。     

考虑过渡区界面影响的混凝土宏观力学性质研究

混凝土材料的宏观力学特性及破坏机理由其细观组分来决定,界面过渡区是影响混凝土断裂破坏路径及宏观力学特性的重要因素。认为界面过渡区是区别于远处砂浆基质的一层含较高孔隙率的近场砂浆材料,采用“两步等效法”得到了混凝土细观单元的等效本构关系模型。最后基于细观单元等效化方法分析了在单轴拉伸、单轴压缩及弯拉载荷条件下混凝土试件的破坏过程及宏观力学性质,探讨了界面过渡区对混凝土力学特性的影响,并与随机骨料模型分析结果进行了对比。结果表明:界面相的存在对混凝土的弹性模量、强度及残余强度等力学性质有很大影响,在对混凝土宏观力学特性及细观断裂破坏过程进行研究时不可忽略其影响。     

三维立体打印织物的制备及其拉伸性能

将3D打印技术引入到纺织技术应用领域,生产三维立体打印织物。利用自主设计的3D打印机,通过Solidworks三维建模、模型分层处理、生成扫描路径逐层打印堆积成型的过程试织了平纹结构的三维立体织物试样,并从经向方向测试了其拉伸力学性能。试验结果表明:三维立体打印织物与普通织物类似,试样在拉伸初始阶段属于力学高模量区,经向伸长缓慢。三维立体打印织物的拉伸破坏过程不是同时发生,首先在织物熔融凝结固着点的最弱处断裂,应力集中后结构遭到破坏,试样断裂。     

骨料粒径对混凝土劈拉性能及尺寸效应影响的细观数值研究

混凝土材料宏观力学行为的非线性及尺寸效应根源于其内部组成的非均质性。考虑材料细观结构非均质性的影响,建立由骨料颗粒、砂浆基质和界面过渡区组成的混凝土细观尺度力学模型。对尺寸为150 mm、250 mm、350 mm和450 mm的混凝土立方体模型劈裂抗拉破坏行为进行细观数值模拟,探讨骨料粒径（最大粒径分别为:10 mm、20 mm、30 mm和40 mm）的影响机制,并与试验结果进行对比分析。结果表明:1） 混凝土材料的劈裂抗拉强度随着骨料粒径增大而略微降低,最大骨料粒径达到30 mm左右时,强度降低趋势变缓;2） 四种骨料粒径下混凝土立方体劈裂抗拉强度均存在尺寸效应现象,相比于大骨料试件,小骨料试件的破坏更具脆性,因而其尺寸效应更显著;3） 混凝土劈裂抗拉强度尺寸效应行为与 Ba?ant和Weibull提出的尺寸效应理论相吻合。     

3D打印UHPC的制备和力学性能试验研究

混凝土材料的制备和性能优化是3D打印(3DP)智能建造技术的关键和核心.研发3D打印超高性能混凝土(3DP-UHPC)可促进该技术的推广应用.超高性能混凝土(UHPC)属胀流型流体,在挤压作用下会发生剪切增稠现象,不利于3D打印成型.本工作提出应用化学促凝和物理絮凝协调控制的水泥基复合材料改性方法,优化硫铝酸盐水泥、纤维素和黏土复掺比例,促进UHPC胀流型流体向宾汉姆流体的逐渐改变,制备3D打印UHPC材料.测试打印材料的抗压、抗拉、抗弯等基本力学性能,分析其微观形貌.结果表明:调整促凝/絮凝(A/F)比例有助于优化UHPC的3D可打印性,提高UHPC的力学性能.当硫铝酸盐水泥替代普通硅酸盐水泥的质量分数为10％时,流动度控制在180～200 mm范围内,A/F比例满足相应的3D可打印性能要求.3DP-UHPC的抗压强度为129.6 MPa,抗弯强度为16.3 MPa,抗拉强度为4.6 MPa,极限拉伸率为1.2％.打印工艺有利于钢纤维形成定向分布,益于改善UHPC的韧性.     

爆破冲击荷载作用下宏观孔隙混凝土损伤演化的近场动力学模拟

针对静载、冲击荷载条件下宏观孔隙混凝土的孔隙参数对混凝土损伤演化过程的影响问题,采用MATLAB程序结合蒙特卡罗方法生成随机的孔隙结构物理模型,通过自编近场动力学程序模拟了单轴压缩下宏观孔隙混凝土的应力应变过程,并制备了以聚苯乙烯小球高温融化为孔隙体的混凝土砂浆试件,对宏观孔隙率0%～40%的混凝土试件进行了单轴压缩,实验验证了模型计算结果的准确性,随后模拟了爆破冲击作用下宏观孔隙混凝土的裂纹萌发与扩展。结果表明：孔隙率对宏观孔隙混凝土材料力学性能的影响显著,随着孔隙率的增加,试样的密度、抗压强度、弹性模量以及纵波波速不断降低,当孔隙率达到30%后,孔隙率对轴线抗压强度影响减弱,并且出现峰前应力跌落现象。孔隙率为零的混凝土试样在无围压冲击荷载作用下具有明显的压剪破坏形式,而含孔隙的混凝土由于大量的孔隙存在导致孔隙间混凝土骨架的拉伸或剪切贯通破坏。在相同冲击荷载下不同孔隙率混凝土的破坏情况不同,孔隙率大的孔隙混凝土试样破坏严重,表明孔隙率对冲击载荷作用下混凝土试件能量耗散起着重要作用。     

3D混凝土打印进程中柱壳结构的力学性能研究

3D混凝土打印(3DCP)技术由于其快速制造的优势，在过去几十年里得到了迅速的发展。然而，在印刷过程中仍有许多问题需要解决，例如：目前的相关研究尚未建立能准确预测与分析3DCP圆柱壳的力学模型。该文利用Goldenveizer-Novozhilov壳体理论，加入打印进程参数，包括打印速率、打印材料固化特征、柱壳几何特征、以及自重作用影响，对3DCP圆柱壳的两种破坏机理：弹性屈曲和塑性破坏进行了分析，并在此基础上描述了柱壳形直立墙弹性屈曲与塑性坍塌间的竞争关系。参数模型、有限元模拟与已有相关试验的对比结果表明：该文提出的模型可以较好地预测3DCP圆柱壳的失效高度与失效形式，并为找寻最佳打印参数集给予理论指导。     

建筑3D打印用胶凝材料及其相关性能研究进展

3D打印是一种基于数学模型利用机械设备增材制造的快速成型技术。近年来,3D打印在建筑行业得到快速发展。相对于传统成型工艺,建筑3D打印技术具有无需模板支撑、施工方便、设计自由度高等优点,因此受到了全世界研究人员和学者的广泛关注。当前,普通硅酸盐水泥、快硬早强型特种水泥、复合型普通水泥、碱激发胶凝材料及石膏基胶凝材料等五大类胶凝材料在3D打印中已得到了一定的应用,但仍然存在不少问题。例如,一方面,与传统泵送混凝土不同,3D打印混凝土需要较快的凝结时间和强度发展速率来满足层间结构的压力,而普通硅酸盐水泥长达45 min的初凝时间和不迟于360 min的终凝时间无法满足打印构件层间作用力快速增长的要求;另一方面,水泥基3D打印胶凝材料的构件层间抵抗弯矩、剪力的能力不足。碱激发胶凝材料应用于3D打印主要存在凝结时间难以调控、体积收缩率大、容易产生开裂等问题。而石膏基胶凝材料存在耐水性差等问题。因此,对3D打印胶凝材料的开发与调控仍是很长一段时间内3D打印建筑研究的重点之一。与此同时,3D打印技术在建筑行业应用的缺点也很突出:3D打印过程中无模板支撑,以逐层叠加的方式成型,一方面,无法直接添加钢...     

HB-CSA与膨胀剂对3D打印混凝土收缩开裂性能的影响

3D打印材料因连续挤出的工艺要求,受限于喷嘴的尺寸,制备时一般使用细骨料.细骨料比表面积大,包裹骨料所需浆体多,造成胶凝材料占比高;无模逐层堆积建造的固有流程,提高了打印材料的水分蒸发速率,导致3D打印水泥基复合材料具有较高的收缩和开裂风险.为此,通过复掺高贝利特硫铝酸盐水泥(HB?CSA)和UEA膨胀剂制备低收缩3D打印水泥基复合材料,测试评估其可打印性、力学性能和收缩开裂性能.结果表明,单掺5％(质量分数,下同)的HB?CSA时,3D打印水泥基复合材料90 d的收缩率可降低约8％,早期开裂面积下降约35％,且流动度为190 mm,初凝时间为45 min,满足3D打印挤出工艺要求;5％的HB?CSA和10％的UEA膨胀剂复掺时,所制备材料90 d的收缩率可降低约30％,早期开裂面积下降约33％.     

全球3D生物打印技术概况

一、人人都是发明家 3D打印技术被称为“桌面上的创意工厂”。先用相关软件将产品图纸转化为3D图像数据并上传电脑，放入相应的材料后，打印喷头就会根据图像数据逐层将东西打印出来，再堆叠在一起成为一个立体物品。     

薄膜电极3D打印设备的设计与实现

以黏稠状液体为打印材料,采用挤压式3D打印方式制造薄膜电极,搭建了适合薄膜电极打印的3D打印平台.选用可灵活更换针头型号的针筒来储存3D打印材料.设计了打印机机械结构、喷头和气动控制部分.通过试验确定材料的最佳配比,研究了针头在不同压力和起始高度下打印的效果.通过优化工艺参数进行热电池薄膜电极的成形试验,并采用光学显微镜对其打印表面进行了观测.结果表明,打印的薄膜可以很好地黏结在泡沫镍网上,所设计3D打印设备可用于制造薄膜电极.     

石墨烯/ABS 3D打印复合材料的制备与性能研究

采用气体驱动液相剥离法制备了石墨烯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)3D打印复合材料，测试了材料的力学性能和导电性能。结果表明：石墨烯的添加可以显著地提升3D打印耗材的拉伸强度、弹性模量及导电性；当石墨烯添加质量为4.8%时，复合材料的拉伸强度、弹性模量、最大拉力及电导率达到最大，分别为210MPa、5166MPa、0.4kN及4.46×10^-3S/m。     

基于电场驱动熔融喷射3D打印大面积聚甲基丙烯酸甲酯微结构制造方法

针对大面积聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微结构低成本制造的难题以及高分辨率PMMA成型的实际需求,提出一种基于电场驱动熔融喷射沉积3D打印实现大面积PMMA微结构高效低成本制造的新方法。通过高速摄像机实验观测和系列打印实验研究,揭示了主要工艺参数对于成型过程、打印分辨率、打印质量的影响和规律,优化的工艺参数范围为:电压1200～1300 V,气压3～10 kPa,打印高度200～400μm,打印速度5～20 mm/s,材料加热温度210～230℃。利用提出的新方法,结合优化出的工艺参数,采用内径250μm的喷嘴,实现了最小特征尺寸15μm、图形面积70 mm×70 mm大尺寸微模具以及高宽比达到9∶1大面积复杂微结构和组织工程支架的制造。     

GFRP筋与自密实混凝土黏结性能的试验研究

为了研究玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)筋与自密实混凝土(SCC)的黏结性能,制作了66个GFRP/SCC试件进行中心拉拔试验,研究SCC混凝土保护层厚度、GFRP筋直径和黏结长度以及SCC中添加纤维种类等因素对两者黏结性能的影响,并对试件的破坏形式进行分析。结果表明:试件主要出现了三种破坏形式,即劈裂破坏、拔出破坏、拔出带缝破坏;通过电镜扫描发现SCC浇筑方向对GFRP筋与SCC黏结界面的结构有一定影响,GFRP筋上部界面与SCC黏结更紧密。当SCC保护层厚度由4D增大至7D时,黏结强度提高了约44.05%;当GFRP筋黏结长度由5D增大至15D时,黏结强度降低了约65.43%;当GFRP筋直径由12 mm增大至16 mm时,黏结强度降低了约22.57%;SCC中添加聚丙烯纤维、钢纤维、聚丙烯纤维+钢纤维的试件黏结强度比不添加纤维的试件黏结强度分别提高12.80%、15.16%、15.09%。可以通过适当增加SCC保护层厚度、在SCC中添加纤维等措施来提高GFRP/SCC试件的黏结强度。