CN108303524B - 一种水下3d打印建筑砂浆性能的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水下3D打印建筑砂浆性能的测试方法，在水下进行3D打印建筑砂浆，得到打印构件，然后对打印构件的水下抗分散性、水下堆积性能及有效堆积高度进行检测。与现有技术相比，本发明可以满足水下3D打印建筑技术的研究需求，为水下3D打印建筑技术的应用积累经验和奠定基础。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，尤其是涉及一种水下3D打印建筑砂浆性能的 测试方法。
背景技术
3D打印技术是根据数字模型文件，通过材料的逐层堆积从而构筑物体的增材 制造技术。一般用于3D打印的材料以塑料和粉末金属为主，由于水泥基材料具有 良好的可塑性、较高的抗压强度以及良好的耐久性，也可作为3D打印材料，因此 3D打印技术也开始尝试应用于建筑领域。3D打印建筑技术与传统的建筑施工技术 不同，它不需要模板支撑，可根据设定的模型文件，快速打印出各种复杂的建筑构 件，使建筑物造型更加灵活，同时减少了劳动力和材料损耗，节省了时间和空间， 降低了建造成本。由于3D打印建筑技术的自动化和智能化程度高，可替代人工在 一些特殊环境中构筑建筑物，例如：在水下，以及高危、高污染等地区构筑建筑物 时，3D打印建筑技术具有传统施工建造技术不可比拟的优势。
随着人类活动空间的不断拓展，人们的生产活动范围也由陆地逐渐扩展至浅海乃至深海。海洋资源的开发利用，人工海岛、水下桥涵、隧道、海上钻井平台以及 水下工事的建设，都离不开水下建筑技术的不断完善和发展。传统上，水下工程建 设周期长、难度大、建造成本高，常见的水下工程施工技术可分为两种：一种是通 过修筑围堰后进行排水，从而形成无水或少水的施工环境，然后按照陆地施工方法 进行施工；另一种则是使用具有良好密封性的专用施工机具，把混凝土与水隔离， 将混凝土输送到水下工程的浇筑部位。然而这两种施工方法都存在着工程量大、工 期长、造价高、施工程序复杂、施工技术要求高等问题。即使是使用抗分散性能较 好、成本较高的水下不分散混凝土，也还存在着水下搭建浇筑模板的难题，并且很 大一部分工作需要由专业的潜水员来完成的施工技术限制。使用3D打印建筑技术， 并结合专用的水下3D打印建筑材料，为克服水下建筑施工存在的上述难题提供切 实可行的解决途径，拓展水下建筑的应用范围。
目前，水下3D打印建筑技术尚处于研究探索阶段，国内外尚无水下3D打印 建筑砂浆性能测试评价方法的相关研究报道，也无相关测试标准可供参考。水下 3D打印建筑砂浆不同于一般的3D打印建筑材料，除了要满足可泵性、可堆积性 和打印性等基本性能要求外，由于要在水下3D打印成型，还须具备良好的水下抗 分散性、水下可堆积性、适宜的强度和耐久性以及对环境水域无污染等多项性能。 因此，迫切需要针对水下3D打印建筑砂浆性能的测试评价方法以及测试装置，以 满足水下3D打印建筑技术的研究需求，为水下3D打印建筑技术的应用积累经验 和奠定基础。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种水下3D打印 建筑砂浆性能的测试方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种水下3D打印建筑砂浆性能的测试方法，在水下进行3D打印建筑砂浆， 得到打印构件，然后对打印构件的水下抗分散性、水下堆积性能及有效堆积高度进 行检测。
检测打印构件的水下抗分散性，包括对打印构件在打印前后的质量损失的检测及环境水pH值变化的检测。
质量损失的检测采用以下步骤：
(1)在容器中加入洁净自来水，在水下进行3D打印得到打印构件；
(2)将打印构件静置在水中2天，收集水中的打印分散物，擦干打印构件， 与分散物置于烘箱中，烘干温度控制在100-110℃烘至恒重，取出烘干后的构件以 及分散物，冷却至室温；
(3)以分散物与打印构件的质量比作为该打印构件的质量损失率Ms，质量损 失率按下式计算：
Ms：打印构件的质量损失率(％)；
M1：烘干的分散物的质量(g)；
M0：烘干的打印构件的质量(g)。
环境水pH值变化的检测采用以下步骤：
(1)在容器中加入洁净自来水，在水下进行3D打印得到空心打印构件，该 打印构件的高度大于水的深度；
(2)打印构件在水中静置5min，利用pH测试仪测试空心打印构件内水溶液 的pH值；
(3)测试打印完成后10min、20min、30min时空心打印构件内水溶液的pH 值。
检测打印构件的水下堆积性能采用以下步骤：
(1)在容器中加入洁净自来水，在水下进行3D打印得到两个打印层高的打 印构件；
(2)将打印构件在水中静置10min，然后排尽容器中的水，沿着打印构件的 长度方向每隔100mm测量一次打印的上下两层的宽度；
(3)测量至少5组宽度数据并计算宽度的算术平均值，计算打印砂浆形状稳 定性，按下式计算：
D：打印砂浆的形状稳定性(％)；
d1：上层打印层的宽度(mm)；
d2：下层打印层的宽度(mm)。
检测打印构件的有效堆积高度采用以下步骤：
(1)在容器中加入洁净自来水，将打印喷头伸入水下打印平台内，开始打印 第一层时，打印喷头距离打印平台的高度为h0mm，打印一层后高度提升至hmm，
(2)继续打印后续各层至最终堆积的试件坍塌为止，记录最终坍塌时试件的 打印层数n，
(3)重新开始打印，堆积n-2层；
(4)在完成n-2层打印后，测量打印构件的有效堆积高度，有效堆积高度的 评价方法如下：打印完成静置10min后，排尽平台内的水后，先测量打印构件的 最低高度h1与最高高度h2，取两者的算术平均值作为实际打印高度hS将打印高度 hS与理论堆积高度hL对比，其中理论堆积高度的计算公式如下：hL＝h0+h·(n-3)， 若|hL-hS|/hL·100％≤10％，则实际打印高度hS有效，试验重复打印三次，以三次 测试结果的平均值作为该砂浆的有效堆积高度。
与现有技术相比，本发明提出了水下3D打印建筑砂浆性能的测试方法，其测 试结果可为水下3D打印建筑砂浆材料的研究和性能的评价提供理论依据，也可为 水下3D打印建筑设备的研制和水下3D打印成型工艺的改进提供技术参考，填补 了目前水下3D打印建筑砂浆性能测试方法的空白。
附图说明
图1为pH测试的结构示意图；
图2为堆积性能测试平台的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。 这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
水下3D打印建筑砂浆的性能主要涉及到水下抗分散性，水下堆积性能以及形 状稳定性。
水下抗分散性测试方法
以打印前后打印构件的质量损失、环境水的pH值变化来衡量水下3D打印建 筑砂浆的抗分散性。
(a)质量损失
在长为400mm，宽300mm，高300mm，壁厚3mm的硬质透明容器中加入洁 净自来水至深度为200mm，设置好打印构件的程序，在水下打印长度为100mm， 高20层(打印喷头直径dmm，第一层打印高度h0mm,此后提升高度为hdmm)的 构件，整个打印过程中须确保打印出料及打印结束时余料切断及时，不得洒落打印 材料在容器中。打印构件在水中静置2d后，用干净毛刷将打印构件上的分散物刷 入打印容器中，过滤剩下的水中分散物并用玻璃皿收集起来。再用毛巾擦掉构件表 面的水滴，然后将其与过滤得到的分散物一起放入烘箱，在105±5℃的温度下烘至 恒重。取出烘干后的构件以及分散物，冷却至室温，分别称量其质量，精确至0.1g， 以分散物与打印构件的质量比作为该打印构件的质量损失率Ms，质量损失率按下 式计算得出：
式中，Ms——打印构件的质量损失率(％)；
M1——烘干的分散物的质量(g)；
M0——烘干的打印构件的质量(g)。
(b)pH值变化
在一内径为300mm，高300mm，壁厚2mm的硬质透明圆柱容器中加入洁净 自来水至深度为200mm，设置好打印构件的程序，在水下打印长100mm，宽100mm 的空心柱体，且打印高度高出水面两个完整打印层的构件(打印喷头直径dmm， 第一层打印高度h0mm,此后提升高度为hdmm)，打印结束后及时切断余料。待打印 构件打印完成且静置5min后，用pH测试仪测试打印的棱柱体构件四壁包围起来 的内部水溶液的pH值，精确至0.01，之后分别测试打印完成后10min、20min、 30min时的pH值，测试示意图见图1。以打印棱柱体构件四壁所包围的内部水溶 液的pH值变化评价其抗分散性。
实施例2
水下堆积性能是评价水下3D打印建筑砂浆可建造性的重要指标，可通过水下 有效堆积高度来表征，堆积高度越高，则堆积性能越好。测试水下3D打印建筑砂 浆堆积性能时，须对3D打印机的打印头等浸水部分进行必要的防水处理，或使用 专用的水下3D打印机。
水下3D打印建筑砂浆水下堆积性能测试装置见图2，该测试装置包括一台适 用于水下3D打印建筑砂浆的打印机及其控制设备，一个可提供模拟水下打印环境 的开顶箱式平台，该平台以透明有机玻璃制成,长1000mm，宽1000mm，高640mm， 壁厚3mm，平台的一侧面开有两个出/进水口，直径为15mm，相距600mm。底部 出水口可排空平台中的水(打印时处于关闭状态)，上侧出水口可使平台中的水位 在打印过程中保持恒定，两个出/进水口旁标有刻度(单位：mm)，方便观察平台 内的水位变化。
对于某一配比的水下3D打印建筑砂浆，测试其水下堆积性能前，应先测试该 打印砂浆的水下打印形状稳定性，形状稳定性是表征水下3D打印建筑砂浆经泵送 挤出后在逐层打印堆叠过程中下层材料在上层材料挤压以及水压下的形状变化以 及打印层的稳定性。其测试方法如下：先将平台内加入洁净自来水至深度为 600mm，再把打印机搅拌泵及输送管道通水润湿，把搅拌好的打印材料装入搅拌 泵，开启搅拌泵，待打印材料经过输送管道从打印喷头均匀连续挤出后，启动打印 机，载入编好的测试水下3D打印建筑砂浆形状稳定性的程序。打印长600mm，两 个打印层高的条形构件，打印完成后立即切断余料。静置10min后，排尽打印平 台内的水，沿着打印构件的长度方向每隔100mm测量一次打印的上下两层的宽度， 精确至0.1mm，分别以测量得到的5组数据的算术平均值作为上下两层的打印宽 度值，并观察上下两个打印层表面是否出现裂纹、断料，若出现明显裂纹或者断料 则表明该打印砂浆形状稳定性较差，其打印宽度值无效。在两个打印层表面完整， 打印层连续且无裂纹的状况下，其有效打印宽度为上下两层打印层平均宽度的算术 平均值，并计算打印砂浆形状稳定性，该打印砂浆的形状稳定性按下式计算：
式中，D——打印砂浆的形状稳定性(％)；
d1——上层打印层的宽度(mm)；
d2——下层打印层的宽度(mm)。
实施例3
对满足水下3D打印建筑砂浆水下堆积性能的打印砂浆，可进一步测试其水下 有效堆积高度，其测试方法如下：先在平台内加入洁净自来水至深度为600mm， 再将打印机搅拌泵及输送管道通水润湿，把搅拌好的打印材料装入搅拌泵，开启搅 拌泵，待打印材料经过输送管道从打印喷头均匀连续挤出后，启动打印机，载入编 好的测试水下3D打印建筑砂浆水下堆积性能的程序。打印机执行打印命令，打印 头伸入水下打印平台内，开始打印第一层时，打印喷头距离打印平台的高度为 h0mm，打印长度为200mm的线条后，提升hmm，打印第二层，直至最终堆积的 试件坍塌为止，记录最终坍塌时试件的打印层数n，并在此基础上，重新开始打印， 堆积n-2层即可，整个打印过程中打印试件须处于水下。
在完成n-2层打印后，须测量打印构件的有效堆积高度。有效堆积高度的评价 方法如下：打印完成静置10min后，排尽平台内的水后，先测量打印构件的最低 高度h1与最高高度h2，取两者的算术平均值作为实际打印高度hS，即hS＝(h1+h2)/2； 并将打印高度hS与理论堆积高度hL对比，其中理论堆积高度的计算公式如下：hL＝ h0+h·(n-3)。若|hL-hS|/hL·100％≤10％，则实际打印高度hS有效，否则该打印高 度无效，即有效堆积高度为0。试验重复打印三次，以三次测试结果的平均值作为 该砂浆的有效堆积高度，精确至1mm。
实施例4
以下结合具体实验数据，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
水下3D打印建筑砂浆配比见表1，外加剂掺量均为水泥的质量百分比，细集 料为石英砂，骨胶比为1.5，硅灰掺量为5％，矿粉掺量为20％。
表1水下3D打印建筑砂浆的配比
(1)水下抗分散性能：
在长为400mm，宽300mm，高300mm，壁厚3mm的硬质透明容器中加入洁 净自来水至深度为200mm，设置好打印构件的程序，搅拌好打印材料后，在水下 打印长度为100mm，高20层(此处所用打印喷头的直径为12mm，第一层打印高 度为8mm,此后提升高度为7.5mm)的构件，整个打印过程中须确保打印出料及打 印结束时余料切断及时，不得洒落打印材料在容器中。打印构件在水中静置2d后， 用干净毛刷将打印构件上的分散物刷入打印容器中，过滤剩下的水中分散物并用玻 璃皿收集起来。再用毛巾擦掉构件表面的水滴，然后将其与过滤得到的分散物一起 放入烘箱，在105℃的温度下烘干至恒重。取出烘干后的构件以及分散物，冷却至 室温，分别称量其质量，测得的水下3D打印建筑砂浆的质量损失率见表2。
表2水下3D打印建筑砂浆的质量损失率
以同一配比的砂浆，测试其水下打印前后pH值变化：在一内径为300mm，高 300mm，壁厚2mm的硬质透明圆柱容器中加入洁净自来水至深度为200mm，设置 好打印构件的程序，在水下打印长100mm，宽100mm的空心柱体，且打印高度高 出水面两个完整打印层的构件(此处所用打印喷头的直径为12mm，第一层打印高 度为8mm,此后提升高度为7.5mm)，打印结束后及时切断余料。待打印构件打印 完成且静置5min后，用pH测试仪测试打印的棱柱体构件四壁包围起来的内部水 溶液的pH值，测试结果见表3。
表3水下3D打印建筑砂浆的pH
(2)水下堆积性能：
先在平台内加入洁净自来水至深度为600mm，再把打印机搅拌泵及输送管道 通水润湿，把搅拌好的打印材料装入搅拌泵，开启搅拌泵，待打印材料经过输送管 道从打印喷头均匀连续挤出后，启动打印机，载入编好的测试水下3D打印建筑砂 浆形状稳定性的程序。打印长600mm，两个打印层高的条形构件(此处所用打印 喷头的直径为12.0mm)，打印完成后立即切断余料。静置10min后，排尽打印平 台内的水，沿着打印构件的长度方向每隔100mm测量一次打印的上下两层的宽度， 试验测得的水下3D打印建筑砂浆的形状稳定性见表4,试验中观察发现3种配比的 水下3D打印建筑砂浆打印层表面均完整、连续，没有裂纹和断料情况发生。
表4水下3D打印建筑砂浆的形状稳定性
以上述同一配比的砂浆测试其水下打印堆积性能，测试方法如下：在模拟水下 打印的试验平台中，先加水至600mm，使箱内水面与上侧出水口平齐，确保在打 印过程中平台的水面高度保持不变。打印机的管道及搅拌泵通水润湿后，加入新拌 的水下3D打印建筑砂浆，待打印砂浆能从打印头均匀、连续挤出后，启动打印机 中设置好的测试水下堆积性能的打印程序命令，打印机移动到水下打印平台的指定 位置。打印机进入水下后移动到打印平台指定位置后执行打印程序命令，开始打印 第一层时，打印喷头距离打印平台的高度为8.0mm(此处所用打印喷头直径为 12.0mm)，打印长度为200mm的线条后，提升7.5mm，打印第二层，继续打印长 度为200mm的线条后，提升7.5mm，打印第三层······直至最终堆积的试件坍塌为 止，记录最终坍塌时试件的打印层数n，并在此基础上，重新开始打印，堆积n-2 层即可，整个打印过程中打印试件须处于水下，打印完成且静置10min后，排尽 平台内的水，先测量打印构件的最低高度h1与最高高度h2，并计算理论堆积高度 hL，试验测得的水下3D打印建筑砂浆的堆积性能见表5。
表5水下3D打印建筑砂浆堆积性能
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改， 这并不影响本发明的实质内容。
Claims (2)
1.一种水下3D打印建筑砂浆性能的测试方法，其特征在于，该测试方法包括：首先采用水下3D打印建筑砂浆进行水下3D打印，得到打印构件，之后对打印构件的水下抗分散性、水下堆积性以及有效堆积高度进行检测；
(1)水下抗分散性的检测方法包括：
检测打印构件在打印前后的质量损失，以及打印构件所包围环境水pH值的变化；
1)打印构件在打印前后质量损失的检测方法包括：
A1，在容器中加入洁净自来水，采用水下3D打印建筑砂浆进行水下3D打印，得到打印构件；
A2，将打印构件在水中静置2天，收集水中的打印分散物，擦干打印构件并与打印分散物置于烘箱中烘至恒重，将烘干后的打印构件与打印分散物取出，并冷却至室温；
A3，以打印分散物与打印构件的质量比作为该打印构件的质量损失率Ms，并按照下式进行计算：
式中，Ms：打印构件的质量损失率，单位为％；M1：烘干后打印分散物的质量，单位为g；M0：烘干后打印构件的质量，单位为g；
2)打印构件所包围环境水pH值变化的检测方法包括：
B1，在容器中加入洁净自来水，采用水下3D打印建筑砂浆进行水下3D打印，得到空心打印构件，该空心打印构件的高度大于水的深度；
B2，将空心打印构件在水中静置5min，利用pH测试仪测试空心打印构件内水溶液的pH值；
B3，分别测试打印完成后10min、20min、30min时空心打印构件内水溶液的pH值；
(2)水下堆积性的检测方法包括：
C1，在容器中加入洁净自来水，采用水下3D打印建筑砂浆进行水下3D打印，得到两个打印层高的打印构件；
C2，将打印构件在水中静置10min，然后排尽容器中的水，并沿着打印构件的长度方向每隔100mm测量一次打印构件中上下两层的宽度；
C3，测量至少5组宽度数据并计算宽度的算术平均值，之后按照下式计算水下3D打印建筑砂浆的形状稳定性；
式中，D：打印砂浆的形状稳定性，单位为％；d1：上层打印层的宽度，单位为mm；d2：下层打印层的宽度，单位为mm；
(3)有效堆积高度的检测方法包括：
D1，在容器中加入洁净自来水，将打印喷头伸入水下打印平台内，开始打印第一层时，打印喷头距离水下打印平台的高度为h0mm，打印一层后高度提升至h mm；
D2，继续打印后续各层至最终堆积的试件坍塌为止，记录最终坍塌时试件的打印层数n；
D3，重新开始打印，堆积n-2层；
D4，在完成n-2层打印后，测量打印构件的有效堆积高度，有效堆积高度的评价方法如下：打印完成并静置10min后，排尽水下打印平台内的水，并测量打印构件的最低高度h1与最高高度h2，取两者的算术平均值作为实际打印高度hS，将实际打印高度hS与理论堆积高度hL对比，其中理论堆积高度的计算公式如下：hL＝h0+h·(n-3)，若|hL-hS|/hL·100％≤10％，则实际打印高度hS有效，试验重复打印三次，以三次测试结果的平均值作为该打印构件的有效堆积高度。
2.根据权利要求1所述的一种水下3D打印建筑砂浆性能的测试方法，其特征在于，步骤A2中，烘箱的烘干温度控制在100-110℃。
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