CN108274583A - 基于3d打印技术制混凝土断裂性能测试试件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于3D打印技术制混凝土断裂性能测试试件的方法，具体步骤：（1）制作试件模具的3D模型；（2）采用水溶性材料HIPS打印出3D模型，得到模具；（3）制作混凝土试件；（4）混凝土试件脱模：混凝土试件初步成型后，将混凝土试件与模具整体浸入溶解液中，直至模具溶解，脱模后，对初步成型的混凝土试件进行养护，最终得到具有带高仿真裂缝的混凝土试件。该方法采用3D打印快速成型技术（即以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术），将真实裂缝先转化为数字模型，之后通过数字技术材料打印机打印出带裂缝的试件模具，以实现裂缝的模拟。

Description

基于3D打印技术制混凝土断裂性能测试试件的方法

技术领域

本发明涉及一种3D打印快速成型技术，尤其是一种基于3D打印技术制混凝土断裂性能测试试件的方法。

背景技术

传统强度理论忽略了材料实际存在的微裂缝与缺陷，因而往往只能假定材料是均质连续的。因此微观上，材料其实都是带裂缝工作的，而不是理想化的。为弥补这种理论上与实际中的不严谨，断裂力学由此而生。随着断裂力学的进展以及工程中对混凝土带裂缝状态下工作性能的研究的迫切性增强，对混凝土的断裂性能的研究也而越来越深入。

当前，为方便对混凝土断裂性能测试，往往采用直接拉伸法、楔入劈拉法、紧凑拉伸法，以及国际材料与结构实验室联合会推荐采用“三点弯曲法”来测试混凝土的断裂韧度等等断裂性能。然而由于对比试验研究需存在不变量与变量，而在工程现场找到各种裂缝与缺陷全部或部分相同的混凝土样本做试件基本是不可能的，故无论采用上述哪种方法，其对应的试验试件都只能通过预制模拟裂缝来获取带裂缝的试件。但是这种模拟裂缝是极其理想化的，存在以下两个不足：

第一、模拟裂缝模拟出的往往是局部的条数有限的且形状规则的裂缝，但不能全面精确地模拟出试件中存在的所有的真实的裂缝。

第二、传统的模拟裂缝的方法，一般是预埋法与锯割法。这些方法往往很难做出对微裂缝，内部裂缝等等实际中常见的裂缝的模拟。此外，由于预埋与锯割有很大的人为因素，故很难保证制作的同组试件裂缝完全相同。无法做到试件标准化会对试验研究的严谨性产生影响。

由于当前模拟裂缝的局限性，通常只能局部地研究混凝土试件的断裂性能。因此，为了能够整体地、全面地、更真实地模拟出带裂缝的混凝土试件以提升混凝土断裂的研究广度和深度，混凝土断裂性能试验研究领域迫切需要一种比较完善的制作带裂缝混凝土试件的方法。虽然国内外已有建筑3d打印混凝土的技术，似乎可以直接打印出带裂缝混凝土试件，但是考虑到当前国内外水泥基建筑3D打印材料主要原料是由快硬硫铝酸盐水泥和矿物掺合料组成的复合胶凝材料,以及尾矿机制砂,通过添加复合调凝剂和复合体积稳定剂等制备而成的。这种打印材料需要满足该材料在管道内和喷头内自由流动而不堵塞管道和喷头，故其原材料和质量要求与传统混凝土大相径庭，也就是说3d打印混凝土只是广义上的混凝土，而不是普通水泥混凝土。因此直接用3d打印制备出的混凝土试件并不具备混凝土断裂性能研究上的普遍性。

为此，本发明则从另一个思路出发即：即利用3d打印技术打印出混凝土试件的模具。此外，为便于脱模，本发明引入一种水溶性材料HIPS做模具的打印材料，使得脱模时模具在柠檬烯下可自行溶解，以保证带裂缝混凝土试件顺利完整地脱模。

发明内容

针对上面现有的模拟裂缝技术的不足，本发明提供了一种基于3D打印技术制混凝土断裂性能测试试件的方法，该方法采用3D打印快速成型技术，以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，将真实裂缝先转化为数字模型，之后通过数字技术材料打印机来实现裂缝的模拟。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于3D打印技术制混凝土断裂性能测试试件的方法，具体包括如下步骤：

(1)制作试件模具的3D模型

根据研究需求，由所需混凝土试件中裂缝的形态和分布，包括裂缝的大小、倾角、分布情况，模拟制作试件模具的3D模型；

(2)打印3D模型的模具

采用水溶性材料HIPS打印出3D模型的模具；

(3)制作混凝土试件

对模具内腔进行润滑油涂抹，然后按混凝土试件的配比将配制好的混凝土分三次倒入模具，每倒入一层，稍微振捣，再继续倒入，最后抹平，置于振动台震荡5s，放置于平地处静置48h后，待混凝土试件在模具内固化初步成型；

(4)混凝土试件脱模

混凝土试件初步成型后，将混凝土试件与模具整体浸入溶解液中，直至模具溶解，脱模后，对初步成型的混凝土试件进行养护，最终得到具有带高仿真裂缝混凝土试件。

所述模具内腔涂抹润滑油的次数为1-2次，涂抹的润滑油的厚度为0.4-0.6mm。

脱模时，所用溶解液为柠檬烯或含有柠檬烯的洗碟精。

本发明的有益效果是：

1.本发明与传统裂缝模拟方法相比，最突出的优点就是将由数字技术建立的带高仿真裂缝混凝土试件的计算机模具模型直接打印出模具成品，并由此制作出带裂缝混凝土试件。该试件上模拟出的裂缝无需进一步机械加工，在细节上可全方面地模拟真实裂缝，从而极大提高了试件制作效率与精度，并进而满足试件断裂性试验要求的严密性。

2.本发明所述的方法可以做到现阶段的带裂缝混凝土试件制作技术所做不到的裂缝模拟上的精确性、全面性与仿真性，不光可以做到微小裂缝的模拟，并且提高了试件制作的标准化进而保证了以后试验研究的严谨。

3.本发明将3D打印技术应用于用于制备具混凝土断裂性能测试试件。通过计算机3D模型制作出试件的模具，该模具可完整表现所制的混凝土断裂性能测试试件中裂缝的大小、倾角和分布情况。同时，该模具具有一定强度，在混凝土振捣时能够维持其稳定的形状与位置，保证制成的混凝土试件的标准化。

4.本发明所涉及的3D打印以水溶性材料HIPS为打印原材料，传统的3d打印模具往往采用的是以PLA、PVA为等材料打印材料，这些材料在水泥砂浆干燥成型的过程中易与水泥砂浆发生粘接，干燥完成后粘接较为牢固，使得成型的试样不能有效脱模，此外由于带裂缝混凝土试件模具中形成裂缝的模具部分内腔形状不规则，故而即使采用润滑油也几乎不可能顺利脱模。而本发明通过采用水溶性HIPS塑料打印制备试样的模具，然后利用柠檬烯溶解掉水溶性的HIPS塑料制成的模具。本发明采用融化模具的方法除去模具，可以最大完整地保全试件。最为值得注意的是，本发明脱模虽然涉及到化学脱模，但脱模剂柠檬烯属于一种功能单萜材料，是一种无毒无腐蚀性的天然材料，对所制的混凝土试件不产生任何力学性能上的影响，且对水溶性材料具有溶解效率极高的优点。使用该种材料，不仅有效脱模，还能最大程度地保全试件。

5.3D打印得到的模具，在使用前，还需对模具内腔进行润滑油涂抹。润滑油涂抹有助于水溶性HIPS塑料不产生微小粘连。

附图说明

图1是基于3D打印技术的混凝土断裂性能测试试件模具的成品示意图。

具体实施方式

下面对本发明进行进一步说明：

本发明的一种基于3D打印技术制混凝土断裂性能测试试件的方法，具体包括如下步骤：

第一步、模拟带裂缝的混凝土中裂隙的形态和分布，包括裂隙的大小、倾角、分布情况等，确定用于制作试样模具的3D模型。建模选用的AutoCAD版本为2018最好，该版本的软件在三维建模方面功能全面，2016-2017这两个版本也可以，试样的规格依据中华人民共和国国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》(gb/t 50081-2002)中的有关规定：试件采用标准三点弯曲梁试件，试件尺寸l×b×h＝400mm×100mm×100mm。

第二步，将该3D模型通过3D打印得到模具，采用水溶性材料HIPS，即抗冲击性聚苯乙烯塑料，打印用于模具。采用的3D打印机打印方式为熔融堆积，即通过分层、层层堆叠的方式制作样本，所以对于打印的层厚需要进行设定，过薄会导致打印时长增加，而过厚的层厚会影响到模型精度，建议选择层厚为0.15mm。打印后的模具为无盖空心柱体，由附图1可见，内有裂缝模瓣。其具体尺寸为：

(1)外部尺寸：440mm×140mm×120mm；

(2)内部尺寸：400mm×100mm×100mm。

第三步、模具打印完成后，紧接着，就进入试件的制作。对模具内腔进行润滑油涂抹，建议控制涂抹的润滑油的次数为1-2次，2次为最佳。涂抹的润滑油的厚度可以控制在0.4-0.6mm左右，0.5mm为最佳。接着按试件配比将配制好的混凝土分三次倒入模具，每倒入一层，稍微振捣，再继续倒入，最后抹平，置于台式振动台震荡5s左右，放置于平地处静置。48h后，试件在模具内固化成型，形成初具形状的试件。混凝土断裂性能试验试件所用的材料可采用以下各项材料：水泥采用42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料使用最大粒径20mm的石灰石碎石；细骨料采用细度模数2.8的普通江砂；高效减水剂的掺量为水质量的1％；加入适量日常饮用水。混凝土拌合物采用搅拌机拌和。

第四步、紧接着，将初步固化成型的模具带混凝土试件浸入柠檬烯(Limonene)中，将水溶性的模具溶解。试件由此完整脱模。柠檬烯的用量以能完全溶解水溶性材料及保证完全浸入模具来定尺寸，根据本案的模具大小，溶解单位模具所需柠檬烯溶剂的用量建议为12000ml。容纳柠檬烯的容器内部大小尺寸建议为500mm×200mm×500mm。脱模时，用以溶解模具的柠檬烯也可以换用含有柠檬烯的洗碟精。

第五步、试件一旦完全脱模，立刻将新脱模的试件用清水冲洗干净，接着对试件进行养护，即在标准条件下(20±3℃的温度，相对湿度90％以上)中养护28d，最终得到试件成品。

Claims (3)

1.一种基于3D打印技术制混凝土断裂性能测试试件的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

（1）制作试件模具的3D模型

根据研究需求，由所需混凝土试件中裂缝的形态和分布，包括裂缝的大小、倾角、分布情况，模拟制作试件模具的3D模型；

（2）打印3D模型的模具

采用水溶性材料HIPS打印出3D模型的模具；

（3）制作混凝土试件

对模具内腔进行润滑油涂抹，然后按混凝土试件的配比将配制好的混凝土分三次倒入模具，每倒入一层，稍微振捣，再继续倒入，最后抹平，置于振动台震荡5s，放置于平地处静置48h后，待混凝土试件在模具内固化初步成型；

（4）混凝土试件脱模

混凝土试件初步成型后，将混凝土试件与模具整体浸入溶解液中，直至模具溶解，脱模后，对初步成型的混凝土试件进行养护，最终得到具有带高仿真裂缝混凝土试件。

2.根据权利要求1所述的基于3D打印技术制混凝土断裂性能测试试件的方法其特征在于：所述模具内腔涂抹润滑油的次数为1-2次，涂抹的润滑油的厚度为0.4-0.6mm。

3.根据权利要求1所述的基于3D打印技术制混凝土断裂性能测试试件的方法其特征在于：脱模时，所用溶解液为柠檬烯或含有柠檬烯的洗碟精。